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贝尔量子实验的隐变量解释----博雅解释

投稿时间:2016-12-20 23:56 投稿人:张曦彤 【字号: 访问量:

在量子力学的发展史上,有一段爱因斯坦和波尔关于量子力学争论的公案。争论的焦点在于量子力学的哥本哈根解释(玻尔为代表)中,断然否认客观物理实在的存在,认为是由“观察创造了客观实在”,而爱因斯坦没法接受这样的解释,他曾经不止一次地谈到“月亮,我不看它,相信它也在那里”, 爱因斯坦与另外两名科学家,针对“观察创造了客观实在”共同提出EPR佯谬。

而贝尔定理及贝尔量子实验,被认为是“观察创造了客观实在”为代表量子理论哥本哈根解释获得胜利的标志。

下面简单复述一下贝尔量子实验:

用孪态光子发生器生成的孪态光子分别打到相隔一定距离的两地(习惯称呼为爱丽丝与鲍勃)检偏器,因为孪态光子自旋方向相反(也就是平行),当爱丽丝与鲍勃检偏器夹角为零时,爱丽丝那里能通过的光子,在鲍勃那里,它的孪态光子也能通过,而爱丽丝那里不能通过的光子,在鲍勃那里,它的孪态光子也不能通过。我们管这种同步性叫做“错配率为零”。

 然后转动检偏器,使爱丽丝与鲍勃检偏器出现夹角,这时错配率就不为零了。量子力学给出公式是sin(夹角)的平方。而贝尔给出了下面这样一个不等式。我们举例说明。

例如:

当爱丽丝和鲍勃的检偏器夹角为0时,错配率为0

让爱丽丝检偏器转动+30度角,和不转的鲍勃检偏器夹角为30度,错配率为sin(30度)平方 = 1/4。

让鲍勃检偏器转动-30度角,他和如果不转的爱丽丝检偏器夹角为30度,错配率为sin(30度)平方 = 1/4。

于是我们有了,转了30度的爱丽丝和不转的鲍勃之间错配率为1/4,不转的鲍勃与不转的爱丽丝之间错配率为零,不转的爱丽丝与往反方向转30度的鲍勃错配率为1/4,于是我们得出转了30度的爱丽丝和往反方向转30度的鲍勃之间错配率不会大于1/4+0+1/4=1/2,为什么有可能小于呢?因为有可能误误得正。

然而这时爱丽丝与鲍勃检偏器之间夹角是60度,sin(60度)平方是3/4,远远大于经典理论下的1/2。于是就可以通过实验证实,量子理论与经典理论哪一个是正确的预言。通过实验证实,结果是量子理论预言的3/4。

贝尔定理的高明之处,就在于它不关心具体是什么道理决定了通过与不通过,可以是任何隐变量,任何原理,只要保证一条,起决定性作用的这个原因是本地的而非远程的就可以。

什么叫远程?量子理论是这样解释孪态光子通过两边检偏器的实验的:在两个光子到达检偏器之前,是哪一个都没有自旋方向的叠加态,而当其中一个例如A光子到达爱丽丝检偏器,这个光子因“被观察”而坍缩为自旋方向固定的实体,例如可通过检偏器,而另一侧的孪态光子B,也同时坍缩,自旋方向固定下来,通过不通过鲍勃检偏器,其概率由爱丽丝和鲍勃检偏器的夹角决定。

如果认为A被观察是B被创造的原因,这里需要“信息”传递,量子信息传递速度被认为远远大于光速,是瞬时传递。

但是贝尔量子实验到底证明了什么,否定了什么?是否可以证明“意识创造物质”或者存在无限快的信息传递速度?当我们遇到这样的说辞时,确实应该划一个大大的问号!

其实,贝尔量子实验只是证明了在这个孪态光子实验中,光子具体选择哪一条路径,路径1还是路径2的这个隐变量,不是由本地唯一确定,它否定的是物理学的一个最基本的研究手段---隔离分析法。这个分析法从我们上第一节物理课开始,老师想都不想就会拿来用,在讲全息摄影时,老师大手一挥,管他真正发光的是实物还是底片,只要到达我这里时光波的状态是一样的就成了。也从未有谁质疑过,这个方法是不是有可能会不好使,但是在贝尔量子实验中,它真的就不好使了。

隔离分析法不好使了,这在物理学来说当然是一件大得不得了的事,但原因也跟意识决定物质沾不上边,是鲍勃那个实验场地发生的事情,与其之外的宇宙是分不开的,受爱丽丝那边检偏器状态的影响。

说鲍勃那个实验场地发生的事情受爱丽丝那边检偏器状态的影响,这听起来似乎比“意识决定物质”更不靠谱,但是在引入“量子可能性”概念的博雅解释中,这种影响是存在的,不是微乎其微,而是相当的影响。贝尔量子实验中认为爱丽丝那边检偏器状态不会影响鲍勃那个实验场地的实验结果,太凭想当然了。

如果说爱丽丝那边检偏器可以影响,那么,整个宇宙就没有什么不会对鲍勃的那个实验场地产生影响了?确实如此。但你要明白这是什么水平上的影响,这是“可能性”水平上的影响,这不是物理上的力学作用,你根本不必担心“负担过重”,爱丽丝那边检偏器的状态带来的“量子可能性”影响,是在一个概率分布中的一次具体实验结果会怎样这个水平上的影响,所以,如果鲍勃不是刻意地去和爱丽丝比对结果,那么他根本意识不到这种影响的存在。要知道可能性本来就比“现实”高出一个维度,高出一个维度就意味着无限多倍的内容。

用“量子可能性”可以解释双缝试验中的互补性试验,因并非本文重点,这里不再赘述。

到底是量子学的哥本哈根的“量子叠加态受观察而坍缩”解释正确,还是“量子可能性”这个隐变量使得爱丽丝那边检偏器状态影响鲍勃?可以通过实验来验证的。

实验步骤如下:

准备:

1、在足够远的距离(例如3000千米),按照贝尔量子实验的要求,分别准备好爱丽丝和鲍勃检偏器,并保持+30度角和-30度角。(其他角度原理相同)

2、备好两个校准的原子钟,分别放在爱丽丝检偏器和鲍勃检偏器处。

3、准备好孪态光子发射器,要有一定的发射密度(例如一秒钟10000对)。

4、发射器开始发射光子,调试确认60度角下的3/4错配率。

这样,试验准备完成,下面开始试验。

实验:

让爱丽丝和鲍勃检偏器同时转回0度,注意速度要快,在1/10000秒内完成。观察从哪一对数据开始,错配率回到0。(注意这里不存在等效试验,说只让一方转60度行不行?不行!)

实验结果有两种可能性:

一种是在检偏器转动的同时,错配率立刻回到0,如果是这样的结果,我们不能说哥本哈根解释有问题,但笔者对此非常存疑,会是这个结果吗?

另一种是在检偏器转动后第100对数据开始,错配率才回到0,这说明检偏器状态变化带来的影响,其传播速度不能超过光速。爱丽丝那边检偏器状态变化要到100对数据后才能对鲍勃产生影响,鲍勃亦然。

如果出现了这样的实验结果,那么,说明量子力学的哥本哈根解释是根本错误的,不存在什么“意识选择决定客观实在”。不过,这个实验对实验设备的要求还是很高的,但中国恰好发射了量子卫星,不知道有没有这样的实验条件。

关于爱因斯坦与玻尔的量子力学争论的这段公案,让我们在爱因斯坦离世60年之后,再给这位伟大的物理学家一个机会,或许可以让世人重新认识他。