چرا جان استوارت بل برای ده ها سال مکانیک کوانتومی را تعقیب می کند

برخی فکر می کنند که در اتاق زیر شیروانی خود یک poltergeist دارند ، برخی می گویند که در شبهای تاریک ارواح را دیدند – من جان استوارت بل را دارم. تحقیقات فیزیکدان و وراثت شدید او سالها مرا تحت تعقیب قرار می دهد.

من حدس می زنم که نباید تعجب کنم. آیا تا به حال در مورد کمیت آنچه که ما تجربه می کنیم فکر کرده اید همانطور که واقعیت در واقع ، عینی ، بدون ابهام است؟ من باید این کار را انجام دهم ، یا نتوانستم در مورد ماهیت فضا و زمان و فعالیتهای پیچیده در زمینه کوانتومی بنویسم. بل همچنین دوست داشت در مورد این چیزها فکر کند و کار او برای همیشه شیوه درک آنها را تغییر داده است.

وی در سال 1928 در بلفاست متولد شد و به هر حال ، یک کودک فوق العاده کنجکاو و درخشان بود. او به فیزیک اولیه آویزان شد و اولین کنسرت خود را به عنوان یک تکنسین آزمایشگاه در سن 16 سالگی برنده شد. وی در فیزیک نظری و تجربی آموزش دیده است و بخش بزرگی از کار خود را در دنیای شتاب دهنده های ذرات ایجاد کرده است ، جایی که او روی محاسبات پیچیده ای کار کرده است که اکنون آنها را به سمت سویان سازان منتقل می کنیم. اما آنچه واقعاً شب زنگ را نگه داشت ، ترک هایی بود که او در پایه های تئوری کوانتومی دید.

امروز ، این یک زمینه فیزیک مستقر است و بسیاری از پزشکان آن در صفحات ارائه شده اند دانشمند جدید – فیزیک معاصر با کسانی که سؤالاتی در مورد مرز فیزیک ، ریاضیات و فلسفه می پرسند خصمانه نیست. با این حال ، هنگامی که بل به عنوان یک محقق آمد ، فیزیکدانان همیشه توسط مباحث بین موج اول تئوری بزرگ – افرادی مانند نیلز بور و آلبرت انیشتین – مورد توجه قرار می گرفتند و آنها را تأسیس یا فکر می کردند که آنچه باقی مانده است مسئله فلسفه است تا فیزیک.

بنابراین بل فقط بعد از ساعت ها کار می کرد ، تقریباً مثل یک سرگرمی. این در سال 1963 تغییر کرد که او و همسرش ، همچنین یک فیزیکدان موفق ، مرخصی های شنبه را از کار شتاب دهنده خود گرفتند و بل این بار استفاده کرد تا سرگرمی خود را در یک جفت مقاله بنیانگذار تغییر دهد. اگرچه آنها بدون فن دریافت شده و سالهاست که مورد غفلت واقع می شوند ، اما اهمیت آنها را نمی توان بیش از حد ارزیابی کرد.

بل خطی از این سؤال فلسفی را در دست گرفت و آن را به چیزی تبدیل کرد که می تواند در یک آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گیرد. این امر بر ایده “متغیرهای پنهان” در مکانیک کوانتومی متمرکز شده بود.

همانطور که توسط بور و همکارانش در دهه 1920 و 30 ساخته شده است ، مکانیک کوانتومی دوست یقین یا جبرگرایی نیست. متأسفانه مشهور ، می توانید خیلی کم بگویید که قطعاً روی یک شی کوانتومی است تا زمانی که با آن ارتباط برقرار کنید. شما می توانید پیش بینی کنید که در هنگام اندازه گیری ، چه خواصی می تواند داشته باشد ، اما فقط به صورت احتمالی. به عنوان مثال ، شما ممکن است بدانید که یک الکترون در هنگام اندازه گیری آن ، 98 ٪ از انرژی خاصی برای داشتن مقدار مشخصی از انرژی دارد و 2 ٪ احتمال داشتن انرژی دیگر را دارد ، اما موردی که واقعاً کاملاً تصادفی است.

چگونه طبیعت تصمیم می گیرد که به طور تصادفی چه انرژی به شما خدمت کند؟ توضیح این است که در اینجا واقعاً فرصتی نیست ، اما برخی از خصوصیات – متغیرهای خاص – از محققان پنهان هستند. اگر آنها به سادگی بتوانند این متغیرهای پنهان را بچسبانند ، فیزیکدانان می توانند پیش بینی مطلق را به نظریه کوانتومی بیاورند.

بل آزمایشی را طراحی کرده است که می تواند نوار گسترده ای از تئوری های پنهان از رقابت برای جایگزینی یا حداقل اصلاح نظریه کوانتومی را از بین ببرد. این آزمایش دو آزمایشگر را ارائه می دهد ، که به طور کلی با نام مستعار آلیس و باب. جفت ذرات درهم و برهم چندین بار تولید می شوند ، سپس یک ذره در هر جفت به آلیس ارسال می شود ، در حالی که ذرات شریک آن در آزمایشگاه دوردست به باب می رود. با دریافت ذرات خود ، آلیس و باب هرکدام برای اندازه گیری یک خاصیت خاص تصمیم می گیرند. به عنوان مثال ، آلیس می تواند چرخش ذرات خود را اندازه گیری کند.

