图:Peter Lyons,2016 / Wikimedia Commons / CC BY-SA 4.0
约翰·克劳泽
John F. Clauser1942–今 · 生于美国加州帕萨迪纳 · 美国
他想用实验推翻量子力学,结果亲手替它拿到了第一份判决书
诺贝尔物理学奖 2022 用纠缠光子做实验,确证贝尔不等式被违反,并开创量子信息科学
「我当时觉得这件事重要,尽管所有人都说我疯了、说我这么干会毁掉自己的前途。某种程度上确实毁了——我从来没当上过教授。」
—— 2022 年诺贝尔奖官方电话采访,据英文原文译
1964 年贝尔写下那条不等式时,几乎没人当回事。它被登在一份刚创刊、后来停办的小刊物上,此后五年无人问津——多数物理学家认为,爱因斯坦与玻尔那场争论是哲学,不是物理。
克劳泽是极少数认真读了它的人之一,而且他读完的反应是:这可以做实验。
所有人都劝他别做
他在哥伦比亚读的是分子天体物理,量子基础只是私下的兴趣。1969 年他与霍恩、希莫尼、霍尔特把贝尔不等式改写成可以真做的 CHSH 形式,同年拿到学位去伯克利做博士后——名义上的课题是射电天文,那是雇他的汤斯的方向。
阻力来自四面八方。他后来回忆,做实验期间他去找过费曼,被对方直接轰出办公室:费曼觉得,居然还有人认为量子力学的预言可能不对,这本身就冒犯。哥伦比亚整个系都劝他别碰。
事情能做成,靠的是两点。一是伯克利实验室里正好留着一套现成的设备:科赫尔与康明斯 1967 年用钙原子级联辐射产生成对光子的装置,人已经离开,机器还在。二是汤斯出面斡旋,谈成一个安排——克劳泽可以拿一半时间做贝尔实验,康明斯的博士生弗里德曼跟他一起干。
没有经费。两人从头造设备,在金工车间里切铁皮,去物理系的储藏室里翻别人不要的旧货。他后来说,储藏室里堆着大量没人认得的东西,「我就在里面翻,然后说,嘿,这个我能用」。
光是把科赫尔的装置改造到能检验不等式,就花了两年;正式取数据大约两百小时。两台探测器相距五米。
结果站在了对面
克劳泽自己希望的结果是:不等式成立、量子力学出错、世界仍然是局域实在的。
数据不答应。,越过判据六个标准差,站在量子力学一边。
他把结果拿回去,哥伦比亚的老师们的评语是:白费工夫,你得到的正是所有人都预料的结果,现在去做点真正的物理吧。
此后他又独立做了三个实验,每一个都得从零造设备。1974 年他和霍恩把 CH 不等式的假设进一步削弱,让判据适用于更一般的情形——这个版本后来在无漏洞实验里派上了用场。
五十年后的那通电话
代价是实在的:没有大学愿意雇他,他去了利弗莫尔做聚变等离子体,后来长期以顾问身份工作。他说,这件事「在那个意义上确实毁了我的职业生涯」,但他也说,那是他做过的最有意思的实验,而且「我证明了自己是个像样的实验物理学家」。
2022 年 10 月 4 日凌晨三点,电话把他吵醒。记者一波接一波,他花了一个多小时才穿上裤子。
那时距离他和弗里德曼在伯克利数光子,已经过去五十年。
代表方程
CHSH 不等式
1969 年与霍恩、希莫尼、霍尔特把贝尔的原始不等式改写成这个样子:两处各有两种测量方向可选,四组关联的这个组合在任何局域隐变量理论里都不能超过 2,而量子力学允许它达到 2.83。改写的意义在于它对探测效率与仪器缺陷不再苛刻,真实实验做得出来。此后所有贝尔实验都用这个判据。
弗里德曼-克劳泽判据
1972 年实验实际用的形式:只需在两个特定角度上数符合计数,再与撤掉偏振片时的计数相比。测出来的是 ,越过零线六个标准差——局域隐变量理论输了。