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愛因斯坦錯了!2022物理諾獎公布,提及的貝爾不等式到底講了啥?

2024-07-29科學

導語

2022年諾貝爾物理學獎獲獎者分別是阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞瑟和塞林格,三位科學家以光子纏結實驗獲得諾獎。

而這項光子纏結實驗又被稱為「關於量子力學最偉大的爭論的最重要的實驗」,而這個論爭的背後是偉大的愛因斯坦。

愛因斯坦可是物理學界的泰鬥,他提出的相對論一度將牛頓力學的地位撼動。

有著「實驗」出真知的名言,既然上天又將諾貝爾獎金授予了物理學界當之無愧的實驗,愛因斯坦的量子巨輪也將徹底沈沒嗎?

愛因斯坦與波爾的爭論。

愛因斯坦於1920年曾說「我無法相信上帝是用骰子來創造這個宇宙的。」

他這句話表明了他對於量子力學的不服氣。

愛因斯坦認為量子力學並不是完備的,而量子力學則是由另一個量子物理學巨頭波爾所開創的。

愛因斯坦與波爾之間在量子力學的理解上存在分歧,這也是物理學界的最大爭論。

要說到底愛因斯坦又認為量子力學哪裏不完備呢?

主要體現在量子力學的不確定性和非定域性上。

而波爾卻認為量子力學是完備的,甚至還為量子力學建立起一套取適應力和有機功能的理論。

愛因斯坦與波爾之間在量子力學的爭論也非常激烈。

1927年在索爾維會議上,只有51歲的波爾卻引起了物理學界的關註。

這場會議不僅專門討論量子力學問題,而且還吸引了一些物理學家,如海森堡、薛定諤和狄拉克等,他們都渴望了解波爾的理論。

會議上,波爾發表了關於量子力學的無數問題,他在一定程度上還是當時物理學界的明星。

然而,作為物理學界的偉大科學家愛因斯坦,在會議上卻很少發言。

不過他這番沈默卻讓人猜起來了。

於是他就如同他所期待的,激烈的反對著量子力學的不確定性原理。

1928年,在一封致波爾的信件中,愛因斯坦將自己對量子力學的看法和觀點都列了出來,作品中主要集中在量子力學的不確定性原則上。

在信中提到的主要是EPR佯謬。

他認為量子力學是不完備的,這是因為量子力學並不能夠滿足現實的每一個條件。

並且還提出了「隱變量」的觀點,表明量子力學仍有完善的空間,現實中的事物在量子層面是完全確定的。

但這部份的確定性並不能在量子力學中體現出來,所以愛因斯坦認為還是有「隱變量」的存在。

貝爾不等式。

然而在物理學家中,EPR佯謬的出現也引起了廣泛的關註,於是愛因斯坦和波爾間的爭論也就從此展開。

然而在1935年,愛因斯坦和波爾便暫停了這場爭論,直到1952年,貝爾不等式的出現,令波爾和愛因斯坦的爭論又重燃了起來。

約翰·貝爾是一位愛爾蘭物理學家,他於1964年提出了著名的貝爾不等式。

貝爾不等式是對量子物理的實驗進行設計時所需要的數學公式。

然而,貝爾不等式的提出卻改變了眾多物理學家的觀點,因為貝爾不等式的結果其實是傾向於量子物理的,而不是經典物理的。

換言之,貝爾不等式強調了量子物理和經典物理之間存在著明顯的差異。

然而貝爾不等式並不是物理學家們所想象的那樣,他們認為經典物理顯然是完備的。

所以貝爾不等式的出現,為量子物理的實驗提供了理論基礎。

當貝爾不等式作為量子物理的實驗結果出現時,很多物理學家紛紛以為是量子物理學的又一個「勝利」,認為它支持了量子力學的正確性。

然而諾貝爾獎委員會卻並沒有考慮到這將會是一場關於量子物理的新探討。

於是貝爾不等式就成為了量子力學的「勝利工具」。

但在1990年,阿蘭·阿斯佩的量子實驗出來之後,諾貝爾獎之主也不得不開始正視量子物理和經典物理之間的真實差異。

由於阿蘭·阿斯佩在量子實驗中發現,光子隱含變量之間的關系並不符合貝爾不等式中的數學關系。

光子纏結實驗。

要進行光子纏結實驗,更加需要「偶然」的出現,因為光子粒子的產生本身就帶有隨機性。

1968年,阿斯佩在巴黎大學選定了一處熔融玻璃的地區進行光子實驗,在這個熔融玻璃中摻入了氫物質,透過加熱,使其能夠有規律的產生氫分子。

由於氫分子存在著一定不規律性,它們會偶然間打到熔融玻璃中,形成雙折射的晶體。

如果光子透過雙折射的晶體,就會產生非常明顯的光線偏轉性,而如果沒有光子打到其中,光線則正常。

這種偏轉現象就是光子纏結現象的體現。

為了有效地消除偏轉,阿斯佩就需要將兩台接收器分別放在兩台接收器的側面,分別是A和B。

當光子透過雙折射的晶體,打到A接收器時,會形成光線偏轉,而當打到B接收器時,則光線正常。

阿斯佩用這樣的方法分別進行了兩次實驗,第一次是將兩台接收器開啟,第二次是將一台接收器關閉觀察。

結果顯示,在任意一次的實驗中,兩台接收器的偏轉和不偏轉的光線是完全隨意的。

阿斯佩透過這兩次光子纏結實驗的成功,從而否定了貝爾不等式成立的必要性。

然而這一結果也間接證明了愛因斯坦的定域實在性並不成立。

2022年諾貝爾獎的頒發,阿斯佩、克勞瑟和塞林格三位獲獎者,是對他們辛辛苦苦的彪炳成果給予了積極的肯定,同時也讓公眾對量子力學有了更深入的了解。

結語

諾貝爾物理學獎的頒發不僅是對阿蘭·阿斯佩、約翰·克勞瑟和塞林格三位物理學家的成果進行了肯定,同時也使公眾對於量子物理學有了更深入的認識。

隨著科學技術的不斷進步,量子資訊科學的發展潛力巨大,或許會催生出新的技術革命。

愛因斯坦雖然是物理學界的巨頭,但他的觀點不一定是絕對正確的。

同時,貝爾不等式也並不能反映出量子物理的全面。

未來的科學研究將揭示出更多的未知領域和神秘現象。