诺贝尔物理学奖 2022:仍敬仰爱因斯坦

今年诺贝尔物理学奖,颁发给验证贝尔不等式的不成立对量子力学和量子信息科学作出贡献的三位实验物理的科学家:Alain Aspect, John Clauser 和 Anton Zeilinger 

通过复杂的量子纠缠实验验证了贝尔不等式的不成立,同时也否定了量子纠缠中存在隐变量或暗通道的可能性,及明确肯定了以波尔为代表的哥本哈根学派的诠释 – 在粒子未被观测前,其量子状态,就不是一个客观实在;既,叠加态和纠缠态,就不是一个客观实在

虽然验证了贝尔不等式的不成立和驳回爱因斯坦的EPR思想实验,但是爱因斯坦仍是我心目中的偶像,这仍然不影响其在物理学界上的伟大成就。从他获得诺奖的光电效应实验中的光量子理论已确立了他为量子物理学第二奠基人的地位。 

随后,他提出的狭义相对论更推翻了牛顿经典力学对时间的绝对性,打破了能量和物质之间的壁垒,引领物理学界迈向了现代物理学(modern physics)的步伐,其著名的我们熟知的质能等效的公式,既 E = mc²。过后他提出的广义相对论更进一步颠覆了人们对时空的固有观念,完整地诠释了引力在引力场和高速物体的运行及时空之间的关系,完善了经典力学无法解释的部分。 此理论也推导出黑洞存在的猜想,当时的民众更是一片哗然。

爱因斯坦的相对论确实是个完美的理论,往后的许多实验更验证了此理论的正确无疑。爱因斯坦一直极力地想在现代物理学中完成其大理石般完美的建构。虽身为量子物理学的第二奠基人,但他一直无法认同量子力学里的叠加态诠释,甚至和爱因斯坦站队的薛定谔也不认同自己推导出来的薛定谔方程里的概率诠释。薛定谔还提出过著名的薛定谔猫(Schrödinger’s Cat)那既生又死的思想实验来嘲讽叠加态让人困惑的状态。 

针对叠加态,爱因斯坦提出EPR悖论来解释其不合理性。粒子在未被观测前,其量子状态皆为叠加态,当观测发生时叠加态会瞬间随机坍缩为某确定的客观值,在此必须强调,波函数坍缩是随机的。爱因斯坦以EPR论文里的一个思想实验来反映出叠加态的荒谬:比如一个π介子在衰变中产生的一对方向相反的正反电子(electron & positron),根据角动量守恒,其自旋正负相加必须为零,故一电子为上自旋时,另一电子必定自旋为下。若以叠加态诠释,则一处于叠加态的电子在观察后的瞬间波函数坍缩,随机地坍缩成上自旋,而同时的瞬间另一电子也会随机的必定坍缩为下自旋,这是多么的不合理。就如两人各自掷骰子,两个骰子都是随机地显现结果,但每次随机的结果又必定相同,这是多么违反直觉的现象。同站队的薛定谔也对此超出理性范畴的现象提出另一著名的名称 -- 量子纠缠。

爱因斯坦和薛定谔相续去世,约翰·贝尔提出贝尔不等式希望验证爱因斯坦的EPR思想实验。之后贝尔也去世了,物理学界验证了贝尔不等式的不成立,确实了我们这个世界的物理法则是超出我们人类一般的理性范畴的,也让现代物理迈向另一不可思议的步伐。这不正是世界的奥妙,物理学带给我们的有趣吗?


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关于这次诺奖的资料影片:

延伸资料(系列影片):

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