Bells teorem – Bell-ojämlikheten och dolda variabler i kvantmekanik
Upptäck Bells teorem och Bell-ojämlikhetens betydelse för kvantmekanik — hur experiment utesluter dolda variabler och formar vår förståelse av verkligheten.
Bells sats, även kallad "Bells ojämlikhet", är ett tankeexperiment. När den kombineras med verkliga experiment visar den att det inte finns några dolda variabler som kan förklara vissa av kvantmekanikens konsekvenser. Denna studie, som är nära relaterad till kvantmekaniken, gjordes av John Stewart Bell.
Vad handlar Bells sats om?
Bell ställde upp ett testbart krav (en ojämlikhet) som alla teorier med lokala dolda variabler måste uppfylla. Med "lokal" menas att ingen information kan färdas snabbare än ljuset, och med "dolda variabler" menas att partiklar bär på förutbestämda egenskaper som bestämmer mätresultaten. Bell visade att kvantmekaniken för vissa tillstånd (särskilt intrasslade eller entangled tillstånd) förutsäger korrelationer som bryter mot dessa ojämlikheter.
Varför var detta viktigt?
- EPR-paradoxen: Redan 1935 beskrev Einstein, Podolsky och Rosen (EPR) att kvantmekaniken verkade ofullständig om man krävde lokal realism. De föreslog att dolda variabler kunde återupprätta en klassisk förklaring.
- Bells bidrag: Bell gav ett konkret sätt att skilja mellan kvantmekanik och alla teorier med lokal realism genom experiment. Istället för filosofiska argument blev det en empirisk fråga.
En enkel förklaring (utan matematik)
Föreställ dig två partiklar som skapas ihop så att deras egenskaper är korrelerade. Om varje partikel redan bär på ett komplett "recept" (dolda variabler) för vilka resultat som uppmäts, då kan man härleda gränser för hur starka korrelationerna kan vara. Kvantmekaniken förutsäger dock starkare korrelationer för vissa inställningar. När experimenten mäter sådana korrelationer som överskrider Bell-ojämligheterna, visar det att inget lokalt recept kan förklara resultaten.
Experimentella tester
Från 1970-talet och framåt har många experiment utförts för att testa Bells ojämlikheter. Tidiga experiment av bland andra Clauser och Freedman samt senare av Alain Aspect på 1980-talet visade tydliga brott mot Bell-ojämligheterna, i överensstämmelse med kvantmekanikens förutsägelser. Under 2000-talet och särskilt 2015 genomfördes flera så kallade "loophole-free" experiment (t.ex. Hensen et al.) som samtidigt stängde de största experimentella luckorna, och även dessa bekräftade kvantmekaniken.
Vanliga begrepp och "loopholes"
- Locality (lokalitet): Mätningen vid en plats påverkar inte omedelbart mätningen någon annanstans.
- Detektionsluckan (fair-sampling): Om endast en delmängd av händelserna registreras kan resultaten snedvridas. Moderna experiment minskar denna effekt.
- Lokalitetsluckan: Man måste se till att mätvalen och mätningarna är rumsligt separerade så att inga ljushastighets- eller signalpåverkningar kan förklara korrelationerna.
- Frihets- eller valssjälvständighets-luckan: Antagandet att mätinställningarna väljs oberoende av de dolda variablerna är viktigt. Vissa experiment använder randomiserare eller kosmiska källor för att motverka denna invändning.
Tolkningar och vad som inte följer
- Bells resultat visar att man måste ge upp antingen lokalitet eller realism (att mätvärden redan existerar oberoende av mätning), eller anta någon mindre vanlig lösning (t.ex. retrokausalitet eller många världar). Vilken väg som är mest rimlig beror på tolkning av kvantmekaniken.
- Det är viktigt att förstå att Bells sats inte innebär att man kan skicka information snabbare än ljuset. De korrelationer som observeras kan inte användas för överföring av meddelanden snabbare än ljuset.
Slutsats
Bells sats är ett av de mest centrala resultaten i fundamentala frågor om kvantmekanik. Genom att omvandla en filosofisk debatt (EPR) till en mätbar skillnad mellan teorier har Bell gjort det möjligt att via experiment visa att världen inte kan beskrivas av någon teori som både är lokal och har dolda variabler i klassisk mening. Resultaten har lett till djupare insikter om intrassling, lika väl som till tekniska tillämpningar inom kvantinformation och kvantkryptografi.
