1982 年奥尔赛：双通道偏振器与声光开关上的贝尔实验
1982 年奥尔赛的两篇短文必须分开来读：91 页的双通道偏振器测得 S 为 2.697，1804 页近 50 兆赫的声光开关测得另一套 S 为 0.101。两套都不是第一次违反，后者也不是无漏洞实验。
1982 年，阿兰·阿斯佩与同事在奥尔赛的光学研究所，把钙原子级联放出的光子对送进两套不同的偏振分析器。 七月的短文与 Philippe Grangier、Gérard Roger 合作，题为爱因斯坦–波多尔斯基–罗森–玻姆思想实验的实验实现，刊在 Physical Review Letters 第 49 卷 91 页，1981 年 12 月 30 日收稿，7 月 12 日出版。 分析器是双通道偏振立方体：一路偏振透射，正交的一路反射，四个联合出口都能进符合计数。 十二月的短文与 Jean Dalibard、Gérard Roger 合作，题为用随时间变化的分析器检验贝尔不等式，刊在同一卷 1804 页，9 月 27 日收稿，12 月 20 日出版。 每一侧先是声光开关，后面再接两块线偏振器；两侧开关以近 50 兆赫、彼此不可公度的频率跳动，论文写跳变时间短于光子的渡越时间。 两篇都报告对贝尔不等式的违反，测到的却不是同一个 S。 本页不代替 量子纠缠 那篇从 EPR 写到量子信息的总览，也不把后来的无漏洞实验、量子计算或通信协议写进奥尔赛的计数器。
破除误解
误解
第一个误解，是把 1982 年写成“第一次贝尔实验”。实情违反本身更早。 1972 年，Freedman 与克劳泽已经在 Physical Review Letters 第 28 卷 938 页报告过定域隐变量不等式被打破。 约翰·贝尔 1964 年给出的是定理：定域实在论若还要求测量结果在测量前就写定，关联就必须服从一组不等式；量子力学可以不服从。 Clauser、Horne、Shimony 与 Holt 在 1969 年把可做的光学版本写成后来所称的 CHSH 形式，页码在第 23 卷 880 页。 奥尔赛不是这条定理的出生地，也不是第一次在实验室里看见违反。 1981 年，阿斯佩、Grangier 与 Roger 还先在第 47 卷 460 页用同一类钙级联做过检验，摘要写源到偏振器的距离放到 6.5 米，结果没有显著变化。 那篇的 6.5 米不要挪到下面两篇 1982 年的数据上。 1982 年七月新增的是双通道，十二月新增的是开关。 新增不是“第一次”。
误解
第二个误解，是把违反读成超光速通信。实情实验者选择的是分析器的取向，不是某一侧光子“必须给出加号”。 单次结果看起来仍是随机的。 关联要等两边的符合记录放到一起才显现。 记录怎么汇总，走的是普通的比较，不构成从一侧把一段消息写进另一侧的信道。 把 S 的超出说成“可以用来发报”，是把统计关联误当成可控信号。 本页不写如何编码、如何同步或如何把关联当成信道来用。 那些句子不属于计数，也不是这两篇短文的结论。
误解
第三个误解，是把两篇 1982 年收成一次 2015 年那种无漏洞实验，或收成一个 S。实情91 页的偏振器在一轮测量里是固定的。 1804 页才把取向交给声光开关，并声称跳变快于渡越。 即便如此，十二月这篇自己写明：为了让开关工作，光束张角被收小，收集效率赶不上他们先前的实验；拿掉偏振器后符合只有每秒几次，偶然符合大约每秒一次。 探测效率没有高到可以把未登记的光子对从讨论里删掉。 2015 年 Hensen 等、Giustina 等与 Shalm 等做的，是探测漏洞与定域性漏洞同时被堵住的另一代实验。 奥尔赛两篇都不是那一代。 两个 S 也不能相加：七月是 2.697±0.015，十二月是 0.101±0.020，定义不同，界也不同。 2022 年诺贝尔物理学奖授予阿斯佩、克劳泽与蔡林格，表彰的是纠缠的实验研究这条路线，不是把 91 页与 1804 页合并成一次无漏洞测量。
