西姆尼、霍恩、克劳瑟与EPR
在20世纪后期，以EPR理论研究为基础，对量子力学做出基础性贡献的第三代量子力学新人中，还有著名的物理学家西姆尼、霍恩与克劳瑟。这三个人共同合作，对量子力学的实验检验做出了重要的贡献，成为当时名噪一时的团队。他们有着共同的爱好与理想，在量子力学实验研究中，经历几乎完全相似，但三人真正走到一起，却有一个曲折并值得记住的过程。
西姆尼、霍恩和克劳瑟三人合作多年以后，西姆尼曾回忆说，“就我们（三人）的理解，量子力学的困难来自于‘测量’问题和‘非局域性’问题。然而看起来这两个问题始终纠缠在一起，无论离开了其中的哪一个，另一个都不能单独获得解决。由此表明，离开了时空理论就不可能深度地解决量子力学问题。”［32］
西姆尼来自说希伯来语的犹太家族，这是一个从祖先开始就持续居住在耶路撒冷的少数犹太家族之一。1928年西姆尼出生在美国俄亥俄州，后在田纳西州的孟菲斯长大。1944年，他16岁时，赴耶鲁大学攻读哲学和数学，1948年拿到学士学位。在求学期间，他读了很多哲学书籍，包括英国数学家和哲学家阿弗烈·诺夫·怀海德（Alfred North Whitehead）、美国哲学家、数学家查尔斯·桑德斯·皮尔斯和科特·格贝尔（Kurt Gobel）的书籍。在这一期间，他同时也对数学产生了浓烈的兴趣。在耶鲁获得数学硕士学位后，西姆尼在芝加哥大学又获得哲学学位，接着又在1953年回到耶鲁大学拿到哲学博士学位。在芝加哥读书时，他师从于维也纳学派的著名哲学家、欧洲哲学精英俱乐部的中心人物卡尔纳普（Carnap）。后来，卡尔纳普又成为他在耶鲁的博士导师。卡尔纳普对西姆尼热衷哲学逻辑学又喜爱理论物理感到不解，对他来说理论物理是一种形而上学的东西，但是西姆尼却选中了量子力学纠缠态研究，他认为，无论是对于哲学还是对于量子力学，量子纠缠态研究都是“一箭双雕”的课题，尽管西姆尼认为这一课题适合自己，他还是经过了好几年的思考，才最后做出这个选择。
在普林斯顿，西姆尼曾与所崇拜的柯特·格贝尔相识。格贝尔同样来自维也纳学派。与这位知交的长谈，使西姆尼把研究目标转向到物理学哲学，特别关注物理学的哲学基础。他在攻读物理学博士学位期间，又被量子力学吸引，同时受到了著名物理学家尤金·维格纳和惠勒的影响，在日后的研究中，无论数学和物理，甚至在哲学上，他都具有深厚的背景，使他在课题研究上大为获益。他不仅在数学处理上游刃有余，还擅长物理学哲学背景的思考，这一切不仅使他在学科上，也在哲学思想上都有独到的视角。
1960年，西姆尼在拿到第二个物理学博士学位以前，前往麻省理工学院讲授量子力学的哲学原理。这是一门非常艰深而且难以把握的课程，没有深厚的哲学与科学的功底，很难有好的效果，然而西姆尼的讲授却博得了学生和同仁的普遍赞誉，使他在这一领域逐渐成名。拿到物理学博士学位后，他成为波士顿大学的教师，同时跨行兼任哲学与物理学两个门类的课程。1961年，他写出一篇关于量子力学“测量”的重要论文。
这一时期，对西姆尼影响最大的是贝尔论文的发表，他以极其敏锐的眼光发现了贝尔论文的重要价值。他认为，这是人类对自然界认识上的一大挑战。受到贝尔论文的启发，凭着西姆尼在哲学上的深厚背景，以及他对物理的深度热爱和丰富的学术经历，他再一次与量子力学中最令人困扰的“纠缠态”问题相遇，已成为必然。
之所以说这是西姆尼再次与“纠缠态”遭遇，是因为早在1957年，西姆尼就接触了量子“纠缠态”。这一年他的博士导师魏特曼（Wightman）给了他一份EPR的复印件，要求他作为练习找出EPR争辩中的错误。西姆尼花了好几天的时间，独自埋头于这份艰涩难懂的论文里，他翻来覆去也找不出其中的错误。几年以后，贝尔的理论在物理界成名，导师魏特曼也不得不承认，他也找不到爱因斯坦等人有什么错误。［33］
