爱因斯坦(Albert Einstein)认为这是不可行的,并与同事波多尔斯基(Boris Podolsky)、罗森(Nathan Rosen)一起研究了这一现象。他们在 1935 年提出了他们的推想:量子力学似乎没有提供对现实的完整描述。这被称为EPR佯谬,以研究人员姓名的首字母命名。
问题是,是否有一种对世界更完整的描述,而量子力学只是其中的一部分。例如,事情可以是这样:粒子总是携带关于它们被测量后将显示什么结果的隐藏信息。那么,所有的测量都显示了就在执行测量的位置所具有的性质。这类信息通常被称作“局域隐变量”。
当时在CERN工作的北爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Stewart Bell)对这一问题进行了仔细研究。他发现有一类实验,可以检测世界是否纯粹是量子力学的,或者是否可能存在带有隐变量的另一种描述。重复多次他的实验,所有隐变量形式的理论所显示出的结果之间的相关性,都必须低于或最多等于某一特定值。这就是所谓的“贝尔不等式”。
然而,量子力学可以违反这一不等式。它所预测的结果之间的相关性比任何局域隐变量理论的预测都要高。
1960年代,约翰·克劳泽还是一名学生时,就对量子力学的基础原理产生了兴趣。当读到约翰·贝尔的想法后,这一想法就萦绕在他脑海之中、挥之不去。最终,他和其他三名研究人员提出了一个可以在现实实验中执行的协议,来测试贝尔不等式。
实验涉及往相反方向发送一对纠缠的粒子(见下图)。实际中,使用的是具有偏振性质的光子。当粒子被发射时,偏振方向是不确定的,唯一可以确定的是粒子具有平行的偏振。可以用滤光片来开展研究,此滤光片允许特定方向的偏振光通过。这就是许多太阳镜所利用的效应,它可以阻挡在某一平面上偏振的光线,例如被水面反射的光。
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约翰·克劳泽使用的是钙原子,被一种特殊的光照射后,它可以发出纠缠光子。他在两边各设置了一个滤光片,用来测量光子偏振。经过一系列测量,他发现它们违反了贝尔不等式。
实验中,当两个粒子被发送到朝向平行放置的滤光片(比如都垂直放置)时,如果一个粒子能够通过,那么另一个也会通过。而当两个滤光片彼此成直角放置,那么一个粒子会被阻挡,而另一个将通过。巧妙之处在于,针对有一定倾斜角、不同方向放置滤光片的情况进行测量,结果会有变化:有时两个粒子都通过,有时只有一个通过,有时都不通过。两个粒子同时通过滤光片的概率取决于滤光片之间的角度。
量子力学导致了测量之间的相关性。一个粒子通过的可能性取决于在实验装置另一侧测试其“伙伴”偏振的滤光片的角度。这意味着,在某些角度上,两个测量的结果违反了贝尔不等式,与由隐变量支配、预先已经确定了的结果相比,具有更强的相关性。
被违反的不等式
约翰·克劳泽立即开始实施这一实验。他建造了一台一次发射两个纠缠光子的仪器,每个光子都射向一个检测其偏振的滤光片。1972 年,与博士生斯图尔特·弗里德曼(Stuart Freedman,1944—2012)一起,他们展示了明显违反贝尔不等式的实验结果,与量子力学的预测一致。
在随后的几年,约翰·克劳泽和其他物理学家继续讨论这一实验以及实验的不足。其中之一是,在粒子的制备和捕获上,实验总是效率很低。测量也是预先设定好的,滤光片处在固定的角度。因此存在漏洞,观察者可以对结果提出质疑:会不会是由于实验装置以某种方式选择了恰巧具有强相关性的粒子,而没有检测到其他粒子?如果是这样的话,粒子仍可能携带有隐藏信息。