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他證明愛因斯坦錯了,一生信念也垮了;五十年後他獲得諾貝爾獎

他證明愛因斯坦錯了,一生信念也垮了;五十年後他獲得諾貝爾獎

他證明愛因斯坦錯了,一生信念也垮了;五十年後他獲得諾貝爾獎

上一篇在介紹貝爾不等式時,提到貝爾屬於古典陣營,為了駁斥哥本哈根詮釋所說的:這世界沒有客觀實在也不具定域性(定域性的意思是作用力的影響僅限於一定範圍,而且傳遞速度無法超過光速),才想出貝爾不等式,可以證明愛因斯坦所說的隱變數的確存在。沒想到結果卻適得其反,後來量子纏結的實驗結果都違反貝爾不等式,反而推翻隱變數的假設,證明量子纏結確實有「鬼魅般的超距作用」。

本屆諾貝爾物理學獎得主之一的克勞澤 (John Clauser) 就是最早進行實驗的人,而他原來也走過和貝爾相同的路……。

原本想當工程師

貝爾不等式於 1964 年發表,這一年,克勞澤自加州理工學院物理系畢業。他接著繼續讀物理研究所,兩年後拿到碩士學位,再到哥倫比亞大學攻讀物理博士。

其實克勞澤原本一直想像將來會當電子工程師的。他的父親是航空工程教授,在他少年時期常帶他一起進實驗室。那些儀器設備總是讓克勞澤流連忘返,他於是暗自決定「我長大後要當科學家,這樣就能玩像這樣的酷玩意」。不過父親卻鼓勵他念基礎科學,這樣以後想轉往哪個領域也都可以,於是他才一路讀到物理博士。

然而克勞澤骨子裡終究還是比較偏愛實際應用,對過於抽象的數學總不由心生抗拒,例如他中學時就難以想像虛數有何意義,大學時系上有費曼和蓋爾曼這兩位理論大師,但他心中卻對他們毫無景仰之感。雖然他日後受訪時自嘲數學不好,但或許也因為這樣的心態,他在哥倫比亞大學讀博士時,高等量子力學這門課竟一當再當,直到第三次才過關。

他回憶道:「我當時相信量子力學一定是錯的,……我與周遭的人都不同,就是無法相信實在論已經崩毀。」是的,克勞澤是個徹徹底底的實在論者,他相信愛因斯坦提的隱變數應該存在,因此當他發現貝爾的論文時如獲至寶,決心要進行實驗。不過貝爾所提的方法只是概括性的原則,真正要從各種不同角度測量纏結粒子實際上幾乎不可能辦到;這也是貝爾這篇論文一直未被認真看待的原因之一。

雖千萬人吾往矣

克勞澤決定為貝爾不等式找出更可行的方案,以此作為博士論文的題目。然而量子世界不具定域性已是公認的事實,周遭的人都勸他不要浪費時間,指導教授更警告他再執迷不悟會毀了未來的學術生涯。

但克勞澤仍堅持已見,終於在 1969 年和另外三位志同道合的人共同發表論文,找出貝爾不等式的修正版(根據他們姓氏的第一個字母稱為「CHSH 不等式」),兩具偵測器的夾角只需固定在 45 度,就能檢驗隱變數存在與否。

克勞澤拿到博士學位後,到加州大學柏克萊分校做博士後研究,他的首要目標當然是進行實驗,證明隱變數的存在。同樣地,這次周遭的人又紛紛勸阻,要他幹點正事,別浪費時間和資源;費曼告訴他量子力學的正確性昭然若揭,根本不需要進一步檢驗,當他說這實驗或許會證明並不見得,費曼氣得差點把他扔出辦公室。

由於得不到研究經費,克勞澤與願意和他合作的博士生弗里德曼 (Stuart Freedman) 只能從儲藏室中翻找已被棄用的器材,加以修復組裝進行實驗。1972 年,他們終於成功完成實驗,實現貝爾的構想,但與克勞澤期望的相反,得到的數據竟然違反不等式。

見到自己的實驗竟然反倒證明愛因斯坦是錯的,多年來的信念也一夕崩解,克勞澤感到非常難過。隨後幾年他又做了幾次實驗,結果仍是一樣。不過嚴格來說這些實驗仍有漏洞,無法完全排除隱變數的作用,直到 1982 年法國物理學家阿斯佩 (Alain Aspect) 所做的實驗,才正式宣判貝爾不等式不成立。

在阿斯佩的光芒遮掩下,克勞澤的付出並未得到對等的認可,而當時指導教授的預言似乎也成真了,他一直沒有得到教授的教職,而是在各實驗室從事研究工作。不過他倒是很享受轉向科技應用領域,畢竟這是他自小的愛好。

他的貢獻終於在 2022 年獲得肯定,在與諾貝爾委員會的電話中,他高興地說:「至少我證明了自己是個嚴謹的做實驗者。」

參考資料:

  1. Oral History Interviews | John Clauser | American Institute of Physics (aip.org)
  2. Caltech alumnus John Clauser discusses his first experimental proof of quantum entanglement. | www.caltech.edu
  3. CHSH inequality – Wikipedia
  4. (138) John Clauser: “What a waste of time, now start doing some real physics!” – YouTube
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