در عین حال ، باب همچنین اقدامات خود را انجام می دهد و نحوه انجام آنها را انتخاب می کند ، اما آلیس و باب در طول تجربه ارتباط برقرار نمی کنند. در پایان ، آنها داده های مربوطه خود را به معادله ای که بل در سال 1964 به دست آورد ، متصل می کنند. این معادله “نابرابری” داده های مربوط به همبستگی بین اقدامات آلیس و باب را آزمایش می کند. حتی بدون اثرات کوانتومی ، همبستگی خاصی می تواند به طور اتفاقی رخ دهد. اما بل سطح همبستگی را تعیین کرده است که نشان می دهد اتفاق دیگری رخ می دهد: ذرات به شکلی با همبستگی هستند که فقط در فیزیک کوانتومی وجود دارد و تنها در صورت وجود متغیرهای پنهان محلی می تواند وجود داشته باشد.

به این ترتیب ، آزمایش بل بیش از تشخیص نظریه کوانتومی به عنوان توصیف بهتر واقعیت ما از این تئوری های قطعی است – همچنین در خاصیت عجیب “غیر جامعه پذیری” به عنوان چیزی که به نظر می رسد ویژگی عجیب واقعیت ما است ، صفر صفر است. غیر محلی بودن به این معنی است که اشیاء کوانتومی می توانند ارتباط برقرار کنند و رفتارهای آنها بدون در نظر گرفتن فاصله آنها می تواند با همبستگی ناگسستنی باقی بماند. انیشتین یک انتقاد بزرگ از این امر بود ، تا حدودی به دلیل اینکه به طور ناراحتی نزدیک به ارتباط فوری بین اشیاء بود ، که با نظریه او در مورد نسبیت ویژه کاملاً ممنوع است.

بل به شکلی از انیشتین بود ، اما هوس واقعیت جسمی باعث شد که او در نهایت بت خود را اثبات کند. آزمایش او به انگشت محکم به سمت دنیای کوانتومی ما اشاره کرده است ، چیزی که محققان هنوز هم امروز در حال تلاش هستند ، به ویژه با توجه به شکاف ظاهراً غیرقابل تحمل بین تئوری کوانتومی و بهترین درک ما از گرانش توسعه یافته توسط انیشتین.

من هیچ اشاره ای به بل پیدا نکردم که در واقع روی پیاده سازی های آزمایشی خود در آزمون او کار کند ، و این مدت طولانی است که از نظر فنی دشوار است. اگرچه اولین تجربه از این نوع در سال 1972 به پایان رسید ، اما تا سال 2015 برای یک آزمایش بدون آزمایش – تا حد امکان سختگیرانه – طول کشید تا در نهایت آخرین ناخن را در تابوت نظریه های محلی مخفی قرار دهد. در سال 2022 ، فیزیکدانان Alain ظاهر ، جان اف. کلاوزر و آنتون زیلینگر به طور مشترک جایزه نوبل فیزیک را برای چندین دهه کار خود در مورد این تجربیات دریافت کردند.

پس چرا من هنوز جان استوارت بل را در هر کجا که می چرخم می بینم؟ آیا من در معرض نفرین کوانتومی قرار گرفته ام؟

پاسخ کوتاه این است که کار او و تمام تجربیاتی که آن را آزمایش کرده است ، تقریباً به همان اندازه سؤالات مربوط به فیزیک کوانتومی و ماهیت واقعیت جسمی که تصمیم به بستن آنها گرفته اند ، باز شده است. به عنوان مثال ، در حالی که بسیاری از فیزیکدانان موافق هستند که دنیای ما به سادگی محلی نیست ، برخی همیشه سعی می کنند دقیقاً مشخص کنند که کدام مکانیسم فیزیکی زیربنای عدم ورود به سیستم است. برخی دیگر برای توسعه نظریه های پنهان جدید تلاش می کنند که با آزمایش زنگ نمی توان مسدود کرد. برخی دیگر هنوز هم با دقت تمام فرضیه های ریاضی را که بل از دهه 1960 در اوراق بهادار خود ساخته بود ، باز می کنند. به نظر می رسد همه معتقدند که یافتن یک زاویه جدید در مورد کار بل ، یا پیچیدگی غفلت شده در او ، می تواند یک کلید اسکلت برای فشار آوردن به تفسیرهای نظریه کوانتومی فراتر از وضعیت فعلی او باشد و شاید حتی یک تئوری گریزان از همه چیز بسازد.

اثرات آموزش کار بل در همه جای فیزیک کوانتومی وجود دارد. در حقیقت ، ما ذرات درهم و برهم را به سادگی با تلاش برای انجام آزمایش های زنگ در 50 سال گذشته بهبود بخشیده ایم. اما این فقط آغاز است. چند هفته پیش ، من زمان زیادی را صرف صحبت کردن با فیزیکدانان کردم که راهی برای استفاده از کار بل برای طراحی تست های کوانتومی پیدا کردند تا بدانم که آیا اراده آزاد می تواند جزئی باشد ، یعنی می توان گفت اگر آزادی انتخاب ما در بعضی موارد می تواند به صورت کیهانی محدود شود اما نه برخی دیگر. سپس ، من با تیم دیگری از محققان با تلفن بیرون رفتم ، احتمالاً برای بحث در مورد گرانش و ماهیت فضا و زمان ، اما من دوباره در مورد بل صحبت کردم. این فیزیکدانان از رویکرد وی الهام گرفته بودند و می خواستند آزمایشی مشابه با او اما برای خصوصیات گرانشی واقعیت را تصور کنند ، نه کوانتومی.

من فکر می کنم که چرا نمی توانم از بل فرار کنم – توانایی او در تبدیل مشکلات فلسفی به آزمایشات ملموس واقعیت ، نشانگر جذابیت در قلب فیزیک است. وعده فیزیک این است که می تواند به ما کمک کند تا از طریق تجربیات گیج ترین اسرار در جهان را کنار بگذاریم و آزمایش بل یک تجسم فوق العاده زیبا از این قول است.

اگر مجبور شدم از چیزی غافلگیر شوم ، نمی توانستم صادقانه بخواهم روح بهتری داشته باشم.

سوژه ها: