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歐洲中部時間2016年11月30日至12月1日下午3點，分布在世界各個角落的10萬個擁有自由意志的智慧生物——人類，自發(fā)地坐在電腦面前，登錄了一個神秘的網(wǎng)址thebigbelltest.org。隨后，他們進入一個類似神廟逃亡的小游戲，認真地玩了起來。

表面上看，他們在沉迷游戲，浪費生命。實際上，這個“游戲”網(wǎng)站的服務器，正在將他們玩游戲實時輸入的海量數(shù)據(jù)收集起來，通過物理學家開展的一場“大貝爾實驗”，向“上帝”發(fā)起攻擊！

“大貝爾實驗”之所以發(fā)起攻擊，是想搞清楚愛因斯坦口中的那個等同于物理定律的“上帝”，是不是真的“不擲骰子”，是不是真的創(chuàng)造了一個完全隨機的量子世界。

在九十多年以前，一群物理學家基于微觀粒子世界的實驗現(xiàn)象，總結出了一套全新的物理定律，這就是量子力學。

愛因斯坦也是量子力學的奠基人之一，但量子力學創(chuàng)立沒多久，他就和量子力學的另一個大股東玻爾發(fā)生了激烈的爭論。這是因為，首先，在量子力學的實驗中，物理學家從一模一樣的初始條件出發(fā)，總是會隨機地得到不同的結果。

例如，如果一個光子處于↑方向偏振和→方向偏振的疊加狀態(tài)中，那么當物理學家在放置一個沿著水平方向測量光子偏振的儀器時，儀器就會有一定概率測出→偏振的結果，以一定概率測出↑偏振的結果。每次實驗得到什么結果，看起來都是隨機的。

按照愛因斯坦的理解，這種隨機性是一種表面現(xiàn)象。在它的背后，存在一種人類還不知道的“局域隱藏變量”。一旦我們搞懂了這種變量，就可以完全計算出每一次實驗的“隨機結果”，量子力學里并不存在真正的隨機。也就是說，愛因斯坦認為“上帝”不擲骰子。

玻爾的看法剛好相反。他認為，世界上不存在“局域隱藏變量”。量子力學的隨機不是偽裝的隨機，而是任何手段都無法操縱的真隨機。換句話說，“上帝”肯定會擲骰子。

這兩個人吵了很久，誰也說不服不了誰。直到1955年愛因斯坦去世前，他們都沒吵出結果。為了搞清楚愛因斯坦說的對，還是玻爾說的對，在1964年，物理學家約翰·貝爾提出了一種用實驗檢查量子隨機性的方法。

在貝爾的方法中，我們需要用一臺機器向兩個方向不斷發(fā)射一對對處于量子糾纏態(tài)的光子，然后在機器的兩邊，通過兩臺測量儀器隨機地從兩個角度中二選一，分別對糾纏光子的偏振方向進行測量。

不論兩個測量地點相距多遠，只要其中一臺儀器測量了一個光子，另一個光子也會瞬間做出反應，這就是愛因斯坦說過的，量子力學中含有的“鬼魅般的超距作用”。

而且，測量結果雖然看起來是相互獨立的，但其實，這兩個光子的測量結果之間存在緊密的關聯(lián)。如果愛因斯坦說的對，那么這種關聯(lián)就會導致貝爾不等式是成立的。反過來，如果實驗結果違反了貝爾不等式，那么愛因斯坦就錯了。

從1982年起，世界各地的實驗物理學家就在各種貝爾實驗中發(fā)現(xiàn)，貝爾不等式可以不成立，愛因斯坦很可能是錯的。

不過，一些追求嚴謹?shù)奈锢韺W家指出，這些貝爾實驗中都至少存在一個漏洞，叫作“隨機性漏洞”。

我們回想一下，在貝爾實驗中，兩臺測量儀器必須能夠隨機地選取角度。可是，咱們做這些實驗不就是為了搞清楚世界上有沒有真正的隨機嗎？

如果物理學家在做實驗之前，就已經確定兩臺測量儀器是真正隨機的，那他們還費那么大勁證明啊？

反過來講，如果物理學家在做實驗之前，根本不確定兩臺測量儀器是不是真正隨機的，那我們怎么可能從這兩臺測量儀器得出的測量結果中，搞清楚世界上有沒有真正的隨機呢？

上面的話有點兒繞。咱們說的通俗一點兒，這就相當于讓一個人揪自己的頭發(fā)，把自己提起來。在英文典故中，這叫作“bootstrapping”問題。

物理學家到哪兒才能找到“真正隨機的”東西呢？不知誰靈機一動想到一個好主意：既然人類擁有自由意志，那么人類的行為就不可能受到操縱！如果讓一群人隨機產生一堆數(shù)據(jù)，再用這些數(shù)據(jù)操縱兩臺測量儀器，我們不就可以滿足“真正隨機”的實驗要求了嗎？