误解
第四个误解，是把本页写成 量子纠缠 的缩写，或写成量子计算说明书。实情总览要处理 EPR、无通信定理、隐形传态与作为资源的纠缠。 那些概念可以引用奥尔赛，但不能反过来把钙炉、立方体和声光开关删掉。 本页也不讲门、线路或如何用光子对跑算法。 测到的是偏振符合与一个不等式是否被越过。 越过不等式，排除的是一类定域隐变量模型，不是一份计算架构。
装置
共同的源是钙的辐射级联。 两篇都写光子对的波长为 551.3 纳米与 422.7 纳米，线偏振彼此关联。 1804 页把源写得更具体：双光子激发，级联的角动量顺序是 J=0、J=1、J=0。 91 页测的是同一对波长上的线偏振关联，源同样是钙的辐射级联。 一对光子朝两个方向离开源，各自遇到一台分析器。 符合电路只把时间上靠得很近的脉冲算成一对。 对象是这对光子的偏振关联，不是单束光的强度，也不是原子束在屏上的沉积。
91 页的分析器是偏振立方体。 论文写：立方体由两块棱镜拼成，斜面上有介质膜，通光面镀减反射膜。 入射面内的偏振被透射，正交偏振被反射。 这就是“双通道”：被挡住的那一种结果不再是沉默，而是走到另一个探测器。 四个联合通道因此都能计数，关联由这四路符合构成。 论文给出器件系数：平行通道为 0.950 与 0.930，正交泄漏都是 0.007，不确定度都是 0.005，分属 551.3 纳米与 422.7 纳米两支。 有限立体角被收成一个因子 0.984。 检验不等式时，四组相对取向取 22.5 度与 67.5 度，每个取向做五轮。 这些句子描述的是已经发表的配置与所测的量，不是一份可以照着装的光路步骤。
1804 页换了分析器，没有换掉级联。 论文写：每一侧是一只声光开关，后面跟着两块线偏振器。 开关工作在近 50 兆赫，两侧频率不可公度，也就是没有一个简单的公共周期把两边锁死。 每台分析器相当于一块会在两个取向之间跳动的偏振器，跳动所用的时间短于光子从源到分析器的渡越时间。 文中写每只开关距源 6 米。 这个 6 米是开关实验的几何，不是 1981 年那篇摘要里的 6.5 米。 声光开关把光送进不同的衍射方向；论文写，进到其他衍射级的光可以忽略。 取向仍取与七月相同的一套角度：三组 22.5 度，一组 67.5 度。 他们做了两轮来检验不等式。 收集效率低于先前实验，因为要收小光束张角才能让开关干净地工作。 拿掉偏振器后，符合率只有每秒几次，偶然符合大约每秒一次。 测到的量仍是线偏振的符合关联，只是取向不再在一整轮里钉死。
两套管都不是自旋的磁铁。 91 页自己把双通道偏振器称作施特恩–格拉赫滤波器的光学类比：一个入口，两个出口，出口对应两种线偏振。 类比停在出口的数目。 施特恩–格拉赫实验 里弯折的是银原子的轨迹，留下的是玻璃板上的沉积。 这里弯折的是光子的偏振通道，留下的是光电脉冲的符合。 不要把炉温、刀刃磁极和银斑写进奥尔赛，也不要把声光晶体写成不均匀磁场。
它测到了什么，没有测到什么
91 页测到：在上述立方体、上述角度与五轮平均之下，他们定义的 S 为 2.697±0.015。 不确定度是光子计数的泊松标准差。 计入有限立体角后，量子力学预言是 2.70±0.05。 论文写，与量子力学的符合好于 1%，并称这是当时对广义贝尔不等式最强的一次违反。 它没有测到十二月那个 S。 它没有在一轮之中改取向。 它也没有把收集效率写成后来无漏洞实验所要求的那种高比例。
1804 页测到的是另一个 S。 两轮平均给出 0.101±0.020。 论文把所检验的不等式写成 S≤0，并写这一结果以 5 个标准差违反该不等式。 同一套立体角与偏振器效率下，量子力学预言是 0.112。 0.101 不是 2.697 的改写，也不是从 2.697 里减出一个零点。 七月的组合与十二月以 0 为界的组合不是同一把尺子。 把它们平均、相除或说成“同一次实验的两个读数”，都会把两篇论文并成一篇。 5 个标准差只属于 0.101 相对 0 的那一次检验，不能挪到 2.697 头上。