爱因斯坦等人的EPR无非是在三个方面对量子力学提出质疑，他们所提出的这三个准则是：在正确性基础上的“完备性”、在“真实性”基础上的“充分性”以及理论的“局域性”。EPR指出，在空间任一处发生的事件，不可能同时影响到另一处的事件，这就是他们所假定的“局域性”要求。经他们推断的结果，如果符合“局域性”的要求，量子力学将立刻与前两个准则相矛盾。
仔细阅读贝尔的论文，西姆尼一下子抓住了问题的症结。他发现，贝尔的论证采取了完全不同的另一种方式，他并没有关注这些准则之间的关联，而是绕开了这个不能利用实验进行检验的关系，提出“隐变量”的问题。根据贝尔的想法，只要能找到适当的隐变量加以补充，量子力学的完备性也将随之获得解决。西姆尼提出，如果给出实验可以检测这个可能性，这场争论的结果就将水落石出。
1968年，西姆尼有了第一个博士助手霍恩（Home）。霍恩在波士顿大学读研究生时，常与导师威利斯（Willis）讨论许多与物理基础理论相关的哲学问题。威利斯发现，这个学生具有哲学天赋，在物理学哲学问题研究上将更有发展前途，于是把他推荐给了西姆尼。西姆尼把贝尔的两篇论文介绍给霍恩，并对他说：“这两篇论文很重要，你读读看，看能不能对它们做出解释，能不能按照贝尔的建议，提出一个实验检测的方法来。”［34］
贝尔认为，爱因斯坦等人提出的“局域性”前提很有可能被实验否定，但能不能真的设计出一个实验来检测呢？或者能不能找到一个实验证实爱因斯坦是对的，或者测量出量子力学就是适用于“非局域性”呢？这个实验必将在物理学中有着不可估量的价值。
这个课题又涉及另外一个人，这就是克劳瑟（Clauser）。1942年克劳瑟生于美国加州。他的父亲、叔父和家中其他几个成员都拿到了加州理工学院的学位。父亲是物理学博士，在家中经常与朋友讨论高深的物理问题，使克劳瑟在上中学的时候，就被量子力学的神秘性所吸引。父亲却很严肃地告诫他，“不要简单地接受别人告诉你的事，要经过仔细地思考，慎重地读取实验数据。”［35］父亲的这一忠告影响了克劳瑟一生的专业生涯。
像他的父亲一样，克劳瑟也进入加州理工大学，也选修了物理学，并成为著名物理学家费曼的学生。费曼的量子力学课对克劳瑟产生了重要影响。在讲课伊始，费曼就说：“在古老的双缝干涉实验中，隐匿着一个巨大的秘密，这就是量子力学的神秘性之一。”［36］费曼的这一席话深深地印在克劳瑟的脑海里。几年以后，他决定以此作为突破点，测试贝尔不等式，解开EPR悖论。
在加州理工学院毕业后，克劳瑟进入哥伦比亚大学开始实验物理学工作。在微波背景辐射的发现者之一帕德里克·塔丢斯（Patrick Thaddeus）的指导下工作。尽管这一领域在当时是热门，导师也是世界顶级的，克劳瑟的专职领域是射电天文学，但他却对另一个不同的领域，即量子理论的基础性研究更感兴趣。
1967年，克劳瑟看到了贝尔的论文，这篇奇异的论文立刻引起他的兴趣，他意识到贝尔的这篇论文正与量子理论的基础性密切相关。受到贝尔论文的鼓舞，克劳瑟决定依照贝尔指出的方向，就量子力学的这个基础问题着手进行实验研究。当他把这个决定向他的导师提出来时，很幸运，导师竟然允许他拿出一半的时间从事这项研究。
克劳瑟熟悉玻姆的工作，早在10年前他就把研究方向扩展到了量子力学基本问题，甚至转到了EPR的基本思想上，再加上他深厚的物理背景，贝尔的理论对于他人艰深难懂，对他来说却是一触即通，这一切都使他对于这项实验研究做好了充分的准备。
