（內(nèi)容來(lái)源于有趣有料的“Sheldon?”←?關(guān)注它）

歐洲中部時(shí)間2016年11月30日至12月1日下午3點(diǎn)，分布在世界各個(gè)角落的10萬(wàn)個(gè)擁有自由意志的智慧生物——人類，自發(fā)地坐在電腦面前，登錄了一個(gè)神秘的網(wǎng)址thebigbelltest.org。隨后，他們進(jìn)入一個(gè)類似神廟逃亡的小游戲，認(rèn)真地玩了起來(lái)。

表面上看，他們?cè)诔撩杂螒?，浪費(fèi)生命。實(shí)際上，這個(gè)“游戲”網(wǎng)站的服務(wù)器，正在將他們玩游戲?qū)崟r(shí)輸入的海量數(shù)據(jù)收集起來(lái)，通過(guò)物理學(xué)家開(kāi)展的一場(chǎng)“大貝爾實(shí)驗(yàn)”，向“上帝”發(fā)起攻擊！

“大貝爾實(shí)驗(yàn)”之所以發(fā)起攻擊，是想搞清楚愛(ài)因斯坦口中的那個(gè)等同于物理定律的“上帝”，是不是真的“不擲骰子”，是不是真的創(chuàng)造了一個(gè)完全隨機(jī)的量子世界。

在九十多年以前，一群物理學(xué)家基于微觀粒子世界的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，總結(jié)出了一套全新的物理定律，這就是量子力學(xué)。

愛(ài)因斯坦也是量子力學(xué)的奠基人之一，但量子力學(xué)創(chuàng)立沒(méi)多久，他就和量子力學(xué)的另一個(gè)大股東玻爾發(fā)生了激烈的爭(zhēng)論。這是因?yàn)?，首先，在量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家從一模一樣的初始條件出發(fā)，總是會(huì)隨機(jī)地得到不同的結(jié)果。

例如，如果一個(gè)光子處于↑方向偏振和→方向偏振的疊加狀態(tài)中，那么當(dāng)物理學(xué)家在放置一個(gè)沿著水平方向測(cè)量光子偏振的儀器時(shí)，儀器就會(huì)有一定概率測(cè)出→偏振的結(jié)果，以一定概率測(cè)出↑偏振的結(jié)果。每次實(shí)驗(yàn)得到什么結(jié)果，看起來(lái)都是隨機(jī)的。

按照愛(ài)因斯坦的理解，這種隨機(jī)性是一種表面現(xiàn)象。在它的背后，存在一種人類還不知道的“局域隱藏變量”。一旦我們搞懂了這種變量，就可以完全計(jì)算出每一次實(shí)驗(yàn)的“隨機(jī)結(jié)果”，量子力學(xué)里并不存在真正的隨機(jī)。也就是說(shuō)，愛(ài)因斯坦認(rèn)為“上帝”不擲骰子。

玻爾的看法剛好相反。他認(rèn)為，世界上不存在“局域隱藏變量”。量子力學(xué)的隨機(jī)不是偽裝的隨機(jī)，而是任何手段都無(wú)法操縱的真隨機(jī)。換句話說(shuō)，“上帝”肯定會(huì)擲骰子。

這兩個(gè)人吵了很久，誰(shuí)也說(shuō)不服不了誰(shuí)。直到1955年愛(ài)因斯坦去世前，他們都沒(méi)吵出結(jié)果。為了搞清楚愛(ài)因斯坦說(shuō)的對(duì)，還是玻爾說(shuō)的對(duì)，在1964年，物理學(xué)家約翰·貝爾提出了一種用實(shí)驗(yàn)檢查量子隨機(jī)性的方法。

在貝爾的方法中，我們需要用一臺(tái)機(jī)器向兩個(gè)方向不斷發(fā)射一對(duì)對(duì)處于量子糾纏態(tài)的光子，然后在機(jī)器的兩邊，通過(guò)兩臺(tái)測(cè)量?jī)x器隨機(jī)地從兩個(gè)角度中二選一，分別對(duì)糾纏光子的偏振方向進(jìn)行測(cè)量。

不論兩個(gè)測(cè)量地點(diǎn)相距多遠(yuǎn)，只要其中一臺(tái)儀器測(cè)量了一個(gè)光子，另一個(gè)光子也會(huì)瞬間做出反應(yīng)，這就是愛(ài)因斯坦說(shuō)過(guò)的，量子力學(xué)中含有的“鬼魅般的超距作用”。

