成真！40年前被贝尔预言的阿兰·阿斯佩果真获诺贝尔物理奖，研究爱因斯坦没想明白的事

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南山 | 作者 

风飞扬 | 编辑 

本来“量子纠缠”（quantum  entanglement）是量子力学中的一个必然推论，爱因斯坦却认为这是闯入物理学中的“幽灵”，直接挑战他的“局域性”原则，又撼动他的相对论理论。

因此，直到爱因斯坦去世前，仍然对“量子纠缠”耿耿于怀，因为他没有接受它。

爱因斯坦竭尽全力捍卫的“局域性”是指：任何两个不在一个地方的事物要想用信号彼此联系，最快的信息传递也不能超过光速。

也就是说，两地不能“隔空地、即时地”联系。

例如，两人谈话时，说话声音通过声波传送，而声波的传送过程是需要时间的，比如，观看电视时，画面信息通过光波传播，即使光传送得最快，也是须花费时间的。任何事物都要遵守这个“局域性”约束。

一般人会认为爱因斯坦是对的，“局域性”原则毋庸置疑。正是坚信“局域性”，爱因斯坦把“光以有限速度传播”放入他的相对论原理当中，如果撼动“局域性”，就等于撼动“相对论大厦”的根基。

1935年，爱因斯坦（Albert Einstein）、鲍里斯·波多尔斯基（Boris Podolsky）和纳森·罗森（Nathan Rosen）发表了一篇著名的论文，质疑量子力学的完备性。题目是“量子力学对物理实在的描述能被认为是完备的吗？”。这就是量子力学发展史上著名的EPR质疑，又称为EPR佯谬，质疑的主要目标之一就是“量子纠缠态”。

但几年后的量子遥传实验彻底击败了爱因斯坦，量子力学第一代和第二代之争从此落幕，这一领域的发展任务落到第三代人的肩上。

从20世纪50年代开始，物理学进入发展的“白银时代”，惠勒的“延迟选择实验”及贝尔的“不等式定理”，相当于两把“金钥匙”，它们打开了量子力学实验研究的大门。从此，以 “叠加态”和“纠缠态”为中心，掀起量子力学理论与实验研究的新高潮。

包括今年诺奖获得者阿斯佩、克劳瑟、塞林格在内的量子力学第三代大师陆续登场。

在奥赛大学读研期间，年仅27岁的阿斯佩仔细研究EPR假想实验的每一步。他认为，如果能做成一个实验，设法阻止两个纠缠粒子之间有“即时信号”联系，但是实验结果表明这两个纠缠粒子仍在联系时，就证明爱因斯坦的“局域性”不再成立。

为了实现这个梦想，他亲自跑到日内瓦找到了贝尔。贝尔问他：“你现在有没有固定的工作职位？”当贝尔得知，这个年轻小伙子连学位也没有拿到时，不由替他担心起来。这个实验不仅难度极高，要求的灵敏度也极大，实验的设计思想更不能有任何瑕疵。

他对阿斯佩说：“你一定是一个相当有勇气的年轻人！”

阿斯佩设计的实验的确非常漂亮，然而实现起来难度确实极高，又独具风险。为了有足够长的实验通道，他和同伙选择在巴黎大学的地下室进行。从实验设计、清理实验场所到准备器材，所花的时间比预期要长得多。

他们选择激光器、计算机、偏振器和光信号灵敏开关后，一次次地反复调试，直到1982年初才开始进行正式的实验，最后终于在1982年6月22日这一天获得了成功。

1983年，在阿斯佩的博士论文答辩会上，贝尔亲自到场，考察阿斯佩的实验，对他的这一成果赞叹不止，称之为“具备诺贝尔物理学奖水平的最优秀论文”。

阿斯佩研究组的这一成功具有很特殊的意义。它不仅毋庸置疑地证实量子力学的“非局域性”，实验本身也具有开创性，使巴黎大学在以后十几年中始终成为量子力学实验领域的中心。

多年以后，当阿斯佩回忆起他们在20世纪80年代所完成的这一系列实验时，不无自豪地说：“在那一时期，‘我们所做的这些事意味着什么’还不被人所熟知，但是我们的工作引起了人们的注意，这是使我们感到自豪的事。” 

目前，阿斯佩是巴黎著名的国家科学研究中心（CNRS）的研究主任。阿斯佩还在 Institutd'Optique 担任 Augustin Fresnel 主席，同时也是巴黎 ÉcolePolytechnique 的教授。他曾获得了2010年沃尔夫物理奖、2012年的爱因斯坦奖章等荣誉奖励。

当克劳瑟还是个孩子的时候，就经常徜徉于父亲在约翰霍普金斯大学的实验室，眼看着奇特的实验装置，想着哪一天长大了也可以拥有这些“玩具”。他的父亲也是一位很好的老师，有任何小克劳瑟不懂的事情，他都能很细致的讲解清楚。克劳瑟很小的时候就喜欢摆弄电子器件，制作电子游戏，还得过一些科学奖项。

