近一個世紀前，愛因斯坦與玻爾針對量子力學“超距作用”是否存在，展開了針鋒相對的交鋒。經(jīng)過數(shù)代物理學家的檢驗，愛因斯坦的理論已經(jīng)無限接近失敗，但實驗中的漏洞讓物理學家不敢輕易下定論。在今天發(fā)表于《自然》的一篇論文中，一支大型國際團隊將“自由選擇”漏洞成功填上。值得一提的是，超過10萬名全球游戲玩家在這項研究中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用：他們通過游戲產(chǎn)生了物理學家夢寐以求的隨機序列。
編譯 | 王語嫣
審校 | 吳非
1935年，愛因斯坦與波多爾斯基、羅森提出著名的EPR佯謬（Einstein-Podolsky-Rosen paradox），質(zhì)疑了量子理論的不完備性。量子力學認為，兩個處于糾纏態(tài)的粒子可以保持一種特殊的連接狀態(tài)：哪怕相隔遙遠的距離，只要測量其中一個粒子，就能立即知道另外一個粒子的狀態(tài)。這種“幽靈般的超距作用”遭到了愛因斯坦等人的反對。
愛因斯坦提出，任何物體具有以下兩個特性：1. 對物體進行觀察前，物體的狀態(tài)應(yīng)該和觀察時一樣，即觀察不應(yīng)該改變物體的狀態(tài)，稱為實在論。2. 物體只能夠?qū)ζ渲車氖录鞒鲋苯臃磻?yīng)從而產(chǎn)生變化，遙遠的事件無法對物體施加直接的影響，稱為定域性。兩條原則在一起合稱為定域?qū)嵲谡摗?/span>量子力學理論與定域?qū)嵲谡撓嚆?/span>：量子的疊加性原理違反了實體論，量子糾纏違反了定域性。因此，在愛因斯坦與領(lǐng)銜提出超距作用的玻爾之間，只能有一個勝利者。
為了解決這一爭論，物理學家開始尋找糾纏態(tài)的驗證方式。他們發(fā)現(xiàn)，量子糾纏可以通過測量兩個粒子間的相干性得到檢驗。相比于經(jīng)典物理，處于糾纏態(tài)的粒子間可以產(chǎn)生更強的相干性。基于這一思路，1964年，北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾（John Bell）提出“貝爾不等式”：基于經(jīng)典物理，兩個粒子間的相干性存在一個上限。超過這個數(shù)值，就能證明兩個粒子處于糾纏態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)也為破解愛因斯坦與玻爾的世紀爭論提供了一條可行的實驗思路。
約翰·貝爾
貝爾測試的漏洞
在貝爾提出的檢驗方法“貝爾測試”中，一對相互糾纏的粒子（如光子）會被送往不同的地方。物理學家將隨機選擇一種性質(zhì)，比如光子的極性，對兩處的粒子分別進行測量。如果測量發(fā)現(xiàn)這兩個粒子產(chǎn)生的結(jié)果一致，將證實一件令人震驚的事情：對一個粒子的測量對另一個粒子產(chǎn)生了瞬時的影響（盡管相隔很遠），或者是更為奇特地，測量本身讓這個粒子產(chǎn)生了這個之前從沒出現(xiàn)過的特性。不管是哪個推測，這個結(jié)果都違反了定域?qū)嵲谡撛瓌t。
自上世紀70年代起，貝爾測試陸續(xù)在多個實驗室開展，這些實驗的結(jié)果都堅定支持了量子糾纏的存在。愛因斯坦的定域?qū)嵲谡撻_始搖搖欲墜，但卻一直沒有被完全踢出局，因為嚴謹?shù)奈锢韺W家意識到，這些測試都不可避免地存在一些漏洞。其中一個重要原因是，貝爾測試中存在一道看似簡單的屏障卻始終難以逾越：對粒子實現(xiàn)真正的隨機測量。
粒子本身可能會對測量的選擇產(chǎn)生影響，如果這種情況真實存在的話，那就像讓學生自己給自己出考試題一樣，會對實驗結(jié)果產(chǎn)生很大的影響。使用擲骰子或生成隨機數(shù)的方式也無法修補這個漏洞，因為產(chǎn)生隨機數(shù)或擲骰子的系統(tǒng)可能與糾纏粒子存在某種聯(lián)系。由于這個“自由選擇”漏洞的存在，此前的實驗都無法真正判定量子力學的勝利。
10萬人修復漏洞
