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2022年诺贝尔物理学奖到底说了什么?用苹果打比喻,谁都能懂

2022年10月4号,诺贝尔物理学奖授予了三位科学家,这三位科学家中就有潘建伟的导师。

这三个科学家分别是:法国物理学家阿兰·阿斯佩(Alain Aspect)、美国理论和实验物理学家约翰·弗朗西斯·克劳泽(John F. Clauser) 和奥地利物理学家安东·塞林格(Anton Zeilinger)。

根据诺贝尔奖委员会的说明,这三名科学家获奖是因为,用光子纠缠实验,证实了贝尔不等式在量子世界中不成立,并开创了量子信息学科。

这里的关键就是这句话:证实了贝尔不等式在量子世界中不成立。

有些报道里面说,他们的获奖证明了爱因斯坦的错误。

不等式是一个纯数学的判定公式,这个东西怎么又跟爱因斯坦连在一起?怎么又跟物理连在一起,这个我们就要说一说了。

这个要先从量子纠缠说起。

量子纠缠是爱因斯坦发现的,所谓的量子纠缠就是两个自旋相反的粒子,如果碰一个,另外一个瞬间也会改变。

而且之间的距离不管多远,这种现象都会发生。

这就好像一个电动机,如果我们这个电动机它是不固定的,那么转子向右转,定子肯定是向左转的。

让这个电动机转起来以后,把这个定子跟转子分开,这个时候就会得到两个旋转方向相反的部分。

在宏观世界中,这两个旋转方向相反的部分,分开以后,你触动其中任何一个部分,另外一个部分是不会受到影响的。

但是在微观世界,这两个部分是联动的。

这就是这个现象的诡异之处。

那么对这个现象的存在性,物理学家是没有疑问的,但是对这个现象到底该怎么解释,物理学家分成了两派。

第一派就是爱因斯坦。

爱因斯坦认为,量子纠缠之间有一种神秘的联系,这种联系,看不见也摸不着,所以叫做隐变量,可以看成是一种隐藏的物理量。

和爱因斯坦相反的一派,就是以大物理学家玻尔为首的这一派。

玻尔认为这个量子纠缠之间没有任何联系,这个世界就是这样的。

玻尔的说法一般的人是不可能相信的,这就好像气功遥感遥测,隔山打牛这种,这怎么可能呢?

那么到底是有联系,还是没有联系?

而且爱因斯坦说的联系是个隐变量,看不见也摸不着,那怎么去证明这个问题呢?

这个就很让人头疼了。

后来有一个非常聪明的科学家叫贝尔,他想了一个办法,这个办法就叫做贝尔不等式检测。

这个贝尔不等式检测,有很多种表达形式,用一般的方法很难说明,我们现在就是用一个苹果把它讲清楚。

我们假定有一个苹果,它有一半是青的,有一半是红的。

如果碰红的那一部分,那青的那一部分必然会同步的动作。

量子纠缠就是这样的,就是这样的一个苹果。

现在的分歧在于哪里呢?

在于爱因斯坦认为,这个苹果它是一整个,它中间是有联系的,红的这一半跟青的那一半是连在一起的,所以才会产生这种现象。

那玻尔认为,这红的这一半和青的那一半是没有联系的。

贝尔不等式,就是用来判断这个苹果是否是一个整体?还是中间被切了一刀,实际上红的一半、青的一半分开,是没有联系的。

这个判断方法是很巧妙的,就是用了数学上的概率,不掺杂其他任何前提条件。

那现在让我们看看这个实验是怎么做的。

我们把这个苹果放在桌子上滚动,然后坐在桌子的一侧观察苹果的颜色。

假如这个苹果红的一半和青的一半属于同一个苹果,中间是有联系的。我们看到红的那一半,就一定看不到青的那一半。

也就是说,同时看到红苹果和青苹果的概率是0。

假如这个苹果它中间被切了一刀。

红的这一半和青的这一半它不是连在一起的,那我们让这个苹果在桌子上滚,因为它会分开的,有可能同时会看到红苹果和青苹果。

所以,这个时候同时看到红苹果和青苹果的概率就大于0。

这就是贝尔不等式的原理。

因为它是判断概率的大小,所以叫做不等式。

那这个问题落实到量子纠缠的物理实验,会受到很大的干扰,造成这个判断的不准确。

就像我们观察在桌子上滚动的苹果一样,仍然会受到很多的干扰。比如光线发生折射怎么办?发生海市蜃楼又怎么办?

量子纠缠是一个微观物理实验,受到的干扰因素还要多的多。

如何排除这些干扰因素,那就是一个非常值得研究的问题。

所以,贝尔不等式上世纪七十年代就提出来了,真正严格的实验是进入21世纪才完成。

这三个获诺贝尔奖的科学家就是证明了,这个苹果可以同时看到红的那一半和青的那一半。

所以说,爱因斯坦提出来的隐变量,是不存在的。

有人说这个证明了爱因斯坦是错的,其实不能完全这么说,只能是说否定了爱因斯坦的一种猜想。

这个量子纠缠影响是非常深远的,所以现在经常被人们提起,因为最重要的一点就是说这个世界上有某种超然的存在。

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