遇事不決，量子熱學(xué)
2022年諾貝爾化學(xué)學(xué)獎，授予了三位研究人員，因其在理解量子糾纏方面的開創(chuàng)性工作，這是自然界最令人困擾的現(xiàn)象之一。量子糾纏，用最簡單的話來說，意味著糾纏對中的一個粒子的個別方面取決于另一個粒子的個別方面，無論它們相距多遠或它們之間有哪些。這種粒子可以是電子或光子，一個方面可以是它所處的狀態(tài)，比如它是否在一個方向上"旋轉(zhuǎn)"。
量子糾纏的奇怪之處在于，當你檢測糾纏對中的一個粒子的一些情況時，你會立刻曉得另一個粒子的一些情況，雖然它們相隔數(shù)百萬光年。兩個粒子之間的這些奇怪的聯(lián)系是頓時的，雖然打破了宇宙的一個基本規(guī)律。這就是為何阿爾伯特-愛因斯坦把這些現(xiàn)象稱為"遠距離的幽靈行動"。
要真正理解量子糾纏的奇特之處，首先必須了解量子疊加。量子疊加是粒子同時存在于多種狀態(tài)的看法。當進行檢測時，就好象粒子選擇了疊加狀態(tài)中的一種。
依照量子熱學(xué)量子糾纏通訊，粒子在被觀察到之前同時處于兩種或更多的狀態(tài)--薛定諤知名的思想實驗生動地捕捉到了這些療效，即一只既死又活的貓同時存在。
之后，我們想像一個粒子衰弄成兩個子粒子，a和b。子粒子的性質(zhì)加上去必然等于原始粒子的性質(zhì)——這就是守恒原理。諸如，所有的粒子都有一種被稱為“自旋”的量子特點——粗略地說，它們運動上去如同微小的手冊針。假如原始粒子的載流子為零，這么兩個子粒子中必然有一個載流子為正，另一個載流子為負量子糾纏通訊，這意味著a和B都有50%的概率載流子為正或負。按照量子熱學(xué)，在你真正檢測它們之前，粒子被定義為處于不同狀態(tài)的混和體。
A和B的性質(zhì)并不是互相獨立的，它們是糾纏在一起的，雖然它們坐落不同行星上的不同實驗室。假如你檢測它的旋轉(zhuǎn),你發(fā)覺它是正向的，之后想像一個同學(xué)在完全相同的時間檢測載流子的B，為了維持數(shù)學(xué)原理，她必須否認B的載流子是反向的。
但這就是事情顯得模糊的誘因。如同亞粒子A,B有50:50的機會是正的，所以當A的載流子狀態(tài)被檢測為正的時侯，B的載流子狀態(tài)“變成”負的。換句話說，載流子狀態(tài)的信息頓時在兩個亞粒子之間傳遞。
科學(xué)家花了20年的時間進行扎根于量子熱學(xué)的實驗，早已接受了它的奇怪之處。因為越來越精確和可靠的儀器以及去年的諾貝爾獎獲得者阿蘭-阿斯佩克、約翰-克勞瑟和安東-澤林格的工作，數(shù)學(xué)學(xué)家如今以一種特殊的確定性將量子現(xiàn)象列入她們對世界的認識。
但是，甚至直至20世紀70年代，研究人員對量子糾纏是否是一種真實的現(xiàn)象一直存在分歧。并且理由很充分--誰敢抨擊偉大的愛因斯坦，他自己也懷疑過這個問題？新的實驗技術(shù)的發(fā)展和大膽的研究人員最終揭露了這個懸案。
1935年，愛因斯坦、鮑里斯-波多爾斯基和內(nèi)森-羅森發(fā)表了一篇論文，描述了一個思想實驗，借以說明量子糾纏的一個看似愚蠢的問題，由于它挑戰(zhàn)了宇宙的一個基礎(chǔ)法則。假如電子的載流子被檢測為向下，這么正電子的載流子被檢測只能是向上，反之亦然。雖然這種粒子相距數(shù)十億英里也是這么。這顯然表明，粒子通過某種聯(lián)通速率超過光速的形式互相溝通。但按照化學(xué)學(xué)定理，沒有哪些能比光速更快。
