Alt du trenger å vite om Bells teorem

Av Queen's University Belfast (Eget arbeid) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

Bells teorem ble utviklet av den irske fysikeren John Stewart Bell (1928-1990) som et middel til å teste om partikler koblet sammen eller ikke kvanteforviklinger kommunisere informasjon raskere enn lysets hastighet. Spesifikt sier teoremet at ingen teori om lokale skjulte variabler kan redegjøre for alle spådommene til kvantemekanikk. Bell beviser dette teoremet gjennom opprettelsen av Bell-ulikheter, som er vist ved eksperimenter å være krenket i kvantefysikksystemer, og beviser dermed at en idé i hjertet av lokale teorier om skjulte variabler må være falsk. Egenskapen som vanligvis tar fallet er lokalitet - ideen om at ingen fysiske effekter beveger seg raskere enn lysets hastighet .

Kvanteforviklinger

I en situasjon hvor du har to partikler , A og B, som er forbundet gjennom kvantesammenfiltring, så er egenskapene til A og B korrelert. For eksempel kan spinnet til A være 1/2 og snurre rundt av B kan være -1/2, eller omvendt. Kvantefysikk forteller oss at inntil en måling er gjort, er disse partiklene i en superposisjon av mulige tilstander. Spinn til A er både 1/2 og -1/2. (Se vår artikkel om Schroedingers katt tankeeksperiment for mer om denne ideen. Dette spesielle eksemplet med partiklene A og B er en variant av Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset, ofte kalt EPJ-paradoks .)

Men når du først måler spinnet til A, vet du sikkert verdien av Bs spinn uten å måtte måle det direkte. (Hvis A har spinn 1/2, må Bs spinn være -1/2. Hvis A har spinn -1/2, må Bs spinn være 1/2. Det er ingen andre alternativer.) Gåten ved hjertet av Bells teorem er hvordan denne informasjonen blir kommunisert fra partikkel A til partikkel B.

Bells teorem på jobb

John Stewart Bell foreslo opprinnelig ideen til Bells teorem i sin artikkel fra 1964 ' Om Einstein Podolsky Rosen-paradokset .' I analysen sin utledet han formler kalt Bell-ulikhetene, som er sannsynlighetsutsagn om hvor ofte spinnet til partikkel A og partikkel B skulle korrelere med hverandre hvis normal sannsynlighet (i motsetning til kvantesammenfiltring) virket. Disse Bell-ulikhetene brytes av kvantefysikkeksperimenter, noe som betyr at en av hans grunnleggende forutsetninger måtte være falsk, og det var bare to forutsetninger som passet til regningen - enten den fysiske virkeligheten eller lokaliteten sviktet.

For å forstå hva dette betyr, gå tilbake til eksperimentet beskrevet ovenfor. Du måler partikkel A sitt spinn. Det er to situasjoner som kan være resultatet - enten partikkel B har umiddelbart motsatt spinn, eller partikkel B er fortsatt i en superposisjon av tilstander.

Hvis partikkel B påvirkes umiddelbart av målingen av partikkel A, betyr dette at antagelsen om lokalitet brytes. Med andre ord, på en eller annen måte kom en 'melding' fra partikkel A til partikkel B øyeblikkelig, selv om de kan skilles fra hverandre med stor avstand. Dette vil bety at kvantemekanikk viser egenskapen til ikke-lokalitet.

Hvis denne øyeblikkelige 'meldingen' (dvs. ikke-lokalitet) ikke finner sted, er det eneste alternativet at partikkel B fortsatt er i en superposisjon av tilstander. Målingen av partikkel Bs spinn bør derfor være helt uavhengig av målingen av partikkel A, og Bell-ulikhetene representerer prosenten av tiden når spinnene til A og B skal korreleres i denne situasjonen.

Eksperimenter har overveldende vist at Bell-ulikhetene brytes. Den vanligste tolkningen av dette resultatet er at 'meldingen' mellom A og B er øyeblikkelig. (Alternativet ville være å ugyldiggjøre den fysiske virkeligheten til Bs spinn.) Derfor ser det ut til at kvantemekanikk viser ikke-lokalitet.

Merk: Denne ikke-lokaliteten i kvantemekanikk gjelder kun den spesifikke informasjonen som er viklet inn mellom de to partiklene - spinnet i eksemplet ovenfor. Målingen av A kan ikke brukes til å umiddelbart overføre noen form for annen informasjon til B på store avstander, og ingen som observerer B vil være i stand til å fortelle uavhengig om A ble målt eller ikke. Under de aller fleste tolkninger av respekterte fysikere tillater ikke dette kommunikasjon raskere enn lysets hastighet.