诺贝尔物理学奖给了量子力学，你看不懂很正常，学界多组CP为之纠缠了近百年

　　钱江晚报·小时新闻记者 章咪佳
　　相比昨天的生理学（医学）奖，今天诺奖物理学奖公布后，朋友圈里分享诺奖成果的热情锐减。
　　因为今天的奖项非常难懂。
　　北京时间2022年10月4日17时45分，瑞典皇家科学院宣布：将今年的诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿维（Alain Aspect），美国科学家约翰·克劳瑟（John F.Clauser）以及奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger），以表彰他们＂用纠缠光子进行实验，证伪贝尔不等式，开创了量子信息科学＂。
　　法国科学家阿兰·阿维（Alain Aspect），美国科学家约翰·克劳瑟（John F.Clauser）以及奥地利科学家安东·塞林格（Anton Zeilinger）
　　简单说，今年物理学奖的关键词是＂量子纠缠＂。
　　＂纠缠＂这个词，本身就暗示着 ＂陷入某种困境＂或＂麻烦＂。＂量子纠缠＂现象，就给科学界造成了＂大麻烦＂。
　　1935年，薛定谔在《剑桥哲学学会年报》的一篇文章中，首次把＂量子纠缠＂引入到物理学中。这件事情后来闹得很大，首先，爱因斯坦借这个茬再次找量子力学的麻烦。
　　从此，物理学界的多组CP，开始了近百年的互相纠缠。
　　爱因斯坦&玻尔
　　在1927年和1930年召开的两届索尔维物理学大会上，爱因斯坦两度对尼尔斯·玻尔（Niels Bohr 1885-1962）发起挑战。
　　量子力学哥本哈根学派掌门人玻尔，拥护量子力学和量子纠缠。
　　他们认为，在量子力学中，两个纠缠的粒子在测量结果的比较方面，仿佛可以表现出超越空间的神秘行为。
　　当两个粒子被制造为某种量子纠缠态时，就算一个纠缠粒子在地球上，另一个纠缠粒子在月球上，我们只需要对地球上的粒子进行测量，就能知道月球上另一个纠缠粒子的状态。这个现象是客观存在的。
　　但是爱因斯坦反对这种瞬间联系。他认为照这么说，量子纠缠这玩意就是＂幽灵＂了咯！爱因斯坦捍卫的是＂局域性＂——任何两个不在一个地方的事物要想用信号彼此联系，最快的信息传递也不能超过光速。
　　也就是说，两地不能＂隔空地、即时地＂联系。
　　玻尔和爱因斯坦 图片来源：forbes
　　但这两次挑战都以爱因斯坦失利告终。之后爱因斯坦改变策略，他集合两个合作者——波利斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和内森·罗森（Nathan Rosen），共同撰写了一篇论文，公开质疑＂量子纠缠＂。
　　1935年5月15日，这篇论文发表在《物理评论》上，题目是＂量子力学对物理实在性的描述是完备的吗？＂三位作者以他们的姓氏第一个字母打头，形成了量子力学发展史上著名的＂EPR质疑＂（又称为＂EPR佯谬＂），质疑的主要目标之一就是＂量子纠缠态＂。
　　EPR这篇论文带有强烈的哲学意味，加上涉及的话题又非常奇异、艰涩，一般人很难看懂。但玻尔心里清楚，论文直指＂量子纠缠＂而来，它犹如一颗重型炮弹，把哥本哈根学派的小伙伴逼到无路可逃的境地。
　　贝尔&克劳瑟
　　爱因斯坦的反驳，引起了一个叫约翰·贝尔（John Bell 1928-1990）的年轻人的思考。
　　这个爱尔兰青年少年时代就极具天赋，是一部会走路的＂百科全书＂，同学们从小都喊他＂教授＂。
　　1960，贝尔与妻子一起受聘到日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN）。在这里，贝尔白天做分内的工作，粒子物理；晚上回到家中，夜深人静时，他把所有的时间都花在钟爱的量子理论上。正是这个业余爱好，使他后来一举成名。
