2022诺贝尔物理学奖：曾背负恶名的贝尔理论与历经10年的探索

Posted 2022-10-11 turingbooks

北京时间10月4日下午，2022年诺贝尔物理学奖被授予科学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)，约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F.Clauser)和安东·塞林格(Anton Zeilinger)，以表彰他们“用纠缠光子进行的实验，建立了贝尔不等式的违反，并开创了量子信息科学”。

在哪里改一改

1975 年至 1982 年

阿兰 ·爱斯派克特( 1947—    )

欧洲核子研究中心，贝尔办公室大门附近悬挂着一张莫迪利亚尼作品的画报，上面是一位戴着帽子、脖颈修长的女子，她的目光和贝尔的目光都注视着 27 岁的阿兰·爱斯派克特——一个长着大胡子的和善的研究生，他正在热切地谈论着水箱。

那是 1975 年初，爱斯派克特刚刚结束在法国的三年短期“兵役”，期间他一直在喀麦隆教书，然后回到了欧洲。他刚一回来，就经历了他所谓的“一见钟情”。

他回忆说：“1974 年 10 月，我读了贝尔那篇的著名论文《论爱因斯坦 - 波多尔斯基 - 罗森佯谬》，我对它一见钟情。

这是我做梦才能想到的最令人激动的课题。”他马上决定在母校——位于奥赛的巴黎南大学，把贝尔定理作为自己的博士研究课题。

此时，克劳泽正在努力找工作。“我至少已经向十几个地方提出了申请，结果一概被拒绝了。”高校不愿意聘请一名鼓励下一代人质疑量子理论基础的教授。

最终，在位于美国奥克兰东部群山中的劳伦斯利弗莫尔国家实验室，克劳泽找到一个空缺，研究等离子体——这是戴维 ·玻姆的首要爱好。

在面试的时候，克劳泽声称：“我根本不懂等离子体物理，但对于做物理实验，我懂得很多，我是个很有才能的实验物理学者。”

他得到的答复是：“你可以学习等离子物理。”他于 1976 年被聘用，并在那里待了 10 年。在利弗莫尔，作为实验学家，他自命不凡的技能得到了很好的应用，但也几乎荒废了一项同样优秀却没声明过的技能。

克劳泽有种天赋，即使在教师行业中也很少见：他能向学生清晰、生动、耐心地解释复杂难解的知识。自从业以来，在 30 年时间里，克劳泽从来没有找到过一所大学，能发挥他所有的才能。

弗莱在 2000 年解释说：“回顾 20 世纪六七十年代，著名的物理学家们不喜欢提出有关量子力学的问题。我觉得，克劳泽多少受到了这种思潮的冲击——我认为，这是由于他实实在在地在做实验，而不是只讨论理论问题。”

弗莱自己在学术上运气很好，在他做实验做到一半的时候，就获得了终身职位。30 年后，弗莱已是得克萨斯 A&M 大学的物理系主任。

他得知，学校做出这个明智的决定，还多亏了霍尔特在哈佛的导师弗兰克 ·皮普金的介入。弗莱的一个朋友得知，大学任期委员会本打算否决这名贝尔实验者，于是请来了皮普金教授。

皮普金对委员会说：“如果你只拿埃德的档案给我看看的话，我会很快否决他；但是如果用一天时间看他做实验，我会告诉你，这家伙很优秀。而且，我敢断定，他会成功的。”皮普金在原子物理上的声望战胜了委员会的质疑。

与贝尔定理相关的实验已经背负了恶名，贝尔自己也强烈地意识到了这一 点，但爱斯派克特却一直没意识到。

1972 年前往西非之前，爱斯派克特回忆说：“在经典物理学方面，我受到了相当好的教育，但我知道，自己在量子物理方面受到的教育是很差的。”他在这方面上过的课中，解方程时几乎不讨论物理意义，更别说任何有理论缺陷方面的教导了。

在靠近赤道的喀麦隆的三年时间里，爱斯派克特自学了量子力学。他用的是伟大的法国物理学家克劳德 ·科恩 - 塔诺季奇新写的一部教材。

爱斯派克特认为，这本书有两大优点，“第一，它是真正的物理学；第二，关于基础理论，它是中立的，没有给人洗脑的意味，没有说‘玻尔解决了一切问题’。”最后，他说：“我能解这些方程了，而且没被洗脑。”

