贝尔把自己标榜为爱因斯坦的忠实追随者,对玻姆的隐变量理论非常感兴趣,隐变理论和量子力学的争论,本质上是关于“定域性”和“实在性”的问题。
定域性:一定时间内,因果关系只会维持在特定的区域。也就是说没有超光速信号的存在。
实在性:真实事物客观存在,不依赖于观察者。
贝尔不等式
贝尔注意到,爱因斯坦和波尔的争论,关键就在于爱因斯坦提出的“EPR”当中,1964年,贝尔发表了名为《论EPR佯谬》的理论,文中以简单清晰却又深邃精炼的证明过程,得到了大名鼎鼎的“贝尔不等式”,被誉为“科学中最深刻的发现”,该论文也成为20世纪物理学名篇。
要推导贝尔不等式的基本形式不难,只需要一点简单的中学知识即可,在这我完全可以给大家展示推导过程,回到之前的EPR佯谬当中:
一个母粒子分开为A粒子和B粒子,我们考虑两者的自旋方向,由于我们生活在三维空间中,所以选择三个方向坐标(x,y,z)进行观测,xyz不需要相互垂直,由于每个方向上的自旋只有" "和"-"两种情况,所以对每个粒子来说就有8种情况;对于两个粒子来说,由于同一个方向上的自旋总是相反的,所以整体来说还是只有8种情况,我们把每种情况标定一个概率,分别是:
根据归一性原则有:N1 N2 N3 N4 N5 N6 N7 N8=1
我需要解释一个数学名词——相关性,对于两个研究对象来说,相关性指的是两者的合作程度,如果两者的行为总是相关的,那么相关性就是100%(或者1),如果两者行为完全不相关,那么相关性就是0。
现在我们需要考察得更深一些,来看A粒子在x方向和B粒子在y方向上的相关性是多少?我们记为Pxy。
由于总的也就8种情况,我们只需要把符合相关性的概率加上,然后减去不符合相关性的概率即可,于是我们把符合Ax 以及By ,或者Ax-以及By-的概率加上,反之减去,根据表(1)很容易得出:
Pxy=-N1-N2 N3 N4 N5 N6-N7-N8;
同样的方法,我们可以得到A粒子在x方向和B粒子在z方向上的相关性Pxz:
Pxz=-N1 N2-N3 N4 N5-N6 N7-N8;
然后是A粒子在z方向和B粒子在y方向上的相关性Pzy:
Pzy=-N1 N2 N3-N4-N5 N6 N7-N8;
有了上面四个公式,现在是展现数学技巧的时候到了,绝对值当中有这么一个不等式|a-b|<=|a| |b|,记住所有概率值都是非负数,于是有:
|Pxz-Pzy|=|-2N3 2N4 2N5-2N6|=2|(N4 N5)-(N3 N6)|<=2(N4 N5 N3 N6)
根据归一性公式,我们可以凑一个“1”出来:
2(N3 N4 N5 N6)=1 (-N1-N2 N3 N4 N5 N6-N7-N8)=1 Pxy
于是我们得到了最终的结果:
|Pxz-Pzy|<=1 Pxy
这就是大名鼎鼎的贝尔不等式,恭喜你,你已经证明了宇宙中最深刻的定理之一。从证明过程我们可以看出,贝尔不等式是一个非常严密的数学定理,物理中仅仅依赖于定域性和实在性。可是贝尔发现,在量子力学中,当坐标夹角足够小时,量子行为将会突破贝尔不等式!!!
这简直就是大逆不道,量子力学居然可以破坏这么严谨的定理,说明量子行为之间的相关性,是超出经典力学行为的。
实验究竟如何呢?
直到1982年,科学家阿斯派克特才首次完成了第一代的贝尔实验,他以钙原子为光子对来源,然后把钙原子激发到一定能级,当回落时就会释放一对光子对,实验巧妙地让两个光子飞出12米远(光子需要飞40纳秒),中间的一个偏振器平均10纳秒可以改变一次方向,然后测量光子的合作程度。