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近日，2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者正式揭曉，獲獎(jiǎng)?wù)叻謩e為法國(guó)物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國(guó)理論和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（JohnF. Clauser）和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger）.
2022年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)?/strong>
乘著近年來(lái)火爆的量子力學(xué)大風(fēng)，今年物理學(xué)諾獎(jiǎng)的頒布也成了大眾關(guān)注的熱點(diǎn)。不過(guò)，量子物理其實(shí)早已應(yīng)用在了人們生活的各個(gè)方面。只是在介紹這些應(yīng)用之前，還需先簡(jiǎn)單了解什么是量子物理。而要說(shuō)清楚這一問(wèn)題，還得從愛(ài)因斯坦那句“上帝不會(huì)擲骰子”說(shuō)起。
因果論和隨機(jī)性
量子物理史上的三次論戰(zhàn)
“上帝不會(huì)擲骰子”來(lái)自于愛(ài)因斯坦同玻爾的辯論中。當(dāng)時(shí)，以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，在量子力學(xué)中存在不確定性原理，也即“粒子的位置與動(dòng)量不可同時(shí)被確定”。（玻爾是1922年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者，提出了互補(bǔ)原理）
而這點(diǎn)讓愛(ài)因斯坦很疑惑，他表示不認(rèn)同玻爾的物理哲學(xué)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為，物理就是通過(guò)找出與因果相關(guān)的變量，來(lái)量化自然里的事物，一切未被解釋或定性的，只是沒(méi)有確定某個(gè)變量。于是愛(ài)因斯坦堅(jiān)信因果論，不承認(rèn)自然界存在隨機(jī)性，更別說(shuō)不確定性原理。
愛(ài)因斯坦與玻爾
相反地，玻爾很堅(jiān)持自己學(xué)派的理論，承認(rèn)這種隨機(jī)性。（哥本哈根學(xué)派包括玻爾、海森堡、泡利和玻恩等物理學(xué)家）
在波函數(shù)的概率詮釋中，哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，量子力學(xué)必須放棄傳統(tǒng)力學(xué)的因果律和決定論，而把概率看作本質(zhì)。
在海森堡提出的不確定性原理中，海森堡認(rèn)為，在用宏觀(guān)儀器觀(guān)測(cè)微觀(guān)粒子時(shí)，觀(guān)測(cè)這個(gè)動(dòng)作即對(duì)微觀(guān)粒子造成了干擾，如同盲人想知道雪花的形狀和構(gòu)造那樣。（在量子物理的測(cè)量中，即增加位置的確定性，便降低了動(dòng)量的確定性，在時(shí)間和能量上也適用）
在玻爾提出的互補(bǔ)原理中，對(duì)不確定性原理進(jìn)行了補(bǔ)充，玻爾表示，微觀(guān)粒子具有波粒二象性，即粒子和波兩種圖像不能同時(shí)存在。但為提供完整的描述，又必須將這兩種圖像結(jié)合互補(bǔ)。（波粒二象性，如一條來(lái)回奔跑的狗可以被描述跑的路線(xiàn)，也可以被描述在某一位置的靜止?fàn)顟B(tài)，但兩種描述不能同時(shí)存在）
但愛(ài)因斯坦認(rèn)為，如果承認(rèn)隨機(jī)性、摒棄因果論，如果量子力學(xué)僅可建立在可觀(guān)察量的基礎(chǔ)上，那理論便限制了人能觀(guān)察到的東西，那物理研究的意義何在，所以表明立場(chǎng)——量子力學(xué)不具有完備性。
之后，也就爆發(fā)了物理學(xué)史上最精彩的幾次論戰(zhàn)。畢竟愛(ài)因斯坦對(duì)概率性和不確定性早已不滿(mǎn)。
