Hvorfor John Stewart Bell har hjemsøgt kvantemekanik i årtier

“Bell Test” blev udtænkt i 1960’erne for at afsløre, hvad der foregår i kvanteverdenen, men det er fortsat relevant i dag, siger Karmela Padavic-Callaghan

Nogle mennesker tror, ​​at de har en poltergeist på deres loft, andre siger, at de har set spøgelser på mørke nætter – jeg har John Stewart Bell. Fysikerens forskning og hans enorme arv har været hjemsøgt mig i årevis.

Jeg antager, at jeg ikke skulle blive overrasket. Tænker du nogensinde på, hvor meget af det, vi oplever, som virkeligheden, faktisk er objektivt, entydigt reel? Jeg må, eller jeg kunne ikke skrive om arten af ​​rum og tid og de indviklede ting i kvantområdet. Bell elskede også at overveje disse ting, og hans arbejde ændrede for evigt, hvordan vi forstår dem.

Han blev født i Belfast i 1928 og var under alle omstændigheder et usædvanligt nysgerrig og lyst barn. Han låst tidligt fast på fysik og landede sin første koncert som laboratorietekniker, da han var 16 år. Han blev trænet i både teoretisk og eksperimentel fysik og byggede meget af sin karriere i verden af ​​partikelacceleratorer, hvor han arbejdede på beregninger så komplekse, at vi nu henviser dem til supercomputere. Men hvad der virkelig holdt Bell op om natten, var de revner, han kunne se i grundlaget for kvanteteori.

I dag er dette et etableret fysikfelt, og mange af dets praktikere er blevet vist på siderne af Ny videnskabsmand – Moderne fysik er ikke uvenlig for dem, der stiller spørgsmål, der sidder ved grænsen til fysik, matematik og filosofi. Men da Bell kom op som forsker, blev fysikere stadig taget af debatten mellem Quantum Theory’s første bølge af storheder – folk som Niels Bohr og Albert Einstein – og enten betragtede dem som bosatte eller troede, at det, der var tilbage, var et spørgsmål om filosofi snarere end fysik.

Så Bell arbejdede kun på dem efter timer, næsten som en hobby. Det ændrede sig i 1963, da han og hans kone, også en dygtig fysiker, tog en sabbatsdag fra deres acceleratorarbejde, og Bell brugte den tid til at parlay sin hobby til et par sædbyer. Selvom de blev modtaget uden fanfare og blev stort set overset i årevis, kan deres betydning ikke overdrives.

Bell tog en linje af dette filosofiske spørgsmål og gjorde det til noget, der kunne undersøges i et laboratorium. Det centrerede om ideen om “skjulte variabler” i kvantemekanik.

Da det blev udviklet af Bohr og hans kolleger i 1920’erne og 30’erne, er kvantemekanik ingen ven til sikkerhed eller determinisme. Berygtet kan du sige meget lidt, der er definitivt om et kvanteobjekt, indtil du interagerer med det. Du kan forudsige, hvilke egenskaber det måtte have ved måling, men kun sandsynligt. For eksempel ved du muligvis, at en elektron har en 98 procent chance for at have en vis energi, når du måler det, og en 2 procent chance for at have en anden energi, men hvilken den faktisk vil være er helt tilfældig.

Hvordan bestemmer naturen, hvilken energi der tilfældigt tjener op til dig? En forklaring er, at det faktisk ikke er tilfældighed til spil her, men at nogle egenskaber – nogle variabler – er skjult for forskere. Hvis de bare kunne fastlægge, hvad disse skjulte variabler er, kunne fysikere bringe absolut forudsigelighed til kvanteteori.

Bell udtænkte en test, der ville eliminere et stort skår af skjulte-variable teorier fra konkurrence til erstatning eller i det mindste ændre kvante teori. Denne test kræver to eksperimenter, typisk kaldet Alice og Bob. Par med sammenfiltrede partikler produceres gentagne gange, derefter sendes en partikel i hvert par til Alice, mens dens partnerpartikel går til Bob på et fjernt laboratorium. Efter at have modtaget deres partikler vælger Alice og Bob hver uafhængigt at måle en bestemt egenskab. For eksempel kan Alice måle hendes partikels spin.

Samtidig foretager Bob også målinger og vælger, hvordan man gør dem, men Alice og Bob kommunikerer ikke under eksperimentet. I slutningen tilslutter de deres respektive data til en ligning, som Bell afledte i 1964. Denne “ulighed” ligning tester dataene for sammenhænge mellem Alice’s og Bobs målinger. Selv uden kvanteeffekter kan der opstå nogle sammenhænge ved en tilfældighed. Men Bell bestemte et korrelationsniveau, der viser, at der foregår noget andet: Partiklerne er korreleret på en måde, der kun findes i kvantefysik og ikke kan eksistere, hvis der er lokale skjulte variabler.

