大贝尔实验：解决量子力学难题，科学家们需要你的帮忙！

越长大越孤单

本文作者:Steed
                    你在教室里，但老师不在。


这个时候，飞来飞去的纸团，八卦和尖叫笑声充斥在空气里。

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"小心！老师回来了！"第一个注意到老师目光的人提醒了其他同学，然后你立即回到属于自己的小角落，当作什么事都没有发生过。
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这样的场景，当过学生的你可能再熟悉不过了。但你能想象，当没有人在的时候，教室的桌子和椅子有可能也会这样吗——有可能，它们并不是固定的、一成不变的，而在人们观察的时候，就会迅速恢复到正常状态？


这种想法似乎是难以置信的。但是科学家发现，一些非常小的粒子，比如原子，在被观察时确实会有变化。那么，那些组成桌子的原子，是不是在发现我们到来以后也会互相提醒，然后把最好的一面呈现出来呢？ 更难以回答的问题是：假如我们在观察时，原子的状态确实会变得不一样，那么有没有一种方法能让我们知道，它有没有改变呢？
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“大贝尔实验”可以做到

量子力学认为，微观粒子在没有被观测时，甚至比没有被老师盯着的学生更加欢脱，完全没有正形，上天下地无所不在——直到对它进行观测，粒子才会突然老实下来，正襟危坐，有了确定的状态。
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量子力学还认为，相互独立且都没有正形的两个粒子能够“纠缠”在一起，只要对其中一个粒子进行观测，不仅是被观测的粒子，与它纠缠的另一个粒子也会瞬间老实下来，无论它们之间相距多远。它们之间“通风报信”的速度远远超过光速——这是爱因斯坦无法接受的，他把这个现象称为“远距离闹鬼”。贝尔实验要检验的，恰恰就是这种现象。


实验原理说来简单：把一对纠缠粒子分隔两地，让不同的观测者，比如Alice和Bob，同时对两个粒子进行独立观测，具体观测方法则必须由随机选择而定。只有真正作出随机选择，才能打粒子一个措手不及，不让它们有提前串通的机会。对大量成对的纠缠粒子进行随机观测后，Alice和Bob再来比较他们各自观测得到的数据。



大贝尔实验：解决量子力学难题，科学家们需要你的帮忙！

Alice和Bob会通过随机选择的观测方法同时对两个例子进行独立观测。图片来源：thebigbelltest.com
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这个时候，就轮到“贝尔不等式”隆重登场了。别怕，我们不需要了解贝尔不等式到底是怎么回事。我们只要知道，如果Alice和Bob的结果满足这个不等式，就证明“远距离闹鬼”不存在；反之，如果违背这个不等式，则证明“远距离闹鬼”现象确实存在的。
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自提出以来，这样的实验已经在世界各地进行过许多次，每次实验的结果都明确违背了“贝尔不等式”，证明“远距离闹鬼”现象是存在的。
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这就好比把一对双胞胎兄弟关在不同的小黑屋里，由两位审讯者在同一时间分别审问他们。兄弟俩只能用“是”或“否”来作出回答，他们各自被问到的问题则是随机选择的——有可能哥哥被问到的问题是“是否爬过长城”，而同一时刻弟弟这边的问题则是“是否关注了果壳网”。持续审问一段时间后，两位审讯者发现，不论问题如何五花八门杂乱无章，兄弟俩各自回答的“是”和“否”都惊人地一致。


这是不是就能证明，这对双胞胎兄弟之间存在神奇的“心灵感应”呢？可以，但前提是审问过程中不存在纰漏。如果审讯兄弟俩的问题看似随机选择，其实却有某个幕后黑手在其中精心操控，那审讯结果也就无法作数了。
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贝尔实验也是如此，虽然此前的诸多实验都明确违背了不等式，但它们或多或少都存在这样或者那样的漏洞。如今，最突出的两个大漏洞在实验上都已经补上，只剩下自由选择漏洞仍待填补——也就是前面反复强调多次的“随机选择”。


当Alice和Bob在选择用什么方式观测粒子时，此前的实验大都使用随机数发生器来作随机选择。然而，再复杂的随机数发生器也是机器，严格按照规则行事的机器产生出来的随机数是真正随机的吗？ 会不会冥冥之中有某种我们无法察觉、粒子却能够提前串通的规律隐藏在其中呢？
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就是你了，贝尔员！

好在，我们人类拥有自由意志（至少我们自以为如此），不依靠机器的力量，我们的自由意志应该也有能力作出真正随机的选择。是的，如果我们想知道实验室里的粒子有没有串通一气，在发现我们的时候临时改变状态，就要做大贝尔实验。而这个实验，来自世界各地的科学家又不能独立完成——他们需要你的帮助！


我们需要你，和很多像你一样的人，来帮助我们作出选择——决定我们要怎样观察这些粒子。这样才能真正给它们来个措手不及！你愿意成为一名“贝尔实验员”，成为全世界首个此类实验的一部分吗？
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噢，你想要知道“贝尔员”需要做些什么？


我们来试一试：随机地选取几个0或者1。



大贝尔实验：解决量子力学难题，科学家们需要你的帮忙！

在这个网页（thebigbelltest.org），你可以先试着选取三次。图片来源：thebigbelltest.org；果壳网编译重制


贝尔员提供的0和1将会被分配给全球各地的实验室。你的选择将会被传送给Alice和Bob，在那儿帮助我们决定如何观察这些粒子。


Alice和Bob测量的是实验室产生的一对粒子。其中一个粒子传送给Alice，另一个传送给Bob，然后他们同时研究这两个粒子。而你们提供的0和1将决定Alice如何测量粒子——告诉Alice观察粒子时用这两种仪器中的哪一个：



大贝尔实验：解决量子力学难题，科学家们需要你的帮忙！

如果你选择0，Alice将会通过仪器1观察粒子，仪器1将给出两种可能的结果。图片来源：thebigbelltest.org；果壳网编译重制



大贝尔实验：解决量子力学难题，科学家们需要你的帮忙！

如果你选择1，那么Alice将通过仪器2观察粒子，仪器2给出另外两种可能的结果。图片来源：thebigbelltest.org；果壳网编译重制
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上面我们跟踪的是Alice的例子，但Bob的粒子也会有同样的行为。最终，Alice和Bob将分析他们结果中的相似性。如果结果非常相近，意味着即使被分开了，这两个粒子在面对观测的时候仍然保持一致性。而且它们肯定是始终保持一致，因为它们处在所有贝尔员不可预测的监视之下！
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有了你的贡献，我们才能够通过这些分析，回答最初的问题：原子会由于我们的观测改变状态吗？它们之间能够互通消息，互相提醒我们正在观测吗？


大贝尔实验将在2016年11月30日进行。在这里加入我们，成为贝尔员吧！


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文章题图：thebigbelltest.org