愛因斯坦或許真的錯了,萬物是否存在取決於人類的觀測!
關於相對論與量子力學的論爭,長久以來一直是物理學界熱議的話題。兩次世界大戰的爆發,一度讓這場理論之爭暫歇,歐洲的戰火促使許多頂尖物理學家紛紛跨海前往美國。在堅實的經濟基石支撐下,美國科學界迎來了嶄新的發展機遇。
戰後,科學家們又重拾舊業,迫不及待將量子理論的應用拓展至原子領域。在瞭解了電子與光之間的相互作用之後,哲學層面的探討似乎變得微不足道,於是有關量子的哲學爭論漸次退居次席。
隨着量子力學對半導體本質的深入理解,我們步入了電子時代,它推動了激光的誕生,革新了通信方式,改進了醫療技術,並在核能領域實現了重要突破。量子力學的巨大成功使得大部分物理學家選擇忽略愛因斯坦的質疑。他們甚至自嘲道:“閉嘴,算就是了!”
儘管如此,量子力學的成功背後,是愛因斯坦與波爾關於量子世界本質的討論被擱置。在50年代邁向60年代的腳步中,一個孤獨的思考者,約翰-貝爾,決意要終結這個長久以來的論爭。
貝爾,這位在物理學界備受敬仰的英雄,對於量子世界是否只在被觀測時存在,或是否有更深層次的理論未被髮掘,抱有深深的困惑。他曾發出質疑:“量子力學可能錯了,但我相信它已經腐朽。”
20世紀60年代早期,貝爾着手解決量子力學核心的難題。他提出了一個天才般的實驗設想,或許是物理學史上難以理解卻又無比迷人的想法之一。
以撲克牌遊戲比喻,莊家代表神秘的量子,分發的牌象徵亞原子粒子。遊戲規則簡單,兩張同色牌即爲勝,反之則敗。而如果要讓莊家敗露,只需改變規則,讓不同色的牌贏得遊戲。
但邪惡的莊家總能勝出,兩張牌總是同色。顯而易見,莊家動了手腳,使得牌對他有利。
愛因斯坦相信在糾纏實驗中,莊家在出牌前就已設定好一切。波爾則認爲,在牌翻開前,紅黑之分並不存在。
貝爾的妙計在於,他先不讓莊家知道他要玩的遊戲規則,直到發完牌再告知。這樣,莊家就無法預先做手腳,他的勝率不再是百分之百。
這個遊戲揭示了貝爾實驗的核心。如果遊戲結果我輸我贏各半,意味着愛因斯坦是對的,莊家只是個擅長欺詐的高手。但如果我總是輸,那隻能表明沒有常規解釋可行,每張牌能跨越時空秘密通訊,我們所知的一切在這面前顯得無足輕重。因此,在量子領域,現實或許是無法認知的。
貝爾將他的想法轉化爲簡單的數學方程,直指那個未解之謎:現實究竟是什麼?
1964年,貝爾公佈了他的理論,但整個物理學界對他的發現置若罔聞。或許是人們尚未準備好接納,或者因爲其方程看似難以驗證,亦或是無人認爲值得研究。但變革的時機終究到來,而發生的地點出人意料。
當時的科學家們相信,如果粒子間能進行超距通信,那麼超感、心靈感應和透視等現象也許真實存在。數學的輔助使得他們在1972年證明了貝爾不等式,並着手進行實驗檢驗。
其中一位物理學家約翰-克勞澤,用他的實驗室設備搭建了首個檢驗量子力學的實驗。十幾年後,這個實驗由阿蘭-阿斯佩的巴黎團隊改進,提高了精確度。貝爾公佈方程的十多年後,終於能夠對其進行檢驗了。
實驗現代版本中,晶體將激光轉變成糾纏的光量子,形成兩束精密光束,這些光子依次通過實驗裝置反射回來,直至抵達探測器。這些光子就像莊家分發的牌。
實驗檢測的是光子的偏振特性,類似於遊戲中的牌色。例如,兩張牌同色即爲勝,對應於兩個光子偏振方向一致。但因量子力學的特殊性,實驗遠比撲克牌遊戲複雜。實驗結果證明了愛因斯坦的錯誤,波爾的正確。
這個結果至關重要,它告訴我們,愛因斯坦對現實的理解可能真的錯了(至少在微觀世界如此)。實驗中不存在任何巧妙的把戲能瞞過自然。兩個糾纏的光子特性並非一開始就已確定,而是在我們進行測量時才變得真實存在。