两篇都没有测到超光速信号，也没有测出“影响的速度是光速的多少倍”。 1804 页给出的是时间结构上的设计：开关距源 6 米，跳变短于渡越，两侧频率不可公度。 设计想堵住的是“取向早已固定，因而可以事先通气”这一类批评。 它没有同时堵住探测漏洞。 每秒几次的符合旁边站着大约每秒一次的偶然符合，未探测到的对仍然可以在逻辑上被设想成“恰好补上违反”。 91 页连这个时间结构都没有：取向在一轮里是静止的。 因此不能写“1982 年已经类空间隔地关闭了定域性漏洞，并且探测也是无漏洞的”。 前半句最多只能小心地说十二月的意图；后半句两篇都不成立。
它们也没有测到电子自旋，没有测到 ħ 的数值，没有测量单次坍缩“究竟在哪一刹那发生”。 贝尔原文用自旋单态讲思想实验。 奥尔赛用的是光子线偏振。 偏振的两个出口可以在逻辑上类比自旋的两个投影，类比不是磁矩被称出来了。 每次符合是一对结果的登记。 登记排除“两边的结果都由定域隐变量事先写好，而且只随本地取向改变”这一类模型。 它不在哥本哈根、多世界或退相干之间投票。 量子测量问题 问的是线性演化为什么看起来只有一个结果。 符合计数假定探测器已经给出了脉冲，不再回头解决那个诠释问题。
1972 年的违反、1981 年的 6.5 米、2015 年的无漏洞实验、2022 年的奖，都是邻居，不是本页的读数。 本页能指着论文写下的，是两套装置、两个 S、两个出版日期，以及十二月自己承认的收集效率与偶然符合。 指得越窄，越不容易把奥尔赛讲成“量子力学被一次实验彻底证明”。 一次违反排除的是不等式所刻画的那一类定域隐变量。 它不排除一切非定域模型，也不把量子力学的其余公设一起验完。 窄，是对象页该守的边界。
跨域连接
- 量子纠缠：总览从 1935 年的 EPR 写到无通信定理、隐形传态，以及把纠缠当成可蒸馏的资源。它把 1982 年收成阿兰·阿斯佩在巴黎的一次高精度验证，再立刻接到漏洞与 2015 年。本页把七月的双通道与十二月的声光开关拆开，S 分别是 2.697 与 0.101，不许并成总览里的一句“阿斯佩实验”。总览可以继续讲关联为什么不是信道。信道的证明不在钙级联的符合电路里，而在测量结果不能被实验者指定这一层。本页只负责：指定不了的那些结果，是用哪套管、在哪一篇里数出来的。
- 量子自旋：自旋页写的是没有经典自转肖像的内禀角动量，以及施特恩–格拉赫之后才安上的自旋-1/2。贝尔思想实验的教科书版本常用自旋单态。奥尔赛测的是 551.3 纳米与 422.7 纳米光子的线偏振，不是电子在磁场里的进动，也不是银原子的磁矩。两个偏振出口可以类比两个自旋投影，类比解释为什么双通道立方体被叫成光学施特恩–格拉赫。类比一写成“他们测到了自旋”，对象就从光子符合滑回概念页。自旋页应把奥尔赛当作偏振实现，而不是自旋的第二次发现。
- 量子测量问题：测量页坚持，问题是线性演化给不出单一结果，不是意识改变了粒子；退相干抹掉干涉项，留下的仍是混合态。奥尔赛假定光电探测器已经把每一路写成脉冲，再去数四路符合。数脉冲可以违反不等式，从而堵住“结果早就确定、只是我们不知道”的定域版本。它并不选出坍缩、多世界或退相干哪一种叙事，也不测量波函数在哪一纳秒变成经典记录。把 2.697 或 0.101 写成“意识造成了非定域”，是把测量页已经拒绝的句子又装回计数器。
- 施特恩–格拉赫实验：1922 年的银束在不均匀磁场里留下两条沉积斑，当时的词是空间量子化。91 页借用的只是“一个入口、两个出口”的滤波器图像，而且写明是光学类比。银斑是许多原子的化学沉积，不能再问下一块磁铁；光子符合是一次联合事件的计数，取向还可以在下一轮重设。不要把刀刃磁极的梯度写进偏振立方体，也不要把 0.101 写到法兰克福的玻璃板上。两套管都反对“结果是连续抹开的”，反对的对象一个是磁矩取向，一个是偏振关联的定域模型。