爱斯派克特说：“我完全信服爱因斯坦和贝尔。”但是该做什么实验呢？在重读贝尔 1964 年发表的论文时，爱斯派克特发现文章的最后几行告诉他“仍然有一个重要的测试需要做”。

爱斯派克特飞快地跑到日内瓦，把自己的想法告诉了贝尔。

贝尔在文章的结尾处用了一条警示性的注释。如果一个光信号有足够的时间来联系粒子，那么，纠缠将失去大部分神秘性。

贝尔写道，以光的速度交换信号才能 “对仪器进行充分设置，让它们达到某种相互协调”后，量子力学才可能令人信服地起作用。“

在这种关联中，波姆和阿哈朗诺夫(在 1957 年)提议的那种实验至关紧要。在实验中，实验设置在微粒飞行期间做了改变。”

这个实验的实际难题是：每个弗里德曼 - 克劳泽装置末端庞大、易碎的玻璃起偏堆无法迅速移动到设定位置。对此，爱斯派克特提出了一个漂亮的(也是重要且廉价的)替代方案，设置的主要成分是水。

爱斯派克特向贝尔解释说：“每个偏振器由一套包含一个转换开关装置，及其后面位于两个不同方向的偏振器代替。”

在任意给定时刻，开关只打开通向其中一个偏振器的通道。“该转换开关将迅速使入射光从一个偏振器转向另一个偏振器”，不给光速信号留有导致仪器两端进行任何“协调”的时间。他转身朝向黑板，在上面写下了“如果两个开关毫无关联地随机运转”这种情况下适用的不等式。

爱斯派克特的“转换开关”是两个装满水的玻璃箱，两者之间的距离在 42 英尺以上，分别位于产生光子的级联钙原子束的两侧，每个水箱都载有一种远高于人类耳朵听觉能力的声波(位于水箱两端的变频器将电信号转变成这种超声波)。

声波与光波不同，它需要一种介质，因此仪器外部空间很安静。在所处的介质中，它们通过反复压缩舒张来运动。爱斯派克特的超声波在快速震荡的加强点和平坦的减弱点之间轮转，加强点使水出现疏密相间的条纹斑图，减弱点不对水产生影响。 

条纹斑图就像衍射光栅一样能使光产生偏折，从而射到旁边的偏振器上；不存在条纹斑图的时候，光就直接穿过去，射到主线的偏振器上。水波在条纹与均一态之间迅速变换，爱斯派克特解释道：“两个通道之间的转换大约每 10 纳秒就出现一次”，这比光子在加热炉与水之间 21 英尺的距离上传播要快 4 倍。

他承认，这不是一个完美的计划，“因为它的变换不是真正随机的，更像是类周期的。不过，在两边的两个转换开关将被不同频率的发生器控制”。这意味着，两个水箱将以不同的速率振荡，而且在实际过程中频率会产生漂移。

爱斯派克特说：“那么，自然可以假设它们在以一种毫不关联的方式运行。”爱斯派克特热切地完成他的描述后，他静静地站着，等着贝尔回答。贝尔略带讽刺地问了他第一个问题：“你有终身教职吗？”

爱斯派克特只是一名研究生，但由于法国体制的独特性，他在巴黎高等师范学院的职位实际上就是永久性的，这让他与美国同行形成了强烈对比。但即使有这个有利条件，他要做的事也是不容易的。

贝尔警告他：“你会经历严酷的斗争。”但是，恶名不是他担心的唯一问题：“一个人不应该把所有时间都花在研究概念上。你是一个实验者，这会让你脚踏实地，所以你不会处于危机境地；而我，我是一个理论家，我必须把个人爱好留给这个课题。

“如果你终日思考这个问题，你就有发疯的危险。”

弗里德曼逐渐淡出了贝尔物理学，但他发现，即使在 30 年以后，这一实验课题仍然萦绕在他心头。“贝尔实验是个毫无价值的实验(这是个测量结果与预期 没有偏差的实验)。

在我参与其中的那段时间里，我已经做了 24 次没价值的实验，结果发现，你不希望出现的那些事情事实上也确实没有出现。这就是我开启事业的方式。”

正如弗里德曼在 2000 年所说的，他在事业上“不变的主题”是“假如你知道正确答案是什么，那确实帮助很大：如果你没得到正确结果，你可以猜测是不是实验仪器出了什么问题——那或许就是问题的所在”。

