諾貝爾物理學獎得主:證明愛因斯坦有錯的科學家

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諾貝爾物理學委員會前日宣佈,今屆物理學獎得主。 圖片來源:路透社

物理學獎向來是諾貝爾獎最矚目的獎項之一,今年 3 位得獎科學家,分別是來自美國的克勞澤(John F. Clauser)、法國的阿斯佩(Alain Aspect)及奧地利的蔡林格(Anton Zeilinger)。究竟他們如何透過量子物理學研究,證明宇宙遠比愛因斯坦設想的更為怪異,同時為未來量子科技建立理論基礎?

按照量子力學理論,處於糾纏狀態的兩個或多個粒子,只要其中一個粒子出現變化,另一個粒子便會即時有相應改變,完全不受兩者距離左右。這種現象實質上違反愛因斯坦的相對論,因為這變相證明,有物質的移動速度超越了光。

1935 年愛因斯坦把這種稱為「非定域性」(nonlocality)的量子糾纏元素,形容為「幽靈般的遠距效應」(spooky action at a distance),並堅持這種物理現象背後,存在不可觀察的「隱藏變數」(hidden variable)。愛因斯坦的主張質疑量子力學不夠完備,使其與份屬好友的量子力學之父玻爾(Niels Bohr)立場相左。

量子糾纏起初純粹停留理論層面,始於愛因斯坦的思想實驗。為終極解決愛因斯坦與玻爾的爭論,1964 年北愛爾蘭物理學家貝爾(John Bell)提出著名的「貝爾不等式」(Bell inequality),只要有實驗能夠證明其定理成立,便足以推翻量子力學理論的基礎,證明愛因斯坦的假設正確。

今屆諾貝爾物理學得獎者之一克勞澤,便嘗試在 1970 年代以實驗證實「貝爾不等式」。現年 79 歲的他,居住在三藩市附近的核桃溪(Walnut Creek),得獎後接受法新社訪問時笑言:「事實上,我非常希望愛因斯坦勝出,意味著量子力學預測錯誤。」

諷刺的是,克勞澤事與願違。他利用糾纏狀態的光子進行實驗,結果竟然違反「貝爾不等式」,意味著愛因斯坦的假設錯誤。今屆另一位物理學獎得主阿斯佩則再下一城,1981 年與法國研究團隊利用兩個相距 12 米的糾纏狀態光子進行測試,首度以實驗證實量子糾纏現象。

來自奧地利的第三位物理學獎得主蔡林格,在從事首個量子糾纏實驗後被記者質問,實驗有何實際價值,蔡林格當時答不出,聲稱純粹滿足個人好奇。結果蔡林格的純學術探究,證明了量子糾纏的實際應用潛能,譬如進行加密的即時通訊,量子隱形傳態(Quantum Teleportation)又預告比光纖更高速的量子互聯網。

這些研究成果促成量子技術發展,如今各國爭相研發運算能力驚人的量子電腦,成就了「第二次量子革命」。現在回顧近一個世紀前的量子糾纏論戰,玻爾似乎成為最後贏家,但阿斯佩日前接受諾貝爾基金會訪問卻認為,愛因斯坦其實贏了 —— 他首先觀察到非比尋常的量子糾纏現象,縱然解釋上有誤,但提出了正確的問題,大幅開拓科學界的視野。