索爾維會(huì)議
第一次論戰(zhàn)
在1927年的第五屆索爾維會(huì)議上，愛(ài)因斯坦發(fā)起了第一次進(jìn)攻——針對(duì)位置與動(dòng)量。他設(shè)計(jì)了雙縫干涉理想實(shí)驗(yàn)，通過(guò)控制電子槍使電子逐個(gè)發(fā)射，屏上的顯示即為電子的位置，而關(guān)閉一個(gè)縫隙，即可知道電子從哪個(gè)縫出來(lái)，從而測(cè)出其路徑。由于干涉條紋可以計(jì)算電子波的波長(zhǎng)，所以可以算出電子的動(dòng)量，于是動(dòng)量和位置同時(shí)可知，不確定性被推翻。
玻爾思考良久反駁道，如果關(guān)閉了其中任何一個(gè)縫，雙縫的干涉現(xiàn)象便不復(fù)存在，實(shí)驗(yàn)又回到了單縫狀態(tài)。更重要的是，電子行為依賴(lài)于壁障上是否有多的狹縫，即依賴(lài)于我們對(duì)實(shí)驗(yàn)的安排。于是，愛(ài)因斯坦的理想實(shí)驗(yàn)進(jìn)攻失敗，還成了用互補(bǔ)原理證明波粒二象性的例子。
第二次論戰(zhàn)
在1930年的第六屆索爾維會(huì)議上，愛(ài)因斯坦發(fā)起了第二次進(jìn)攻——針對(duì)時(shí)間和能量。他設(shè)計(jì)了一個(gè)理想光子箱，里面裝著光和鐘表，在某一特定時(shí)間讓一粒光子從箱子的小縫飛出，然后稱(chēng)得箱子的質(zhì)量改變情況（由于光再小也具有有效質(zhì)量）。根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，即可測(cè)出能量變化，同時(shí)在鐘表計(jì)時(shí)的情況下，時(shí)間也得到了測(cè)量，不確定性再被推翻。
玻爾聽(tīng)完此實(shí)驗(yàn)面色蒼白，不過(guò)在一晚上的思考之后，他作出了漂亮的回答。由于光子箱是由彈簧秤測(cè)量，而當(dāng)光子飛出引起箱子質(zhì)量變化時(shí)，箱子也必將沿重力方向運(yùn)動(dòng)。此時(shí)即使質(zhì)量測(cè)量準(zhǔn)確，但由于箱子在重力場(chǎng)發(fā)生了位置變化，箱內(nèi)鐘表的快慢也將因廣義相對(duì)論的紅移效應(yīng)而改變，從而使得時(shí)間的測(cè)量產(chǎn)生一個(gè)不確定量，于是時(shí)間的測(cè)量仍不夠準(zhǔn)確。
于是，第二次論戰(zhàn)中，愛(ài)因斯坦再敗，但他很滿(mǎn)意玻爾的解釋。
第三次論戰(zhàn)
在這之后，愛(ài)因斯坦并未放棄，仍堅(jiān)持認(rèn)為量子力學(xué)不夠完備。于是便在1935年聯(lián)合波多爾斯基、羅森發(fā)布了著名的EPR悖論，這次愛(ài)因斯坦引用了量子力學(xué)的“全同粒子”概念，再次向不確定性原理發(fā)起了進(jìn)攻。（全同粒子是指處于一個(gè)原子內(nèi)部的兩個(gè)電子，在脫離原子成為獨(dú)立電子后，還能具有完全相同的屬性）
愛(ài)因斯坦假設(shè)，全同粒子A和B沿反方向飛去，根據(jù)動(dòng)量守恒，A和B動(dòng)量必定相反，A飛了多遠(yuǎn)B也一樣。于是此時(shí)測(cè)量A的動(dòng)量，便可得B的動(dòng)量，此時(shí)測(cè)量B的位置，也能求出A的位置。如此每個(gè)粒子都只測(cè)了一次，卻知道了它們的動(dòng)量和位置信息，又一次推翻了不確定性原理。
這一次，玻爾回答說(shuō)，A和B應(yīng)該算作一個(gè)量子系統(tǒng)，用同一個(gè)波函數(shù)表示，當(dāng)你測(cè)量A的動(dòng)量時(shí)，其實(shí)就已經(jīng)破壞了B的位置信息，反之亦然。這兩個(gè)粒子雖然分開(kāi)，但處于某種“糾纏狀態(tài)”。
愛(ài)因斯坦這次可不買(mǎi)賬，他拿出了相對(duì)論來(lái)反駁：這兩個(gè)粒子可以相距幾十光年，那它們還會(huì)相互影響嗎？難道說(shuō)它們之間存在超光速的超距作用（也稱(chēng)為非定域性，即超越時(shí)空瞬間地作用和傳播）？玻爾直到去世也沒(méi)給出直接回答。
量子糾纏
