他们从全球招募10万人,向“上帝”发起攻击!


这是Sheldon的第84篇漫画,也是墨子沙龙和Sheldon合作的第11篇量子科普漫画
,所有图片大约1.9MB。



欧洲中部时间2016年11月30日至12月1日下午3点,分布在世界各个角落的10万个拥有自由意志的智慧生物——人类,自发地坐在电脑面前,登录了一个神秘的网址thebigbelltest.org。随后,他们进入一个类似神庙逃亡的小游戏,认真地玩了起来。

 


表面上看,他们在沉迷游戏,浪费生命。实际上,这个“游戏”网站的服务器,正在将他们玩游戏实时输入的海量数据收集起来,通过物理学家开展的一场“大贝尔实验”,向“上帝”发起攻击!


“大贝尔实验”之所以发起攻击,是想搞清楚爱因斯坦口中的那个等同于物理定律的“上帝”,是不是真的“不掷骰子”,是不是真的创造了一个完全随机的量子世界。



在九十多年以前,一群物理学家基于微观粒子世界的实验现象,总结出了一套全新的物理定律,这就是量子力学



爱因斯坦也是量子力学的奠基人之一,但量子力学创立没多久,他就和量子力学的另一个大股东玻尔发生了激烈的争论。这是因为,首先,在量子力学的实验中,物理学家从一模一样的初始条件出发,总是会随机地得到不同的结果。



例如,如果一个光子处于↑方向偏振和→方向偏振的叠加状态中,那么当物理学家在放置一个沿着水平方向测量光子偏振的仪器时,仪器就会有一定概率测出→偏振的结果,以一定概率测出↑偏振的结果。每次实验得到什么结果,看起来都是随机的。

 


按照爱因斯坦的理解,这种随机性是一种表面现象。在它的背后,存在一种人类还不知道的“局域隐藏变量”。一旦我们搞懂了这种变量,就可以完全计算出每一次实验的“随机结果”,量子力学里并不存在真正的随机。也就是说,爱因斯坦认为“上帝”不掷骰子。

 


 

玻尔的看法刚好相反。他认为,世界上不存在“局域隐藏变量”。量子力学的随机不是伪装的随机,而是任何手段都无法操纵的真随机。换句话说,“上帝”肯定会掷骰子。

 


这两个人吵了很久,谁也说不服不了谁。直到1955年爱因斯坦去世前,他们都没吵出结果。为了搞清楚爱因斯坦说的对,还是玻尔说的对,在1964年,物理学家约翰·贝尔提出了一种用实验检查量子随机性的方法。



在贝尔的方法中,我们需要用一台机器向两个方向不断发射一对对处于量子纠缠态的光子,然后在机器的两边,通过两台测量仪器随机地从两个角度中二选一,分别对纠缠光子的偏振方向进行测量。



不论两个测量地点相距多远,只要其中一台仪器测量了一个光子,另一个光子也会瞬间做出反应,这就是爱因斯坦说过的,量子力学中含有的“鬼魅般的超距作用”。



而且,测量结果虽然看起来是相互独立的,但其实,这两个光子的测量结果之间存在紧密的关联。如果爱因斯坦说的对,那么这种关联就会导致贝尔不等式是成立的。反过来,如果实验结果违反了贝尔不等式,那么爱因斯坦就错了。

 

从1982年起,世界各地的实验物理学家就在各种贝尔实验中发现,贝尔不等式可以不成立,爱因斯坦很可能是错的。



不过,一些追求严谨的物理学家指出,这些贝尔实验中都至少存在一个漏洞,叫作“随机性漏洞”。



我们回想一下,在贝尔实验中,两台测量仪器必须能够随机地选取角度。可是,咱们做这些实验不就是为了搞清楚世界上有没有真正的随机吗?


如果物理学家在做实验之前,就已经确定两台测量仪器是真正随机的,那他们还费那么大劲证明啊?

 

反过来讲,如果物理学家在做实验之前,根本不确定两台测量仪器是不是真正随机的,那我们怎么可能从这两台测量仪器得出的测量结果中,搞清楚世界上有没有真正的随机呢?