　　1964年，贝尔在《物理学》杂志上发表了一篇题为＂EPR佯谬研究＂的论文。在这篇论文里，贝尔首先假定爱因斯坦的＂局域性＂原理成立，然后就EPR提出的条件，推导出一个重要的结果，这就是著名的＂贝尔不等式＂。
　　＂贝尔不等式＂相当于给出了一个评判标准，如果任何实验能证实这个不等式成立，就说明爱因斯坦所坚持的＂局域性＂是成立的。
　　John Bell（1928-1990）图片来源：futura-science
　　不久后的1967年，约翰·克劳瑟（John F.Clauser 1942年出生。2022年诺奖物理学奖得主之一）读到了一篇改变了他一生的晦涩难懂的论文，作者正是上述那位默默无闻的爱尔兰物理学家约翰·贝尔。
　　令人讶异的是，贝尔似乎已经找到了一种方法，可以打破爱因斯坦与玻尔之间的僵局，一劳永逸地决定谁对宇宙的看法是正确的。
　　读完这篇论文后，克劳瑟明白了贝尔已经发现如何去分辨缠结的粒子——它们究竟是透过幽灵般的作用彼此联络，还是根本就没有什么幽灵，那对粒子从一开始就那样。
　　＂这正是我所要的东西！＂
　　贝尔是一位理论学家，不过他论文的提议是，能否解决这个问题，取决于能否建造一架能生成并比较多对缠结粒子的机器。
　　贝尔把爱因斯坦对量子纠缠的质疑，转化成了一个实验问题，而不仅仅好似一个哲学问题。贝尔认为，只要能建造出这样一架机器，就能通过实验来解决爱因斯坦和玻尔的争议。
　　约翰·克劳瑟（John Clauser）1942年生于美国加利福尼亚州帕萨迪纳，1969年获美国哥伦比亚大学博士学位。美国J．F Clauser ＆ Assoc公司创始人、研究物理学家。图片来源：wolffund
　　克劳瑟于是开始着手建造这样的机器，对于当时的他来说，那简直是一个不可能的任务。但无论机会多么渺茫，最后他终于造出了机器，实验结果震撼了世界！
　　克劳瑟的机器可以测量数千对缠结粒子，并就各个不同方向对它们做比较。可是结果出来后，与他原来的想象竟然完全不一样！克劳泽相当诧异，他自问：究竟是哪儿出错了？
　　克劳泽不断重复着他的实验，但是无论他进行多少次试验，结果都证明在量子力学之中，贝尔不等式不成立，而恰恰反倒证明了爱因斯坦对量子纠缠的质疑是错误的。也就是说，克劳瑟的实验证明了量子纠缠现象是客观的存在。
　　克劳瑟&阿斯佩&贝尔
　　没过多久，法国物理学家阿兰·阿斯佩（Alain Aspect 1947年出生。2022年诺奖物理学奖得主之一）在克劳瑟的基础上，开发出更精巧的试验，直指爱因斯坦与玻尔辩论的核心。
　　事实上，自贝尔之后，很多物理学家利用各种实验试图证实贝尔不等式，但所有至今完成的实验结果，都违背贝尔不等式——因此都证明爱因斯坦一再强调的＂局域性＂是不存在的，这些实验推动量子纠缠态的研究取得巨大成功。
　　其中值得一提的是阿兰·阿斯佩的工作。在欧洲，阿斯佩被物理学界公认为是对贝尔理论理解最深入的人。
　　阿斯佩仔细研究EPR假想实验的每一步。他认为，如果能做成一个实验，设法阻止两个纠缠粒子之间有＂即时信号＂联系，但是实验结果表明这两个纠缠粒子仍在联系时，就证明爱因斯坦的＂局域性＂不再成立。
　　阿兰·阿斯佩（Alain Aspect）1947年生于法国阿让，1983年获法国巴黎第十一大学博士学位，现任巴黎萨克雷大学和巴黎综合理工学院教授。图片来源：royalsociety
　　这是1974年，产生这个想法的阿斯佩年仅27岁，正在巴黎大学读研究生。他决定以这个实验为基础撰写他的博士学位论文。
　　为了实现这个梦想，他亲自跑到日内瓦找到了贝尔。贝尔问他：＂你现在有没有固定的工作职位？＂当贝尔得知，这个年轻小伙子连学位也没有拿到时，不由替他担心起来。这个实验不仅难度极高，要求的灵敏度也极大，实验的设计思想更不能有任何瑕疵。
　　贝尔当时对阿斯佩说：＂你一定是一个相当有勇气的年轻人！＂
　　说完这句话，贝尔把后面要说的话咽了回去，他本想警告阿斯佩，这件事肯定会毁了他的前程。
