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近日，2022年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者正式揭曉，獲獎?wù)叻謩e為法國物理學(xué)家阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、美國理論和實驗物理學(xué)家約翰·弗朗西斯·克勞澤（JohnF. Clauser）和奧地利物理學(xué)家安東·塞林格（Anton Zeilinger）.
2022年諾貝爾物理學(xué)獎獲獎?wù)?/strong>
乘著近年來火爆的量子力學(xué)大風(fēng)，今年物理學(xué)諾獎的頒布也成了大眾關(guān)注的熱點。不過，量子物理其實早已應(yīng)用在了人們生活的各個方面。只是在介紹這些應(yīng)用之前，還需先簡單了解什么是量子物理。而要說清楚這一問題，還得從愛因斯坦那句“上帝不會擲骰子”說起。
因果論和隨機性
量子物理史上的三次論戰(zhàn)
“上帝不會擲骰子”來自于愛因斯坦同玻爾的辯論中。當(dāng)時，以玻爾為首的哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，在量子力學(xué)中存在不確定性原理，也即“粒子的位置與動量不可同時被確定”。（玻爾是1922年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者，提出了互補原理）
而這點讓愛因斯坦很疑惑，他表示不認(rèn)同玻爾的物理哲學(xué)。愛因斯坦認(rèn)為，物理就是通過找出與因果相關(guān)的變量，來量化自然里的事物，一切未被解釋或定性的，只是沒有確定某個變量。于是愛因斯坦堅信因果論，不承認(rèn)自然界存在隨機性，更別說不確定性原理。
愛因斯坦與玻爾
相反地，玻爾很堅持自己學(xué)派的理論，承認(rèn)這種隨機性。（哥本哈根學(xué)派包括玻爾、海森堡、泡利和玻恩等物理學(xué)家）
在波函數(shù)的概率詮釋中，哥本哈根學(xué)派認(rèn)為，量子力學(xué)必須放棄傳統(tǒng)力學(xué)的因果律和決定論，而把概率看作本質(zhì)。
在海森堡提出的不確定性原理中，海森堡認(rèn)為，在用宏觀儀器觀測微觀粒子時，觀測這個動作即對微觀粒子造成了干擾，如同盲人想知道雪花的形狀和構(gòu)造那樣。（在量子物理的測量中，即增加位置的確定性，便降低了動量的確定性，在時間和能量上也適用）
在玻爾提出的互補原理中，對不確定性原理進行了補充，玻爾表示，微觀粒子具有波粒二象性，即粒子和波兩種圖像不能同時存在。但為提供完整的描述，又必須將這兩種圖像結(jié)合互補。（波粒二象性，如一條來回奔跑的狗可以被描述跑的路線，也可以被描述在某一位置的靜止?fàn)顟B(tài)，但兩種描述不能同時存在）
但愛因斯坦認(rèn)為，如果承認(rèn)隨機性、摒棄因果論，如果量子力學(xué)僅可建立在可觀察量的基礎(chǔ)上，那理論便限制了人能觀察到的東西，那物理研究的意義何在，所以表明立場——量子力學(xué)不具有完備性。
之后，也就爆發(fā)了物理學(xué)史上最精彩的幾次論戰(zhàn)。畢竟愛因斯坦對概率性和不確定性早已不滿。
索爾維會議
第一次論戰(zhàn)
在1927年的第五屆索爾維會議上，愛因斯坦發(fā)起了第一次進攻——針對位置與動量。他設(shè)計了雙縫干涉理想實驗，通過控制電子槍使電子逐個發(fā)射，屏上的顯示即為電子的位置，而關(guān)閉一個縫隙，即可知道電子從哪個縫出來，從而測出其路徑。由于干涉條紋可以計算電子波的波長，所以可以算出電子的動量，于是動量和位置同時可知，不確定性被推翻。
玻爾思考良久反駁道，如果關(guān)閉了其中任何一個縫，雙縫的干涉現(xiàn)象便不復(fù)存在，實驗又回到了單縫狀態(tài)。更重要的是，電子行為依賴于壁障上是否有多的狹縫，即依賴于我們對實驗的安排。于是，愛因斯坦的理想實驗進攻失敗，還成了用互補原理證明波粒二象性的例子。
