【基德】全网最简单的2022诺贝尔物理学奖解读
全网最简单的2022诺贝尔物理学奖解读
已梳理文字笔记方便大家看完视频后回顾：）
前言：
今年诺贝尔物理学奖发的真众望所归，颁奖是为了表彰这三位科学家在纠缠光子实验，验证违反贝尔不等式和开创量子信息科学方面的贡献。
他们验证了量子纠缠真的就是人类迄今为止发现的最奇怪现象，
比什么广义相对论、黑洞起点都要更反直觉，更不正常，并且他们的研究还让我们已经可以利用这种现象来实现量子计算那种通信，甚至是为星际传送这种科幻内容提供了理论。
可能你就说这奖能不能拿吧，现在网上很多营销号都在说啊，这次诺奖啊，证明爱因斯坦错了，在这里澄清一下是真的，不过不是爱因斯坦相对论错了，相对论没有问题，是他本人错了。
大家可以查查，爱因斯坦目前被引用最多的这篇论文
他错了2万多次引用里大概有2万多次都是去打翻脸的，大概就是一群物理学家排着队去@爱因斯坦，你说量子力学有问题，你也不过如此嘛
论文地址：(感兴趣的同学可以阅读）
"Can the quantum-mechanical description of physical reality be considered complete?''.
量子力学对物理实验的描述可以被认为是完备的吗？
https://journals.aps.org/pr/pdf/10.1103/PhysRev.47.777
科普今年的物理诺奖
什么是光？
从最简单的讲起，初中学过双缝干涉实验
一束光进入两个缝轴会互相干涉，变成条纹，那如果我们一次只让一个光子进入，是不是光子就不会发生干涉了呢？
爱因斯坦就这么想的，结果大家也知道，一个一个发射，光子依然会干涉。
八八年就有人用低温中子做了相同实验，也干涉了，说明这不是光的性质，而是量子的性质。
这个实验也证明一件事，就是真不能用宏观去理解量子概率，不然一个光子怎么可能做到自己跟自己干涉呢？
而是说光子有过第一条缝的概率，也有过第二条缝的概率，它处在叠加态。
怎么理解呢？
入门级理解就是量子同时处于不同的状态，比如电子云，就是电子同时处在图中所有的位置，很奇怪是吧？
彭罗斯就是这么解释的。
这么解释对不对呢？
如果按照这个逻辑，就是一个光子同时通过了两个隙缝，然后自己跟自己干涉。
我看到这次诺奖的得主三菱格奖，他认为这种看法是错的，
他觉得只有当宇宙中不存在知道光子位置信息的可能性的时候，才会产生感受，是一种性质，客观上的不存在让光子产生了感受，我只是复述一下，大家自行感悟啊，我是觉得理解到彭罗斯的程度也就够了。
谁在投掷骰子？
叠加态这事曾经让爱因斯坦非常不安，因为他的坍塌是随机的，完完全全随机，光子走到两条缝面前对他测量，而叠加态就消失，解除干涉，然后他走第一条缝还是第二条缝，完全随机。
爱因斯坦是个崇尚宇宙精妙之美的人，他就觉得完全随机这件事儿很荒谬，他在1926年写给波恩的心里面就说，那个老家伙不会在宇宙里掷骰子。
当然了，严格来说这个比喻有问题，因为掷骰子也不是真正的随机嘛，最后哪一面朝上，跟我们骰掷的方向、力度，骰子的材质、地面的材质、空气阻力等一系列因素相关，只要有数据就能计算，总能算出结果。
也就是说，其实现实生活中发生的任何事我们都可以找到原因，但量子的随机找不到原因，于是我们又完全随机去解释，那么这真的是对的吗？
你能想象自己撞墙有一半概率完好无损的通过啊，一半概率撞得头破血流吗？
爱因斯坦就拒绝接受这样的量子理论。
于是在这张著名照片的大会上面，量子力学奠基人波尔就跟爱因斯坦说了，你呀，不要教上帝做事，
你看人家都会聊天，为了赢啊，爱因斯坦又提出了隐变量理论，
因为量子的概率问题都是因为量子还有一些没有观察到的性质。
这就是他们引用最多的论文标题所说的所谓量子力学不完备。
