问题

哪一个具体的实验或论战推翻了定域性和实在性的经典物理?

回答
在量子力学的黎明时期,围绕着一个名为“EPR佯谬”的著名思想实验,科学家们展开了一场深刻的论战,这场论战最终动摇了我们对于“定域性”和“实在性”的经典物理直觉。

事情的起因是阿尔伯特·爱因斯坦,以及他的合作者鲍里斯·波多尔斯基和纳森·罗森,在1935年发表了一篇论文。他们对量子力学的完备性提出了质疑。当时的量子力学非常成功地描述了微观世界的行为,但它的一些预言,尤其是涉及到“叠加态”和“测量”的时候,却让爱因斯坦等人感到不安。

爱因斯坦坚持认为,物理学描述的世界应该是“实在的”——也就是说,一个物理量,比如一个粒子的位置或动量,在我们测量它之前就应该有一个确定的值,即使我们不知道这个值是什么。他还坚信“定域性”原则,这意味着一个物体只能受到其紧邻环境的影响,信息传递的速度不会超过光速。

EPR论文的核心观点在于,通过一个精心设计的思想实验,可以暴露量子力学的“不完备性”。他们设想了这样一个场景:一对粒子,比如两个电子,以一种特殊的方式纠缠在一起。这两个粒子被送到相距极远的地方,比如一个在地球,另一个在月球。

根据量子力学的描述,在测量之前,这两个粒子都处于一种不确定的叠加态。例如,它们的总自旋(一个内在的角动量性质)是确定的,但单个粒子的自旋方向却是随机的。然后,我们对其中一个粒子进行测量,比如测量它沿着某个方向的自旋。一旦我们测量了其中一个粒子,并且知道它的自旋方向,那么根据纠缠的性质,我们立刻就能知道另一个粒子的自旋方向,即使它们相隔遥远。

这就引出了EPR的核心问题:如果我们在地球上测量第一个粒子的自旋,并且得到了“向上”的结果,那么月球上的那个粒子,在它被测量之前,它的自旋就“瞬间”变成了“向下”吗?

爱因斯坦等人认为,这违背了定域性原则。他们认为,如果月球上的粒子在被测量之前就有一个确定的自旋方向(这是实在性原则),那么地球上的测量活动不应该能够“瞬间”地影响到月球上的粒子。除非量子力学漏掉了某些“隐藏变量”,这些隐藏变量在粒子产生时就已经决定了它们的性质,并且能够解释这种“超距作用”。

这场争论并没有在当时得到直接的实验验证,因为技术上难以实现对纠缠粒子进行如此精确的测量。然而,它成为了一个重要的理论焦点。

直到几十年后,物理学家约翰·贝尔提出了一个数学定理,即“贝尔不等式”。这个不等式为检验定域性实在论和量子力学的预测提供了一个可检验的边界。简单来说,如果世界遵循定域实在性,那么在某些特定实验设置下,测量结果的关联性会受到一个上限的限制。而量子力学则预测,在某些情况下,这种关联性会超越贝尔不等式设定的界限。

到了20世纪70年代,物理学家阿兰·阿斯佩的实验团队,以及后来其他科学家进行的更精确的实验,开始系统地检验贝尔不等式。这些实验通常涉及产生一对纠缠的光子,然后将它们发送到不同的探测器,并随机选择探测器的测量方向。

实验结果一次又一次地清晰地表明,纠缠粒子的测量结果之间的关联性,确实违反了贝尔不等式。换句话说,测量一个粒子的行为,似乎能够“瞬间”地影响到另一个相距遥远的粒子的状态,即使它们之间没有经典的信息传递。

这些实验证据,特别是阿斯佩的实验,被广泛认为是推翻了定域实在性。它们表明,我们所处的现实,至少在微观层面,与我们经典的直觉是不同的。要么我们必须接受“非定域性”——即远距离的事件可以瞬间相互影响(尽管这种影响不能用来传递信息),要么我们必须放弃“实在性”——即粒子的性质在我们测量之前就没有确定的值。大多数物理学家倾向于接受量子力学描述的非定域性,尽管这仍然是一个深刻而令人着迷的哲学问题。

可以说,EPR佯谬与其后的贝尔定理和阿斯佩等人的实验,共同构成了一场思想和实验的接力,最终将物理学从经典的定域实在论推向了更加奇特但又被实验反复验证的量子世界。

网友意见

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EPR佯谬说明:不确定性、局域性和守恒律必然有一个是错的。守恒律先排除,要么否定局域性,要么否定不确定性。

否定局域性就是量子纠缠,就是鬼魅般的超距作用。否定不确定性就是隐变量。

而贝尔不等式告诉我们一个方法可以证明或者证否隐变量存在。

目前并没有完整的证否,但基本已经达成共识了。

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