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贝尔不等式是1964 年由爱尔兰物理学家约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell)提出的一个数学不等式。在经典物理学中,基于定域实在论(定域性原理和实在性原理的结合),测量结果在测量之前就已经客观存在,并且一个地方发生的事件不能立刻影响到另一个地方的物理实在,即不存在超距作用。基于这样的假设,贝尔推导出了一个不等式,即贝尔不等式。见下图
为何贝尔不等式是验证量子纠缠最硬核的标准?
量子纠缠与定域实在论的冲突。量子纠缠是量子力学中的一个独特现象,处于纠缠态的两个或多个粒子,无论它们相隔多远,一个粒子的状态发生变化,另一个粒子的状态会立即发生相应的变化,这种关联是瞬时的,似乎违反了定域性原理。
按照定域实在论,粒子的属性在测量之前就已经确定,测量只是揭示这些预先存在的属性。而量子力学认为,在测量之前,粒子处于一种叠加态,测量行为才使粒子的状态确定下来。著名的双缝干涉实验揭示了这一现象。
贝尔不等式作为判据的原理,它是建立在定域实在论的基础上。如果实验结果满足贝尔不等式,那么就支持定域实在论,即粒子的属性在测量前就已确定,不存在超距的量子纠缠效应;如果实验结果违反贝尔不等式,那么就意味着定域实在论是错误的,量子力学所描述的非定域的量子纠缠现象是真实存在的。
实验验证情况。自贝尔不等式提出以来,许多实验都对其进行了验证。其中最著名的是阿斯佩实验(1982 年),以及后续不断改进的一系列实验。这些实验结果都显示违反了贝尔不等式,有力地支持了量子力学的观点,证明了量子纠缠这一奇特现象的存在。
例如,在阿斯佩实验中,研究人员对处于纠缠态的光子对进行测量,通过改变测量方向等实验条件,测量得到的关联函数不满足贝尔不等式,而是与量子力学的预测相符。这就表明,量子纠缠这种超距的关联是真实存在的,而经典的定域实在论无法解释实验结果。
综上所述,贝尔不等式为判断量子纠缠是否存在提供了一个明确的、可通过实验验证的标准,因此被认为是验证量子纠缠最硬核的标准。