比如说可能光子存在一个量子势，可以探测到双缝实验里面到底有几个缝，虽然光子只是从其中一个缝通过，但因为他知道有另一缝的存在，所以表现出干涉。
那么量子力学中最神奇的还不是叠加态随机性，而是因此产生的纠缠态。
按照薛定谔的说法，这是量子力学唯一不同于经典物理的特征。
接下来我们就来看看量子纠缠可不可以用隐变量理论来解释
在之前视频里说过，量子纠缠是世界上最像鬼魂的东西，一个静止的例子突然分裂成两个例子，像两个相反的方向飞，根据海森堡原理，也就是测不准原理，这两个粒子的动量是不确定的，但根据动量守恒啊，这两个粒子动量加起来正好是零，这样的两个粒子就纠缠到了一起。
那么问题来了，如果我们测其中一个粒子的动量，这时候另外一个粒子，不管它飞出去多远，只要保持纠缠态，不和其他粒子互动，它的动量岂不就正好相反，可以立刻得知了吗？
用这次诺奖得主阿斯佩举的一个例子就是如果一对双胞胎眼睛颜色是一样的，
那么我看到其中一个双胞胎眼睛是蓝色，那么另一个不管在地球的哪里，我们都知道它眼睛也是蓝色，诶，听起来是不是感觉很正常？
量子力学奇怪的地方是，他认为在我们观察眼睛颜色之前，眼睛的颜色是不确定的，那处在蓝色和黑色叠加钛，可能是蓝色，可能是黑色，当我们观察之后，它眼睛的颜色坍塌成了蓝色，另外一个就立刻变成了蓝色，两个人分别掷骰子，结果完全随机，但正好一样啊，这才是量子纠缠，而且这种变化是顺势完成的，只要一个眼睛观察到蓝色，另一个就立刻得知这个消息传递是超光速的。
爱因斯坦被打脸的那篇论文就是说这件事情到底有多离谱都不可能，并给出自己的解释。
论文认为量子世界跟宏观世界其实一样，我们不知道双胞胎眼睛颜色不代表他眼睛是叠加胎，可能它眼睛本来就是蓝色，只是我们不知道，这就是实在论，你看不清床底有什么东西，不代表床底的东西不存在。
这个再加上不能超光速的定域论，就构成了EPR悖论的核心观点
E：爱因斯坦
PR:另外两个每人关系名字的作者
简单说就是你们说的什么量子纠缠是不可能的。
其实这个结论后来被打脸也不能全怪爱因斯坦，因为除了他，早期很多量子力学奠基人都不相信量子纠缠这个东西，包括波尔啊，包括薛定谔，薛定谔的猫是不是很离谱啊？
薛定谔本人也觉得不太可能。
不过呢，当时这篇论文刚发出来的时候也是应者寥寥，大部分人都插不上话嘛，毕竟我们很难证明在没有观察之前，床底的东西是什么，你怎么验证？
没法验证啊，这听起来就像是个哲学问题，你怎么知道不知道的东西，你知道了不知道的东西这个东西还是不知道的吗？
这种情况一直持续到贝尔发现床底出现不同东西的概率还真不太一样。
量子概率
有一种滤光片允许偏振方向一致的光通过，如果一束光能完全通过a，就说明光是这个方向的，把另一个一样的滤光片旋转90度，那么这束光就完全无法通过。
具体的公式就是夹角的cos的平方，如果那我们把镜片旋转22.5度，称作B，那么就会有85%的光能通过，
再找一块镜片旋转45度，称作C，那么这个方向上是不是就会有50%的光通过？
理解了吧，宏观上我们也很容易计算得出光同时通过两块镜子的概率是85%乘以50%，大约42.5%。
现在我们来做实验
如果我们把三个绿光片放在一起，互相分别成22.5度，最后测通过C的光有多少，你们觉得会是多少呢？
大家暂停视频，把答案打在公屏上，正常逻辑来说，应该跟上面计算结果一样，是42.5%对吧？
光被B拦住剩85%，剩下的又被C拦住50%，最后剩42.5%
我猜啊，肯定还有别的答案，比如有人会说，因为C相对a旋转了45度，所以最后能通过C的光在概率上最多51%，一毛都不能多
还会有更聪明的人啊，他们会说不对不对啊，B可能已经改变了光的方向，光在通过B之后，面对C只有22.5度的旋转了，所以结果应该是85%*85%，大约72%，比50%大很多啊。