- 狭义相对论：相对论页的核心是光速不变、同时性与因果结构，不是贝尔不等式。1804 页借用的只是其中一条：不超光速的影响，来不及在光子渡越的时间里把一侧开关的取向告诉另一侧。论文把开关放在距源 6 米处，并写跳变短于渡越。这不是时间膨胀的测量，也不是质能关系。6.5 米属于 1981 年的另一篇摘要，不能拿来改写狭义相对论的公设，也不能当成 91 页已经做了类空间隔。相对论保证不了探测效率。效率不够时，定域隐变量仍可以躲在没被数到的事件里。
- 不确定性原理：不确定度关系限制的是同一系统上不相容量的制备与测量，不是两侧光子能否共享一个隐变量。EPR 当年想用关联绕开“不扰动而确知”，贝尔把这个愿望变成不等式。奥尔赛检验的是不等式，不是 ħ 的大小，也不重新测量位置与动量的乘积。符合电路里没有一对共轭量的误差棒。不要把 2.697±0.015 的泊松误差写成海森堡不确定度，也不要把 5 个标准差写成互补原理的实验值。互补与不确定度是概念页的句子。本页的误差来自光子计数。
- 因果性：因果页问的是，恒常先后是否等于看见了“使之发生”的力。休谟的台球是接触之后的弹开。奥尔赛的两边没有这种接触。关联出现在符合表里，实验者却不能靠选择一侧的结果去推动另一侧。把违反说成“一侧造成了另一侧”，会偷偷带回本页已经拒绝的超光速通信；把违反说成“因此世界上没有任何因果”，又会把相对论的定域因果和哲学上的因果概念一起抹掉。本页能说的更窄：定域隐变量所要求的那种因果图像，在这两套计数里不够用。不够用，不是因果性这个哲学词的全部内容。
参考文献
- Aspect, A., P. Grangier, and G. Roger. “Experimental Realization of Einstein-Podolsky-Rosen-Bohm Gedankenexperiment: A New Violation of Bell’s Inequalities.” Physical Review Letters 49 (1982): 91. doi:10.1103/PhysRevLett.49.91.
- Aspect, A., J. Dalibard, and G. Roger. “Experimental Test of Bell’s Inequalities Using Time-Varying Analyzers.” Physical Review Letters 49 (1982): 1804. doi:10.1103/PhysRevLett.49.1804.
- Aspect, A., P. Grangier, and G. Roger. “Experimental Tests of Realistic Local Theories via Bell’s Theorem.” Physical Review Letters 47 (1981): 460. doi:10.1103/PhysRevLett.47.460.
- Clauser, J. F., M. A. Horne, A. Shimony, and R. A. Holt. “Proposed Experiment to Test Local Hidden-Variable Theories.” Physical Review Letters 23 (1969): 880.
- Freedman, S. J., and J. F. Clauser. “Experimental Test of Local Hidden-Variable Theories.” Physical Review Letters 28 (1972): 938.
- Bell, J. S. “On the Einstein Podolsky Rosen Paradox.” Physics Physique Физика 1 (1964): 195–200.