但是由于克劳瑟习惯的“怀疑倾向”，他一开始就千方百计地想找出贝尔理论的瑕疵。然而，几周过去了，无论在数学推演还是在结果的分析上，他都没有发现任何问题。他认为贝尔推导及不等式都是正确的，重要的问题是如何利用这一理论，对量子世界进行实验检测。贝尔是一个理论物理学家，这样的人常会提出假想物理实验，但是假想的实验装置在实际实验室中是不可能找到的，既不可能找到理想的纠缠粒子，更不可能找到理想的粒子系统。实现这些假想实验，既需要深懂相关的理论，又需要熟知实验物理技术，还要能依照理论设计出切实可行的实验方案来，而克劳瑟就恰好满足这些条件。(https://www.daowen.com)
克劳瑟首先想到了吴健雄和沙柯诺夫曾做的正负电子对实验。但是很遗憾，在当时的实验中，并没有进行两个电子纠缠状态的实验观察，更无记录可以追寻。就这样，犹如“瞎子摸象”，他经过了两年的思考，终于有所突破。1969年克劳瑟写出了一篇论文，提出了一个检测量子纠缠态的实验方案。当年春季，这篇论文在华盛顿召开的美国物理学会报告文集上发表，立刻引起人们的注意。［37］
就在这一时期，同样注意到吴健雄和沙柯诺夫实验的还有波士顿大学的西姆尼和霍恩。从1968年底到1969年春，他们专注于设计检测贝尔理论的实验。他们所走过的路几乎与克劳瑟完全相同。“当我第一次得到西姆尼那里的职位以后，我做的第一件事就是找到吴和沙柯诺夫，去检查他们的实验结果。”霍恩回忆说，“我们意识到这个实验对于检查贝尔理论一定具有重要价值。因为在实验中，这一对光子从一出生（正负电子湮没）就是相互纠缠着的。问题是这一对光子是从高能实验中创生出来，需要高能测量它们的偏振状态，不像可见光那样容易解决。”［38］
为此，他们咨询了许多实验物理学家，设计了专门的仪器，采用了新的实验技术，设法降低了光子在介质中的速度，并设法改变它们的方向，确定了测量偏振态的方法，从大量实验数据中做出分析，几个月之后，终于得到了实验的结果。西姆尼与霍恩把论文写好后，希望在当年春季的华盛顿物理学会大会上发表，由于恰好误了论文最后呈交的期限，不得不把它投寄到专业论文期刊上发表。但是得到的答复是，有人已经发表了相同的结果，这个人就是克劳瑟。
他们没有想到，有人捷足先登了。两人商议如何解决这样的事，他们询问了一些专家，多数人告诉他们说：“就假装你们什么都不知道，把论文寄到其他期刊再说。”但他们认为这样做不够妥当，最后西姆尼给过去在普林斯顿的导师，诺贝尔奖得主维格纳打了电话，维格纳建议他说：“打电话给这个人（指克劳瑟），把这一切过程告诉他。”［39］西姆尼照办了。
令西姆尼和霍恩没有想到的是，克劳瑟回应很快而且非常热情。西姆尼后来回忆说：“听到我们与他研究的是同一课题，他非常兴奋，立刻提出与我们一起合作，此时还有另外一个人也想加入，于是4个人，克劳瑟、霍恩、霍尔特和我，立刻开始了合作，我们很快就有了一系列丰富的成果。”［40］
1969年这4个人的成果，以他们名字的字头CHSH为名，在《物理评论》上发表出来。他们对贝尔的不等式理论做了重要的补充，并对贝尔的光子偏振态测试方法做了改进。多年以后，克劳瑟在回忆时说，“在书写这篇论文的过程中，西姆尼和我们建立了长久的友谊，由此繁衍出许多后续的成果。”［41］
几年以后，克劳瑟与弗里德曼（Freedman）在加州大学伯克利实验室又完成了首次证实量子作用可以在“非局域”条件下实现的实验。他们认为由此可以终结爱因斯坦的“局域性”假设。这一切表明，量子力学可以不需要隐变量的补充，就具有其完备性。他们的这一结果于1972年发表出来，引起了物理界的高度重视。