包括愛因斯坦在內(nèi)的化學(xué)學(xué)家在20世紀30年代提出了一些關(guān)于量子糾纏的取代解釋。她們的理論是，有一些未知的屬性（隱藏變量）在檢測之前就決定了粒子的狀態(tài)。但在當時，數(shù)學(xué)學(xué)家沒有技術(shù)，也沒有明晰的檢測定義，難以測試量子理論是否須要更改以包括隱藏變量。
實驗證明
光是一種具有具有震動方向的波動傳導(dǎo)。在自然界中，光線常常是隨機混和在一起的。但是，通過某種實驗手段，我們可以限制光的震動方向，使其成為只順著特定方向震動的偏振，因而可以對光的震動進行觀測。量子糾纏是一種可操作且便于觀察的現(xiàn)象，因而成為研究量子糾纏效應(yīng)的主要實驗手段。
在1950年，知名日裔女科學(xué)家吳健雄成功實現(xiàn)了光子糾纏實驗，生成了歷史上第一對偏振光方向相反的糾纏光子。自那時起，對量子糾纏的實驗探求即將啟動，迄今早已經(jīng)歷了70年的發(fā)展。
但是，實驗方式只是一個方面，一個重要的問題是怎樣確定量子糾纏效應(yīng)是否還能跨越距離限制。這兒我們須要提及1964年美國化學(xué)學(xué)家約翰·貝爾提出的貝爾不方程。貝爾不方程是一種以他名子命名的物理不方程，提出了假如存在隱藏變量，這么大量檢測結(jié)果之間的相關(guān)性將永遠不會超過某個值。通過對量子糾纏的實驗研究，我們可以驗證量子糾纏是否符合量子熱學(xué)的理論預(yù)測。假如實驗結(jié)果違背了貝爾不方程，呈現(xiàn)出超過預(yù)設(shè)值的相關(guān)性，這么這將證明粒子之間存在更強的相關(guān)性。
其實，通過實驗技巧和貝爾不方程的研究，我們在探求量子糾纏效應(yīng)方面取得了重要的進展。這一領(lǐng)域的發(fā)展將進一步推進我們對于量子熱學(xué)的理解和應(yīng)用。
2022年諾貝爾獎得主的實驗，非常是阿蘭-阿斯佩克特的實驗，是對貝爾不方程的首次檢驗。這種實驗使用了糾纏的光子，而不是像許多思想實驗中那樣使用電子和正電子對。實驗結(jié)果最終排除了隱藏變量的存在，這些神秘的屬性會預(yù)先決定糾纏粒子的狀態(tài)。總的來說，這種實驗和許多后續(xù)實驗證明了量子熱學(xué)的正確性。物體可以以量子熱學(xué)之前的化學(xué)學(xué)所不能解釋的方法在大范圍內(nèi)互相關(guān)聯(lián)。
重要的是，這與嚴禁超光速通訊的狹義相對論也沒有沖突。在遙遠的距離上的檢測是相關(guān)的，但這并不意味著信息在粒子之間被傳輸。相隔遙遠的雙方對糾纏的粒子進行檢測，不能借助這一現(xiàn)象以超過光速的速率傳遞信息。
明天，化學(xué)學(xué)家繼續(xù)研究量子糾纏并調(diào)查潛在的實際應(yīng)用。雖然量子熱學(xué)才能以令人無法置信的精確度預(yù)測檢測的機率，但許多研究人員一直懷疑它是否提供了對現(xiàn)實的完整描述。不過，有一點是肯定的。關(guān)于量子熱學(xué)的神秘世界，仍有許多東西須要說明。