Alles wat u moet weten over de stelling van Bell

Door Queen's University Belfast (eigen werk) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons

De stelling van Bell is bedacht door de Ierse natuurkundige John Stewart Bell (1928-1990) om te testen of deeltjes al dan niet verbonden zijn door kwantumverstrengeling communiceren informatie sneller dan de snelheid van het licht. In het bijzonder zegt de stelling dat geen enkele theorie van lokale verborgen variabelen alle voorspellingen van de kwantummechanica kan verklaren. Bell bewijst deze stelling door de creatie van ongelijkheden van Bell, waarvan experimenteel is aangetoond dat ze worden geschonden in kwantumfysica-systemen, waarmee wordt bewezen dat een idee in het hart van lokale theorieën over verborgen variabelen onjuist moet zijn. De eigenschap die gewoonlijk ten val komt, is lokaliteit - het idee dat geen fysieke effecten sneller bewegen dan de ​ lichtsnelheid .

Kwantumverstrengeling

In een situatie waarin je er twee hebt deeltjes , A en B, die verbonden zijn door kwantumverstrengeling, dan zijn de eigenschappen van A en B gecorreleerd. De spin van A kan bijvoorbeeld 1/2 zijn en de draaien van B kan -1/2 zijn, of omgekeerd. Kwantumfysica vertelt ons dat totdat een meting is gedaan, deze deeltjes zich in een superpositie van mogelijke toestanden bevinden. De spin van A is zowel 1/2 als -1/2. (Zie ons artikel over de Schroedingers kat gedachte-experiment voor meer informatie over dit idee. Dit specifieke voorbeeld met deeltjes A en B is een variant van de Einstein-Podolsky-Rosen-paradox, vaak de genoemd EPR-paradox .)

Als u echter de spin van A meet, weet u zeker de waarde van de spin van B zonder deze ooit rechtstreeks te hoeven meten. (Als A spin 1/2 heeft, dan moet de spin van B -1/2 zijn. Als A spin -1/2 heeft, dan moet de spin van B 1/2 zijn. Er zijn geen andere alternatieven.) hart van de stelling van Bell is hoe die informatie wordt gecommuniceerd van deeltje A naar deeltje B.

Stelling van Bell op het werk

John Stewart Bell stelde het idee voor Bell's Theorem oorspronkelijk voor in zijn artikel uit 1964. Over de Einstein Podolsky Rosen-paradox .' In zijn analyse leidde hij formules af die de Bell-ongelijkheden worden genoemd, wat probabilistische uitspraken zijn over hoe vaak de spin van deeltje A en deeltje B met elkaar zouden moeten correleren als normale waarschijnlijkheid (in tegenstelling tot kwantumverstrengeling) zou werken. Deze ongelijkheden van Bell worden geschonden door kwantumfysica-experimenten, wat betekent dat een van zijn basisaannames onjuist moest zijn, en er waren slechts twee aannames die klopten - ofwel de fysieke realiteit of de plaats faalde.

Ga terug naar het hierboven beschreven experiment om te begrijpen wat dit betekent. Je meet de spin van deeltje A. Er zijn twee situaties die het resultaat kunnen zijn: ofwel heeft deeltje B onmiddellijk de tegenovergestelde spin, ofwel bevindt deeltje B zich nog steeds in een superpositie van toestanden.

Als deeltje B direct wordt beïnvloed door de meting van deeltje A, dan betekent dit dat de aanname van lokaliteit wordt geschonden. Met andere woorden, op de een of andere manier kwam een ​​'bericht' ogenblikkelijk van deeltje A naar deeltje B, ook al kunnen ze op grote afstand van elkaar worden gescheiden. Dit zou betekenen dat de kwantummechanica de eigenschap van niet-lokaliteit vertoont.

Als deze onmiddellijke 'boodschap' (d.w.z. niet-lokaliteit) niet plaatsvindt, dan is de enige andere optie dat deeltje B zich nog steeds in een superpositie van toestanden bevindt. De meting van de spin van deeltje B moet daarom volledig onafhankelijk zijn van de meting van deeltje A, en de Bell-ongelijkheden vertegenwoordigen het percentage van de tijd dat de spins van A en B in deze situatie gecorreleerd moeten zijn.

Experimenten hebben overweldigend aangetoond dat de ongelijkheden van Bell worden geschonden. De meest gebruikelijke interpretatie van dit resultaat is dat de 'boodschap' tussen A en B ogenblikkelijk is. (Het alternatief zou zijn om de fysieke realiteit van B's spin ongeldig te maken.) Daarom lijkt de kwantummechanica non-lokaliteit te vertonen.

Opmerking: Deze non-lokaliteit in de kwantummechanica heeft alleen betrekking op de specifieke informatie die verstrengeld zit tussen de twee deeltjes - de spin in het bovenstaande voorbeeld. De meting van A kan niet worden gebruikt om onmiddellijk enige andere informatie naar B over grote afstanden te verzenden, en niemand die B waarneemt, kan onafhankelijk bepalen of A al dan niet is gemeten. Volgens de overgrote meerderheid van interpretaties door gerespecteerde natuurkundigen staat dit geen communicatie toe die sneller is dan de snelheid van het licht.