10 万玩家+10国物理学家,用一个游戏验证了爱因斯坦口中的“鬼魅般的超距作用”

科学
10 万玩家+10国物理学家,用一个游戏验证了爱因斯坦口中的“鬼魅般的超距作用”
麻省理工科技评论 2018年5月13日

2018年5月13日

在这次的新研究中,研究者们通过收集大量人为产生的数据来确保“真正随机”。
物理
在这次的新研究中,研究者们通过收集大量人为产生的数据来确保“真正随机”。

近日,世界各地的游戏玩家们用众包的形式帮助物理学家验证了一个神秘的物理现象。研究成果于 5 月 9 日发表在《自然》杂志上。

这个物理现象就是“鬼魅般的超距作用”(spooky action-at-a-distance),它是一种令爱因斯坦头痛的奇异物理现象,在这种作用中,相互联系的粒子能以超光速进行通信。然而,一个极具开创性的量子实验证实了这种作用的确存在。共有来自 10 个国家的 12 组物理学家,以及超过 10 万名游戏玩家作为志愿者参与到了这项实验中,并且,实验中用到的超过 9700 万数据单元完全是手动随机生成的。实验中的志愿者们来自世界各地,他们在 2016 年 11 月 30 日一起玩的一个在线电子游戏产生了数百万个比特。比特也被称为“二进制数位(binary digits)”,是电脑数据中的最小单元。

物理学家使用这些随机二进制位进行了“贝尔测试”,这种测试旨在验证,相互纠缠的粒子、或状态相互联系的粒子能够用比光速更快的速度来相互传输信息,并且这些粒子似乎能够在被测量时“自主选择”自己所处的状态。结果显示,他们的实验研究结果与爱因斯坦的“定域实在论”描述相矛盾。

该研究的共同作者西班牙巴塞罗那光子科学研究所的量子光学教授 Morgan Mitchell 表示:“在爱因斯坦‘定域实在论’的世界观中,物体的特性是客观存在的,与是否被观察无关,并且物体之间相互影响的速率不可能超过光速。我们的实验证明这些说法不成立,至少其中一部分是肯定不成立的。”这就意味着以下两个令人无法理解场景中,或许有一个是真的:要么我们对于世界的观察行为改变了世界本身,要么粒子之间用某种我们无法观察也无法影响的方式进行通信。“也可能这两个场景都是真的”, Mitchell 补充道。


爱因斯坦的世界观成立吗?

从 20 世纪 70 年代开始,物理学家就用“贝尔测试”检验了“定域实在论”的真实性,这种测试是由爱尔兰物理学家约翰·贝尔(John Bell)在20世纪60年代首次提出的。物理学家们通过比较随机选取的度量来进行贝尔测试,比方说,可以比较两个在不同位置的纠缠光子的极化方向,如果一个光子的极化方向是朝上,另一个光子的极化方向只有很小的概率朝向侧边,即不是上下方向。如果对两个粒子的测量中,所测的度量刚好相反的次数超过一个阈值,并且无论是何种粒子、无论选取度量的顺序为何都成立,就说明这两个相互分开的粒子在被测量的瞬间“自主选择”了自己的状态。也意味着这两个粒子能在瞬间相互通信——也就是让爱因斯坦感到不可思议的“鬼魅般的超距作用”。

这种不同粒子的同步反应与物体真正独立存在的概念相矛盾,真正独立存在形成“定域实在论”的基本原理,而“定域实在论”又是古典力学规则的基础。但是一次又一次的测试表明纠缠的粒子确实表现出超过阈值的相关状态,表明这个世界的确存在“鬼魅作用”,表明爱因斯坦错了。来自 190 个国家的志愿者通过玩游戏为研究者们提供了超过 9 .7 万个随机二进制数位,科学家随后使用这些二进制数位来测量纠缠的粒子。然而,贝尔测试中对于测量的选择必须是“真正随机”的。这一点极难证明,科学家在选择测量量时会受到看不到的因素的影响,即使电脑生成的随机数也不是“真正随机”。无法证明“真正随机”成为了贝尔测试的缺陷,被称为“自由意志选择漏洞”,即有可能存在“隐变量”影响实验设置。如果测量并不是“真正随机”,贝尔测试也就无法完全推翻“定域实在论”。

在这次的新研究中,研究者们通过收集大量人为产生的数据来确保“真正随机”。研究人员称,这些数据使他们能够进行比之前范围更广的测试,也能让他们堵上一直以来存在的漏洞。Morgan 在一个声明中说道: “定域实在论是我们无法用机器解答的问题,似乎只有我们人类也身处实验中才能得到真实的回答。”


随机数生成器

被称为“贝尔玩家(Bellsters)”的游戏玩家们参与到名为大贝尔测试的在线游戏中,这个游戏名字叫“ Big Bell Quest ”。玩家快速并重复地点击屏幕上的两个分别代表1和0的按钮。玩家们做出的选择被传到世界各地的实验室,用于决定在对比纠缠粒子时用何种测量设置。在 2016 年 11 月 30 日开始的大贝尔测试中,超过10万人用在线游戏生成的数据被用于全球性的物理实验。每个实验室都使用不同的粒子做不同的实验,包括原单个原子、成组的原子、光子以及超导仪器,根据研究所述,各种实验结果都可以说是与“定域实在论”背道而驰。

Mitchell 解释说:这些实验还显示了在随机性和自由意志上,人类和量子粒子之间有趣的相似之处。如果贝尔测试中这些受人类影响的测量量是“真正随机”,而不受纠缠粒子本身影响的话,那么人类和粒子的行为就都是随机的。他说:“如果人类有自由意志,那么粒子也有。”

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