好，现在公布答案，真实结果就是最后一个，恭喜这部分朋友，你们很聪明啊，这个结果其实是非常神奇的。
举个例子：
假设班上100个人，你问女生有多少，站起来15个
让她们出去，
再问剩下的人里面喜欢基德的有多少？
又站起来15个，也赶出去，
这时候大家做一道题，这100个人中喜欢基德的一共有多少？
诶，我们可以知道一个范围，最低15，如果之前出去的女生里面也有喜欢基德的，那么全班最多喜欢基德不会超过30，对吧？
也就是说这个班理论上不喜欢基德的会在70多个啊，跟前面一样算72好了，但神奇的地方在哪呢？
在量子的世界里，如果你直接当着100个人的面一起问，喜欢基德的请站起来，哇，会站起来50个喜欢基德的，而且他们都没撒谎，
放到镜子实验里面就是如果我们把中间的B撤掉，通过旋转45度的C的光就会只剩下50%，我们再把B放回去，多加一个镜子，反而通过率会变高，这就是量子级的概率理解。
而且重点是量子学校里面这班上的100个人既不是男也不是女，而是处在男女的叠加态，一旦我问出问题，当场决定性别站起来，他喜欢基得的50个人全变成女的，全部被赶出去了，就是这么牛逼。
所以刚才在弹幕拿性别开玩笑的，快给我道歉。
最后再回到这个滤光片实验，实际上我们加的片数越多，它们相互之间的夹角越小，通过的光也越多。
诶，这时候有朋友会说有什么神奇的，说来说去啊，不就是中间的镜子，比如B啊，改变了光嘛，所以让光每通过后面的镜子都单独乘一次概率就行了，就像是你叫15个女生出去了，诶，剩下的有些不喜欢基德的男生就开始喜欢基德了，万事万物都是有联系的，你这两次提问是会产生影响的，我知道你很急，下面我就补上这个漏洞。
贝尔不等式
现在我们制造两个量子纠缠的光子，保证他们通过滤光片的性质一致，让它们向两边射出去，
这时候光子单独通过B的概率是85%，C的概率是50%，对吧，那么我问题来了，这对相互纠缠的光子同时通过B和C的概率是多少呢？
是42.5%还是72%？
如果是42.5%，就说明当我们把光子分开之后，它的结果就会变得和宏观世界一样，如果是72%，就说明光子在经过B的时候知道纠缠光子要经过C，经过C的光子也知道B的情况，双方好像聊了一波，知道分别的状态，也就是说根本不是什么镜片改变了光。
贝尔通过实验算出了所有角度量子概率和宏观概率的区别，
我们可以看出来，虚线的量子概率都会比实线的宏观概率要大一点，这是因为正常宏观概率必然受因果关系影响，我掷骰子做不到完全随机，而量子世界可以
我喜不喜欢基德和我是男是女没有关系啊，我可以随便选我是男又是女这16种性别的叠加态在爱河边缘徘徊，而在我选出的那一刻，一切都定下来了，真正改变自己。
根据这个特点呢，贝尔提出了贝尔不等式，
即在前面的实验中，如果结果遵循我们宏观世界的规律，那么某种预测值会小于等于二，
也就是取42.5%的情况
如果是真正量子随机过程值最大可以到2倍根号2，也就是72%的情况。
这个公式的出现，让所有人都不知道床下有没有藏人之前，床下到底是人是鬼还是叠加态，这个哲学问题变成了一个科学问题，科学问题就可以实验验证。
现在打脸量子力学的机会终于来了。
如何获得诺奖？
别看原理上不难，但你要让实验物理学家搞出可控光子，还要让他们纠缠也不容易。
第一个吃螃蟹的人就是这次获奖的克劳泽，
1972年，他和同事用钙原子释放的光子做实验，在两侧分别放绿光片测结果，
克劳泽这个人呢，本来是想支持爱因斯坦的，但是实验结果居然大于2，也就出现了72%的情况。
这说明宏观世界中的贝尔不等式不成立，量子不遵守宏观的游戏规则。
这下好了，那个老头知不是头子不知道，光是真的会掷骰子。
