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这3名诺贝尔奖得主有多牛?“推翻”爱因斯坦理论,助隐形传态成真

来源:潇湘晨报 编辑:王津 2022-10-05 07:29:22
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为量子技术新时代奠定基础

2022诺贝尔物理学奖获得者“推翻”爱因斯坦理论,助隐形传态成真

阿兰·阿斯佩(法国物理学家)

约翰·克劳泽(美国理论和实验物理学家)

安东·蔡林格(奥地利物理学家)

“遇事不决,量子力学”,现代物理学里,论起最被人熟知的领域,量子力学毫无疑问是第一名。

而今年得了诺贝尔物理学奖的法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格做了什么?

“他们的实验结果为基于量子信息的新技术扫清了道路。”瑞典皇家科学院说道。

面对爱因斯坦的质疑,历经数十年时间,从克劳泽到阿斯佩再到蔡林格,一代代物理学家终于用确凿的实验数据证明,量子纠缠是存在的,胜利属于量子力学。

瑞典皇家科学院4日宣布,将2022年诺贝尔物理学奖授予法国科学家阿兰·阿斯佩、美国科学家约翰·克劳泽和奥地利科学家安东·蔡林格,以表彰他们在“纠缠光子实验、验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学”方面所作出的贡献。

诺奖出炉后,10月4日,潇湘晨报专访湘潭大学物理与光电工程学院副教授彭杰。彭杰讲述了在这些艰深的学术名词背后,爱因斯坦曾反对量子纠缠理论,而青年学者用实验证实量子纠缠是真实存在的故事。

爱因斯坦:我不信量子纠缠

根据量子力学,两个或多个粒子能够处于纠缠态,它们存在某种关联,无论相隔多远,一个粒子的性质发生变化,另一个能瞬间“感知”到它的状态,从而发生相应的变化。人们只要测量其中一个粒子的特性,那么就可以立即确定另一个粒子的等效测量结果。

彭杰表示,自从该理论提出以来,就一直是量子力学中争论最多的元素之一。爱因斯坦就曾强烈反对该理论,称之为“幽灵般的超距作用”。

爱因斯坦做了一个非常理所当然的“定域性假设”:一个粒子的属性只局限在这个粒子上,而此处发生的事情必须经过在空间中的传播才能影响彼处发生的事情,并提出隐变量理论来替代纠缠理论。打比方说,有一副手套,一个是左手,一个是右手。人们把两个手套分别放在两个箱子里,一个箱子放在地球,一个放在月球。我打开地球这个箱子的时候,也能知道月球上那个手套是左手的还是右手的。但这是一开始就已经定好了的,而不是因为测量才导致的。

当时,这个问题也被归为哲学问题。看起来爱因斯坦的理论也更易被人们理解,但真相究竟如何呢?

用实验说话:胜利属于量子力学

据纪录片《超乎想象的宇宙》,1967年,还在哥伦比亚大学读书的克劳泽即将获得天体物理学的博士学位,他唯一面对的阻碍,就是量子力学的成绩。在这部纪录片中,克劳泽坦言:“当我还是研究生的时候,我竭尽所能也不能理解量子力学。”

有一天,他发现了一篇发黄老旧的文献,作者是爱尔兰物理学家约翰·贝尔。贝尔提出如果可以制造一个可以创造和对比纠缠粒子的机器,就可以知道究竟孰是孰非。一心想要“推翻”量子力学的克劳泽,于是通过实验测量出数千对的纠缠粒子,并且从不同的角度对比它们的旋转。

最终的实验结果让克劳泽崩溃,因为他证明了量子纠缠真实存在,量子可以跨越空间彼此相连。

随后,当时同样是年轻学生的法国人阿斯佩对克劳泽的实验漏洞进行改进,做了更精准的实验,同样证明了量子纠缠理论是正确的,彻底否定了爱因斯坦的隐变量理论。

至此,科学家又开始思考:是否可以利用纠缠理论中的远距离作用来做些有用的事呢?比如隐形传态,即信息载体本身不动,利用纠缠来传递信息。

奥地利学者蔡林格用实验进一步证明了纠缠理论的正确性,并把纠缠理论用到了实际应用当中,实现了隐形传态。现在,具有两个以上粒子的系统(所有粒子都纠缠在一起)正在进入实际应用,比如通过数十千米光纤发送的光子之间,以及卫星和地面站的光子之间都能建立纠缠态。

2017年6月16日,量子科学实验卫星墨子号首先成功实现两个量子纠缠光子被分发到相距超过1200公里的距离后,仍可继续保持其量子纠缠的状态,并于今年实现了隐形传态。值得一提的是,我国量子科学实验卫星首席科学家、中国科学院院士潘建伟正是蔡林格的学生。

彭杰表示,他在给学生上量子力学课时,经常给学生讲三位科学家通过实验证明量子纠缠正确的故事,并借此告诫学生:“不要什么事情都想当然,要相信实验结果,因为实验是检验真理的唯一标准,不管你觉得这个东西有多么的荒谬,只要它是符合实验的,就必须去接受它。”

彭杰还表示,第一次量子革命给了我们晶体管和激光,借助操纵纠缠量子系统的现代工具,人类正在进入一个新时代。

现场

诺奖评委解读时点赞中国研究成果

据新华社电 瑞典皇家科学院4日发表新闻公报说,三位获奖者在量子纠缠实验方面都有重要贡献。

量子纠缠是指,在量子力学中处于纠缠态的两个或多个粒子,即便分开很远距离,有些状态也会表现得像是一个整体。他们的实验结果“为基于量子信息的新技术扫清了道路”,目前在量子计算、量子网络和量子保密通信方面已有大量相关研究。