后來(lái)，愛(ài)因斯坦引入了量子糾纏的概念，也就是說(shuō)，不確定性原理之所以成立，是因?yàn)榱孔又g存在超光速的糾纏效應(yīng)。而這個(gè)糾纏效應(yīng)用因果論的話(huà)來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)隱變量，如果能準(zhǔn)確找出并定性該隱變量，就能準(zhǔn)確地同時(shí)測(cè)算出位置和動(dòng)量、時(shí)間和能量，也就不會(huì)出現(xiàn)不確定性。
關(guān)于這個(gè)隱變量，玻爾不承認(rèn)它的存在，而且后續(xù)也不再有針尖對(duì)麥芒的論戰(zhàn)，大家都在“各說(shuō)各的”。于是當(dāng)時(shí)的學(xué)術(shù)氛圍變成——要么選擇相信隨機(jī)性，跟隨哥本哈根學(xué)派；要么去找出愛(ài)因斯坦都找不出的隱變量。因此，量子力學(xué)的研究停滯不前。
直到貝爾實(shí)驗(yàn)和貝爾不等式的出現(xiàn)，終于在隱變量這朵大烏云下，讓量子力學(xué)重新看到了曙光。
愛(ài)因斯坦頭號(hào)迷弟的成就
竟是證明愛(ài)因斯坦錯(cuò)了
根據(jù)本次諾獎(jiǎng)官方通稿表示，“此獎(jiǎng)為表彰他們?cè)诹孔有畔⒖茖W(xué)研究方面作出的貢獻(xiàn)。他們通過(guò)光子糾纏實(shí)驗(yàn)，確定貝爾不等式在量子世界中不成立。并開(kāi)創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科。”
不過(guò)，貝爾是誰(shuí)？什么是貝爾實(shí)驗(yàn)和貝爾不等式？
貝爾與貝爾不等式
約翰·斯圖爾特·貝爾同樣是一名物理學(xué)家，只不過(guò)生得比較晚，在愛(ài)因斯坦和玻爾論戰(zhàn)之時(shí)，貝爾才不到十歲。但他后來(lái)是愛(ài)因斯坦的忠實(shí)追隨者，為證明EPR佯謬的正確性，他在1964年提出了著名的貝爾不等式，以巧奪天工的邏輯，找出了隱變量存在的證據(jù)。
貝爾不等式涉及到三維空間內(nèi)的粒子自旋運(yùn)動(dòng)，解釋起來(lái)比較麻煩。筆者在網(wǎng)上找到一個(gè)容易理解的類(lèi)比式版本，可以輕松讀懂貝爾實(shí)驗(yàn)的內(nèi)核。
首先，將粒子發(fā)射器比作房子，左右兩扇門(mén)比作發(fā)射口，粒子比作人，粒子的屬性為人的性別。最初，一個(gè)房間左右兩扇門(mén)，隔一定時(shí)間，每一扇門(mén)分別走出一男或一女。A記錄左門(mén)，B記錄右門(mén)，結(jié)果證明一個(gè)規(guī)律，左右門(mén)走出男女情況一定相反。
AB記錄房子里走出的男女示意圖1
之后加入變量，A保持面對(duì)左門(mén)記錄，B背對(duì)右門(mén)等人出來(lái)之后再記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，他們所記錄的情況出現(xiàn)了1%的誤差。于是規(guī)律改變：當(dāng)A或B背對(duì)門(mén)記錄時(shí)（觀(guān)測(cè)方法改變時(shí)），左右門(mén)走出來(lái)的男女情況有1%的概率相同，這同時(shí)證明每一對(duì)走出來(lái)的人存在交流（即存在量子糾纏）。
AB記錄房子里走出的男女示意圖2
之后再加入變量，A、B同時(shí)背對(duì)門(mén)等人出來(lái)后記錄，于是按照過(guò)往規(guī)律，誤差將≤2%。若誤差情況在預(yù)計(jì)中，即證明隱變量存在且可控，愛(ài)因斯坦正確。但如果誤差＞2%，即證明玻爾正確，量子力學(xué)存在不確定性。
AB記錄房子里走出的男女示意圖3
但實(shí)驗(yàn)并未完成，因?yàn)楫?dāng)時(shí)配置不夠，貝爾以理論推導(dǎo)出貝爾不等式，認(rèn)定此誤差≤2%，證明愛(ài)因斯坦的理論正確。
不過(guò)隨著時(shí)代發(fā)展，配置逐漸齊全，后人（也即近日斬獲諾獎(jiǎng)的三人）仍在不斷進(jìn)行貝爾的實(shí)驗(yàn)，只是后來(lái)的結(jié)果卻與貝爾不等式相悖。也即是說(shuō)，前文提到的誤差，在后來(lái)克勞澤的實(shí)驗(yàn)中大到令人難以置信，貝爾不等式也被證明在量子世界中不成立。