上面的话有点儿绕。咱们说的通俗一点儿,这就相当于让一个人揪自己的头发,把自己提起来。在英文典故中,这叫作“bootstrapping”问题。



物理学家到哪儿才能找到“真正随机的”东西呢?不知谁灵机一动想到一个好主意:既然人类拥有自由意志,那么人类的行为就不可能受到操纵!如果让一群人随机产生一堆数据,再用这些数据操纵两台测量仪器,我们不就可以满足“真正随机”的实验要求了吗?

 



于是,西班牙光子科学研究所等全球十二家科研机构联合起来,以“大贝尔实验”为主题,从全球各地招募了10万人,让他们在短短的几十个小时里,以“玩游戏”的形式,向随机性的根源(也就是等同于物理定律的那个“上帝”),发起了攻击!



在大贝尔实验中,各个研究机构根据各自擅长的实验手段,利用光子、原子、超导等不同体系,实施了十三个不同的实验方案。

 

中国科学技术大学联合清华大学、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国科学院紫金山天文台一起参与了大贝尔实验。中国科学技术大学的潘建伟教授和张强教授是大贝尔实验亚洲区的负责人。他们的实验室利用接收到的,由人类自由意志所产生的随机数,通过一对对纠缠光子进行贝尔实验。



你也许会想到,人类当然有自由意志,但是人类的行为不一定是随机的啊?这一点物理学家也想到了。为了让结果更可靠,他们做了两手准备。首先,他们对贝尔不等式进行了一些额外推导。结果证明,人类的行为不完全随机没关系,只要贝尔不等式和实验数据的偏差足够大,大到可以忽略人类的不随机性,结论就是可靠的。

 

其次,他们使用了人类生成的80Mb的随机数作为测量仪器的输入数据。



结果,他们发现,堵上随机性漏洞之后,实验结果还是不支持爱因斯坦的判断。也就是说,不存在所谓的“局域隐藏变量”,爱因斯坦这次又输了。



于是,在十二研究机构,上百名物理学家,和全球10万个自由意志的人的努力下,这次大贝尔实验的十三个“战果”在2018年5月9日时发表在了《自然》杂志上。十三个实验的结果都否定了爱因斯坦的“局域隐变量”理论。



虽然爱因斯坦这次又输了,但是他和玻尔的争论还没有结束!这是因为,虽然大贝尔实验补上了“随机性漏洞”,但这些自由意志的肉身之间都离得太近了,反而导致了另一个漏洞,叫作“局域性漏洞”。



如果想彻底补上这个漏洞,理论上讲,大贝尔实验的参与者至少得有一部分待在3万公里之外……也就是说,物理学家下次可能得招募外星人,从宇宙中发起攻击(误!)



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注释:

1.什么叫局域性漏洞?在地球上,任意两个人之间的距离不超过1.3万公里。光走完1.3万公里大约需要0.04秒,小于人类的反应时间0.1秒。于是,物理学家无法从理论上排除这样一种情况:甲产生了一个数据后,他通过某种方式影响到了地球上的乙,使得另乙在0.04秒之后产生的某个数据跟甲的行为有关。于是,这两个数据不再是随机产生的,而是存在某种因果联系。这种因果联系会导致贝尔实验的数据存在一种理论上的漏洞,即局域性漏洞。

2.什么叫隐变量?比方说,有人通过调查数据后发现,每当海边溺水的人变多时,冰淇淋的销量就会增加。这两个时间看似是无关的。但是普通人一眼就能看出来,这是因为每当夏天到来时,去海边游泳的人会变多,溺水的也自然也会变多;同时,由于天气变热,买冰淇淋的人也会变多。在这个例子中,“天气变化”就是一个隐变量。

3.结尾最后一句是一个玩笑。实际上,为了补上局域性漏洞,我们只需要让一组人在月球上产生随机数,另一组人在地球上产生随机数。也就是说,在相距38万公里的地球和月亮之间开展大贝尔实验。

4.中国的潘建伟团队早在几年前就提出了一个基于人类自由意志,在地球-月球之间开展贝尔不等式检验的实验方案。2014年,团队科学家设计发展了GHz亮度的纠缠源和高时间分辨探测系统,实现了超高损耗下的人类自由意志参与的贝尔不等式检验,该成果于4月5日发表在《物理评论快报》上。为未来物理学家们在太空实验中关闭局域性漏洞和随机数漏洞、开展量子非定域性的终极检验迈出了坚实的一步。


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