于是，西班牙光子科學研究所等全球十二家科研機構聯(lián)合起來，以“大貝爾實驗”為主題，從全球各地招募了10萬人，讓他們在短短的幾十個小時里，以“玩游戲”的形式，向隨機性的根源（也就是等同于物理定律的那個“上帝”），發(fā)起了攻擊！

在大貝爾實驗中，各個研究機構根據(jù)各自擅長的實驗手段，利用光子、原子、超導等不同體系，實施了十三個不同的實驗方案。

中國科學技術大學聯(lián)合清華大學、中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所、中國科學院紫金山天文臺一起參與了大貝爾實驗。中國科學技術大學的潘建偉教授和張強教授是大貝爾實驗亞洲區(qū)的負責人。他們的實驗室利用接收到的，由人類自由意志所產生的隨機數(shù)，通過一對對糾纏光子進行貝爾實驗。

你也許會想到，人類當然有自由意志，但是人類的行為不一定是隨機的啊？這一點物理學家也想到了。為了讓結果更可靠，他們做了兩手準備。首先，他們對貝爾不等式進行了一些額外推導。結果證明，人類的行為不完全隨機沒關系，只要貝爾不等式和實驗數(shù)據(jù)的偏差足夠大，大到可以忽略人類的不隨機性，結論就是可靠的。

其次，他們使用了人類生成的80Mb的隨機數(shù)作為測量儀器的輸入數(shù)據(jù)。

結果，他們發(fā)現(xiàn)，堵上隨機性漏洞之后，實驗結果還是不支持愛因斯坦的判斷。也就是說，不存在所謂的“局域隱藏變量”，愛因斯坦這次又輸了。

于是，在十二研究機構，上百名物理學家，和全球10萬個自由意志的人的努力下，這次大貝爾實驗的十三個“戰(zhàn)果”在2018年5月9日時發(fā)表在了《自然》雜志上。十三個實驗的結果都否定了愛因斯坦的“局域隱變量”理論。

雖然愛因斯坦這次又輸了，但是他和玻爾的爭論還沒有結束！這是因為，雖然大貝爾實驗補上了“隨機性漏洞”，但這些自由意志的肉身之間都離得太近了，反而導致了另一個漏洞，叫作“局域性漏洞”。

如果想徹底補上這個漏洞，理論上講，大貝爾實驗的參與者至少得有一部分待在3萬公里之外……也就是說，物理學家下次可能得招募外星人，從宇宙中發(fā)起攻擊（誤！）

注釋：

1. 什么叫局域性漏洞？在地球上，任意兩個人之間的距離不超過1.3萬公里。光走完1.3萬公里大約需要0.04秒，小于人類的反應時間0.1秒。于是，物理學家無法從理論上排除這樣一種情況：甲產生了一個數(shù)據(jù)后，他通過某種方式影響到了地球上的乙，使得另乙在0.04秒之后產生的某個數(shù)據(jù)跟甲的行為有關。于是，這兩個數(shù)據(jù)不再是隨機產生的，而是存在某種因果聯(lián)系。這種因果聯(lián)系會導致貝爾實驗的數(shù)據(jù)存在一種理論上的漏洞，即局域性漏洞。

2. 什么叫隱變量？比方說，有人通過調查數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，每當海邊溺水的人變多時，冰淇淋的銷量就會增加。這兩個時間看似是無關的。但是普通人一眼就能看出來，這是因為每當夏天到來時，去海邊游泳的人會變多，溺水的也自然也會變多；同時，由于天氣變熱，買冰淇淋的人也會變多。在這個例子中，“天氣變化”就是一個隱變量。

3. 結尾最后一句是一個玩笑。實際上，為了補上局域性漏洞，我們只需要讓一組人在月球上產生隨機數(shù)，另一組人在地球上產生隨機數(shù)。也就是說，在相距38萬公里的地球和月亮之間開展大貝爾實驗。

4. 中國的潘建偉團隊早在幾年前就提出了一個基于人類自由意志，在地球-月球之間開展貝爾不等式檢驗的實驗方案。2014年，團隊科學家設計發(fā)展了GHz亮度的糾纏源和高時間分辨探測系統(tǒng)，實現(xiàn)了超高損耗下的人類自由意志參與的貝爾不等式檢驗，該成果于4月5日發(fā)表在《物理評論快報》上。為未來物理學家們在太空實驗中關閉局域性漏洞和隨機數(shù)漏洞、開展量子非定域性的終極檢驗邁出了堅實的一步。

參考文獻：

1.The BIG Bell Test Collaboration,?Challenging local realism with human choices, Naturevolume 557, pages212–216 (2018).

2.Unpublished manuscript from The BIG Bell Test Collaboration.

3.https://zhuanlan.zhihu.com/p/24071884

4.Yuan Cao, and et. al.,?Bell Test over Extremely High-Loss Channels: Towards Distributing Entangled Photon Pairs between Earth and the Moon, Phys. Rev. Lett. 120, 140405(2018).