2022年諾貝爾物理學獎為何頒給這三人？他們證明了愛因斯坦的一個錯誤

10月4日，2022年諾貝爾物理學獎公布，獲獎者是阿蘭·阿斯佩（Alain Aspect）、約翰·弗朗西斯·克勞澤（John Francis Clauser）、安東·塞林格（Anton Zeilinger），表彰他們通過光子糾纏實驗，確定貝爾不等式（Bell inequalities）在量子世界中不成立，并開創了量子信息這一學科。

三位獲獎者其人

阿蘭·阿斯佩 1947 年生于法國阿讓，1983 年獲法國巴黎第十一大學博士學位，現任巴黎薩克雷大學和巴黎綜合理工學院教授。

約翰·克勞澤 1942 年生于美國加利福尼亞州帕薩迪納，1969 年獲美國哥倫比亞大學博士學位。美國 J．F Clauser ＆ Assoc 公司創始人、研究物理學家。

安東·塞林格 1945 年出生于奧地利因河地區里德。1971 年在奧地利維也納大學獲得博士學位，現為維也納大學教授。

值得一提的是，塞林格還是中國科學院外籍院士，同時也是國內量子信息科學領軍人物、中國科學院院士潘建偉的博士導師。

塞林格今天在接受采訪時表示：“（諾貝爾）這個獎項是對年輕人的一種鼓勵——如果沒有多年來與我一起工作的100多位年輕人，就沒有這個獎。”

他們研究的是什么

量子力學并不僅僅是一個理論或哲學問題，更擁有廣泛的應用基礎。已經有大量研究正專注于利用單個粒子系統的特殊屬性來建造量子計算機、改進測量方法，以及構建量子網絡和安全的量子加密通信。

在量子力學中允許出現這樣一種情況：無論相距多遠，兩個或多個粒子能夠共享物理狀態，這被稱為量子糾纏。

用一個小實驗來做個比喻：有這樣一個機器，它可以向相反的方向拋出相反顏色的球。在這個機器拋球之前，我們無法確定這兩個球的顏色，但一旦有人看到了其中一個小球的顏色，那么另一個小球就會變成相反的顏色：當小明在其中一端接到了一個黑色的球時，他立刻就可以知道，對面的小紅接到的是個白色的球。同時小紅也馬上知道了，小明接到的是黑球。這就是量子糾纏。

自從量子糾纏理論提出以來，它一直是量子力學中爭論最多的元素之一。愛因斯坦稱之為“鬼魅般的超距作用”，認為它違背了狹義相對論，而薛定諤說這是量子力學最重要的特征。

愛因斯坦和助手提出了一個思想實驗，就是著名的EPR佯謬。作為愛因斯坦思想的繼承人，玻姆在1952年在引入了 “隱變量”，形成了一個完全決定性的理論——局域隱變量理論。1964年，北愛爾蘭物理學家約翰·貝爾提出貝爾不等式，可以通過實驗驗證，究竟是量子力學理論正確且完備，還是局域隱變量理論正確且完備。

今年的獲獎者探索了這些糾纏的量子態，并通過近40年的實驗最終證明：量子力學是正確的，不存在隱變量，換句話說，他們證明了愛因斯坦也有小錯誤。他們的實驗為目前正在進行的量子技術革命奠定了基礎。

約翰·克勞澤使用了鈣原子。他用一種特殊的光照射鈣原子之后，可以發射糾纏光子。他在兩側用濾光片測量光子的偏振。經過一系列測量，他證明它們違反了貝爾不等式。

阿蘭·阿斯佩開發了這個實驗，通過一種新的激發原子的方法，使它們以更高的速率發射糾纏光子。他還可以在不同的設置之間切換，這樣系統就不會包含任何可能影響結果的預先信息。

安東·塞林格后來對貝爾不等式進行了更多測試。他通過將激光照射在特殊晶體上來制備糾纏光子對，并使用隨機數切換測量設置。一項實驗使用來自遙遠星系的信號來控制濾光片并確保信號不會相互影響。

這些日趨完善的工具讓我們離實際應用更近了。現在已經證明，通過數十千米光纖發送的光子之間，以及衛星和地面站的光子之間都能建立糾纏態。在很短的時間內，世界各地的研究人員發現了許多利用量子力學最強大特性的新方法。

2010年，這三位物理學家已經聯手獲得“諾獎風向標”沃爾夫獎（The Wolf Prize）。美國物理聯合會旗下科普網站Inside Science于2019、2020、2021曾連續三年預測，這三位物理學家獎將獲得諾貝爾物理學獎。

話匣子綜合自果殼、環球科學、返樸等

編輯：玫瑰砂

責任編輯：陳敏