第二次論戰(zhàn)
在1930年的第六屆索爾維會議上，愛因斯坦發(fā)起了第二次進攻——針對時間和能量。他設(shè)計了一個理想光子箱，里面裝著光和鐘表，在某一特定時間讓一粒光子從箱子的小縫飛出，然后稱得箱子的質(zhì)量改變情況（由于光再小也具有有效質(zhì)量）。根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，即可測出能量變化，同時在鐘表計時的情況下，時間也得到了測量，不確定性再被推翻。
玻爾聽完此實驗面色蒼白，不過在一晚上的思考之后，他作出了漂亮的回答。由于光子箱是由彈簧秤測量，而當(dāng)光子飛出引起箱子質(zhì)量變化時，箱子也必將沿重力方向運動。此時即使質(zhì)量測量準(zhǔn)確，但由于箱子在重力場發(fā)生了位置變化，箱內(nèi)鐘表的快慢也將因廣義相對論的紅移效應(yīng)而改變，從而使得時間的測量產(chǎn)生一個不確定量，于是時間的測量仍不夠準(zhǔn)確。
于是，第二次論戰(zhàn)中，愛因斯坦再敗，但他很滿意玻爾的解釋。
第三次論戰(zhàn)
在這之后，愛因斯坦并未放棄，仍堅持認(rèn)為量子力學(xué)不夠完備。于是便在1935年聯(lián)合波多爾斯基、羅森發(fā)布了著名的EPR悖論，這次愛因斯坦引用了量子力學(xué)的“全同粒子”概念，再次向不確定性原理發(fā)起了進攻。（全同粒子是指處于一個原子內(nèi)部的兩個電子，在脫離原子成為獨立電子后，還能具有完全相同的屬性）
愛因斯坦假設(shè)，全同粒子A和B沿反方向飛去，根據(jù)動量守恒，A和B動量必定相反，A飛了多遠(yuǎn)B也一樣。于是此時測量A的動量，便可得B的動量，此時測量B的位置，也能求出A的位置。如此每個粒子都只測了一次，卻知道了它們的動量和位置信息，又一次推翻了不確定性原理。
這一次，玻爾回答說，A和B應(yīng)該算作一個量子系統(tǒng)，用同一個波函數(shù)表示，當(dāng)你測量A的動量時，其實就已經(jīng)破壞了B的位置信息，反之亦然。這兩個粒子雖然分開，但處于某種“糾纏狀態(tài)”。
愛因斯坦這次可不買賬，他拿出了相對論來反駁：這兩個粒子可以相距幾十光年，那它們還會相互影響嗎？難道說它們之間存在超光速的超距作用（也稱為非定域性，即超越時空瞬間地作用和傳播）？玻爾直到去世也沒給出直接回答。
量子糾纏
后來，愛因斯坦引入了量子糾纏的概念，也就是說，不確定性原理之所以成立，是因為量子之間存在超光速的糾纏效應(yīng)。而這個糾纏效應(yīng)用因果論的話來說，就是一個隱變量，如果能準(zhǔn)確找出并定性該隱變量，就能準(zhǔn)確地同時測算出位置和動量、時間和能量，也就不會出現(xiàn)不確定性。
關(guān)于這個隱變量，玻爾不承認(rèn)它的存在，而且后續(xù)也不再有針尖對麥芒的論戰(zhàn)，大家都在“各說各的”。于是當(dāng)時的學(xué)術(shù)氛圍變成——要么選擇相信隨機性，跟隨哥本哈根學(xué)派；要么去找出愛因斯坦都找不出的隱變量。因此，量子力學(xué)的研究停滯不前。
直到貝爾實驗和貝爾不等式的出現(xiàn)，終于在隱變量這朵大烏云下，讓量子力學(xué)重新看到了曙光。
愛因斯坦頭號迷弟的成就
竟是證明愛因斯坦錯了
根據(jù)本次諾獎官方通稿表示，“此獎為表彰他們在量子信息科學(xué)研究方面作出的貢獻。他們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式在量子世界中不成立。并開創(chuàng)了量子信息這一學(xué)科。”
不過，貝爾是誰？什么是貝爾實驗和貝爾不等式？
貝爾與貝爾不等式
約翰·斯圖爾特·貝爾同樣是一名物理學(xué)家，只不過生得比較晚，在愛因斯坦和玻爾論戰(zhàn)之時，貝爾才不到十歲。但他后來是愛因斯坦的忠實追隨者，為證明EPR佯謬的正確性，他在1964年提出了著名的貝爾不等式，以巧奪天工的邏輯，找出了隱變量存在的證據(jù)。