与此同时，哈佛的霍尔特和皮普金（Pipkin）也得到了结果，他们的结果却与爱因斯坦的论点一致，这就是“局域性假设”和“隐变量”的提法都是对的。然而这两个人都是量子力学的信奉者，在犹疑之下决定暂不发表，等待伯克利同行们的结果出来再说。他们在实验中，使用了汞同位素（汞200），在电子束下轰击了150个小时。在实验过程中，他们曾发现了光子“迷失和偏离”的问题，这也是他们看到了克劳瑟和弗里德曼的实验结果以后决定暂不发表的一个原因。1977年，他们以一种非正式的复印件方式，把结果公布出来。当更多的实验证实量子力学是正确的时候，他们渐渐意识到，他们所做的实验肯定存在问题。
就在霍尔特和皮普金寻找自己实验的纰漏时，伯克利的克劳瑟也开始审查竞争对手的实验，他对出现相反结果很好奇，希望从中找出不一致的地方，然后试图用同样的方法重复测试一下。他对霍尔特和皮普金的实验做了一点改进，采用了汞的另一种同位素（汞202），结果得到了与量子力学一致的结果。
就在同一年，即1976年，得克萨斯A&M大学艾德·弗雷（Ed.Fry）和汤普森（Thompson）也对霍尔特的实验做了大幅度的改进，他们使用汞同位素（汞200），并利用激光激发原子，使光信号大幅度增强，仅在80分钟之内就得到了结果，他们不仅否定了霍尔特等人的结果，而且以与霍尔特相同的实验方案支持了量子力学。
与上述实验同一时期获得成功的实验还有：1975年哥伦比亚大学由卡斯蒂（Kasday）、尤耳曼（Ullman）和吴健雄组成的研究组，用电子湮没产生的光子对进行实验，也得出了支持量子力学的结果。
另一小组是意大利卡塔尼亚（Catania）大学弗拉西（Fraci）领导的研究组，他们利用正负电子对产生的γ光子完成了量子纠缠态实验，得到了与哥伦比亚吴健雄研究组同样的结果。
1976年萨克雷核子研究中心（Saclay Nuclear Research Center）利用单态（即不自旋）光子关联实验，也支持了量子力学。
1978年，瑞士日内瓦大学的艾伯纳与克劳瑟联合发表一篇关于量子纠缠态的论文，由于过去配合默契的合作基础，经分头整理，并通过长途电话交换意见就把论文刊出了，这篇论文同样论证了量子力学的正确性。
从20世纪60年代末到70年代末，仅仅这十余年的工夫，在贝尔理论引导之下的量子实验犹如雨后春笋般，在世界各地迅速茁壮地成长起来。它们都无可置疑地通过贝尔不等式的指引，使量子力学的正确性与完备性再一次经受了一场高技术、高精度与高规格的严峻考验，证实了爱因斯坦的“局域性”与“隐变量”都不能取代量子力学，就连贝尔本人也不得不承认，任何“局域隐变量”理论都不可重现量子力学的全部统计性预言。
上述这些成功，不仅证实了量子力学的正确性，更促进了理论与实验及相关研究的高度结合。这是现代科学进展中常有的事，当理论发展时，实验研究也随之发展起来，而在实验物理有了进展时，理论的解释也如影随形地得到发展；当一群人取得成绩时，另一群人也紧跟了上来，如此形成了跨校所界、跨国界，甚至跨学科领域的联手，形成势不可挡的研究团队。理论与实验研究日益紧密，没有一个实验不具有理论背景，也没有一个实验者，不具有理论的水平；更没有一个理论脱离实验而存在，也没有一个理论研究者，不懂得相关实验的进展。理论的发展促进了实验技术与手段的革新，而实验技术与手段的革新又反过来明辨了理论的真伪。在量子纠缠态的研究中，理论与实验及其技术相关发展，它们相辅相成、互增互补、相互依存，形成物理学史乃至整个科学史中前所未有的高潮。