而且，測(cè)量結(jié)果雖然看起來(lái)是相互獨(dú)立的，但其實(shí)，這兩個(gè)光子的測(cè)量結(jié)果之間存在緊密的關(guān)聯(lián)。如果愛(ài)因斯坦說(shuō)的對(duì)，那么這種關(guān)聯(lián)就會(huì)導(dǎo)致貝爾不等式是成立的。反過(guò)來(lái)，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果違反了貝爾不等式，那么愛(ài)因斯坦就錯(cuò)了。

從1982年起，世界各地的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家就在各種貝爾實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，貝爾不等式可以不成立，愛(ài)因斯坦很可能是錯(cuò)的。

不過(guò)，一些追求嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奈锢韺W(xué)家指出，這些貝爾實(shí)驗(yàn)中都至少存在一個(gè)漏洞，叫作“隨機(jī)性漏洞”。

我們回想一下，在貝爾實(shí)驗(yàn)中，兩臺(tái)測(cè)量?jī)x器必須能夠隨機(jī)地選取角度?？墒牵蹅冏鲞@些實(shí)驗(yàn)不就是為了搞清楚世界上有沒(méi)有真正的隨機(jī)嗎？

如果物理學(xué)家在做實(shí)驗(yàn)之前，就已經(jīng)確定兩臺(tái)測(cè)量?jī)x器是真正隨機(jī)的，那他們還費(fèi)那么大勁證明??？

反過(guò)來(lái)講，如果物理學(xué)家在做實(shí)驗(yàn)之前，根本不確定兩臺(tái)測(cè)量?jī)x器是不是真正隨機(jī)的，那我們?cè)趺纯赡軓倪@兩臺(tái)測(cè)量?jī)x器得出的測(cè)量結(jié)果中，搞清楚世界上有沒(méi)有真正的隨機(jī)呢？

上面的話有點(diǎn)兒繞。咱們說(shuō)的通俗一點(diǎn)兒，這就相當(dāng)于讓一個(gè)人揪自己的頭發(fā)，把自己提起來(lái)。在英文典故中，這叫作“bootstrapping”問(wèn)題。

物理學(xué)家到哪兒才能找到“真正隨機(jī)的”東西呢？不知誰(shuí)靈機(jī)一動(dòng)想到一個(gè)好主意：既然人類擁有自由意志，那么人類的行為就不可能受到操縱！如果讓一群人隨機(jī)產(chǎn)生一堆數(shù)據(jù)，再用這些數(shù)據(jù)操縱兩臺(tái)測(cè)量?jī)x器，我們不就可以滿足“真正隨機(jī)”的實(shí)驗(yàn)要求了嗎？

于是，西班牙光子科學(xué)研究所等全球十二家科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合起來(lái)，以“大貝爾實(shí)驗(yàn)”為主題，從全球各地招募了10萬(wàn)人，讓他們?cè)诙潭痰膸资畟€(gè)小時(shí)里，以“玩游戲”的形式，向隨機(jī)性的根源（也就是等同于物理定律的那個(gè)“上帝”），發(fā)起了攻擊！

在大貝爾實(shí)驗(yàn)中，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)根據(jù)各自擅長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)手段，利用光子、原子、超導(dǎo)等不同體系，實(shí)施了十三個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)方案。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合清華大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)一起參與了大貝爾實(shí)驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授和張強(qiáng)教授是大貝爾實(shí)驗(yàn)亞洲區(qū)的負(fù)責(zé)人。他們的實(shí)驗(yàn)室利用接收到的，由人類自由意志所產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，通過(guò)一對(duì)對(duì)糾纏光子進(jìn)行貝爾實(shí)驗(yàn)。

你也許會(huì)想到，人類當(dāng)然有自由意志，但是人類的行為不一定是隨機(jī)的啊？這一點(diǎn)物理學(xué)家也想到了。為了讓結(jié)果更可靠，他們做了兩手準(zhǔn)備。首先，他們對(duì)貝爾不等式進(jìn)行了一些額外推導(dǎo)。結(jié)果證明，人類的行為不完全隨機(jī)沒(méi)關(guān)系，只要貝爾不等式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差足夠大，大到可以忽略人類的不隨機(jī)性，結(jié)論就是可靠的。