貝爾不等式涉及到三維空間內(nèi)的粒子自旋運動，解釋起來比較麻煩。筆者在網(wǎng)上找到一個容易理解的類比式版本，可以輕松讀懂貝爾實驗的內(nèi)核。
首先，將粒子發(fā)射器比作房子，左右兩扇門比作發(fā)射口，粒子比作人，粒子的屬性為人的性別。最初，一個房間左右兩扇門，隔一定時間，每一扇門分別走出一男或一女。A記錄左門，B記錄右門，結(jié)果證明一個規(guī)律，左右門走出男女情況一定相反。
AB記錄房子里走出的男女示意圖1
之后加入變量，A保持面對左門記錄，B背對右門等人出來之后再記錄。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，他們所記錄的情況出現(xiàn)了1%的誤差。于是規(guī)律改變：當(dāng)A或B背對門記錄時（觀測方法改變時），左右門走出來的男女情況有1%的概率相同，這同時證明每一對走出來的人存在交流（即存在量子糾纏）。
AB記錄房子里走出的男女示意圖2
之后再加入變量，A、B同時背對門等人出來后記錄，于是按照過往規(guī)律，誤差將≤2%。若誤差情況在預(yù)計中，即證明隱變量存在且可控，愛因斯坦正確。但如果誤差＞2%，即證明玻爾正確，量子力學(xué)存在不確定性。
AB記錄房子里走出的男女示意圖3
但實驗并未完成，因為當(dāng)時配置不夠，貝爾以理論推導(dǎo)出貝爾不等式，認(rèn)定此誤差≤2%，證明愛因斯坦的理論正確。
不過隨著時代發(fā)展，配置逐漸齊全，后人（也即近日斬獲諾獎的三人）仍在不斷進行貝爾的實驗，只是后來的結(jié)果卻與貝爾不等式相悖。也即是說，前文提到的誤差，在后來克勞澤的實驗中大到令人難以置信，貝爾不等式也被證明在量子世界中不成立。
而由此可推出那場物理界大型論戰(zhàn)的結(jié)果——愛因斯坦錯了，玻爾是對的。
但這不是最終結(jié)論，因為實驗仍在繼續(xù)，物理學(xué)家們想搞清楚誤差是怎么出現(xiàn)的。于是在阿斯頓的實驗里，他設(shè)計了超長的距離。回到之前的類比，他想知道——房間走出來的那對人，其性別是取決于AB的觀測方法；還是說人出來時沒有性別，是雙方聯(lián)系后才決定各自性別的。
也就是想知道，被發(fā)射粒子的屬性是與生俱來的；還是說粒子出來時不具備屬性，而是會相互聯(lián)系并判斷觀測者的觀測方法，來決定自己呈現(xiàn)什么樣的屬性。
結(jié)果令人大吃一驚。第一是粒子出現(xiàn)時不具備屬性，攜帶什么樣的屬性的確是取決于觀測者的觀測方法；第二是粒子間的確存在相互聯(lián)系，而且由于實驗中成對的粒子距離足夠遠(yuǎn)，消息的交互早已超過了光速，這點證明了超距作用的存在，也即量子糾纏的確存在。
這是一個令不少人三觀崩塌的結(jié)論。也就是照此邏輯，在量子世界里，各粒子都不自帶屬性，所謂的“客觀存在”也不成立？我們?nèi)绾斡^測它，它就如何呈現(xiàn)自己的屬性，那量子世界完全由我們的主觀構(gòu)成嗎？
這點或許得相當(dāng)專業(yè)的人士才能解答。不過筆者還知道一些，關(guān)于量子物理在現(xiàn)今和未來有什么用。
量子應(yīng)用多點開花
物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域已開始試點
就目前的發(fā)展來看，量子技術(shù)將對物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生不少積極影響，包括對計算能力、網(wǎng)絡(luò)延遲、互操作性、實時分析等功能的優(yōu)化，同時增加數(shù)據(jù)存儲能力，為云計算提供安全保障。另一方面，在新興的5G電信基礎(chǔ)設(shè)施中，量子加密將是提高IoT連接量增速的解決方案。
