撰文 | 施  郁（复旦大学物理学系教授）

 

2016年11月30日，一个叫做“大贝尔测试”（The Big Bell Test）的实验项目在全球五个洲的12个实验室进行。在全球各地大约10万名志愿者的帮助下，这些实验室在12个小时内做了13个贝尔实验，其中一个是中国科学技术大学上海研究院潘建伟教授领导的光子偏振实验。

本周三，2018年5月9日，Nature杂志发表了这13个贝尔实验的结果[1]，显示定域实在论在有光子、单原子、原子系综与超导器件等系统中被违反。这一工作代表了对量子力学基本理论的检验又前进了一步。 

 

 

自上世纪二十年代以来，量子力学成为整个微观物理学的基本理论框架，并且取得了巨大的成功。量子力学以前已经建立的物理学框架被称作经典物理。量子力学的数学工具并不比经典物理的更复杂，但是量子力学的概念框架与之截然不同，以致于玻尔说：“没被量子理论震撼就没懂。”在人类思想史上，量子力学即使不是最重大的革命，也是最重大的革命之一[2]。

 

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基（Boris Podolsky）和罗森（Nathan Rosen）以所谓的定域实在论（即定域性和实在论共同成立）为前提假设，讨论了相距很远的处于量子纠缠态的两个粒子。定域性是指，在某处的测量不会影响到遥远的地方。这里的实在论是指观测量在被观测之前就已经确定了。爱因斯坦等人提出量子力学不完备，除了量子力学中的量子态之外，物理系统还存在额外的变量。后来人们将这些额外的变量称作隐变量，它们代表了上面说的实在论。如果一个代替量子力学的理论包含隐变量，它就叫作隐变量理论。如果这个理论还满足定域性，就叫定域隐变量理论。

 

1964年，贝尔（John Bell）发表了一个不等式，是定域隐变量理论都应该满足的不等式。后来所有这一类的不等式都叫作贝尔不等式。最简单的情况是关于两个子系统，每个子系统由一个观察者对之进行测量。用定域隐变量理论计算各种测量结果的关联，结果满足贝尔不等式。在量子力学中，如果这两个子系统用某些量子纠缠态描述，那么根据量子力学计算的结果是违反贝尔不等式的。也就是说，量子力学与定域实在论是矛盾的。

 

贝尔不等式将原来带有形而上学味道的讨论转变为可以用实验定量决定的非此即彼的判定。检验大自然是否满足贝尔不等式的实验叫作贝尔测试。作贝尔测试需要使用分居两地又处于量子纠缠态的子系统，迅速高效的探测，以及事先不可预测的对于测量装置的安排。后来历史上的里程碑主要是，1972年克劳瑟（John Clauser）等人的实验和1981年阿斯贝克特（Alain Aspect）等人的实验，这些实验以及后来的很多贝尔测试实验都判定量子力学胜利，定域实在论失败。这些工作中还存在技术性漏洞，如在探测器效率或定域性的确保上，但是一般认为，在2015年的几个实验中补上了。

 

贝尔不等式是关于两个子系统的各种测量结果之间的关联，涉及测量装置的几种不同设置，比如测量的方向。这在贝尔不等式的推导中是完全自由的，与隐变量无关。在贝尔测试中，需要自由随机选择这几个不同设置。在所有以前的实验中，都是由仪器来随机选择实验装置的安排。这是不理想的，因为万一这些仪器所作的选择本身就是由隐变量决定的呢？这叫做“自由选择漏洞”。贝尔曾提出可以用人的自由选择来保证实验装置的安排的不可预测性。但是当时的技术做不到。

 

“用人的选择挑战定域实在论”所报导的“大贝尔测试”就是这样的实验，补上了这个“自由选择漏洞”。这些实验中所作的选择都是来自全球各地的约10万个志愿者。2016年11月30日的12小时内，这些志愿者通过一个网络游戏“the BIG Bell Quest”，每秒产生1000比特数据，总共产生了97347490比特数据。每个比特是0或1，被用于对实验中所作选择的指令。不同的实验采用不同的数据。参加游戏的志愿者被要求在一定时间内输入一定的随机比特。有个机器学习算法会根据已输入的比特，提醒志愿者避免可预测性，但是对产生的数据不作选择。

 

依据这些志愿者无规提供的数据来安排测量装置，13个在不同系统的贝尔测试的结果表明了定域实在论在这些系统中被违反。

 

在这个实验之前，利用网络游戏召集志愿者参与实验已经出现在蛋白质与RNA折叠、神经元映像以及量子计算中的优化问题。还有人建议召集世界各地的人用手机测宇宙线。这些都可以叫作全民科研（citizen science），是互联网带来的新的科研方法。

 

参考文献：

1. The BIG Bell Test Collaboration, Challenging local realism with human choices, 

Nature 557, 212–216 (2018). http://nature.com/articles/doi:10.1038/s41586-018-0085-3

2. 施郁，继续量子科学革命，光明日报，2017 年 05 月 25 日 13 版.

 

【本文也发表在微信号“物理文化与施郁世界线”】