6 从科学的发展轨迹 看科学家的伟大贡献 学习量子力学读书笔记 心得 体会 （之六）
读书 人陶臻
贝尔不等式不适用量子纠缠实验
简要回顾一下贝尔不等式的历史。自量子力学诞生以来，爱因斯坦就以“上帝从不掷骰子”的评论表达了对该理论的怀疑态度，并提出各种假想实验来质疑量子力学理论。但是随着辩论的持续深入，量子力学理论的自洽性逐渐得到承认。由于其理论与当时物理学界很多直观不符，以爱因斯坦为代表的很多科学家仍然不能接受该理论。在1935年，爱因斯坦与其合作者提出了著名的EPR佯谬，对于量子力学理论的完备性提出了质疑。EPR佯谬，即爱因斯坦-波多尔斯基-罗森佯谬（Einstein-Podolsky-Rosen paradox）。量子力学理论表明处于纠缠态的一对自旋为1/2的粒子（比如电子）具有这样的性质：当沿着同一方向测量这对粒子的自旋时，其中一个粒子测量出的自旋可以精确预测另一个粒子的自旋，如果第一个粒子的自旋向上，则第二个粒子的自旋必定向下。一种解释认为对第一个粒子自旋的测量会影响第二个粒子的状态，即使这两个粒子之间的距离足够远。这就意味着某种“超距作用”的存在。然而爱因斯坦相信“局域实在论“认为更合理的解释是两个粒子都有着共同来源的隐藏变量，使得它们在观测时表现出相关性。而玻尔则不同意爱因斯坦的观点以及他的“局域实在论”的假定。在当时爱因斯坦和玻尔都没有意识到“局域实在论”的假定是可以进行实验验证的。贝尔作为爱因斯坦的支持者为解决EPR佯谬，在1964年提出了验证“局域实在论”的方法，即可供实验验证的贝尔不等式。
局域性是贝尔不等式的一个关键前提假设，如果证明隐形变量存在，那么爱因斯坦赢了，否则，粒子量子纠缠成立。
1931年，冯诺伊曼（von Neumann）就在数学上证明过隐变量不存在。1950到1960年代有一些关于隐变量理论的讨论，特别是玻姆（David Bohm）的一系列工作。
1964年，贝尔提出，局域实在论与量子力学是矛盾的，他发表了一个不等式，是任何局域隐变量理论都应该满足个子系统的测量结果的关联用局域隐变量理论计算各种测量结果的关联，其结果满足贝尔不等式，而在量子力学中，。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。
可以用通俗的话来讲明两者的分歧。一个母粒子分裂成两个相反方向的A粒子和B粒子，理论上A、B具有相反的自旋方向，当A和B相聚很远后，量子力学的根本哈根学派认为我们对任何一个粒子的测量，将会瞬间影响远在另一边的粒子，这在爱因斯坦看来是一种超距作用，爱因斯坦则认为两个粒子在分开时状态就是确定的，与你何时测量没有任何关系。
为了解决这个问题，爱因斯坦着手建立隐变量理论来代替不确定性原理，隐变量认为量子随机并非真正意义的随机，而是存在更深层的物理机制，只是我们还没发现这个机制而已，一旦我们发现了其中的机制，“不确定原理”也将变成确定的了。
量子力学基本问题曾被视为“只是哲学”，贝尔不等式表明，这是有理论、有实验的物理，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判定，将哲学问题转化为定量的科学问题。检验大自然是否满足贝尔不等式的实验叫作贝尔测试。
贝尔测试需要使用分居两地又处于量子纠缠态的子系统，也需要迅速高效的探测，以及事先不可预测的对于每个测量装置的独立安排。所有有关贝尔不等式违反（或称贝尔定理）的工作都是在贝尔的开创性工作基础之上发展而来的。
实验判定量子力学胜利，局域实在论失败。但是长期以来，实验判定上存在逻辑漏洞或额外假设，直到近年来才基本消除。而贝，和实验技术。诺贝尔物理学奖2022年授予科学家Alain Aspect，John F.Claucer和Anton Zeilinger，以表彰他们在“纠缠光子实验，验证贝尔不等式不成立和开创量子信息科学”这两方面方面所做的重大贡献。
2022年诺贝尔物理学奖
瑞典皇家科学院4日宣布，将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格，以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所做出的贡献。“
瑞典皇家科学院在当天发表的新闻公报中说，三位获奖者在量子纠缠实验方面都有重要贡献。量子纠缠是指，在量子力学中处于纠缠态的两个或多个粒子，即便分开很远距离，有些状态也会表现得像是一个整体。他们的实验结果“为基于量子信息的新技术扫清了道路”，目前在量子计算、量子网络和量子保密通信方面已有大量相关研究。
