约翰·F·克劳塞 (John F. Clauser) 回顾他因 50 年前所做的开创性工作而获得 2022 年诺贝尔物理学奖。
10 月 4 日，80 岁的约翰·F·克劳瑟 (John F. Clauser) 在加利福尼亚州的家中醒来，得知自己获得诺贝尔物理学奖的消息。 他将于 12 月 10 日在瑞典斯德哥尔摩与 Anton Zeilinger 和 Alain Aspect 一起获奖，以表彰他们在量子纠缠方面的工作。
这对克劳塞来说是一个值得庆祝的时刻，他开创性的光粒子实验帮助证明了量子力学的关键要素。
“每个人都想获得诺贝尔奖，”克劳瑟说。 “我很开心。”
但克劳塞赢得科学界最高奖项的旅程并不总是一帆风顺。
1960 年代，克劳瑟是哥伦比亚大学的一名物理研究生。 一次偶然的机会，他在大学图书馆找到了一篇影响他职业生涯的文章，并引导他从事最终为他赢得诺贝尔奖的实验工作。
这篇由爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔 (John Stewart Bell) 撰写并于 1964 年发表在《物理学》杂志上的文章探讨了量子力学是否给出了对现实的完整描述。 问题的核心是量子纠缠现象。
当两个或多个粒子以某种方式连接在一起时，就会发生量子纠缠，无论它们在空间中相距多远，它们的状态仍然保持联系。
例如，想象粒子 A 朝一个方向飞去，而粒子 B 朝另一个方向飞去。 如果这两个粒子纠缠在一起——这意味着它们共享一个联合量子态——对粒子 A 的测量将立即决定粒子 B 的测量结果。无论粒子相距几英尺还是几光年都没有关系 – 他们的远距离量子事件是瞬时的。
这种可能性在 1930 年代被阿尔伯特·爱因斯坦和他的同事们拒绝了。 相反，他们认为存在一种量子力学没有考虑到的“现实元素”。
在他 1964 年的文章中，贝尔认为可以通过实验来检验量子力学是否未能描述现实中的这些元素。 他称这些下落不明的因素为“隐藏变量”。
特别是，Bell 考虑到了局部变量。 这意味着它们只会影响紧邻的物理设置。 正如 Clauser 解释的那样，“如果你把东西放在一个盒子里，然后在很远的另一个盒子里进行测量，那么在一个盒子里选择的实验参数不会影响另一个盒子里的实验结果，反之亦然。”
克劳塞决定测试贝尔的提议。 但当他想做这个实验时，他的导师敦促他重新考虑。
“最初最困难的部分是获得机会，”克劳瑟回忆道。 “每个人都告诉我这是不可能的，何必呢！”
量子实验室
1972 年，克劳瑟在加州劳伦斯伯克利国家实验室做博士后时，终于有机会测试贝尔的提议。 他与博士生斯图尔特弗里德曼联手。 他们一起建立了一个装满光学设备的实验室。
“以前没有人这样做过，”克劳瑟说。 “我们没有钱做任何事情。我们不得不从头开始建造一切。我弄脏了我的手，我浸在切削油中，有很多电线，我建造了很多电子产品。”
Clauser 和 Freedman 设法通过操纵钙原子来产生纠缠光子。 光的粒子或光子飞入克劳塞和弗里德曼可以相对旋转的偏振滤光片。
量子力学预测，与光子的偏振由局部和隐藏变量决定的情况相比，更多的光子将同时通过过滤器。
克劳塞和弗里德曼的实验表明，量子力学的预言是正确的。 “我们认为这些结果是反对局部隐变量理论的有力证据，”他们在 1972 年的《物理评论快报》中写道。
艰难的开始
克劳塞和弗里德曼的结果在阿兰·阿斯佩克特和安东·蔡林格的进一步实验中得到了证实。
“我的作品是在 70 年代，Aspect 的作品是在 80 年代，Zeilinger 的作品是在 90 年代，”Clauser 说。 “我们依次致力于改善该领域。”
但克劳塞开创性实验的影响并未立即得到认可。
“事情很困难，”克劳瑟回忆道。 “每个人都说：‘不错的实验，但也许你想出去测量一些数字，不要浪费时间和金钱，而是开始做一些真正的物理学。’”
过了 50 年，克劳塞才因其实验工作获得诺贝尔奖。 他的同事 Stuart Freedman 于 2012 年去世。
“我的同事已经死了很久了，”克劳瑟说。 “我之所以出名，是因为我活得够久了。”
当被问及鉴于自己最初的困难，他是否对年轻研究人员有什么建议时，克劳瑟说：“如果你证明了每个人都认为正确的事情，而且你是第一个去做的人，你可能不会因为 50 年。这是个坏消息。好消息是我在做这项工作时玩得很开心。”
量子反射
Clauser 和 Freedman 的实验为使用量子纠缠的精细技术铺平了道路，例如量子计算机和密码协议。
当被问及他是否认为量子力学是一个完整的理论时，克劳塞回答说：“我怀疑在它下面还有一个更基本的理论，但这纯粹是猜想。我不知道它是什么。我也承认我完全糊涂了 ，我不知道这一切意味着什么。”
John F. Clauser 的引述曾在作者为瑞典杂志 Forskning och Framsteg 所做的采访中发表过。