而由此可推出那場(chǎng)物理界大型論戰(zhàn)的結(jié)果——愛(ài)因斯坦錯(cuò)了，玻爾是對(duì)的。
但這不是最終結(jié)論，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)仍在繼續(xù)，物理學(xué)家們想搞清楚誤差是怎么出現(xiàn)的。于是在阿斯頓的實(shí)驗(yàn)里，他設(shè)計(jì)了超長(zhǎng)的距離。回到之前的類(lèi)比，他想知道——房間走出來(lái)的那對(duì)人，其性別是取決于A(yíng)B的觀(guān)測(cè)方法；還是說(shuō)人出來(lái)時(shí)沒(méi)有性別，是雙方聯(lián)系后才決定各自性別的。
也就是想知道，被發(fā)射粒子的屬性是與生俱來(lái)的；還是說(shuō)粒子出來(lái)時(shí)不具備屬性，而是會(huì)相互聯(lián)系并判斷觀(guān)測(cè)者的觀(guān)測(cè)方法，來(lái)決定自己呈現(xiàn)什么樣的屬性。
結(jié)果令人大吃一驚。第一是粒子出現(xiàn)時(shí)不具備屬性，攜帶什么樣的屬性的確是取決于觀(guān)測(cè)者的觀(guān)測(cè)方法；第二是粒子間的確存在相互聯(lián)系，而且由于實(shí)驗(yàn)中成對(duì)的粒子距離足夠遠(yuǎn)，消息的交互早已超過(guò)了光速，這點(diǎn)證明了超距作用的存在，也即量子糾纏的確存在。
這是一個(gè)令不少人三觀(guān)崩塌的結(jié)論。也就是照此邏輯，在量子世界里，各粒子都不自帶屬性，所謂的“客觀(guān)存在”也不成立？我們?nèi)绾斡^(guān)測(cè)它，它就如何呈現(xiàn)自己的屬性，那量子世界完全由我們的主觀(guān)構(gòu)成嗎？
這點(diǎn)或許得相當(dāng)專(zhuān)業(yè)的人士才能解答。不過(guò)筆者還知道一些，關(guān)于量子物理在現(xiàn)今和未來(lái)有什么用。
量子應(yīng)用多點(diǎn)開(kāi)花
物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已開(kāi)始試點(diǎn)
就目前的發(fā)展來(lái)看，量子技術(shù)將對(duì)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生不少積極影響，包括對(duì)計(jì)算能力、網(wǎng)絡(luò)延遲、互操作性、實(shí)時(shí)分析等功能的優(yōu)化，同時(shí)增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力，為云計(jì)算提供安全保障。另一方面，在新興的5G電信基礎(chǔ)設(shè)施中，量子加密將是提高IoT連接量增速的解決方案。
量子物聯(lián)網(wǎng)還可以提升數(shù)據(jù)流的可操作性，將來(lái)自不同邊緣的數(shù)據(jù)流（從產(chǎn)品線(xiàn)上的裝備到消費(fèi)品中的傳感器）結(jié)合至AI中，可以有效改變?nèi)藗児ぷ?、生活和娛?lè)的方式。由于同傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的01編碼不同，量子編碼的三維復(fù)數(shù)形式將徹底改變開(kāi)發(fā)環(huán)境，但并不影響物聯(lián)網(wǎng)的定義，反而加速了物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋。
最重要的是，量子計(jì)算出現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，即可讓所有電子設(shè)備均能在互聯(lián)網(wǎng)上完成尋址。
