您所有科学中可能遇到的最奇怪的现象之一是量子纠缠- 两个粒子相互作用的方式使它们深入联系,并且基本上“共享”了一个存在,即使它们相隔鲜明。
爱因斯坦著名地无法接受这个想法,最终决定是太奇怪了。但是,一个新的实验刚刚成为量子现实的最强案例纠缠,因此看起来我们的宇宙就像我们怀疑的一样奇怪。
其中一支团队,麻省理工学院的戴维·凯瑟(David Kaiser在Phys.org上告诉Jennifer Chu。
“我们还没有摆脱它,但是我们缩小了16个数量级。”
作为一个概念,量子纠缠是最难证明的事情之一,因为虽然物理学家可以轻松观察到它 - 纠缠颗粒是的基础是量子计算- 不可能确定隐藏变量不会弄乱结果以使其仅使其成为看就像两个粒子无情地链接。
如果您不熟悉量子纠缠,请想象两个粒子 - 它们可以被几米或几个光年隔开,但是无论它们的相距多远,它们都会纠缠。
这意味着,出于某些莫名其妙的原因,这些遥远的颗粒能够彼此保持特殊的联系,因此,如果测量一个粒子,物理学家将知道其伴侣的确切测量值。
这本身就足够奇怪了,但是这种现象甚至是陌生人的事实是,这些粒子都没有“内置”属性 - 只有在测量它们后才定义它们的属性,那么当我们还没有钉住它们时,伙伴粒子如何具有可定义的属性?
尽管过去一个世纪中无数实验证实了量子纠缠的行为,但没有人可以完全解释它,而爱因斯坦本人一直保持怀疑,直到最后,将其视为“远处的怪异动作”。
爱因斯坦并没有否认粒子似乎是纠缠的,但认为一些隐藏的变量正在起作用。
这促使物理学家约翰·贝尔(John Bell)在1960年代建立了一种“测试”,可以衡量纠缠纠缠到实际纠缠或其他一些使其看起来像纠缠的变量的可能性。
贝尔测试实验 - 也称为贝尔的不等式实验 - 涉及对每个纠缠粒子进行独立的测量,以查看哪种选项最有说服力地表现出来。
“贝尔表明,从统计学上讲,结果之间的相关性一旦超过一定的阈值极限,就无法通过具有隐藏特性的粒子来解释,”伊丽莎白·吉布尼(Elizabeth Gibney)报告自然。
“取而代之的是,协调的结果似乎是在一个粒子上进行测量的结果,神秘地固定了另一个粒子的特性。”
但是科学家很快意识到,即使是贝尔自身的极限也有一个限制 - 某些“漏洞”留下了非量化解释的可能性。
这些漏洞之一是,粒子也许以光速共享信息,而我们的仪器太慢了,无法对此进行拾取。或者也许涉及量子纠缠颗粒的实验最终失去了一堆的实验使最终结果偏斜。
这两个漏洞终于在2015年解决了当“历史”实验看到量子纠缠通过了其最艰难的测试,这两种可能性比量子怪异更有可能。
但是一个漏洞仍然存在 - 选择自由漏洞。
正如吉布尼所解释的那样,每次我们使用铃铛测试时,我们都会假设运行实验的科学家都有自由选择,它们对它们对每对纠缠光子(轻颗粒)的测量进行了自由选择:
“但是,某些未知效应可能会影响粒子和执行什么测试(通过限制可用选项的选择,或更合理地影响测量的选择),以产生给予纠缠幻象的相关性。”
换句话说,将宇宙想象为有10个菜单项的餐厅。
“您认为您可以订购10个,但随后他们告诉您,'我们不鸡肉',事实证明其中只有五个东西在菜单上。”告诉多少杂志。
“您仍然可以自由从剩下的五个中进行选择,但是您超越了自己的自由度。”
因此,当涉及量子纠缠实验时,“可能有未知数,约束,边界条件,保护法可能最终以非常微妙的方式限制您的选择”,弗里德曼说,这些因素可能会欺骗我们思考量子纠缠是一回事。
在这种情况下,最明显的罪魁祸首之一是重力 - 也许其影响限制了我们可以在基于地球实验中对纠缠粒子进行的可能测量的数量。
那么,当宇宙本身似乎不反对我们时,我们如何解决选择自由漏洞?
“我们将选择外包给宇宙本身,”弗里德曼告诉自然。
在过去,研究人员试图通过使用随机数发生器随机选择要测量的特性来克服漏洞,这意味着研究人员不会通过选择属性本身来引入实验偏见。
他们将一对量子粒子朝相反的方向发射到两个不同的检测器,并且该随机数发生器在颗粒到达检测器之前的最后时刻选择了属性。
这意味着粒子几乎没有时间彼此共享信息,而似乎只有爱因斯坦怀疑的是纠缠。
该实验是固体的,但仅排除了在射击粒子之前几个微秒的隐藏变量的影响。
如果在此之前已经预先确定了事情怎么办?
一支涉及麻省理工学院的研究人员,奥地利维也纳大学的研究人员以及中国和德国的机构,决定使用Starlight来推动可以打折隐藏影响的时间。
该实验涉及将红色或蓝色分配给可以在纠缠颗粒中测量的某些特性。然后设置两个望远镜,以检测到传入的星光为蓝色或红色,并确定了在纠缠颗粒中测量的颜色的任何颜色。
这就是诀窍 - 因为星光的颜色在途中无法更改,这意味着如果任何隐藏的非量化变量都与粒子混乱并预先确定属性,则必须在发射星光之前完成。
在样本中所研究的最接近地球的恒星(不包括我们的太阳)是575光年,这意味着必须将这种预先确定置于运动中至少大约在600年前。
“如果有任何物理机制以某种方式出现在每个粒子的问题上,那么当即将发出我们测量的光线时,这些粒子必须在那颗恒星上运动,”Kaiser告诉Leah Crane新科学家。
该实验并未完全关闭选择自由的漏洞,但第一次证实了至少在过去的600年中已经存在量子怪异,现在研究人员必须弄清楚如何进一步将这一限制推迟。
弗里德曼(Friedman)认为,他们可以通过使用远处的类星体的光应用相同的技术将相同的技术应用于纠缠颗粒来做到这一点。他说,这应该推动数十亿年的限制。
但是最终游戏是什么?宇宙的开始,即大爆炸?
这也不是物理学家渴望确认的事情,正如娜塔莉·沃尔乔弗(Natalie Wolchover)所解释的那样Quanta:
“可能是宇宙从一开始就限制了选择的自由 - 每次测量都是通过在大爆炸中建立的相关性预先确定的。
瑞典LinköpingUniversity的物理学家Jan-ÅkeLarsson说,这就是所谓的“超级证明”是“不可知的”。宇宙钟的测试人员将永远无法排除在天空中有恒星,类星体或其他任何光线之前存在的相关性。这意味着选择自由漏洞永远无法完全关闭。”
但是,对于Freidman来说,可能性太有趣了,无法追逐。
“对我们来说,这似乎是双赢的,”他告诉沃尔乔弗。“要么我们越来越关闭漏洞,我们对量子理论更有信心,或者我们看到的东西可能指向新的物理学。”
该研究已发表在物理评论信。