公报说,在量子力学的发展历程上有一个著名的贝尔不等式,如果它始终成立,那么量子力学可能被其他理论替代。为此,许多量子科学家一直在寻找违反贝尔不等式的验证,克劳泽提出了一个利用处于纠缠态的光子的实验,其结果可以违反贝尔不等式,阿斯佩进一步填补了克劳泽实验中的重要漏洞。蔡林格进行了更多实验,并且其团队还利用量子纠缠展示了量子隐形传态,即有关量子态的传输。

诺贝尔物理学奖评委托尔斯·汉斯·汉森在现场解读获奖成果时展示了一张含有中国量子卫星的图片,其上显示了中国和欧洲之间的洲际量子通信实验。他表示,中国在量子卫星和量子通信研究方面走在世界前列,“中国量子通信卫星图彰显了物理学的国际合作,也体现了中国在这一研究领域的贡献”。

花絮

诺贝尔奖金越发越多

新的一年,谁会被评为科学和经济领域“对人类作出最大贡献”的人士,受到世界瞩目。

这是一份诞生自120年前的荣耀。1895年,63岁的瑞典化学家诺贝尔立下遗嘱,用3100万瑞典克朗的遗产设立了诺贝尔基金会。百余年过去了,诺贝尔奖将遗产作为奖金,却为何取之不竭?诺贝尔究竟有多少遗产?

诺贝尔奖在1901年首次颁发,每个单项的奖金为15万瑞典克朗。按照诺贝尔的初衷,奖金应保证获奖者在20年没有其他收入的情况下也能继续其研究。而当年的奖金正好相当于当时一位教授20年的工资。到2021年,诺贝尔奖的奖金已经增加到1000万瑞典克朗,约合人民币642万元。

诺奖的延续得益于诺贝尔基金会的良好运营。实际上,在运营初期,诺贝尔奖也一度陷入亏损的窘境。过于保守的投资策略和逐渐沉重的税负下,1901年“出道即巅峰”的15万瑞典克朗奖金后,诺贝尔奖奖金连年缩水。

1922年,诺贝尔基金会的估税额达到峰值,超过了预留给下一年的诺贝尔奖金的总和。这直接导致1923年,诺奖奖金达到11.5万瑞典克朗的历史低点。

直到1946年,诺贝尔基金会获得瑞典政府的免税资格,基金会的本金规模才开始出现增长。1953年,瑞典政府进一步放宽政策,允许诺贝尔基金会得以自由地投资股票和房地产等这些曾一度被列入禁区的资产类别。

不过,根据诺贝尔奖官网的统计,一直到1990年,诺奖奖金的实际价值都未超过首年奖金的实际价值。1991年,诺奖奖金提升至600万瑞典克朗,实际价值才基本与1901年首次颁发的奖金价值相等。

截至2021年底,这笔资金已经使用了126年。诺贝尔基金市值已达61.03亿瑞典克朗(约合39.3亿人民币)。若剔除通胀因素,2015年底基金的实际价值较初始市值已经翻了三倍以上。

诺奖得主经得起时间考验

从具体奖项来看,每年一度的诺贝尔奖并不只着眼于前一年有重大贡献的候选人。尤其是科学类的奖项,具有明显的滞后性。

根据官方统计,通常自技术或理论提出之后18年左右才会获奖。从1901至2014年间获得诺贝尔科学奖的得主情况看,从发表科研成果到获奖,物理、生理学或医学奖的最长滞后时间均为55年左右。

如试管婴儿之父爱德华兹于1958年着手研究试管受精,1978年成功产生全球首名试管婴儿露易丝·布朗。2010年得奖时,他已是85岁高龄,当年的婴儿露易丝·布朗也已经有32岁。

屠呦呦在1972年提取出治疗疟疾的青蒿素,直到43年后的2015年才获得诺贝尔生理学或医学奖;2019年颁发的诺贝尔化学奖,表彰了约翰·B.古迪纳夫、斯坦利·威廷汉和吉野彰三人在锂离子电池方面的研究贡献,而锂电池的发明至今已经过去了几十年。

这是诺奖的滞后性,从另一方面来说也是严谨和权威性,这也符合诺贝尔在不断试错完善雷管的研究属性。

但诺奖历史中,其颁发的奖项也曾出错。1927年,诺贝尔生理学或医学奖被授予给了丹麦科学家约翰尼斯·菲比格,以表彰他对于癌症的研究——菲比格认为,癌症由一种寄生虫“螺旋体癌虫”导致。这个结论在如今看来是完全错误的,但在当时却备受认可。

从一个新的发现到被验证,往往需要很长时间,这段时间里会存在各种争议和质疑,对于科学来说,这是最为重要的特性,因此很多诺奖获得者,都是在不断被质疑的情况下完成验证,才得以获此殊荣。

但也有例外,比如杨振宁和李政道就是幸运儿,他们从提出“宇称不守恒”,到获得诺贝尔物理学奖,前后不到1年的时间。这个获奖速度是100多年诺贝尔奖史上最快的。

宇称不守恒定律作为颠覆性的理论成果,打破了物理学家魏格纳在1927年提出的“宇称守恒定律”,影响了物理学的根基。

之所以迅速被诺贝尔奖组委会认可,一方面在于该理论对后续物理学研究至关重要。此外,该理论也得到了实验的证明。但遗憾的是,验证杨李二人理论的实验物理学家吴健雄并未共享诺贝尔奖的殊荣。

来源:潇湘晨报

编辑:王津

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