Brian Greenes analogi
Brian Greenes analogi
Följande analogi har tillhandahållits av Brian Greene: Par lådor har förberetts och skickats till jorden och Vulcan. Det finns något inuti som visar ett ljus när en dörr öppnas. Om samma dörrar öppnas för båda medlemmarna i paret kommer båda lamporna att lysa blått eller båda lamporna kommer att lysa rött. Vad händer om olika dörrar öppnas? Kanske chansen att ett rött eller blått ljus visas har fastställts av tillverkaren av lådorna. Eller kanske beror det på ett individuellt myntkast i varje låda om ett rött ljus eller ett blått ljus dyker upp. Hur kan vi veta det?
I ett system som fungerar på samma sätt som kvantmekaniken har vi 50 procents sannolikhet för att ett par dörrar (på den grå, vita eller svarta sidan av varje ruta i det schematiska diagrammet) kommer att leda till en träff. Jorden skulle till exempel kunna öppna dörren på den grå sidan av sin låda och Vulcan skulle kunna öppna dörren på den svarta sidan av sin låda. Kvantfysiken säger att hälften av tiden bör de få en träff. Men om beslutet att producera en viss färg för var och en av de öppnade dörrarna programmeras in i båda lådorna, finns det en chans på 55 % eller mer att få en matchning.
| G-W-B | Välj | Välj | Välj | Välj | Välj | Välj | Välj | Välj | Välj | % matchade | |
| Förinställd | B-B-R | G-G | G-W | G-B | W-G | W-W | W-B | B-G | B-W | B-B | |
| Match? | ja | ja | ingen | ja | ja | ingen | ingen | ingen | ja | 55% | |
| Förinställd | B-R-B | G-G | G-W | G-B | W-G | W-W | W-B | B-G | B-W | B-B | |
| Match | ja | ingen | ja | ingen | ja | ingen | ja | ingen | ja | 55% | |
| Förinställd | B-R-R-R | G-G | G-W | G-B | W-G | W-W | W-B | B-G | B-W | B-B | |
| Match | ja | ingen | ingen | ingen | ja | ja | ingen | ja | ja | 55% | |
| Förinställd | R-B-B | G-G | G-W | G-B | W-G | W-W | W-B | B-G | B-W | B-B | |
| Match | ja | ingen | ingen | ingen | ja | ja | ingen | ja | ja | 55% | |
| Förinställd | R-B-R | G-G | G-W | G-B | W-G | W-W | W-B | B-G | B-W | B-B | |
| Match | ja | ingen | ja | ingen | ja | ingen | ja | ingen | ja | 55% | |
| Förinställd | R-R-B | G-G | G-W | G-B | W-G | W-W | W-B | B-G | B-W | B-B | |
| Match | ja | ja | ingen | ja | ja | ingen | ingen | ingen | ja | 55% |
Bell hävdar att eftersom det i verkliga experiment bara är 50 procent av alla försök att "öppna olika dörrar", kan det inte finnas några dolda variabler som skulle ha "valt" tillstånd för alla sex alternativen.
Den analogi som ges här följer nära den som Brian Greene använder i The Fabric of the Cosmos, s. 107ff.
Frågor och svar
F: Vad är Bells teorem?
S: Bells sats är ett tankeexperiment som, när det kombineras med verkliga experiment, visar att det inte finns några dolda variabler som kan förklara vissa av kvantmekanikens resultat.
F: Vem genomförde studien bakom Bells sats?
S: John Stewart Bell genomförde studien bakom Bells sats.
F: Vad är betydelsen av Bells sats?
S: Bells sats visar att vissa aspekter av kvantmekaniken inte kan förklaras med dolda variabler, och bidrar därmed till att öka vår förståelse av universums natur.
F: Vad är ett annat namn för Bells sats?
S: Bells sats kallas också "Bells ojämlikhet".
F: Är Bells sats relaterad till kvantmekanik?
S: Ja, Bells sats är nära besläktad med kvantmekaniken.
F: Vad säger Bells sats om dolda variabler?
S: Bells sats antyder att det inte finns några dolda variabler som kan förklara vissa resultat i kvantmekaniken.
F: Kan Bells sats bevisas genom verkliga experiment?
S: Ja, i kombination med verkliga experiment kan Bells sats användas för att visa att det inte finns några dolda variabler i vissa kvantmekaniska scenarier.
Sök