当然，这个实验被人诟病的地方也有很多，比如测量的数据不够，滤光片提前放好不随机，最大的漏洞还是光，虽然分别通过了两边的滤光片，但距离太近了，很有可能是光子在经过一个滤光片之前呢，用光速疯狂交流了一波，自己要通过什么样的滤光片，然后两个光子一起掷骰子串通了，这在学术上简称交流漏洞。
补上这个漏洞呢，就是第二位诺奖获得者阿斯佩，
82年，它让两边的绿光片不断快速改变，打光子一个措手不及，在他们还没有交流的时候就分别随机通过。
不过这次两边的滤光片依然是事先确定好的，虽然换的很快，但只要光子够聪明，提前观察好实验室的环境，看，依然可以知道自己会通过哪个滤光片
仍然不完美，不知道大家有没有看出问题的关键，就这些实验，虽然验证了量子随机性，但没有验证量子纠缠是超光速的，也就是只证伪了实在论，没有证伪定义论。
之后相关的实验也非常多，但都挑的出毛病，简单的比如测量问题啊，需要至少记录2/3以上的结果才能在统计学上显著。
比较奇葩的是记忆漏洞，有人就说了，你在这个地方之前做过相同的实验，你现在又做一遍，光子难道不会提前知道你想搞什么鬼吗？
实验物理学家们头都炸了，他们心里明白，要想打爆爱因斯坦，惊史留名，必须做出天衣无缝的实验。
2015年第一个找不出漏洞的实验终于出现，正是由第三位诺奖获得者搞出来的，
它的设计非常精巧，只会在有光子进入后测量，让光子毫不知情。
两个装置相距1300米，解决地域性问题，
测出来的值为2.54正负0.24，显著大于贝尔不等式的2，在统计学上又只有0.039的几率，由光子交流导置误差
这类实验后来出现了很多，甚至在网上也可以找到一连串贝尔测试的实验列表，但我刚才提到的这三位呢，是在其中做出最关键贡献的人。
自此，量子力学最奇葩的现象终于得到证明，叠加态是真的叠加，随机是真的随机，纠缠也是真纠缠，不管你怎么想，量子就不是你想的那样。
操纵量子
量子力学已经是100多年前的东西了，但其实最近几十年才是他迅猛发展的阶段，各种验证量子理论的技术不仅是为了反驳爱因斯坦，还为我们操纵量子做好了铺垫。
以前让一个单独光子通过两个西方的干涉实验是非常高端的，现在实验室给学生随便演示，所以有很多人把当下称为第二次量子革命。
我们现在已经创造出了量子信息、量子光学、量子计算、量子密码、量子模拟、量子测量等多个细分领域，
还有量子速度、量子易经、量子佛学等等等等，百花齐放春满园。
之前视频讲过量子通信和量子计算，这次视频结尾讲个科幻一点，也是赛林格的成果之一，量子隐形传态。
中文翻译听起来是不是很高端，其实英文简单粗暴，
Quantum teleporation，量子TP
解释一下，很多人都想过，以后星际旅行不用真的过去啊，而是把自己的信息传递到另一个星球上，然后用这些信息复制自己啊，
从而完成光速旅行。
懂量子力学的人一定会说，这不可能，我们不能完全知道一个物体的所有量子信息，更别说复制了啊，这叫量子不可克隆定理。
但如果你懂得再多一点，大概就知道这已经可以实验完成了。
我们可以用一对相互纠缠的量子放在两个不同的星球上，
然后把第三个量子和这一对中的一个通过贝尔测量纠缠，缠完之后也就相当于把它的量子信息传到了远处的另一个星球上。
具体过程其实有点绕，不太适合在视频里面讲，但我思来想去，还是找到了一种能讲明白的方法。
稍微讲解一下，假设我们有一对猫处在量子纠缠的生死叠加态，
分别位于地球和火星，
地球猫死了，火星猫就活，反之，同理，然后我们又养了一只又死又活的狗，也处在叠加态，有a的概率活，b的概率死，a+b等于100%。
我们的目的是通过这两只猫把地球上狗的状态信息秒传到火星上，能不能实现呢？
第一步
把这只狗和地球上的猫放在一起
一通操作，让他们纠缠
怎么操作呢？
问四个问题
一.猫和狗是不是状态一致?
