Pxz=-N1+N2-N3+N4+N5-N6+N7-N8;
然后是A粒子在z方向和B粒子在y方向上的相关性Pzy:
Pzy=-N1+N2+N3-N4-N5+N6+N7-N8;
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有了上面四个公式,现在是展现数学技巧的时候到了,绝对值当中有这么一个不等式|a-b|
|Pxz-Pzy|=|-2N3+2N4+2N5-2N6|=2|(N4+N5)-(N3+N6)|
根据归一性公式,我们可以凑一个“1”出来:
2(N3+N4+N5+N6)=1+(-N1-N2+N3+N4+N5+N6-N7-N8)=1+Pxy
于是我们得到了最终的结果:
|Pxz-Pzy|
这就是大名鼎鼎的贝尔不等式,恭喜你,你已经证明了宇宙中最深刻的定理之一。从证明过程我们可以看出,贝尔不等式是一个非常严密的数学定理,物理中仅仅依赖于定域性和实在性。可是贝尔发现,在量子力学中,当坐标夹角足够小时,量子行为将会突破贝尔不等式!!!
这简直就是大逆不道,量子力学居然可以破坏这么严谨的定理,说明量子行为之间的相关性,是超出经典力学行为的。
实验究竟如何呢?
直到1982年,科学家阿斯派克特才首次完成了第一代的贝尔实验,他以钙原子为光子对来源,然后把钙原子激发到一定能级,当回落时就会释放一对光子对,实验巧妙地让两个光子飞出12米远(光子需要飞40纳秒),中间的一个偏振器平均10纳秒可以改变一次方向,然后测量光子的合作程度。
一对对光子射向检测器,爱因斯坦坚信的隐变量正在接受着考验,3个小时过去了,科学家们长松了一口气——量子力学赢了,爱因斯坦输了!
实验结果完全符合量子力学的预言,与爱因斯坦坚信的隐变量理论相差了5个标准方差,贝尔不等式被无情地突破,阿斯派克特的结果发表在当年12月的《物理评论快报》上。
针对阿斯派克特的实验,科学家提出了检测漏洞、定域性漏洞、以及随机数漏洞,其他科学家也在试图重复阿斯派克特的实验,新的实验技术也在发挥着作用,按照贝尔的设想,我们不能让光子对提前知道观测方向,于是实验过程需要随机改变偏振器方向。
1998年,奥地利科学家让光子飞出距离400米,这样就有足够时间随机改变偏振器方向,这次爱因斯坦输得更惨,差了30个标准方差,实验结果完全符合量子力学预言。
2015年,科学家用更巧妙的实验,彻底排除了局域性漏洞和检测漏洞,实验结果以96%的置信度符合量子力学预言。
为了彻底堵上贝尔实验中最后一个漏洞——随机数漏洞,在2016年底,科学家进行了大贝尔实验,在全球随机选择3万人,然后这3万人凭借自己的自由意志随机得到一个数,再来进行贝尔实验,如果有人还对随机数漏洞存在质疑,那么就是质疑这3万人的自由意志。
在2018年,中科大教授潘建伟等人,首次实现了利用11光年外的星光产生随机数,来排除贝尔实验中的随机数漏洞,成功验证了量子力学的完备性,实验光子对总不可能知道11年前遥远星光的数据吧!
自此,隐变量理论已被彻底否定,贝尔不等式在量子力学中不成立,量子力学的哥本哈根学派经住了层层考验;而贝尔不等式的破灭,说明我们宇宙的定域性和实在性至少有一个是不成立的,或者两者都不成立,至于选择留下谁和抛弃谁,目前科学界还没有定论。
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