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[转载]量子纠缠:哲学如何变成物理学——实在如何变成信息

已有 589 次阅读 2022-10-26 20:49 |个人分类:读书笔记|系统分类:科研笔记|文章来源:转载

资料来源:科学的历程 2022-10-10 17:29(文章源于科技世代千高原,作者Peter Evans)

今年的诺贝尔物理学奖被授予“纠缠光子实验、证明对贝尔不等式的违反和开创性的量子信息科学”。

要了解这意味着什么,以及为什么这项工作很重要,我们需要了解这些实验如何解决物理学家之间长期存在的争论。这场辩论的关键人物是一位名叫约翰·贝尔的爱尔兰物理学家。

在 1960 年代,贝尔想出了如何将关于现实/实在本质的哲学问题转化为可以由科学回答的物理问题——并在此过程中打破了我们对世界的了解与世界的真实面貌之间的区别.

量子纠缠

我们知道,量子物体具有我们通常不会归因于我们日常生活中的物体的属性。有时光是波,有时是粒子。我们的冰箱从不这样做。

当试图解释这种不寻常的行为时,我们可以想象两种广泛的解释。一种可能性是我们清楚地感知到了量子世界,就像它本来的样子,而它恰好是不寻常的。另一种可能是,量子世界就像我们知道和喜爱的普通世界一样,只是我们对它的看法是扭曲的,所以我们无法清楚地看到量子现实的本来面目。

在 20 世纪初的几十年里,物理学家对于哪种解释是正确的存在分歧。在那些认为量子世界不寻常的人中,有维尔纳·海森堡和尼尔斯·玻尔等人物。在那些认为量子世界必须和普通世界一样,而我们对它的看法简直是模糊不清的人中,有阿尔伯特·爱因斯坦和欧文·薛定谔。

这种划分的核心是对量子理论的一个不同寻常的预测。根据该理论,某些相互作用的量子系统的特性仍然相互依赖——即使这些系统已经相距很远。

1935 年,也就是他设计了他著名的思想实验,涉及一只被困在盒子里的猫,薛定谔为这种现象创造了“纠缠”一词。他认为,相信世界以这种方式运转是荒谬的。

纠缠的问题

如果纠缠的量子系统即使相隔很远也确实保持连接,那么它们似乎会以某种方式在瞬间相互通信。但是根据爱因斯坦的相对论,这种联系是不允许的。爱因斯坦称这个想法为“幽灵般的远距离行动”。

再次在 1935 年,爱因斯坦和两位同事设计了一个思想实验,表明量子力学无法为我们提供有关纠缠的全部故事。他们认为世界上肯定还有一些我们还看不到的东西。

但随着时间的推移,如何解释量子理论的问题成为了一个学术注脚。这个问题似乎太哲学化了,在 1940 年代,许多量子物理学最聪明的人都忙于将这个理论用于一个非常实际的项目:制造原子弹。

直到 1960 年代,当爱尔兰物理学家约翰·贝尔将注意力转向纠缠问题时,科学界才意识到这个看似哲学的问题可以有一个切实的答案。

贝尔定理

贝尔使用一个简单的纠缠系统扩展了爱因斯坦 1935 年的思想实验。他表明,量子描述不可能是不完整的,同时禁止“远处的幽灵行动”并且仍然与量子理论的预测相匹配。


约翰·贝尔在瑞士欧洲核子研究中心的办公室里。欧洲核子研究组织

对爱因斯坦来说,这似乎不是什么好消息。但这对他的对手来说并不是立竿见影的胜利。

这是因为在 1960 年代,量子理论的预测是否确实正确并不明显。为了真正证明贝尔的观点,必须有人将这种关于现实的哲学论证转化为真实的物理系统,进行实验测试。

当然,这也是今年两位诺贝尔奖得主进入故事的地方。首先是John Clauser,然后是Alain Aspect,对贝尔提出的系统进行了实验,最终证明了量子力学的预测是准确的。因此,除非我们接受“远处的幽灵行动”,否则无法进一步说明可以描述观察到的量子世界的纠缠量子系统。

那么,爱因斯坦错了吗?

这或许令人惊讶,但量子理论的这些进步似乎表明爱因斯坦在这一点上是错误的。也就是说,我们似乎对与我们的普通世界一样的量子世界没有模糊的看法。

但是,我们清楚地感知到一个本质上不寻常的量子世界的想法同样过于简单化。这提供了量子物理学这一集的关键哲学课程之一。

不再清楚我们能否合理地谈论超出我们对它的科学描述的量子世界——也就是说,超出我们所拥有的关于它的信息。

正如今年第三位诺贝尔奖获得者安东·蔡林格所说:无法区分现实与我们对现实的知识、现实与信息。如果不使用我们所拥有的信息,就无法参考现实。

这种区别,我们通常认为是我们对世界的普通图景的基础,现在已经无法挽回地模糊了。我们要感谢约翰·贝尔。



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