Rola twierdzenia Bella w fizyce kwantowej

Twierdzenie Bella zostało opracowane przez irlandzkiego fizyka Johna Stewarta Bella (1928-1990) jako środek do sprawdzenia, czy cząstki połączone splątanie kwantowe przekazywać informacje szybciej niż prędkość światła. W szczególności twierdzenie mówi, że żadna teoria lokalnych zmiennych ukrytych nie może uwzględniać wszystkich prognoz mechaniki kwantowej. Bell dowodzi tego twierdzenia poprzez tworzenie nierówności Bella, które pokazano eksperymentalnie w celu ich naruszenia systemy fizyki kwantowej, dowodząc tym samym, że musi istnieć pewien pomysł leżący u podstaw teorii ukrytych zmiennych lokalnych fałszywy. Właściwością, która zwykle spada, jest lokalizacja - idea, że ​​żadne efekty fizyczne nie poruszają się szybciej niżprędkość światła.

W sytuacji, gdy masz dwie cząsteczki, A i B, które są połączone przez splątanie kwantowe, wówczas właściwości A i B są skorelowane. Na przykład spin A może wynosić 1/2 i obracać B może wynosić -1/2 lub odwrotnie. Fizyka kwantowa mówi nam, że dopóki nie zostanie wykonany pomiar, cząstki te znajdują się w superpozycji możliwych stanów. Obrót A wynosi zarówno 1/2, jak i -1/2. (Zobacz nasz artykuł na temat

Jednak po zmierzeniu spinu A na pewno znasz wartość spinu B bez konieczności bezpośredniego pomiaru. (Jeśli A ma obrót 1/2, to obrót B musi wynosić -1/2. Jeśli A ma obrót -1/2, wówczas obrót B musi wynosić 1/2. Nie ma innych alternatyw.) Zagadką w sercu twierdzenia Bella jest sposób, w jaki informacja ta jest przekazywana z cząstki A do cząstki B.

John Stewart Bell pierwotnie zaproponował pomysł Twierdzenia Bella w swoim artykule z 1964 r. „O paradoksie Einsteina Podolskiego„W swojej analizie wyprowadził wzory zwane nierównościami Bella, które są probabilistycznymi stwierdzeniami o tym, jak często spin cząstki A i cząstki B powinny korelować ze sobą, jeśli normalne prawdopodobieństwo (w przeciwieństwie do splątania kwantowego) byłoby pracujący. Te nierówności Bella są naruszane przez eksperymenty z fizyki kwantowej, co oznacza jedno z jego podstawowych założeń musiało być fałszywe, a były tylko dwa założenia pasujące do rachunku - albo fizyczna rzeczywistość, albo lokalizacja w braku.

Aby zrozumieć, co to oznacza, wróć do eksperymentu opisanego powyżej. Mierzysz spin cząstki A. Mogą być dwie sytuacje - każda cząstka B ma natychmiast przeciwny spin lub cząstka B nadal znajduje się w superpozycji stanów.

Jeśli pomiar cząstki A natychmiast wpływa na cząstkę B, oznacza to, że założenie lokalności jest naruszone. Innymi słowy, jakoś „wiadomość” natychmiast dostała się z cząstki A do cząstki B, mimo że można je rozdzielić na dużą odległość. Oznaczałoby to, że mechanika kwantowa wykazuje właściwość nielokalności.

Jeśli ta natychmiastowa „wiadomość” (tj. Nielokalność) nie ma miejsca, wówczas jedyną inną opcją jest to, że cząstka B nadal znajduje się w superpozycji stanów. Pomiar spinu cząstki B powinien zatem być całkowicie niezależny od pomiaru cząstki A i nierówności Bella reprezentują procent czasu, w którym spiny A i B powinny być skorelowane w tej sytuacji.

Eksperymenty w przeważającej mierze wykazały, że nierówności w Bell są naruszane. Najczęstszą interpretacją tego wyniku jest to, że „komunikat” między A i B jest natychmiastowy. (Alternatywą byłoby unieważnienie fizycznej rzeczywistości spinu B.) Dlatego mechanika kwantowa wydaje się wykazywać nielokalność.

Uwaga: Ta nielokalność w mechanice kwantowej dotyczy jedynie konkretnej informacji uwikłanej między dwie cząstki - spin w powyższym przykładzie. Pomiar A nie może być wykorzystany do natychmiastowego przekazania jakiejkolwiek innej informacji do B at duże odległości, a nikt obserwujący B nie będzie w stanie samodzielnie stwierdzić, czy A był umiarkowany. W przeważającej większości interpretacji szanowanych fizyków nie pozwala to na komunikację większą niż prędkość światła.