互动科普

爱因斯坦错了

撰文  JR·明克尔（JR Minkel）

翻译  谢懿

物理学家安东·蔡林格（Anton Zeilinger）也许不理解量子力学，但这并不妨碍他在量子领域取得成功。除了为基于量子效应的超级计算机和不可破解的密码奠定基础之外，这位62岁的奥地利人还有一个爱好：用惊人的方式拓宽量子力学奇异效应的极限。最近，他在加纳利群岛两个相距144千米的岛屿之间观测到了光子的量子纠缠现象（entanglement）。他还梦想将纠缠光束发射到人造卫星上，再反射回来。

任职于奥地利维也纳大学的蔡林格在量子纠缠方面取得的成果，令他蜚声国际，在报纸头条频频亮相。但鲜为人知的是，在用实验检验量子力学基本假设方面，蔡林格也取得了相当重要的进展。他的实验结果几乎肯定了这样一个结论——量子世界本身绝对是怪异的，以至于在接触了量子力学40年之后，他仍然在探索到底是什么造就了量子世界的神奇。蔡林格回忆说，身为学生的他第一次接触到量子力学时，立刻就得出了这个他认为是正确的结论（即量子世界本身就是怪异的），“不过没有人能够真正理解这一点”。

17年来，蔡林格的工作一直围绕着纠缠光束展开。如果两个粒子分享同样的量子状态，而且两个粒子的属性（比如位置或偏振，后者可以理解成粒子的某种空间指向）最初都不确定，那么这两个粒子就处于纠缠状态。如果对其中一个光子的偏振进行测量，它的偏振就会确定一个随机指向，比方说垂直偏振或者水平偏振。奇怪的是，另一个光子的偏振会一直与这个光子保持匹配。蔡林格形象地把这种纠缠粒子比喻成一对总是以匹配点数落地的骰子，他的研究小组还发明了一种测量纠缠偏振的通用工具。

同样神奇的是，对第一个光子的偏振所做的测量，会立即作用到第二个光子上，迫使它的偏振确定下来，取值恰好与第一个光子的偏振互补。哪怕这两个光子分别位于银河系的两端，这一改变也会在瞬间发生。对于量子物理学来说，宏观世界必须遵循的光速极限也不再是不可逾越的障碍了。

科学家们现在把量子纠缠视为一种信息处理的工具。一张由纠缠光子编织的“网络”可以让研究人员实现功能强大的量子算法，有能力破解目前最安全的密码信息，或者模拟分子进行药物或材料设计。在长达6年的时间里，蔡林格一直保持着纠缠光子最大数目的纪录——先是3个，后来是4个（2004年，另外一位研究人员把纪录提高到了5个，后来又刷新到6个，他原先也是蔡林格研究小组的成员）。1997年，蔡林格率先实现了量子态的隐性传输（quantum teleportation）：他令一个光子与一对纠缠光子之中的第一个光子纠缠在一起，使这个光子“克隆”了纠缠光子对中第二个光子的所有量子态。量子态的隐性传输可以让量子计算机中的信号保持“清洁”而不受干扰。

几年后，他的小组实现了对纠缠光子的信息编码，全世界仅有3个研究小组能够完成这一“高难度动作”。美国伊利诺伊大学的量子光学研究专家保尔·G·奎亚特（Paul G. Kwiat）说，尽管蔡林格不是第一个获得成功的人，但“他对精巧的实验具有独到的眼光，总能找到某种实验来传达他想要传达的意思”。奎亚特也曾是蔡林格研究小组的成员，现在则是蔡林格的合作伙伴。

“我研究物理的唯一理由是我喜欢基本问题，”蔡林格咬了一口涂满了奶酪和蜂蜜的百吉饼，口齿不清地说道。他是来美国丹佛市参加一次物理学会议的。他在会上向与会代表报告了他在加纳利群岛的两个岛屿[拉帕尔马岛（La Palma）和特内里费岛（Tenerife）]之间进行的纠缠光子实验。这一实验把加密纠缠信号的传输距离纪录整整拉长了10倍。

宽阔的脸庞，夸张的胡须，满头的卷发，外加一副椭圆形眼镜，让蔡林格看上去有点像狼，时刻准备着捕捉量子猎物。“我所做的一切都是为了寻找乐趣，”他笑着说。

证实量子力学的奇异本质也是他的乐趣之一。量子不确定性曾经深深地困扰着爱因斯坦，他认为量子理论是不完备的。他相信，就算我们无法同时测量一个粒子的全部属性，这个粒子在某一确定时刻，也应该处于某个确定的位置，拥有某些明确的性质，而且肯定接收不到超光速传播的信号。