弗里德曼笑了笑，说：“由于迈入了一个正在发生着激动人心事情的领域，我获得了很大的声誉。然后，没发生任何有意义的事，我就离开了。”然而，最后一句话是不可言传的。

霍尔特也把贝尔和 EPR 理论抛在了身后，而转投“面包加黄油”物理学，他的仪器原本就是为此而设计的。他开始了一个新事业，通过级联光子测量原子寿命，利用激光测量光谱，以及测量对于量子力学来说很难解决的原子能级(实际 是除氢原子之外的任何原子)。

回顾以往，霍尔特说：“可以说，我在 CHSH (克劳泽 - 霍纳 - 奚模尼 - 霍尔特)中只是一个小角色。”然后，他笑了笑，“但我的错 误结果却轰动一时。”

随着弗里德曼的淡出，这段经历让霍尔特开始思考科学如何前进。“有一个很有意思的科学法则：一个错误的答案较之于刚好在课本中找到的答案，总能使相关领域变得更刺激——一个错误的结果令人们兴奋。真头疼。

“显然，你并不希望发生那样的事——一个理论学家提出一个猜测性的新理论，再被推翻也不错。但一个实验学家应该非常谨慎，其误差限度应该是合理的。

不幸的是，在这个实验中，无论你在何时寻找强相关性，任何一种你能想象到的系统误差都会将之削弱，并使之指向隐藏变量的范畴。这是个艰苦的实验。

在那些日子里，我已经用这类设备试过各种速率……我能说什么呢？”他耸了耸肩，笑着说， “我把事情搞砸了。”

然而，到底哪个实验是对的，并不像这些实验要阐明的量子力学那样清晰。霍尔特说：“问题是，我是名科学家，我倾向于相信答案就是大自然的话，而不是只要想一想，就能提前知道的那些东西。并且，我一直认为量子力学是美妙的，因为它是一个奇迹——”他笑着说，“它是一种我们这些‘科学祭司’能发现的秘密知识……”

他解释说：“这并不是说我要保守秘密，但如果一切都那么显而易见，如果你仅 仅四处扫一眼就能看懂整个宇宙，那就没什么意思了。量子力学很微妙——这就是 它的魅力。

“对我来说嘛，我在物理学上的所有兴趣，都是因为自己想知道这些问题的答案……并且，”他简单而略带希望地说，“我现在还不知道答案……这是件令人沮丧的事……我认为还要用很长时间，人们才会明白量子力学的内涵。

现在所有这些实验清楚地表明：你至少必须暂时接受，要用量子力学的方式去思考观察不到的事物的状态。而且，至今这还是一件不令人满意的事。

“量子力学仍然是——无论怎么说，它都是一个未竟的事业。但我相信，事情会在一个意想不到的方向上取得突破……我们可能根本不必去解决那些原先出现的问题。这些问题会在某一天消失，因为我们会发现，也许是我们问错了问题。”

1975 年，迈克 ·霍纳也认为自己正在离开贝尔物理学。他和奚模尼迷恋上了 一套漂亮的新实验仪器——赫尔穆特 · 劳赫刚刚在维也纳发明的中子干涉仪。与克劳泽实验展示了光的粒子性形成鲜明对比，劳赫的仪器戏剧般地展示了物质的波动性。

就如霍纳生动地描绘的那样，在 19 世纪的最初几年，伟大的物理学家托马斯 ·杨“用实验显示，两束相同亮度的光的叠加(或重合)能够产生黑暗。而且，在稍微不同的条件下，还能使它达到任意一束光亮度的四倍”。

霍纳笑着说：“这就是说，1 加 1 等于 0，但是在其他条件下，它等于4。”这被称为干涉，它意味着波的存在。

但是，劳赫正在用实物粒子展示这些波动现象的特性。产生于核反应堆中沸腾热核的大量粒子、中子束，像波一样互相干涉着。

中子干涉仪为中子提供了两条可供选择的 V 形路径，这就像一个孩子选择通过地面或天花板，将球反弹给他的朋友。不管怎样，中子进入干涉仪后，撞击到 “地面”或“天花板”，它最后的终点是一样的。

因此，起点相同但路径不同的两个中子，后来将再次相遇。两条路径一起来看，就勾勒出一个菱形。当中子相遇时，它们就会相互干涉。

令人关注的是，即使是单个中子进入干涉仪，它也会与自己发生干涉。这和许多量子力学难题一样，是难以描绘的，它就好像是一个中子同时在两条路径上传播一样。

霍纳和奚模尼沉浸在两个粒子的神秘纠缠中已经有 10 年了。现在，他们被这个不可思议的单粒子效应搞得心烦意乱。霍纳回忆说：“阿伯纳和我都认为，这将是一个非常有价值的装置，人们将会对它玩味研究多年。” 