量子物聯(lián)網(wǎng)還可以提升數(shù)據(jù)流的可操作性，將來自不同邊緣的數(shù)據(jù)流（從產(chǎn)品線上的裝備到消費品中的傳感器）結(jié)合至AI中，可以有效改變?nèi)藗児ぷ鳌⑸詈蛫蕵返姆绞?。由于同傳統(tǒng)計算機的01編碼不同，量子編碼的三維復(fù)數(shù)形式將徹底改變開發(fā)環(huán)境，但并不影響物聯(lián)網(wǎng)的定義，反而加速了物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋。
最重要的是，量子計算出現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，即可讓所有電子設(shè)備均能在互聯(lián)網(wǎng)上完成尋址。
今年年初，量子物理已應(yīng)用在燃?xì)獗砩?。?jù)悉，國內(nèi)首批“量子安全智能燃?xì)獗怼币呀?jīng)在合肥開始試點，開展基于量子安全技術(shù)的NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)燃?xì)獗?/strong>的研發(fā)和示范應(yīng)用。目前初定的目標(biāo)是改造換表20萬塊，新增物聯(lián)網(wǎng)表8萬塊。其中通信技術(shù)利用量子密鑰加密，可實現(xiàn)保密安全通信，保障燃?xì)庥脩舻臄?shù)據(jù)信息安全。
量子燃?xì)獗?/strong>
同時，合肥已開通量子城域網(wǎng)。該項目是目前國內(nèi)規(guī)模最大、用戶最多、應(yīng)用最全的量子保密通信城域網(wǎng)；該網(wǎng)絡(luò)含8個核心節(jié)點和159個接入節(jié)點，量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)光纖全長1147公里，可為市、區(qū)兩級黨政機關(guān)提供量子安全接入服務(wù)和數(shù)據(jù)傳輸加密服務(wù)，提升電子政務(wù)安全防護水平。
不僅如此，在通信領(lǐng)域，今年五月中國電信發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款基于量子信息技術(shù)的VoLTE加密通話產(chǎn)品――天翼量子高清密話。同時發(fā)布了業(yè)內(nèi)首款搭載量子安全通話產(chǎn)品的手機天翼1號2022，該產(chǎn)品采用國產(chǎn)定制手機、量子安全SIM卡和國密算法“三重保護”，為用戶提供“管-端-芯”一體化安全防護，帶來保密通信創(chuàng)新應(yīng)用。
除此之外，作為新型安全加密工具，后量子密碼和量子密鑰已受到軍事物聯(lián)網(wǎng)重點關(guān)注。后量子密碼不能被量子計算機攻破，目前美國已在布局。而量子密鑰分發(fā)則在歐盟受眾更多，其允許在數(shù)學(xué)上證明安全性的情況下進行安全的加密密鑰交換。
在物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)，大部分技術(shù)都最先作用于軍事（比如通信類的藍牙和UWB等），于是也能據(jù)此判斷未來消費端的趨勢。在未來，量子物聯(lián)網(wǎng)也將成為某個時代的主旋律。
結(jié)語
回到文章開頭因果論與隨機性的問題上，結(jié)合物理學(xué)家們的爭論不難發(fā)現(xiàn)，物理問題早已變成了哲學(xué)問題，也因此得不到完美的答案。
但通過結(jié)論可以確定，我們已無法再用現(xiàn)實世界的標(biāo)準(zhǔn)去看待量子世界。愛因斯坦想通過因果關(guān)系理順量子物理的邏輯，結(jié)果量子并不自帶屬性，無法被定義因果；玻爾想通過承認(rèn)隨機性來理解量子物理，結(jié)果量子卻不表現(xiàn)出隨機，只是隨觀測方法而變化。
隨著本次諾貝爾獎頒布，一方面記錄了物理學(xué)家們的貢獻，更是為量子世界打開了新的大門，不難得知，以后還將出現(xiàn)更多刷新我們的世界觀的理論出現(xiàn)。
另一方面，隨著量子逐漸被理解和開發(fā)，人們也將更多地接觸并運用它，只是在未來，仍有頗多未知和挑戰(zhàn)在等待著我們。