爱斯坦因的观点将定域论（locality，即信号以光速传播，不能超光速传播）和实在论（realism，即粒子都拥有明确的性质，不论我们知不知道）结合在一起，来解释量子世界的奇异现象，认为所谓的“奇异”只是我们对量子世界还不完全了解的结果。但这种观点一直停留在理想实验或思维实验的阶段，无法用实际的实验加以验证。直到1964年，爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）终于从理论上证明，对纠缠粒子的测量可以用来判定量子力学与爱因斯坦的“定域实在论”（local realism）到底孰是孰非。

用光学实验检验贝尔定理，需要两个探测器快速切换方向，来测量纠缠光子对的偏振。从统计学上可以作出预言，按照爱因斯坦的观点，实验测得相关偏振的次数只能在全部测量次数中占有一个特定的比例。1982年的经典贝尔实验为未来的类似尝试奠定了标准。在那次实验中，法国物理学家测量到的相关偏振的比例大于爱因斯坦观点预言的比例，从而支持了量子力学，驳斥了爱因斯坦的定域实在论。

蔡林格在量子纠缠领域中的第一项开创性成果来自于理论方面，1989年，他参与提出了针对三个纠缠粒子的非统计学贝尔定理，后来被称为GHZ态[以三位发现者姓氏的首字母命名，另外两位科学家分别是美国纽约市立大学的丹尼尔·M·格林伯格（Daniel M. Greenberger）和美国马萨诸塞州阿斯顿市石丘学院（Stonehill College）的迈克尔·A·霍恩（Michael A. Horne）]。三位科学家设想，让三个纠缠光子的每一个都击中一个探测器，进而测得它的偏振指向。每个光子的偏振指向都只能二中选一，不是竖直—水平偏振，就是左旋—右旋偏振。原则上讲，探测器读数的4种组合可以使得一次观测就能判定量子力学和定域实在论的对错。

美国伊利诺伊大学的物理学家安东尼·J·莱格特（Anthony J. Leggett）评价说：“这是自贝尔的开创性成果以来，在判定量子力学和定域实在论对错方面取得的最大进步。”不过直到2000年，蔡林格才在现实中完成了GHZ实验。

而在此前一年（即1999年），蔡林格还改进了经典贝尔实验，使用两台精确的原子钟排除了两个探测器之间以光速比对观测记录的可能性，从而弥补了1982年法国实验中存在的一个理论漏洞（不过这个实验还存在其他漏洞）。

除了爱因斯坦的定域实在论以外，还存在其他一系列理论，认为纠缠光子拥有真实的偏振，但是会以超光速交换一些未知粒子。原则上讲，这些超光速理论可以完美地诠释量子的奇异特性，而且不会破坏世界的实在性。不过事实并非如此。几个月前，蔡林格公布了一种由莱格特设计的新型统计贝尔实验，恰好可以判断量子力学和这类理论究竟谁对谁错。实验结果只能用量子力学来解释，量子力学再下一城。

既然实在论不正确，又该用什么理论来替代它呢？这个问题让蔡林格想起了他最钟爱的幽默科幻小说——道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）的《银河系漫游指南》（Guide to the Galaxy）。在这本小说中，一台万能计算机经过漫长的计算，解答了有关生命、宇宙和万物的终极问题，给出的结果却是一个数字：42。因此，它的制造者又建造了一台更大的计算机来寻找这个问题本身。（作为一位航海爱好者，蔡林格把他的船命名为“42”号。）

如果量子不确定性真的像数字42那样不可思议，那么有什么办法可以让我们理解它呢？蔡格林猜测可能是信息。就像一个比特可以是0也可以是1，一个被测量的粒子可以出现在这里，也可以出现在那里。但是，如果一个粒子只携带一个比特的信息，那么在测量之前，它的位置就会毫无意义。

与爱因斯坦不同，蔡林格认为随机性就是现实的基石。不过他说：“我仍然不相信量子力学就是终极理论。我有一种感觉，如果能真正深入探究为什么大自然会拥有量子力学”——就像探寻为什么《银河系漫游指南》中终极问题的答案会是42一样——“我们也许就能超越现在的认识。这才是我所希望的”。到了那时，一切奇异效应都将变得可以理解。