人们近日又一次证明,爱因斯坦至少在一件事上犯了错误。最近开展的一项实验显示,“幽灵般的超距作用”的确存在,并为其提供了具有说服力的证据。图为研究人员克里斯特·沙尔姆在调试贝尔实验中用到的光子源。

人们近日又一次证明,爱因斯坦至少在一件事上犯了错误。最近开展的一项实验显示,“幽灵般的超距作用”的确存在,并为其提供了具有说服力的证据。图为研究人员克里斯特·沙尔姆在调试贝尔实验中用到的光子源。

在量子力学中,一对亚原子粒子可以以一种看不见的形式,跨越时空,相互联结在一起。这一理念让爱因斯坦深感冒犯,因为他认为,信息在空间中的两点之间的传递速度是不可能超过光速的。

在 NIST 的研究中,光子源和两台探测器被分别放置在三个房间里,这些房间位于同一座实验室大楼的同一层上,彼此之间相隔很远。在光子的传输过程中,一台随机数产生器会随机从两种偏振状态中选出一种,对两台探测器分别进行配置。
在 NIST 的研究中,光子源和两台探测器被分别放置在三个房间里,这些房间位于同一座实验室大楼的同一层上,彼此之间相隔很远。在光子的传输过程中,一台随机数产生器会随机从两种偏振状态中选出一种,对两台探测器分别进行配置。

上个月,一支荷兰的研究团队在代尔夫特大学同样证明了超距作用的存在。
上个月,一支荷兰的研究团队在代尔夫特大学同样证明了超距作用的存在。

北京时间 11 月 17 日消息,据国外媒体报道,人们近日又一次证明,爱因斯坦至少在一件事上犯了错误。最近开展的一项实验显示,“幽灵般的超距作用”的确存在,并为其提供了具有说服力的证据。

爱因斯坦用这一概念描述量子力学,即组成物质和光的最小粒子具有的一系列奇特表现。更具体来说,他指代的是量子纠缠——这一概念认为,在量子力学中,一对亚原子粒子可以以一种看不见的形式,跨越时空,相互联结在一起。

这一理念让爱因斯坦深感冒犯,因为他认为,信息在空间中的两点之间的传递速度是不可能超过光速的。1964 年,科学家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)设计了一次实验,希望能够排除可以用来解释“超距作用”的隐变量。但在所有的“贝尔实验”中,都仍然存在漏洞,因此批评家认为,这些实验无法证明量子纠缠是实际存在的。

然而,在近期发表在期刊《Physical Review Letters》上的一篇论文中,研究人员给出了迄今为止最可靠的证据,证明量子纠缠的确存在。美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员们制造了数对两两相同的光子,并将它们分别送往不同的地方进行观测。该研究团队成功堵住了此前贝尔实验中的三大“漏洞”,最终取得了卓越的实验成果。

“你无法证明量子力学的正确性,但定域性和我们的实验结果确实是互相矛盾的,”NIST 的克里斯特·沙尔姆(Krister Shalm)说道,“我们的实验结果和量子力学方面的预测一致,都证明了互相缠结的粒子间的确存在着‘幽灵般的超距作用’。”

与 NIST 的论文同时提交给该期刊的,还有由维也纳大学提交的一篇论文。后者使用了类似的高效率单光子探测器,得到了相同的实验结果。不过,NIST 的研究人员认为,自己的研究结果比此前由荷兰代尔夫特理工大学(Delft University of Technology)发表的研究结果更具说服力。在 NIST 的研究中,光子源和两台探测器被分别放置在三个房间里,这些房间位于同一座实验室大楼的同一层上,彼此之间相隔很远。两台探测器之间隔了 184 米,与光子源各隔了 126 和 132 米。

光子源以正常方式产生光子,即用一道激光束击中一种特殊的晶体,从而激发出成对的光子流。这一过程可以产生成对的、相互纠缠的光子,每对光子中,其中一个的偏振方向与另一个具有一定的联系(偏振方向指的是光子的特定方向,如垂直或水平)。每对光子被各自分开,然后由光缆发往远处的两台探测器。在光子的传输过程中,一台随机数产生器会随机从两种偏振状态中选出一种,对两台探测器分别进行配置。如果到达探测器的光子满足该探测器的设置,它就会有 90% 的几率被探测到。

在情况最好的一次实验中,两台探测器在 30 分钟内,同时检测到成对光子的次数共计 6378 次。而在其它实验中,如在只有一台探测器工作的情况下,在总共 12127 次相关事件中,探测器只检测出了 5749 次。

研究人员通过计算得出,如果局域性理论成立,能得到这一实验结果的可能性只有 1.7 亿分之一。因此可以认为,NIST 的实验成功堵上了贝尔实验的三大漏洞。由于 NIST 使用的单光子探测器,该实验的效率很高,可以保证受到探测的光子和测量结果能够代表实际的整体情况。实验中使用的探测器由超导纳米导线制成,效率高达 90%,整个系统的效率约 75%。

目前还没有比光速更快的通讯。这两台探测器之间所隔距离需要光速运行几百纳秒时间,但最终测量结果比光速通讯还快了 40 纳秒,说明超光速通讯是可能存在的。由于探测器配置是由处于光子源之外的随机数产生器进行的,因此该实验杜绝了人为操纵的可能性。

小知识:量子纠缠

在量子物理中,相互纠缠的量子之间存在一定的联系,即使距离隔得很远,也能影响彼此的行为。这意味着,如果你测量出,一对光子中的其中一个的自旋方向为“上”,那么过了一瞬间之后,另一个的自旋方向将是“下”。即使两个光子分处世界的两端,也会出现这一现象。这一理论被爱因斯坦成为“幽灵般的超距作用”。他并不喜欢这一理论,因为该理论认为信息传播的速度可以超过光速。

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