今年年初，量子物理已應(yīng)用在燃?xì)獗砩?。?jù)悉，國(guó)內(nèi)首批“量子安全智能燃?xì)獗怼币呀?jīng)在合肥開(kāi)始試點(diǎn)，開(kāi)展基于量子安全技術(shù)的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗?/strong>的研發(fā)和示范應(yīng)用。目前初定的目標(biāo)是改造換表20萬(wàn)塊，新增物聯(lián)網(wǎng)表8萬(wàn)塊。其中通信技術(shù)利用量子密鑰加密，可實(shí)現(xiàn)保密安全通信，保障燃?xì)庥脩?hù)的數(shù)據(jù)信息安全。
量子燃?xì)獗?/strong>
同時(shí)，合肥已開(kāi)通量子城域網(wǎng)。該項(xiàng)目是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、用戶(hù)最多、應(yīng)用最全的量子保密通信城域網(wǎng)；該網(wǎng)絡(luò)含8個(gè)核心節(jié)點(diǎn)和159個(gè)接入節(jié)點(diǎn)，量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)光纖全長(zhǎng)1147公里，可為市、區(qū)兩級(jí)黨政機(jī)關(guān)提供量子安全接入服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸加密服務(wù)，提升電子政務(wù)安全防護(hù)水平。
不僅如此，在通信領(lǐng)域，今年五月中國(guó)電信發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款基于量子信息技術(shù)的VoLTE加密通話(huà)產(chǎn)品――天翼量子高清密話(huà)。同時(shí)發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款搭載量子安全通話(huà)產(chǎn)品的手機(jī)天翼1號(hào)2022，該產(chǎn)品采用國(guó)產(chǎn)定制手機(jī)、量子安全SIM卡和國(guó)密算法“三重保護(hù)”，為用戶(hù)提供“管-端-芯”一體化安全防護(hù)，帶來(lái)保密通信創(chuàng)新應(yīng)用。
除此之外，作為新型安全加密工具，后量子密碼和量子密鑰已受到軍事物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)關(guān)注。后量子密碼不能被量子計(jì)算機(jī)攻破，目前美國(guó)已在布局。而量子密鑰分發(fā)則在歐盟受眾更多，其允許在數(shù)學(xué)上證明安全性的情況下進(jìn)行安全的加密密鑰交換。
在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，大部分技術(shù)都最先作用于軍事（比如通信類(lèi)的藍(lán)牙和UWB等），于是也能據(jù)此判斷未來(lái)消費(fèi)端的趨勢(shì)。在未來(lái)，量子物聯(lián)網(wǎng)也將成為某個(gè)時(shí)代的主旋律。
結(jié)語(yǔ)
回到文章開(kāi)頭因果論與隨機(jī)性的問(wèn)題上，結(jié)合物理學(xué)家們的爭(zhēng)論不難發(fā)現(xiàn)，物理問(wèn)題早已變成了哲學(xué)問(wèn)題，也因此得不到完美的答案。
但通過(guò)結(jié)論可以確定，我們已無(wú)法再用現(xiàn)實(shí)世界的標(biāo)準(zhǔn)去看待量子世界。愛(ài)因斯坦想通過(guò)因果關(guān)系理順量子物理的邏輯，結(jié)果量子并不自帶屬性，無(wú)法被定義因果；玻爾想通過(guò)承認(rèn)隨機(jī)性來(lái)理解量子物理，結(jié)果量子卻不表現(xiàn)出隨機(jī)，只是隨觀(guān)測(cè)方法而變化。
隨著本次諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C布，一方面記錄了物理學(xué)家們的貢獻(xiàn)，更是為量子世界打開(kāi)了新的大門(mén)，不難得知，以后還將出現(xiàn)更多刷新我們的世界觀(guān)的理論出現(xiàn)。
另一方面，隨著量子逐漸被理解和開(kāi)發(fā)，人們也將更多地接觸并運(yùn)用它，只是在未來(lái)，仍有頗多未知和挑戰(zhàn)在等待著我們。
