你玩的游戏，被别人拿来发Nature：10万名玩家助力大型贝尔测试

近一个世纪前，爱因斯坦与玻尔针对量子力学“超距作用”是否存在，展开了针锋相对的交锋。经过数代物理学家的检验，爱因斯坦的理论已经无限接近失败，但实验中的漏洞让物理学家不敢轻易下定论。在今天发表于《自然》的一篇论文中，一支大型国际团队将“自由选择”漏洞成功填上。值得一提的是，超过 10 万名全球游戏玩家在这项研究中发挥了至关重要的作用：他们通过游戏产生了物理学家梦寐以求的随机序列。

编译  王语嫣

审校  吴非

1935 年，爱因斯坦与波多尔斯基、罗森提出著名的 EPR 佯谬（Einstein-Podolsky-Rosen paradox），质疑了量子理论的不完备性。量子力学认为，两个处于纠缠态的粒子可以保持一种特殊的连接状态：哪怕相隔遥远的距离，只要测量其中一个粒子，就能立即知道另外一个粒子的状态。这种“幽灵般的超距作用”遭到了爱因斯坦等人的反对。

爱因斯坦提出，任何物体具有以下两个特性：1. 对物体进行观察前，物体的状态应该和观察时一样，即观察不应该改变物体的状态，称为实在论。2. 物体只能够对其周围的事件作出直接反应从而产生变化，遥远的事件无法对物体施加直接的影响，称为定域性。两条原则在一起合称为定域实在论。量子力学理论与定域实在论相悖：量子的叠加性原理违反了实体论，量子纠缠违反了定域性。因此，在爱因斯坦与领衔提出超距作用的玻尔之间，只能有一个胜利者。

为了解决这一争论，物理学家开始寻找纠缠态的验证方式。他们发现，量子纠缠可以通过测量两个粒子间的相干性得到检验。相比于经典物理，处于纠缠态的粒子间可以产生更强的相干性。基于这一思路，1964 年，北爱尔兰物理学家约翰·贝尔（John Bell）提出“贝尔不等式”：基于经典物理，两个粒子间的相干性存在一个上限。超过这个数值，就能证明两个粒子处于纠缠态。这一发现也为破解爱因斯坦与玻尔的世纪争论提供了一条可行的实验思路。

约翰·贝尔

贝尔测试的漏洞

在贝尔提出的检验方法“贝尔测试”中，一对相互纠缠的粒子（如光子）会被送往不同的地方。物理学家将随机选择一种性质，比如光子的极性，对两处的粒子分别进行测量。如果测量发现这两个粒子产生的结果一致，将证实一件令人震惊的事情：对一个粒子的测量对另一个粒子产生了瞬时的影响（尽管相隔很远），或者是更为奇特地，测量本身让这个粒子产生了这个之前从没出现过的特性。不管是哪个推测，这个结果都违反了定域实在论原则。

自上世纪 70 年代起，贝尔测试陆续在多个实验室开展，这些实验的结果都坚定支持了量子纠缠的存在。爱因斯坦的定域实在论开始摇摇欲坠，但却一直没有被完全踢出局，因为严谨的物理学家意识到，这些测试都不可避免地存在一些漏洞。其中一个重要原因是，贝尔测试中存在一道看似简单的屏障却始终难以逾越：对粒子实现真正的随机测量。

粒子本身可能会对测量的选择产生影响，如果这种情况真实存在的话，那就像让学生自己给自己出考试题一样，会对实验结果产生很大的影响。使用掷骰子或生成随机数的方式也无法修补这个漏洞，因为产生随机数或掷骰子的系统可能与纠缠粒子存在某种联系。由于这个“自由选择”漏洞的存在，此前的实验都无法真正判定量子力学的胜利。

10万人修复漏洞

怎样才能实现真正的随机测量，修复“自由选择”漏洞？一支名为“大贝尔实验协作项目”国际研究团队想到了一套原始却巧妙的方案：通过足够多的群众产生随机数据。由于人类的选择是主观产生的，它可以摆脱粒子系统产生的影响。如何让尽可能多的人心甘情愿地参与到研究项目中来？最好的办法，就是将实验融入游戏中。

为此，研究人员设计了一套名为“Big Bell Quest”的游戏。这款游戏包含了两个项目：一是不停地按 0 或 1 推动粒子前进，另一种是通过按 0 或者 1 ,来猜测盒子中的小球颜色。这两个游戏的目的，都是让玩家产生一组由 0 和 1 组成的比特序列。

这些比特被输送到全球 12 座先进的实验室中，这其中包括中国科学技术大学上海研究院。其余 11 座实验室分别位于布里斯班、维也纳、罗马、慕尼黑、苏黎世、尼斯、巴塞罗那、布宜诺斯艾利斯、智利的康塞普西翁以及美国博尔德。每一座实验室分别负责不同的测量项目，而玩家所产生的随机序列，决定了粒子被测量的项目。

正在参与“Big Bell Quest”的玩家。

你也可以点击官网（https://thebigbelltest.org/）参与游戏。（要翻墙的哦）

2016 年 11 月 30 日，全世界超过 10 万人通过手机或者其他联网设备参与了这场史无前例的，被称为“大贝尔测试”的物理实验。玩家在游戏中不断挑战着更高难度，而游戏玩家的数据流在也以每秒逾 1000 比特的速度被传送给研究团队。在 12 小时之内，他们贡献了超过 9700 万个比特的数据。

借助 10 万人提供的大规模数据集，贝尔测试中的“自由选择”漏洞终于被填上。而随后的实验结果也没有出乎科学家们的预料：实验数据依然与爱因斯坦的定域实在论相悖，而支持量子理论的预测。

全民参与科学实验

大贝尔测试的领导人，巴塞罗那光子科学研究所（ICFO）教授 Morgan Mitchell 说：“对我而言，最美妙的部分在于爱因斯坦与玻尔的争论，尽管近一个世纪的努力使其可以被实验数据检验，但还依然保持了哲学的成分。我们通过精密的仪器证明了希格斯玻色子与引力波的存在、建造了复杂的系统来检验物理规则。但定域实体性是我们无法完全交给机器去完成的问题。看起来似乎我们人类本身必须作为实验的一部分参与进来，才能找到宇宙的最终答案。”

除了最终的科学成果，大贝尔测试的另一个重要意义在于，让普通群众参与到重大科学研究项目中来。ICFORiedmatten 教授说：“大贝尔测试是一次绝佳的体验。我很高兴能看到全世界的志愿者们产生的随机数能即时作用于我们的实验，也很高兴能看到这么多人参与进一次量子物理实验中。”

这次实验的发起人，ICFO 的研究员 Carlos Abellan 说：“大贝尔测试是一个无比具有挑战性和野心勃勃的项目。在一开始，这个项目听起来难到无法完成，但在 2016 年 11 月 30 日这天，它在一批饱含热情的科学家、科普工作者、记者和媒体，以及最重要的 10 万志愿者的努力下成为了现实。”

原始论文：

Nature|doi:10.1038/s41586-018-0085-3

参考链接：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-05/iiop-tbb050418.php

https://physicsworld.com/a/computer-gamers-close-freedom-of-choice-loophole-of-quantum-entanglement/

https://www.livescience.com/62523-physicists-crowdsource-a-reality-check.html

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本文转载自“环球科学ScientificAmerican”(ID:huanqiukexue)

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