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里程碑的量子实验证明了宇宙真的很怪


2015/11/6 10:20:42 编辑:admin 来源:本站整理 
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去年物理学界庆祝了贝尔定理(Bell’s theorem)发表50周年, 这个以数学来证明了特定的量子力学的预测和定域因果论(local causality)互不相容。 定域因果论(一个物体只能被它周围的环境直接影响)是正常科学假设, 而现代科学理论的发展都基于此一理论, 唯一例外的便是量子力学。

定域因果论是建立在两个假设之上。 其一是爱因斯坦的相对因果论(relativistic causality), 没有任何因果影响会快于光速。 这是定域因果论「定域」的部分。


 
其二就是以哲学家Reichenbach命名的逻辑归纳原则(common-sense principle) , 大致是说如果你知道一个事件的所有原因, 你便可以知道关于此事件的每一细节来预测该事件是否会发生。

虽然量子力学是个非常成功的理论 , 它可以应用至描述包括亚原子粒子到中子星系统的行为, 但它仍究仅是一个理论。

正因为定域因果论是关系世界自然现象的假说, 数十年来许多实验都在寻找和试图发现1964年贝尔所发现量子力学当时所采用的特定预测。

但这些实验当中没有一个能绝对排除定域因果观察的解释。 每个实验都有漏洞因为这些实验无法完全达到贝尔定律要求的条件。

无漏洞

而今漫长的等待过去了, 无漏洞的贝尔实验终于成真了。 由欧洲物理学家组成的研究团队在国际权威科学杂志Nature发表了研究报告, 透过一个排除以往实验漏洞的实验设计确认贝尔理论所需的预测。

贝尔实验需要至少两个位于不同地点的实验室 ( 通常以人名称之, 此次是Alice与Bob) 来测量量子粒子。 更精确的说, 在每一个实验地点必须:

1.随机选择测量的设定

2.测量是由随机选定的设定来执行

3.记录测量结果

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实验只有在两实验室的粒子呈现粒子纠缠状态方为有效。 纠缠态是两个或两个以上的粒子相互纠缠所组成量子系统。 在量子理论中, 指称两个粒子互为独立的状态, 让两个粒子不互相纠缠, 是不可能发生的。

先前相关实验两大漏洞分别是分离(separation)漏洞以及效率(efficiency)漏洞(也有一说是通信漏洞和测量漏洞)。

为了填补第一个漏洞, 必须实验室相距够远(分离)。 实验步骤也必须快速达到在一个实验室随机选择的测量不会以等于或低于光速的速度影响另一个实验室纪录的结果。 仅是克服光速就是一大挑战。

要填补第二个漏洞, 就必须在一组设定确立后, 在允许的时间内将高机率截取结果报知。 利用光子进行实验就会遇到这个问题, 因为通常光子是完全无法侦测的。

里程碑实验

多数早先进行的贝尔实验是使用两个实验室各制造一个光子, 让两个光子造成纠缠态的最简易的设置来进行。 此次Ronald Hanson 和研究团队利用位于1.3公里直线上的三个实验室进行了此次无漏洞实验。

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直线两端的实验室Alice和Bob制造一个光子和一个电子组成的纠缠态。 电子被保留在钻石晶格之中, 而光子则送至1.3公里直线中间第三实验室( 且称Juanita)。 Alice 和Bob分别选择一组设定来测量电子, 而Juanita则执行两个光子的测量。

Alice 和Bob 两处的测量能够有效的完成, 但Juanita因涉及光子而效率不彰。 Juanita并无做出任何测量的筛选而仅以同样方法测量两个光子, 因此足证此一实验并无增加新的漏洞。

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在荷兰进行的这项实验技术要求严谨, 且仅在处理去除定域因果论。 此实验成果在理论上将可应用在通信网路的安全机制, 以量子特性有如启动密秘钥匙保全信息。 期待技术上持续改进使得网络通讯安全得能成真。

此次科学重大的成果, 证明了不管是因果影响的传播比光速更快, 或者一般认为「因果论」的「因」极其重要的常识实际上是错误的。

这个实验仍有一点未能解决的就是我们究竟该选择哪一项。 物理学家和哲学家对何谓现实的本质此一问题意见更是前所未见的分歧。

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