公报说，在量子力学的发展历程上有一个著名的贝尔不等式，如果它始终成立，那么量子力学可能被其他理论替代。为此，许多量子科学家一直在寻找违反贝尔不等式的验证，克劳泽提出了一个利用处于纠缠态的光子的实验，其结果可以违反贝尔不等式，阿斯佩进一步填补了克劳泽实验中的重要漏洞。蔡林格进行了更多实验，并且其团队还利用量子纠缠展示了量子隐形传态，即有关量子态的传输。
诺贝尔物理学奖委员会主席Anderslrback说，越来越明显的是一种新的量子技术正在出现，获奖者对纠缠态的研究非常重要，甚至超越了解释量子力学的基本为题。
看来，他们展示了对纠缠状态的粒子进行考察和控制的潜力。他们获奖的理由是“进行了纠缠光子的实验。验证了量子不遵循贝尔不等式。并开创了量子信息科学。他们三人一同证明，量子纠缠是可被实际操作的，会逐渐发展出标准程序来操控量子纠缠，随着大家的相信和投入，科学研究很快将会变成科技。
诺贝尔物理学奖评委托尔斯·汉斯·汉森在现场解读获奖成果时展示了一张含有中国量子卫星的图片，其上显示了中国和欧洲之间的洲际量子通信实验。他告诉新华社记者，中国在量子卫星和量子通信研究方面走在世界前列，“中国量子通信卫星图彰显了物理学的国际合作，也体现了中国在这一研究领域的贡献”。
阿斯佩1947年出生于法国，目前为法国巴黎-萨克雷大学和巴黎综合理工大学教授；克劳泽1942年出生于美国，目前就职于他自己在加利福尼亚州创始的一家公司；蔡林格1945年出生于奥地利，目前为奥地利维也纳大学教授。三名科学家将平分1000万瑞典克朗（约合90万美元）。
宏观世界的物体不存在量子叠加现象
19世紀末，人們發現舊有的經典理論並沒有辦法解釋微观系统，於是經由物理學家的努力，在20世紀初創立量子力学，解釋了這些現象。量子力學從根本上改變人類對物質結構及其相互作用的理解。除了透过广义相对论描写的引力外，迄今所有基本相互作用均可以在量子力学的框架内描述（量子场论）。愛因斯坦可能是在科學文獻中最先給出術語「量子力學」的物理學者。
我们面对的世界，在尺度上，无非就是宏观和为微观世界之分。而宏观和微观世界的分界线就是原子。比原子大的物质，就是宏观世界。比原子小的物质就是次原子，也就是微观世界。量子力学研究的是微观世界的物理现象。而微观和宏观世界的物理规律是比一样的。
例如，在微观世界量子叠加这种现象比比皆是，看看中国科技大学潘建华教授对叠加态的解释。量子力学，它的微观世界的这个量子客体状态，观察者的行为不可以影响体系的演化。在宇宙当中，总有一台仪器或者某一个东西可以告诉你，这架飞机是沿着那条航线过来的。在空气当中，很多氧分子、水分子，尽管有灯光照过来，其实在大多数时候，与光是没有相互作用的。也就是这些水分子是逃脱我们监控的，也无法告诉你。它到地处在什么地方。在这种情况下，在很多时候，他是可以处于量子叠加的。这是为什么宏观世界没有这种现象（量子叠加）。
通俗来说，这个宇宙的规律本来就没有宏观世界和微观世界之分。本质都是由微观世界的现象主导的，量子叠加才是宇宙中最普遍最正常的现象。我们之所以很难理解量子叠加，是因为我们生活在叠加态已经坍塌过的宏观世界。所谓坍塌，简单点说，就是一件事情从未知变成已知，一个物体从不确定变成确定。基于宏观世界的牛顿力学已先入为主，加之习惯的力量，我们才认为非叠加态是正常的，而叠加态反而不正常。
宏观世界的叠加态消失只是因为宏观世界的物质比较大，树大招风，很难避免各种干扰。比如宇宙中常见的光子会撞击宏观物质的现象，其干扰的本质就相当于测量坍塌效应，导致宏观世界的叠加态都坍塌了，而呈现出确定的状态。最直接的证明就是空气分子的叠加态和分子尺度上的量子纠缠。
这就证明即便比原子还大很多的物质，只要不被其他粒子干扰（相当于测量坍塌效应），依旧未出现叠加现象。
但在现实中比分子大一点的物质必然会遭受其他粒子的干扰，所以分子尺度以上的物质，叠加态就会因为被干扰（测量）全部消失掉，而呈现出确定的状态。
那么造成这种迥然不同的原因是什么？微观是如何过渡到宏观世界的？不可预测到可预测的原因是什么?因此对于宏观世界和微观世界的物理原则可以作出以下的反思和总结:
1.宏观世界和微观世界遵守的物理原则完全不同。
2.微观状态的叠加状态才是最常见的。
3.量子是微观世界中不可再分的粒子的统称。
4.观测会导致叠加态的坍塌，从而出现粒子的确定状态。