　　阿斯佩设计的实验的确非常漂亮，然而实现起来难度确实极高，又独具风险。为了有足够长的实验通道，他和同伙选择在巴黎大学的地下室进行。从实验设计、清理实验场到准备器材，所花的时间也比预期要长得多。
　　他们选择激光器、计算机、偏振器和光信号灵敏开关后，一次次地反复调试，直到1982年初才开始进行正式的实验，最后终于在1982年6月22日这一天获得了成功。
　　1983年，在阿斯佩的博士论文答辩会上，贝尔亲自到场，考察阿斯佩的实验，对他的这一成果赞叹不止，称之为＂具备诺贝尔物理学奖水平的最优秀论文＂。
　　塞林格&更多人
　　安东·塞林格（Anton Zeilinger 1945年出生。2022年诺奖物理学奖得主之一）后来对＂贝尔不等式＂进行了更多测试。他通过将激光照射在特殊晶体上，来制备纠缠光子对，并使用随机数切换测量设置。这一项实验，使用来自遥远星系的信号，来控制滤光片并确保信号不会相互影响。
　　＂我们没有办法通过常理，利用日常的语言来解释这种现象，但是我们可以通过数学来解释这种现象，这就是量子力学。它确实会挑战我们的日常认知。＂
　　塞林格更愿意从哲学的角度理解量子的问题，就像他小时候那样。塞林格家以前住在维也纳乡下的一个城堡里，他的父亲当时在那里做老师，全家人住在城堡二层。
　　小塞林格喜欢到处看，父母又担心他会掉下城堡去，所以就把孩子拴在了窗户边上。
　　这个小孩就这样整天整天地在城堡的制高点东看看西望望，在一个更开阔的环境中思考。
　　安东·蔡林格（Anton Zeilinger）1945年出生于奥地利因河地区里德。1971年在奥地利维也纳大学获得博士学位，现为维也纳大学教授。图片来源：stuttgarter-zeitung
　　在今天的发布会上，诺贝尔物理学委员会主席托尔斯·汉斯·汉森（Thors Hans Hansson）例举了中国的量子卫星——
　　2016年8月，由安东·塞林格的学生、中国科学家潘建伟领衔研发的全球首颗量子科学实验卫星＂墨子号＂发射，通过数十千米光纤发送的光子之间，以及卫星和地面站的光子之间，都能建立纠缠态。
　　在很短的时间内，世界各地的研究人员发现了许多利用量子力学最强大特性的新方法。
　　第一次量子革命给了我们晶体管和激光，但由于可以操纵纠缠量子系统的现代工具，我们正在进入一个新时代：气象预报、药物设计、金融分析、石油勘探，而且还能揭示新能源新材料、高温超导、量子霍尔效应等复杂的物理机制，都有可能通过量子技术不仅可以解决大规模的计算机难题。
　　乔治·格林斯坦&阿瑟·扎荣茨
　　也许看到现在你也没有弄明白量子纠缠。
　　不要紧的，在这段百年纠缠史上，惠勒、薛定谔这些大IP全＂绕＂进了这场大纠缠中，他们也不敢说完全明白。
　　物理学家理查德·费曼（Richard Phillips Feynman 1918-1988）早就说过，没有人理解量子力学。
　　1997年，两位物理学家George Greenstein和ArthurG.Zajonc，合写了一本关于量子纠缠和贝尔不等式的科普书《量子挑战: 量子力学基础的现代研究》，这本书当时非常流行。
　　但是在《量子挑战》出版后十年的一天，George Greenstein在刷牙时突然觉得他自己完全没有明白贝尔不等式，然后感觉后背发冷。
　　于是George Greenstein又花了好几年思考这个问题，再写了一本书《量子怪异：与贝尔定理和现实的最终性质搏斗》。
　　不过看过这两本书的物理学教授表示，George Greenstein以为写明白的后面这一本书，＂完全没法理解＂。
　　或许是要回到引入＂量子力学＂概念的薛定谔先生那里，人类对＂量子力学＂大约也一直处于＂似懂非懂＂的状态。
　　但是最重要的是，这个过程中我们始终保留住勇气和好奇心，就像以上各位。
　　特别致谢物理学家熊宏伟
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