怎樣才能實現(xiàn)真正的隨機測量，修復“自由選擇”漏洞？一支名為“大貝爾實驗協(xié)作項目”國際研究團隊想到了一套原始卻巧妙的方案：通過足夠多的群眾產(chǎn)生隨機數(shù)據(jù)。由于人類的選擇是主觀產(chǎn)生的，它可以擺脫粒子系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。如何讓盡可能多的人心甘情愿地參與到研究項目中來？最好的辦法，就是將實驗融入游戲中。
為此，研究人員設(shè)計了一套名為“Big Bell Quest”的游戲。這款游戲包含了兩個項目：一是不停地按0或1推動粒子前進，另一種是通過按0或者1,來猜測盒子中的小球顏色。這兩個游戲的目的，都是讓玩家產(chǎn)生一組由0和1組成的比特序列。
這些比特被輸送到全球12座先進的實驗室中，這其中包括中國科學技術(shù)大學上海研究院。其余11座實驗室分別位于布里斯班、維也納、羅馬、慕尼黑、蘇黎世、尼斯、巴塞羅那、布宜諾斯艾利斯、智利的康塞普西翁以及美國博爾德。每一座實驗室分別負責不同的測量項目，而玩家所產(chǎn)生的隨機序列，決定了粒子被測量的項目。
正在參與“Big Bell Quest”的玩家。
你也可以點擊官網(wǎng)（https://thebigbelltest.org/）參與游戲。（要翻墻的哦）
2016年11月30日，全世界超過10萬人通過手機或者其他聯(lián)網(wǎng)設(shè)備參與了這場史無前例的，被稱為“大貝爾測試”的物理實驗。玩家在游戲中不斷挑戰(zhàn)著更高難度，而游戲玩家的數(shù)據(jù)流在也以每秒逾1000比特的速度被傳送給研究團隊。在12小時之內(nèi)，他們貢獻了超過9700萬個比特的數(shù)據(jù)。
借助10萬人提供的大規(guī)模數(shù)據(jù)集，貝爾測試中的“自由選擇”漏洞終于被填上。而隨后的實驗結(jié)果也沒有出乎科學家們的預(yù)料：實驗數(shù)據(jù)依然與愛因斯坦的定域?qū)嵲谡撓嚆?，而支持量子理論的預(yù)測。
全民參與科學實驗
大貝爾測試的領(lǐng)導人，巴塞羅那光子科學研究所（ICFO）教授Morgan Mitchell說：“對我而言，最美妙的部分在于愛因斯坦與玻爾的爭論，盡管近一個世紀的努力使其可以被實驗數(shù)據(jù)檢驗，但還依然保持了哲學的成分。我們通過精密的儀器證明了希格斯玻色子與引力波的存在、建造了復雜的系統(tǒng)來檢驗物理規(guī)則。但定域?qū)嶓w性是我們無法完全交給機器去完成的問題。看起來似乎我們?nèi)祟惐旧肀仨氉鳛閷嶒灥囊徊糠謪⑴c進來，才能找到宇宙的最終答案?！?/span>
除了最終的科學成果，大貝爾測試的另一個重要意義在于，讓普通群眾參與到重大科學研究項目中來。ICFORiedmatten教授說：“大貝爾測試是一次絕佳的體驗。我很高興能看到全世界的志愿者們產(chǎn)生的隨機數(shù)能即時作用于我們的實驗，也很高興能看到這么多人參與進一次量子物理實驗中?！?/span>
這次實驗的發(fā)起人，ICFO的研究員Carlos Abellan說：“大貝爾測試是一個無比具有挑戰(zhàn)性和野心勃勃的項目。在一開始，這個項目聽起來難到無法完成，但在2016年11月30日這天，它在一批飽含熱情的科學家、科普工作者、記者和媒體，以及最重要的10萬志愿者的努力下成為了現(xiàn)實?！?/span>
原始論文：
Nature|doi:10.1038/s41586-018-0085-3
參考鏈接：
https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-05/iiop-tbb050418.php
https://physicsworld.com/a/computer-gamers-close-freedom-of-choice-loophole-of-quantum-entanglement/
https://www.livescience.com/62523-physicists-crowdsource-a-reality-check.html
《環(huán)球科學》5月刊現(xiàn)已上市
