终极裁决
到了20世纪60年代,在质疑量子力学的队伍中又出现了一位勇猛的小将。他就是长着一头红发的英国物理学家约翰·斯图尔特·贝尔,也是我们第四个故事的主角。
贝尔一直都深深地认同爱因斯坦的经典物理学,对量子力学中与经典物理学相悖的两个新概念感到很困惑:一个是量子纠缠,他坚持认为物理效应的传播不可能比光速快,这种鬼魅般的瞬时传输不可能存在;另一个则是量子的不确定性,他认为客观现实独立于观察者存在,任何一个粒子的状态在被测量之前都有自己明确的属性,不可能取决于观察者的测量行为。
1964年,贝尔提出,自己发现的一个强有力的数学不等式可以检验量子力学原理。这就是决定量子力学命运的“终极武器”——贝尔不等式。假如通过实验发现贝尔不等式成立,那就说明爱因斯坦是正确的,这不仅能巩固以爱因斯坦为代表人物的经典物理学的地位,还能给予“怪异的”量子力学致命的打击。贝尔本人坚信不等式一定是成立的,在他提出这个想法时爱因斯坦已经去世了,他希望借此了却爱因斯坦生前未竟的心愿。然而,贝尔不等式其实是一把双刃剑,假如实验说明它不成立,就会进一步证明量子力学的完备性,撼动经典物理学的地位。
接下来就要设计物理实验进行验证了。然而,这对实验物理学家来说却成了难题,当时的设备尚不具备进行这样的实验的条件。直到5年后,贝尔才收到26岁的美国实验物理学家约翰·克劳泽的来信,知道后者设计了一个实验来测试不等式。经过200小时的初步实验,克劳泽得出了贝尔不等式不成立的结果,这令包括贝尔在内的许多物理学家都感到意外。在接下来的5年内,科学家又进行9次测试,其中有7次出现了不等式不成立的状况。由于事关重大,人们还是怀疑是实验本身的精度存在问题。
在这之后,又有很多实验物理学家跃跃欲试,但由于实验条件要求太高,直到20年后的20世纪80年代,法国量子物理学家阿兰·阿斯派克特才终于完成了实验。他利用新出现的激光和计算机技术,花了几年的时间设计了三个巧妙的实验来检验贝尔不等式。但阿斯派克特没想到的是,实验结果与贝尔不等式极其相悖,而很符合量子力学的理论。老天跟贝尔开了一个大大的玩笑,贝尔不等式竟然不成立!
在随后的10多年里,科学家又利用非线性激光等各种手段反复地进行了实验验证。贝尔不等式不成立这一结论目前已被科学界的大多数人认同。
当年,贝尔是依据从经典物理学角度出发的两个假设来推导不等式的:一个是量子状态不依赖于观察行为,另一个是比光速还快的物理过程不存在。然而,实验结果否定了贝尔不等式的正确性,这意味着我们必须至少放弃这两个假设中的一个才行。据说,贝尔本人打算放弃后者,即光速限制。也就是说,他情愿承认宇宙中存在瞬时状态传输,也要坚持世界的客观独立性。贝尔始终认为,即使在没有进行观察前,现实和客观的世界也是实际存在的。
贝尔本想利用不等式证明量子力学是个谬误,结果却进一步彰显了量子力学的完备性。1990年,62岁的贝尔因脑出血去世,曾深信量子理论只是“权宜之计”而无法反映事物本质的他最终也不得不承认“爱因斯坦的世界观是站不住脚的”。