John Stewart Bell — Iiri füüsik, Bell'i teoreem ja EPR-paradoks

John Stewart Bell — Iiri füüsik ja Bell'i teoreem: sügav ülevaade EPR-paradoksist, kvantpõhimõtetest ja Bell'i pärandist teaduses.

John Stewart Bell (28. juuni 1928 – 1. oktoober 1990) oli iiri teoreetiline füüsik, kelle töö kujundas meie arusaama kvantmehaanikast ja eriti sellest, mida Heisenbergi määramatuse printsiip maailma kohta ütleb. Bell tõi selgelt välja, kuidas kvantmehaanika ja intuitiivne „kohalik realism“ (idee, et objektidel on kindlad omadused sõltumata mõõtmisest ning info ei levi kiiremini kui valgus) ei saa üheaegselt kehtida.

• Sündinud: Belfast, Põhja-Iirimaa
• B.S: Belfasti Kuninganna Ülikool, 1948
• Ph.D: Birminghami Ülikool, 1956

Elulugu ja teadustöö

Belli varases karjääris töötas ta eri suunitlustes, sh tuumafüüsika ja osakestefüüsika alal ning ta oli seotud mitme uurimisasutusega, kaasa arvatud CERN. Tema huvi kvantpõhiste filosoofiliste küsimuste vastu kasvas 1950.–1960. aastatel ning kulmineerus mõttega, mis viis 1964. aastal avaldatud artiklini.

• Töö pealkirjaga "On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox" tutvustas Bell'i teoreemi, 1964 (Otse alla laadida aadressil:

http://www.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Bell%20(1964)_Bell%27s%20theorem.pdf

Mis on EPR-paradoks ja mida Bell tegi?

1935. aastal kirjutasid Einstein, Podolsky ja Rosen (EPR), et kvantmehaanika näib lubavat „mõju kaugusest“ ehk korraga kahe kauge süsteemi omavahelist korrelatsiooni viisil, mis riivab kohaliku realismi ideed. EPR järeldas, et kvantmehaanika võib olla mittetäielik ja et võiks eksisteerida „varjatud muutujad“ (hidden variables), mis määravad süsteemide tulemused enne mõõtmist.

Bell võttis selle filosoofilise vaidluse ja tegi sellest eksperimentaalselt testitava küsimuse: ta tuletaski algebraalselt tingimused ehk Bell'i ebavõrdsused, mida peavad rahuldama kõik nii-öelda lokaalsete varjatud muutujate mudelid. Kui kvantmehaanika ennustused rikuvad neid ebavõrdsusi, siis ei saa kohalikud varjatud-muutujad seletada kvantkorrelatsioone.

Bell'i teoreemi kokkuvõte (lihtsustatult)

• Oletus kohaliku realismi kohta: mõõtmiste tulemused on eelnevalt määratud ja info ei levi kiiremini kui valgus.
• Bell'i ebavõrdsused: matemaatilised piirangud, mis kehtivad kõigi selliste mudelite puhul.
• Häälestus: kvantmehaanika ennustab olukordi (nt paari põimunud osakeste mõõtmised), mille korral Bell'i ebavõrdsused rikkuvad.
• Tulemus: eksperimendid näitasid kvantmehaanika ennustuste kinnitust — seega lokaalne realism ei sobi kvantilisele korrelatsioonile.

Katsed ja nende tähendus

1960.–70. aastatel viidi läbi mitmeid katselisi kontrollimisi (näiteks Freedmani ja Clauseri varasemad katsed), 1980. aastate varasemad märkimisväärsed katsed olid Alain Aspecti eksperimendid, mis leidsid selge rikkumise Bell'i ebavõrdsustele. Hiljem on tehtud üha kindlamaid katseid, mis kontrollivad erinevaid „auksid“ (loopholes) — alates 2015. aastast on olemas ka mitmeid nii-öelda aukudeta (loophole-free) katseid, mis toetavad kvantmehaanika ennustusi.

Bell'i teoreemi ja sellele järgnevad katsed näitasid, et kas peame loobuma kohaliku realismi ideest või aktsepteerima mingit teist fundamentaalset ümbermõtestamist. Enamik füüsikuid järeldab tänapäeval, et looduse kvantkorrelatsioonid on reaalsed ja neid ei saa seletada lihtsate kohalike varjatud muutujatega.

Praktiline tähtsus ja pärand

• Fondi- ja filosoofiline mõju: Bell pani aluse kvantmehaanika fundamentaalsete küsimuste eksperimentaalsele uurimisele ja sundis uuesti läbi mõtlema asjaolu, mida „reaalsus“ füüsikas tähendab.
• Tehnoloogiline mõju: Bell'i tööl põhinev arusaam põimunud olekutest on tänapäeval kvantinfoaluste tehnoloogiate (kvantkrüptograafia, kvantarvutus, kvantteleportatsioon) aluseks.
• Akadeemiline pärand: Bell on jätkuvalt oluline figuur kvantteooria interpretatsioonide ja fundamentaalsete eksperimentide valdkonnas.

Lisalugemine

Tõsiasja huvilistele on Bell'i algne artikkel kättesaadav ning see on väga soovitatav lugemiseks neile, kes tahavad mõista tema argumendi täpsust: http://www.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Bell%20(1964)_Bell%27s%20theorem.pdf

Bell'i töö on keeruline nii matemaatiliselt kui ka kontseptuaalselt, kuid selle keskne sõnum on selge: kvantmaailm ei käitu samamoodi nagu meie igapäevane klassikaline kujutluspilt lokaalsest ja määratletud reaalsusest.

Küsimused ja vastused

K: Kes oli John Stewart Bell?

K: Mida andis John Stewart Bell kvantfüüsikasse?

K: Kus sündis John Stewart Bell?

K: Kus sai John Stewart Bell oma bakalaureusekraadi?

K: Kus omandas John Stewart Bell doktorikraadi?

K: Mis on John Stewart Belli töö pealkiri, millega tutvustas Belli teoreemi?

K: Millal avaldati John Stewart Belli artikkel "On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox"?

Otsing