刚一开始，霍纳和奚模尼就意识到，它能够用来演示自旋为 1/2 的粒子，比如中子，只有当它在某个位置旋转两周后，才会回到初始位置。这种令人兴奋的可能性也引起了其他关注量子力学 基础的人的兴趣。

在奚模尼与霍纳发表论文之前，从他们那里沿马萨诸塞州收费公路向南，在阿默斯特校区的赫伯 ·伯恩斯坦也提出了这个实验建议。劳赫立即与一位与霍纳年龄相仿的年轻奥地利物理学家安东 ·泽林格在维也纳进行了这个实验。

不久后，在意大利西西里岛埃里塞举行的贝尔物理学研讨会上，泽林格再次露面。霍纳记得，包括贝尔与奚模尼在内的 15 个或 20 个与会人员中，“只有一个人没有谈论两个粒子(他谈论的是单个粒子)，他就是安东”。

如今，霍纳也对单个粒子感兴趣，他回忆说：“我们立刻就很投缘了。”一个说话柔和的美国南方人和一个魅力超凡的奥地利人，两个大高个子的长着胡须的男人惺惺相惜，进行了深入交谈。

霍纳回忆说：“我们一起讨论了很多天，他开始向我介绍中子干涉测量的细节，我告诉了他很多那时候他显然没有参与的事情……”

泽林格回忆说：“这是我第一次真正接触国际性科学组织。在那里，我第一次听说贝尔定理、EPR 佯谬、纠缠等诸如此类的概念。不用说，我不能真正理解这些概念都是什么，但是我有预感，这是非常重要的东西。”他已经着迷了，努力从霍纳那里学习关于纠缠的所有知识。

当霍纳回到家，他径直来到克里夫 ·沙尔在麻省理工学院的实验室——他听说过那里关于中子干涉测量的传闻。著名的沙尔，身高比霍纳的一半高一点，他受人爱戴，开创了中子衍射的研究领域——对明显是粒子的中子的波动特性加以利用。 

沙尔在 1975 年完成的这项工作于 20 年后为他赢得了诺贝尔物理学奖。当奖项颁发下来的时候，他的合作者厄尼 ·沃伦已经去世了。

霍纳对沙尔说：“我听说，你正在建一个叫中子干涉仪的小型基础量子仪器，我想用用！可以吗？”

沙尔回答：“当然可以。把那张桌子搬到那边去。”

霍纳回忆说：“这样，我刚好能坐下来。从那之后，每个星期二我都去那儿 (我星期二在石山学院没有课)，而且在接下来的 12 年里，在周末、每个节假日、 圣诞节假期和暑假，我经常去那儿。”

对于一个既不是理论家也不是实验家的人来 说，“我恰恰是介于两者之间的那种人，或者说，两者兼具。”那真是“有趣的 12  年。当他们想去搬铅块，我就和他们一起去搬铅块”。而当他们需要深刻的洞察力来计划实验的细节时，随和的霍纳也擅长于此。

霍纳在沙尔的实验室里开工后不久，泽林格也露面了。他和家人一起来了美国。泽林格一心要做中子干涉测量实验，而且就像霍纳笑着回忆的那样，一心要买 “他能得到的美国最大的汽车——奥兹莫比出产的‘陆地巡洋舰’，真的像游艇一样 大的货车”。

接下来出场的人是丹尼 ·格林伯格(实际上，他是回到了母校)，一名来自布朗克斯的诙谐、矮胖的纽约人。自从几年前中子干涉仪被发明后，他就开始追踪。他曾想去研究引力对一个中子干涉的影响——几乎在中子干涉仪刚刚投入使用后，这个实验便开始在密苏里州起步了。

在最初的一次中子干涉测量讨论会上，格林伯格见到了霍纳和泽林格，他记得：“我们出奇地投缘，所以我开始定期去麻省理工学院。并且，克里夫非常支持我们三人。”沙尔是“一个可爱的人”。

格林伯格把出访实验室的那 10 年称为他 “职业生涯中的巅峰，可以说，和很棒的同事做趣味十足的事，很有意思”。这场历经 10 年的探索，将发现比以往更加奇异的三个粒子的纠缠。

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作者：［美］路易莎·吉尔德（Louisa Gilder）

译者：李树锋 阮冬

这是一部属于量子力学的“小说”，物理学巨匠们是故事的主角。

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