På denne måde gør Bells test mere end at diagnosticere kvanteteori som en bedre beskrivelse af vores virkelighed end disse deterministiske, skjulte-variable teorier-det nuller også på den ulige egenskab ved “ikke-lokalitet” som noget, der ser ud til at være et bisarr ved vores virkelighed. Ikke-lokalitet betyder, at kvanteobjekter kan opretholde en forbindelse, og at deres opførsel kan forblive uløseligt korreleret, uanset hvor langt fra hinanden de er. Einstein var en enorm kritiker af dette, delvis fordi det var ubehageligt tæt på øjeblikkelig kommunikation mellem genstande, hvilket er strengt forbudt af hans teori om særlig relativitet.

Bell var noget af en acolyte af Einsteins, men vagarierne i den fysiske virkelighed førte til, at han i sidste ende beviste sit idol forkert. Hans test pegede en fast finger mod vores verden som kvant, noget som forskere stadig kæmper med i dag, især når det kommer til den tilsyneladende ubrydelige kløft mellem kvanteteori og vores bedste forståelse af tyngdekraften som udviklet af Einstein.

Jeg kunne ikke finde nogen omtale af Bell, der faktisk arbejdede med eksperimentelle implementeringer af hans test selv, og det viste sig længe at være teknologisk vanskeligt. Mens det første sådanne eksperiment blev afsluttet i 1972, tog det indtil 2015 for en test fri for smuthuller-så streng som muligt-til endelig at sætte den sidste søm i kisten af ​​lokale skjulte-variable teorier. I 2022 blev fysikerne Alain Aspect, John F. Clauser og Anton Zeilinger i fællesskab tildelt Nobelprisen i fysik i deres årtier med arbejde med disse eksperimenter.

Så hvorfor ser jeg stadig John Stewart Bell overalt, hvor jeg vender mig? Er jeg blevet udsat for en kvanteforbanding?

Det korte svar er, at hans arbejde og alle de eksperimenter, der testede det, åbnede næsten lige så mange spørgsmål om kvantefysik og arten af ​​den fysiske virkelighed, som de forsøgte at svare på. For eksempel, mens mange fysikere er enige om, at vores verden simpelthen er ikke-lokal, prøver nogle stadig at finde ud af nøjagtigt, hvilken fysisk mekanisme der ligger til grund for ikke-lokalitet. Andre arbejder på at udvikle nye skjulte-variable teorier, der ikke kan stymmes af Bells test. Endnu andre afslører andre omhyggeligt enhver og alle matematiske antagelser, som Bell fremsatte i sine papirer fra 1960’erne. Alle af dem ser ud til at tro, at det at finde en ny vinkel på Bells arbejde, eller nogle overset indvikling inden for det, kan være en skeletnøgle til at skubbe fortolkninger af kvanteteori ud over dens nuværende tilstand og måske endda konstruere en undvigende teori om alt.

Rippeleffekterne fra Bells arbejde er overalt i kvantefysik. Faktisk blev vi bedre til at sammenfiltrende partikler blot ved at prøve at lave klokketest i løbet af de sidste 50 år. Men det er bare starten. For et par uger siden brugte jeg masser af tid på at tale med fysikere, der fandt en måde at udnytte Bells arbejde på at udtænke kvantetest for, om fri vilje kan være delvis, dvs. om vores valgfrihed i nogle tilfælde kan begrænses kosmisk, men ikke andre. Derefter kom jeg på telefonen med et andet team af forskere, formodentlig for at diskutere tyngdekraften og arten af ​​rum og tid, men endte med at tale om Bell endnu en gang. Disse fysikere blev inspireret af hans tilgang og ønskede at udtænke en test, der ligner hans, men for gravitationsegenskaber af virkeligheden, snarere end kvante.

Også dette er jeg en del af, hvorfor jeg ikke kan undslippe Bell – hans evne til at omdanne filosofiske spørgsmål til konkrete tests af virkeligheden afspejler lokkemad i kernen i fysik. Løftet om fysik er, at det kan hjælpe os med at chip væk ved verdens mest forvirrende mysterier gennem eksperimenter, og Bells test er en utrolig elegant udførelsesform for dette løfte.

Hvis jeg skal være hjemsøgt af noget, kunne jeg ærligt ikke bede om et bedre spøgelse.