量子物理怪事:未纠缠光子也能出现“量子同步”现象

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我们总以为,量子纠缠是违反常识的起点。 两个粒子分隔再远,测了一个,另一个也跟着“知道”了答案,这种现象听起来像玄学,但几十年来实验验证不断,大家也就默默接受了。科学家不喜欢用“魔法”解释世界,

  我们总以为,量子纠缠是违反常识的起点。

  两个粒子分隔再远,测了一个,另一个也跟着“知道”了答案,这种现象听起来像玄学,但几十年来实验验证不断,大家也就默默接受了。科学家不喜欢用“魔法”解释世界,所以他们发明了贝尔不等式,作为检验“你这玩意是不是在胡说”的标准。

  规则很简单。

  如果一个物理系统符合经典直觉,它的行为就该老老实实地落在贝尔不等式规定的范围里。可一旦它越界了,那你就得承认,这事背后有点不对劲,可能不是你熟悉的那套物理在起作用。

  而这次,让人不太舒服的,是越界的不是纠缠粒子。是一些压根没纠缠、连互相认不认识的光子。

  根据《Science Advances》的消息,一组研究人员搞了一个光子实验,做出来的结果,看上去和“量子纠缠”一样奇怪,但他们根本没让光子纠缠起来。照理说,这不应该发生。

  但它发生了。

  这不是简单的巧合,而是踩在了物理学里那条最敏感的线之一:贝尔不等式。

  很多人可能听过它的大名,但不一定知道它真正的分量。这个不等式的意义在于,它帮我们判断一个现象究竟是不是“正经的量子行为”,是不是超出了经典物理的解释范围。

  从六十年代开始,贝尔不等式就是验证量子纠缠最硬核的标准。

  你要说两个粒子是“纠缠”的,那就得拿出数据来过这一关。如果实验结果符合贝尔不等式,那对不起,你这套还得归到经典物理那边;但如果结果违反了,那你才能说,这是量子力学在发功。

  几十年来,无数实验验证了纠缠粒子能违反贝尔不等式。这几乎成了一种默契:只有发生了纠缠,才能出现那种不可思议的远距离关联。

  而这一次,科学家们打破了这个共识。他们用没有发生纠缠的光子,做出了违反贝尔不等式的结果。

  这意味着什么?

  至少意味着,我们过去认为“只有纠缠才能违反贝尔不等式”这句话,不再成立。

  实验是这样设计的。研究人员用激光打在一种特殊的非线性晶体上,产生出四个光子。这个过程在量子光学领域并不新鲜,关键在于他们故意模糊了光子的“出生信息”——你不知道它是从哪条路径来的,也不知道它是跟哪一个同伴一起产生的。

  这种模糊,不是系统设计的缺陷,而是精心安排的核心。

  因为一旦你无法区分这些光子的来源,它们在某种意义上就变得“不可分辨”了。这种不可分辨性不是量子纠缠,但也不是普通的随机噪音。

  它是某种在路径层面上的量子模糊性,会让整个系统在测量时表现出一种“整体性”,尽管它的组成部分彼此之间并没有直接联系。

  然后他们做了一件非常挑衅的事:拿这些光子去做贝尔不等式实验。

  按照传统理解,结果应该老老实实地落在不等式允许的范围内,毕竟光子没有纠缠过。但他们的结果却突破了这个限制,超出了四个标准差。这可不是误差范围内的偶然,而是统计学上相当扎实的结果。

  这就有点像你原本以为,只有恋爱中的人会心灵感应,现在发现两个陌生人也能同步说出彼此心里的话。不是因为他们暗中有联系,而是因为某种你不明白的结构,让他们不得不以这种方式共同表现出来。

  当然,研究团队自己也承认,这个实验不是完美无缺。

  他们用了“后选择”的技术,也就是只挑选满足某些条件的数据进行分析。这种方式在物理实验中并不罕见,但也容易引发争议——你是不是只看了你想看的那一部分?

  另外,实验中的探测器在相位设置上,空间分离做得还不够,留下了“局域性漏洞”,也就是有可能存在我们没注意到的经典干扰。

  不过即便如此,这个实验依然让人无法忽视。因为它挑战的,不是某个技术细节,而是我们对量子关联的基本理解。

  纠缠一直被认为是量子世界的“王牌”。你要展示一个系统的非经典行为,最直接的方式就是让它纠缠起来。可如果路径不可区分性也能带来类似的效果,那我们就必须重新定义“量子关联”到底意味着什么。

  这件事可能不会一夜之间推翻教科书,但它像是在原有理论的边缘,开了一条缝。你透过这条缝看到的是一个更大的问题:我们过去以为只有在特定结构里才会出现的量子奇异性,可能只是量子系统更普遍的一种属性。

  这背后涉及一个被人反复低估的事实:在量子力学里,粒子不是“个体”,而是“状态”。你怎么描述它,怎么测量它,决定了它在实验中如何表现。

  当你模糊了它的路径信息,其实是人为地制造了一种状态上的“整体性”。而这种整体性,如果设计得足够巧妙,也许就足以撼动经典物理设下的界限。

  这不是第一次有人试图用非纠缠的方式制造量子关联,但这次的实验成功地跨过了贝尔不等式这道门槛。这件事的意义,不在于推翻了谁的理论,而在于打开了另一个思路:也许我们对“非局域性”的理解过于狭隘,也许纠缠只是冰山一角。

  研究人员最后说得很克制,他们并没有急着宣布发现了新的物理规律,只是说这可能是理解量子奇异性的另一条线索。未来他们还会继续完善实验设置,把那些可能的漏洞一个个堵上。他们相信,像过去九十年对纠缠系统的打磨一样,非纠缠系统的研究也可能走出自己的路径。

  听起来像是量子物理又走进了一个盲区,但说不定这个盲区正是我们下一轮突破的起点。

  (参考:Kai Wang et al, Violation of Bell inequality with unentangled photons, Science Advances (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr1794)

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