其次，他們使用了人類生成的80Mb的隨機(jī)數(shù)作為測(cè)量?jī)x器的輸入數(shù)據(jù)。

結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，堵上隨機(jī)性漏洞之后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是不支持愛(ài)因斯坦的判斷。也就是說(shuō)，不存在所謂的“局域隱藏變量”，愛(ài)因斯坦這次又輸了。

于是，在十二研究機(jī)構(gòu)，上百名物理學(xué)家，和全球10萬(wàn)個(gè)自由意志的人的努力下，這次大貝爾實(shí)驗(yàn)的十三個(gè)“戰(zhàn)果”在2018年5月9日時(shí)發(fā)表在了《自然》雜志上。十三個(gè)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果都否定了愛(ài)因斯坦的“局域隱變量”理論。

雖然愛(ài)因斯坦這次又輸了，但是他和玻爾的爭(zhēng)論還沒(méi)有結(jié)束！這是因?yàn)椋m然大貝爾實(shí)驗(yàn)補(bǔ)上了“隨機(jī)性漏洞”，但這些自由意志的肉身之間都離得太近了，反而導(dǎo)致了另一個(gè)漏洞，叫作“局域性漏洞”。

如果想徹底補(bǔ)上這個(gè)漏洞，理論上講，大貝爾實(shí)驗(yàn)的參與者至少得有一部分待在3萬(wàn)公里之外……也就是說(shuō)，物理學(xué)家下次可能得招募外星人，從宇宙中發(fā)起攻擊（誤?。?/span>

注釋：

1. 什么叫局域性漏洞？在地球上，任意兩個(gè)人之間的距離不超過(guò)1.3萬(wàn)公里。光走完1.3萬(wàn)公里大約需要0.04秒，小于人類的反應(yīng)時(shí)間0.1秒。于是，物理學(xué)家無(wú)法從理論上排除這樣一種情況：甲產(chǎn)生了一個(gè)數(shù)據(jù)后，他通過(guò)某種方式影響到了地球上的乙，使得另乙在0.04秒之后產(chǎn)生的某個(gè)數(shù)據(jù)跟甲的行為有關(guān)。于是，這兩個(gè)數(shù)據(jù)不再是隨機(jī)產(chǎn)生的，而是存在某種因果聯(lián)系。這種因果聯(lián)系會(huì)導(dǎo)致貝爾實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)存在一種理論上的漏洞，即局域性漏洞。

2. 什么叫隱變量？比方說(shuō)，有人通過(guò)調(diào)查數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，每當(dāng)海邊溺水的人變多時(shí)，冰淇淋的銷量就會(huì)增加。這兩個(gè)時(shí)間看似是無(wú)關(guān)的。但是普通人一眼就能看出來(lái)，這是因?yàn)槊慨?dāng)夏天到來(lái)時(shí)，去海邊游泳的人會(huì)變多，溺水的也自然也會(huì)變多；同時(shí)，由于天氣變熱，買(mǎi)冰淇淋的人也會(huì)變多。在這個(gè)例子中，“天氣變化”就是一個(gè)隱變量。

3. 結(jié)尾最后一句是一個(gè)玩笑。實(shí)際上，為了補(bǔ)上局域性漏洞，我們只需要讓一組人在月球上產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，另一組人在地球上產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)。也就是說(shuō)，在相距38萬(wàn)公里的地球和月亮之間開(kāi)展大貝爾實(shí)驗(yàn)。

4. 中國(guó)的潘建偉團(tuán)隊(duì)早在幾年前就提出了一個(gè)基于人類自由意志，在地球-月球之間開(kāi)展貝爾不等式檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案。2014年，團(tuán)隊(duì)科學(xué)家設(shè)計(jì)發(fā)展了GHz亮度的糾纏源和高時(shí)間分辨探測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了超高損耗下的人類自由意志參與的貝爾不等式檢驗(yàn)，該成果于4月5日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。為未來(lái)物理學(xué)家們?cè)谔諏?shí)驗(yàn)中關(guān)閉局域性漏洞和隨機(jī)數(shù)漏洞、開(kāi)展量子非定域性的終極檢驗(yàn)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

參考文獻(xiàn)：

1.The BIG Bell Test Collaboration,?Challenging local realism with human choices, Naturevolume 557, pages212–216 (2018).

2.Unpublished manuscript from The BIG Bell Test Collaboration.

3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/24071884

4.Yuan Cao, and et. al.,?Bell Test over Extremely High-Loss Channels: Towards Distributing Entangled Photon Pairs between Earth and the Moon, Phys. Rev. Lett. 120, 140405(2018).