在量子力学的发展中,英国北爱尔兰物理学家约翰·贝尔做出了极为重要的贡献。他在1964年对爱因斯坦等人提出的EPR佯谬,精心设计了一个由可观测物理量构成的不等式,即“贝尔定理”,引出一系列物理实验,证明量子纠缠的确为真,改变了我们对量子现象的认识。
后来将贝尔不等式进行拓展和完善的美国物理学家四人小组(CHSH)之一的物理学家阿伯纳·西摩尼(Abner Shimony)认为,贝尔能够重拾 EPR 佯谬,证明出能使非定域性跟量子论融为一体的定理,有其必然性。
约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell, 1928-1990)1928年出生于北爱尔兰贝尔法斯特的一个工人阶级家庭,家里人都以打铁和种地为生。
他长着一头红发,皮肤上斑点很多,为人温和有礼,喜欢自省。他父亲约翰和母亲安妮,都出身于长期定居北爱尔兰的家族。贝尔的中间名字“斯图尔特”是他母亲的苏格兰娘家姓氏,在上大学以前,家人一直管他叫“斯图尔特”。贝尔一家人都是圣公会信徒(信仰爱尔兰国教),但是贝尔在与人交往中往往不顾宗教和种族的限制,他的许多朋友是信仰天主教的。
贝尔11岁时便博览群书,决心成为科学家。
他的中学入学考试成绩优异,可惜家里经济拮据,无法供他入读重理科的学校。于是贝尔只好上了贝尔法斯特的技工学校,一边学习文化课,一边学习实用技能。1944年,16岁的贝尔中学毕业,随即应聘到贝尔法斯特的女王大学(Queen’s University)担任物理系的技术助理,在卡尔·艾米留斯(Karl Emeleus)手下做事。
艾米留斯非常欣赏贝尔的科学禀赋,不但借书给他看,还允许他在被正式录取前就旁听一年级的课程。
贝尔在英国的马尔文学院研究加速器物理学期间,认识了玛丽·罗斯(Mary Ross),她也是加速器物理学专家。两人于1954年结为伉俪,追求共同的事业,常常携手研究同样的课题。他们都取得了博士学位(罗斯在格拉斯哥大学拿到数学物理学博士学位),一起在哈威尔(Harwell)研究中心参与英国的原子能建设。
几年后,两人渐渐对原子能研究中心的发展方向失去了兴趣,于是双双辞职,接受了日内瓦的欧洲原子能研究中心(CERN)的非终身职位。贝尔在理论部门,罗斯则加入了加速器研究小组。
约翰·贝尔在欧洲原子能研究中心的办公时间全部用于研究理论粒子物理学和加速器设计,因此他只能利用在家休息时间来从事他的“业余爱好”——探索量子论的基本问题。
1963年,他休了一年假,离开欧洲原子能研究中心先后去了斯坦福大学、威斯康星大学和布兰德斯大学。贝尔就是在这一年旅居国外的访学过程中真正开始探索量子论的核心问题的。1964年回到欧洲原子能研究中心后,他还在继续研究量子问题,不过很小心地将量子论研究跟自己在欧洲原子能研究中心的“主业”——粒子和加速器研究分别开来,因为他在研究中早就发现量子论中有许多暗礁险滩,很难逾越。
约翰·贝尔写了两篇具有开创性的论文。第一篇论文分析了冯·诺依曼等人的观点,他们都讨论了隐变量是否存在的问题,即是否存在爱因斯坦等人所说的那种能使量子论变“完备”的隐变量。约翰·贝尔在论文中首先证明了由冯·诺依曼等人提出的、用于论证隐变量不存在的定理都是不严密的。接着贝尔证明了自己的定理,真正说明了隐变量是不存在的。
由于发表时间的延误,贝尔的这篇重要论文1966年方才面世,出现在他撰写的第二篇论文之后。他的第二篇论文发表于1964年,题目叫《论爱因斯坦-波多斯基-罗森佯谬》,此文提出了影响深远的“贝尔定理”,它改变了我们对量子现象的认识。
有一回西摩尼问我:“你可知道为什么贝尔能够重拾 EPR 佯谬,又证明出能使非定域性跟量子论融为一体的定理?”接着他说,“认识约翰·贝尔的人都知道,只有他可以,换了谁也不能够。贝尔是个非常特别的人,他严谨好学,意志顽强,而且敢作敢当。他的性格比别人更坚强。他敢跟本世纪最著名的数学家约翰·冯·诺依曼较劲,还毫不犹豫地指出冯·诺依曼的预设是错的。然后又跟爱因斯坦较上了劲。”
贝尔原本是支持爱因斯坦的定域性观点的,但他要借实验来证明这个观点究竟是对是错。约翰·贝尔1990年因脑出血突然去世,享年62岁。他的死是物理学界的一个重大损失。贝尔在他最后的日子里仍然积极从事研究工作,不断地撰写论文,开课讲学,探讨量子力学、EPR假想实验以及他自己的定理。三十多年来,贝尔定理一直受到物理学界的关注;事实上,今天的物理学家们仍在不断思考贝尔定理对时空本质以及量子基本原理的深刻启示。
关于贝尔定理的种种实验几乎无一例外地提供了无可辩驳的证据,表明量子论是正确的,量子纠缠和非定域性都是真实存在的。