比如狗死猫死，狗活猫活
二.猫和狗是不是只死了一个？
三.猫和狗是不是至少死了一个？
四.猫是不是单独活着？
当我们把猫狗的状态用问题表示出来之后，就方便带入下一个式子，
比如狗活猫死的情况，就等于第四个问题减去第一个问题，直接一削就行了，就是狗活猫死，
其他情况也可以这样表示出来，懂了吧？
然后我们看整体情况，把猫狗全纠缠在一起，式子就可以写成这样，
我们把这个式子展开，代入上面的公式，把狗消掉，就可以得到这个四个问题对应的状态，
OK，如果此时地球上的人啊，对猫狗进行观察，问一个问题，比如第四个，诶，这个猫是不是单独活着，此时方程就会探索到第四种情况，其他三种状态就消失了。
这时候啊，只要打个电话，把问题告诉火星上的人，他知道之后再对方程做一个小改动，把减号改成加号，看到了吗？
狗的量子状态，诶，就TP到了猫身上，鼓掌。
我知道有观众这时候在骂了，你是不是有病啊？
有电话你不能直接说，还传送什么呢？
我知道你很急，但是你别急，这时候我们还需要回答两个问题，
第一，这样是不是可以实现超光速传递信息呢？
当然不行啊，因为还得打电话过去嘛，火星才能解读量子信息，所以这种技术目前就不是用来超光速传递信息的。
第二，这样是不是可以复制量子信息呢？
也不行啊，我们把猫狗纠缠在一起问问题的过程中啊，狗的量子信息就完全消除了，传递到火星猫身上，所以不存在复制，只能剪切。
我们现在做量子通信实验的目的也不是说要直接传送人打电话，而是先把量子信息实现传送再说。
比如，这次第三个诺奖获得者赛林格用这种方法创造了跨一百四十四千米的量子纠缠态，
而他的学生，我们的潘建伟院士，17年往墨子号卫星上成功传送了911个光子的信息。
爱因斯坦1921年登诺奖之后，说他将要用余生去思考光是什么。
15年之后，他说自己还是没想明白。
任何说自己明白光量子是什么的人，你们其实都不明白。
量子纠缠到底是什么，我们依然不确定。
这次诺奖只证明了爱因斯坦用宏观世界去解释量子的尝试失败了。
我们去掉了一个错误答案，但对鬼魂般的真相我们仍一无所知。
有人认为光子可以在时间轴上运动，从而完成量子纠缠，或者两个纠缠的光子其实是依靠虫洞连接，或者你也可以简单粗暴的接受量子纠缠，就是可以超光速。
不过至少现在赛林格不接受这个答案，他觉得背后一定有什么原理，就像他认为自己的完美实验依然不完美，存在自由意志漏洞一样。
我看过三林格伊斯讲座，题目叫量子隐形传态纠缠和爱因斯坦的问题，什么是光？
他说他依然相信爱因斯坦对光的理解，物理学已经走了很远很远，但谜团却越来越多。
或许我们知道什么并没有那么重要，重要的是我们不知道的，而且还要像爱因斯坦。
永远相信光。
参考文献：
附录1：
附录2：
