走近量子纠缠【9】四人纠缠CHSH

伤我心太深

当初贝尔发表了他的论文之后，物理界并没有很多人关注贝尔不等式的实验验证。其原因之一是因为很多物理学家已经深感量子力学的正确性。他们认为，世纪之争已经画上句号，量子现象与经典规律的确大相庭径，天上地下。爱因斯坦的上帝和波尔的上帝各司其职，不必打架。一个执掌宏观世界，一个管理那些看不见的小妖精们。大家和平共处，自得其乐，没有必要再用实验验证什么贝尔不等式，反而可能要挑起战争，扰乱天下。物理学家们不感兴趣的原因之二便是因为纠缠态的实验太困难，在实验室里要维持一对电子的纠缠态，谈何容易！

2011年初有篇有趣的报道。据说有研究者认为，一种名为European robins的鸲子的眼睛中有一个基于量子纠缠态的指南针，这种纠缠态的量子效应使得鸲子眼睛能够感受到极其微弱的地球磁场，从而找到正确的飞行方向！也不知此消息是真是假？有无进一步的实验验证？但从物理学家们对此报道的评论可以看出实验室中的纠缠态是多么难以维持。

【鸽子眼睛中有纠缠态吗？（照片来自网络），http://www.wired.com/wiredscience/2011/01/quantum-birds/】

如果上述鸲子眼睛的假设成立的话，科学家得出结论：鸲子的眼睛能够维持量子纠缠的时间，比先进的实验室设备还要长20微秒。因为在实验室中得到的量子纠缠态非常脆弱，当原子被冷却到接近绝对零度的环境下时，得到的纠缠态也只能维持千分之几秒而已，室温下的纠缠态更是不堪一击，就只有微秒的数量级了。

因此，当克劳瑟对费曼说，他要用实验来检验贝尔定理时，费曼激动得把他从办公室赶了出去。但克劳瑟坚信实验的必要性，他总记得也是物理学家的父亲经常说的一句话：“别轻易相信理论家们构造的各种各样漂亮的理论，最后，他们也一定要回过头来，看看实验中你得到的那些原始数据！”

【克劳瑟（John F Clauser）照片来自：http://www.wolffund.org.il/cat.asp?id=25&cat_title=PHYSICS】

克劳瑟在纽约的哥伦比亚大学攻读Ph.D.时，对重视实验的李政道仰慕有加，也庆幸该校有吴健雄这样的著名实验物理学家及先进的实验条件。但是，他也很快就认识到，吴和萨科诺夫二十多年前用正负电子湮灭对产生纠缠光子的方法，不是很适合验证贝尔不等式，这种方法产生的光子对能量太高，纠缠相关度不够。因此，必须寻找新方法，另辟蹊径。

另外，克劳瑟也不断思考贝尔不等式的推导过程。有关EPR佯谬、贝尔定理等等概念反复纠缠在他的脑海中，他已经几乎忘记了他的指导教师塞迪斯（Patrick Thaddeus）给他的有关微波背景辐射的博士课题。

这其中还有几个有趣的故事。克劳瑟的博士指导教师塞迪斯，是诺贝尔得主汤斯Charlie Townes的学生，汤斯因发明激光而获得诺贝尔奖。克劳瑟刚到哥伦比亚大学时，非常感兴趣和激光有关的天体物理，所以决定跟塞迪斯作微波背景辐射的研究。克劳瑟认为这个工作很有趣，因为据说观测结果可以用来证明宇宙大爆炸的理论。当初的哥大物理系对PHD学生成绩要求很严格，必修课的成绩一定要在B以上，否则便得重修。其中，“高级量子力学”是4门必修课之一，克劳瑟感觉这门功课很难，第一次只得了一个C，第二次再修，又得了一个C，最后，这门课修了3个学期，才满足了系里的要求。克劳瑟在后来的访谈中诙谐而调侃地说：“我在哥大修了3次量子力学，不过不丢脸，我有一个同伴，听说诺贝尔奖得主汤斯，当年对这门课程也至少修过两次哦！”有可能正是因为修了这么多次量子力学，克劳瑟才对量子论的基础发生了浓厚的兴趣。他移情别恋，弃旧纳新，从此置微波背景辐射研究不顾，另有所爱，迷上了用实验来检验量子力学的基本理论，那就是EPR佯谬和贝尔不等式。

克劳瑟一直认为指导教授塞迪斯是对他最有影响的人物之一。但是，塞迪斯当初却对克劳瑟很不满意。塞迪斯不喜欢克劳瑟所做的有关贝尔不等式的工作，认为那是“浪费时间的一堆垃圾”！看看他给克劳瑟写的找工作的推荐信中的一段话吧，这封信还是写在克劳瑟完成了第一次验证贝尔不等式的实验之后。塞迪斯在信中说：“不要聘用这个家伙！因为只要一逮到机会，他就要去做量子力学实验中的那些垃圾工作。” 尽管塞迪斯后来为此表示过歉意，但他的评价却毁了克劳瑟的职业生涯，使他一直找不到合适的教授位置。

