贝尔不等式被打破！量子纠缠实锤，说明我们活在“游戏”里么？

    诺贝尔物理学奖聚焦量子纠缠，让神秘的量子领域重回大众视野。
    先从被玩成梗的“薛定谔的猫”说起：把一只猫放进密闭盒子，盒内不稳定开关有50%几率触发毒气释放，毒死猫。在不打开盒子时，猫处于既死又活的叠加态，由此衍生出“薛定谔的单身”等趣味调侃。




    这得从量子力学发展说起。
    牛顿时代，牛顿通过棱镜分解光，观察到折射、反射现象，认为光由光粒子组成，不同颜色光粒子混合成白光，其反射、折射类似篮球运动，属粒子行为。


    但惠更斯认为光更像水波、能量波，牛顿质疑若光是波为何能形成规则影子。英国的托马斯杨发现水波重叠会形成干涉条纹，推测光若为波，通过两条细缝形成两个光波，也应投射出干涉条纹，实验证实了他的猜想。


惠更斯


托马斯杨
    后来，俄国的赫兹确定光波是电磁场交替影响的电磁波，因其波长很短，影子清晰，本质仍是波。
    本以为光为电磁波能终结光粒子理论，1900年，普朗克发现电磁波存在不可再分的能量子，爱因斯坦通过光电效应确定光由光量子组成，如同电子。


   人们陷入困惑：光到底是波还是粒子？与此同时，已知原子由带正电的原子核和带负电的核外电子组成，可电子绕核运动为何不被吸进原子核？丹麦的玻尔指出电子轨道是量子化的、呈分层状态，但其公式仅适用于氢原子。
    转机来自法国的德布罗意，这位文科出身学哲学的官二代，为获物理博士学位，大胆预测：既然光有粒子特性，电子会不会也有电子波？这就是著名的波粒二象性。


    他的论文起初难以通过，经老师朗之万推荐给爱因斯坦才得以毕业。当时他的理论没有正经公式，薛定谔登场了。
    薛定谔当时在维也纳担任讲师，教授德拜半开玩笑让他完善公式，没想到他真推导出波动方程，用波的方式描述电子轨道运行轨迹，效果比玻尔理论更好，可他自己都不太清楚方程的真正含义。


薛定谔
    之后，德国的波恩诠释波动方程，认为电子波本质是概率波，电子没有固定轨道，只是更大概率出现在某区域，位置不确定。
    为解释这些现象，玻尔等人提出哥本哈根诠释：光波、电子波平时是概率性波函数，存在统计数据，一旦观测就坍缩成固定值。但爱因斯坦和薛定谔无法接受，薛定谔引入“薛定谔的猫”论证，认为概率波坍缩和叠加荒谬，爱因斯坦也说“上帝不掷骰子”。


    以抛硬币为例，现实中硬币在空中正反概率各50%，摁住才确定结果；但在量子力学里，硬币在空中时同时存在正反两面，只有概率，没有确定状态。


    为批判这一理论，爱因斯坦、波多尔斯基和助手罗森提出量子纠缠思想实验。


爱因斯坦、波多尔斯基和助手罗森
    粒子混合时会出现纠缠态，类似两人跳舞动作一致或相反。按量子力学理论，将纠缠态的两个粒子分开，观测其中一个使其坍缩成某状态，另一个会瞬间坍缩成对称状态，即便相距甚远。薛定谔将其命名为量子纠缠，觉得不可思议，爱因斯坦称之为“鬼魅般的超距作用”，他们想用此证明概率不存在，只是有未被发现的隐变量。
    然而实验结果出乎他们意料。电子双缝衍射实验中，一个电子打出去，电子波会在屏幕形成干涉条纹，电子按波函数概率分布呈点阵；但追踪电子路径，干涉条纹就会消失，粒子真会因观测与否而变化。除光子、电子，大部分微观粒子都有这种因观测而改变的不确定性，甚至引发哲学讨论。


关于量子纠缠的实验结果更震撼。
    英国物理学家贝尔本是爱因斯坦粉丝，想论证量子现象由隐变量导致，列出贝尔不等式将量子纠缠数学化。但后人多次实验证明贝尔不等式不成立，确定了超距的量子纠缠现象真实存在。我国“墨子号”量子科学实验卫星也证实，在1230公里远距离下，量子纠缠具有瞬时性。
    量子纠缠的超距性冲击经典物理局域性理论，量子隧穿现象也很神奇。一个球在宏观世界没外力无法翻过土坡，但在微观量子世界能像闪现一样出现在土坡对面，仿佛打了隧道，原因不明。这让人觉得量子现象像游戏里的bug，不断突破常规认知。


    量子力学还有美国埃弗雷特提出的多世界诠释，认为观测后的坍缩是世界分裂，每次观测会产生不同平行世界，各有不同可能性和因果关系。这让人联想到造物主、哲学思想等，认为是一种概率论。但科学家更关注用数学归纳法和实验解决实际问题，如诺奖三位得主通过实验证明贝尔不等式不成立，确定量子纠缠效应，开启量子通信时代。
    那么，什么是量子通信？
    光信号从地球到火星至少有三分多钟延迟，但量子纠缠有独特加密能力，利用它通信，信息传递是瞬时的，对通信领域变革意义重大。我国“墨子号”首席科学家潘建伟院士是诺奖得主安东・塞林格的弟子，潘建伟和陆朝阳等科学家还是量子计算机“九章”的研发者。传统计算机用半导体芯片电路形成1和0的电信号做二进制运算，量子计算机借助叠加态原理，能同时叠加1和0，实现指数形式增长的量子比特运算，信息容量巨大，结合量子纠缠速度，运算能力超强。
    著名量子物理学家约翰・惠勒说“万物源于比特”，认为时间、热量流转本质是基本粒子有序和无序的转化，是信息传递。他甚至提出宇宙中或许只有一个电子，在宇宙中不停穿梭。如果宇宙终极是从有序到混乱，而生命能将无序重组为有序，人类能创造复杂有序信息，把握微观概率波，借助量子计算机创造元宇宙并非不可能。
    量子力学超出普通人理解范畴，这里只是打比方。玻尔说过，如果一个人觉得自己很懂量子力学，那他一定没懂。
    但此刻拿着手机的你，尤其是年轻人，很可能成为改变命运的天才。
    未来掌握在勇于探索的人手中。