1964年，他获得了加州理工学院物理学学士学位，两年后获得物理学硕士学位，并最终在1969 年获得了哥伦比亚大学物理学博士学位。

在哥伦比亚大学研究生期间，克劳瑟读到了著名的EPR佯谬的论文以及博姆（Bohm）关于 “隐藏变量” 的论文。1967年，他进一步读到了贝尔的论文。他意识到，可以用实验来检验贝尔的定理。

1972 年，他与 Stuart Freedman 合作，对 CHSH-Bell 定理预测进行了第一次实验测试。这是世界上第一次观察到量子纠缠，也是第一次对违反贝尔不等式的实验观察。

1974 年，他与迈克尔·霍恩（Michael Horne）合作，首次显示贝尔定理的推广为所有局部现实的自然理论（又名客观局部理论）提供了严格的约束。这项工作引入了 Clauser-Horne（CH）不等式，作为由局部现实主义设定的第一个完全通用的实验要求。它还引入了 “CH 无增强假设”，从而将 CH 不等式简化为 CHSH 不等式，因此相关的实验测试也约束了局部真实性。

同样在 1974 年，他首次观察到光的亚泊松统计（通过违反经典电磁场的柯西-施瓦茨不等式），从而首次证明了光子的明确粒子状特征。1976 年，他进行了世界上第二次对 CHSH-Bell定理预测的实验检验。

中国“量子之父”的导师——塞林格

塞林格（Anton Zeilinger）是维也纳大学物理学名誉教授，奥地利科学院量子光学与量子信息研究所高级科学家。他也曾任奥地利物理学会主席，现任奥地利科学院院长。他还是中国“量子之父”——潘建伟的导师。

塞林格1945年出生于奥地利，1971年在维也纳大学获得博士学位。他曾在维也纳技术大学和因斯布鲁克大学任教，1999年加入维也纳大学并担任物理系 “椅子” 教授。

正如英国的物理研究所首届艾萨克·牛顿奖章所述，塞林格 “对量子物理学基础概念和实验方面做出了开创性的贡献，这些业已成为快速发展的量子信息领域的基石”。

塞林格曾说，大约从20世纪70年代开始，人们开始在实验上深入探索量子世界，思考这个世界是否真的如此奇妙。

1997年，他和同事首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证，成为量子信息实验领域的开山之作。量子隐形传态是从一个粒子向另一个粒子远距离传递未知量子态的方式，这一过程不需要传递粒子本身。潘建伟教授也是这一个实验的重要参与者之一。

和团队成员一起，塞林格开发了纠缠光子的源，观察了三光子和四光子纠缠以及高维量子态的纠缠。这些方法曾经并且正在被应用于量子通信任务的实现，例如超密集编码、基于纠缠的量子密码学、量子隐形传态和纠缠交换、纠缠态的隐形传态。

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2021年

因对我们理解复杂物理系统做出了开创性贡献，日裔美籍科学家真锅淑郎（Syukuro Manabe）和德国科学家克劳斯·哈塞尔曼Klaus Hasselmann），与意大利科学家乔治·帕里西（ Giorgio Parisi），分享了2021年诺贝尔物理学奖。

2020年

英国科学家罗杰·彭罗斯（Roger Penrose）因证明黑洞是爱因斯坦广义相对论的直接结果，德国科学家赖因哈德·根策尔（Reinhard Genzel）和美国科学家安德烈娅·盖兹（Andrea Ghez）因在银河系中央发现超大质量天体，他们分享了2020年诺贝尔物理学奖。

2019年

因在我们理解宇宙演化和地球在宇宙中位置的贡献，美国科学家詹姆斯·皮布尔斯，和来自瑞士的科学家米歇尔·马约尔和迪迪埃·奎洛兹，被授予2019年诺贝尔物理学奖。

2018年

因在激光物理学领域的突破性发明，发明光镊的美国贝尔实验室科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin），与发明啁啾脉冲放大技术（CPA）的法国巴黎综合理工学院科学家热拉尔·穆鲁（Gérard Mourou）和加拿大滑铁卢大学科学家唐娜·斯特里克兰（Donna Strickland），被授予2018年诺贝尔物理学奖。

2017年

因对LIGO探测器（激光干涉引力波天文台）和引力波探测的决定性贡献，美国科学家雷纳·韦斯、巴里·巴里什和基普·索恩被授予2017年诺贝尔物理学奖。

2016年

因在拓扑相变和物质拓扑相方面的理论发现，均出生在英国、任职于美国三所不同大学的科学家大卫·索利斯、邓肯·霍尔丹、迈克尔·科斯特利茨被授予2016年诺贝尔物理学奖。