我们再回到克劳瑟对贝尔不等式的思考上来。刚才说过，克劳瑟离开了塞迪斯教授为他计划的弯曲时空研究，一头栽进了量子陷阱。经过一段时间的深思熟虑，联系到进行实验的可能性和准确性，克劳瑟认为，实验需要重新设计，最好是用可见光。另外，贝尔不等式也需要改进，于是，他就此写了一篇论文提要，寄给了1969年的美国物理学会在华盛顿举办的年会。

虽然很多物理学家不看重克劳瑟的工作，但这时，在波士顿，却有人和他不谋而合，想到一起去了。这就是CHSH四人组合中年龄最大的西摩尼，以及他的学生霍恩。

西摩尼年轻时一直学习和研究哲学，1953年，25岁时，就在耶鲁大学哲学系得到了他的博士学位。毕业后很快获得了麻省理工哲学系的终身教授职位。在别人眼中看起来，他已经算是少年有成、春风得意了。可是，西摩尼却始终挥之不去心中的“理论物理情结”，在工作数年之后，他又到普林斯顿大学攻读物理系的博士。并且在毕业之后，放弃了麻省理工这个第一流大学的终身教职，而重新接受了波士顿大学的助理教授位置。因为这个位置是哲学系和物理系共同设置的，在这个位置上，他可以研究他所感兴趣的理论物理中的哲学问题。

【西摩尼（Abner Shimony）照片来自：http://www.zam.it/biografia_Abner_Shimony】

西摩尼在MIT任教的同时，又在普林斯顿攻读物理博士，师从诺贝尔奖得主尤金·维格纳（Eugene Paul Wigner）。那几年，他忙碌往返，奔波于相距300英里的波士顿和普林斯顿之间。

西摩尼对量子力学基础理论的兴趣，起始于他1963年在辛辛那提参加的第一次物理界学术会议。这次会议正好是由鲍里斯·波多尔斯基（EPR中的P）主持的。那时候，爱因斯坦和波尔都已经相继去晋见他们的上帝去了，波多尔斯基是辛辛那提泽维尔大学的教授。这是一个真正令西摩尼兴奋的会议，参加的人中不乏鼎鼎有名的物理界泰斗：魏格纳、狄拉克、波姆、阿哈罗诺夫（AB效应中的A，波姆是B）等。分组讨论时，魏格纳提议让西摩尼讲话，西摩尼便给了一个“观察者在量子理论中的作用”的发言。

据西摩尼自己回忆说，当时，狄拉克起来提问，把他吓了个半死。不过，狄拉克问的是个简单的哲学问题：“唯我主义是什么？”。哲学是西摩尼的老本行，当然轻松过关。自此后，西摩尼的兴趣和研究方向转到了量子力学的基本理论问题。并且，返回波士顿之后，他得意洋洋地将他会上的发言稿整理成文，寄给物理界的同行们。这寄论文的邮费没有白花，一次，西摩尼在邮箱中发现了贝尔的文章，他不知道是谁放到他的邮箱里的。这是西摩尼第一次知道贝尔不等式和贝尔定理，看了好几遍文章之后，西摩尼逐渐弄明白了掩藏在贝尔不等式后面的巨大意义，那是解决量子论中深奥哲学问题的一个具体措施，具体到可以在实验室中实现！于是，西摩尼非常兴奋，和纽约的克劳瑟一样，殊途同归，立刻都掉到量子实验的深渊中去了。

霍恩是西摩尼在波士顿大学的第一个研究生，对西摩尼交给他的贝尔论文很感兴趣，便和西摩尼一起探索进行此类实验的可能性。

西摩尼毕竟是哲学家出身的物理学家，谈理论还行，对物理实验一知半解。因此，教授和学生师徒二人到物理系实验室里逢人便问，请教各种实验方法，以至于许多人都被他们俩喋喋不休的问题问怕了。后来，有人介绍他们去找哈佛大学一个实验物理学家谈谈。无论如何，最后，他们幸运地在哈佛大学找到了一个正计划做双光子相干实验的研究生霍尔特（Holt），三个人开始了他们的物理研究‘纠缠’。

他们三人与哥伦比亚大学克劳瑟走的路基本相同，也开始写论文，但他们晚了一步，没有及时地将文章摘要寄到1969年的华盛顿年会上。

当知道被人抢了先时，西摩尼难免有些沮丧。他听了维格纳的建议，直接给纽约的克劳瑟通了电话。没想到克劳瑟听见有人也想做同样的实验，感到非常吃惊和高兴。他在文章的著作权一事上表现得很大度，这样，才因此而有了后来的CHSH论文。

四员大将到底如何纠缠？如何改进了贝尔不等式？实验的结果如何？且听下回分解。