Джон Стюарт Белл FRS [2] (28 июля 1928 – 1 октября 1990) [3] был физиком из Северной Ирландии и создателем теоремы Белла , важной теоремы в квантовой физике, касающейся теорий скрытых переменных . [4] [5] [6] [7] [8]
В 2022 году Нобелевская премия по физике была присуждена Алену Аспекту , Джону Клаузеру и Антону Цайлингеру за работу над неравенствами Белла и экспериментальное подтверждение теоремы Белла. [а] [9]
Белл родился в Белфасте , Северная Ирландия . Когда ему было 11 лет, он решил стать учёным и в 16 окончил Белфастскую техническую среднюю школу. Затем Белл поступил в Королевский университет в Белфасте , где в 1948 году получил степень бакалавра экспериментальной физики, а год спустя — степень бакалавра математической физики. В 1956 году он защитил докторскую диссертацию по физике в Бирмингемском университете , специализируясь на ядерной физике и квантовой теории поля . В 1954 году он женился на Мэри Росс, также физике, с которой познакомился во время работы над физикой ускорителей в Малверне, Великобритания. [10] : 139 Белл стал вегетарианцем в подростковом возрасте. [11] По словам жены, Белл был атеистом . [12]
Карьера Белла началась в Британском научно-исследовательском институте атомной энергии , расположенном недалеко от Харвелла, Оксфордшир , известном как AERE или Лаборатория Харвелла . В 1960 году он перешёл на работу в Европейскую организацию ядерных исследований ( CERN , Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ) в Женеву , Швейцария . [13] Там он работал почти исключительно над теоретической физикой элементарных частиц и проектированием ускорителей, но нашел время, чтобы заняться серьезным делом , исследуя основы квантовой теории . В 1987 году он был избран иностранным почетным членом Американской академии искусств и наук . том « Курс теоретической физики Льва Ландау и Евгения Лифшица» , сделав эти работы доступными для англоязычной аудитории в переводе, все из которых остаются в печати.
Белл был сторонником теории пилотных волн . [15] В 1987 году, вдохновленный теорией Жирарди-Римини-Вебера , он также выступал за теории коллапса. [16] Он сказал об интерпретации квантовой механики: «Ну, видите ли, я действительно не знаю. Для меня это не то, что я могу продать!» [17]
.jpg/1280px-John_Bell_commenting_the_famous_Bell's_inequalities_(8206241).jpg)
В 1964 году, после годового отпуска из ЦЕРН , который он провел в Стэнфордском университете , Университете Висконсин-Мэдисон и Университете Брандейса , Белл написал статью под названием «О парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена ». [18] В этой работе он показал, что продолжение анализа ЭПР [19] позволяет вывести знаменитую теорему Белла . [20] Полученное неравенство, выведенное из основных предположений, применимых ко всем классическим ситуациям, нарушается квантовой теорией.
Существуют некоторые разногласия относительно того, что может означать неравенство Белла – в сочетании с анализом ЭПР . Белл считал, что не только локальные скрытые переменные , но и любые локальные теоретические объяснения должны противоречить предсказаниям квантовой теории: «Известно, что в примере Бома с корреляциями ЭПР, включающими частицы со спином, существует непреодолимая нелокальность ». [21] : 196 Согласно альтернативной интерпретации, не все локальные теории в целом, а только локальные теории скрытых переменных (или « локальные реалистические » теории) оказались несовместимыми с предсказаниями квантовой теории.
Интерес Белла к скрытым переменным был мотивирован существованием в формализме квантовой механики «подвижной границы» между квантовой системой и классическим аппаратом:
Возможно, мы найдем именно то место, где проходит граница. Для меня более правдоподобным является то, что мы обнаружим, что границы нет. ... Волновые функции оказались бы предварительным или неполным описанием квантово-механической части, объективное объяснение которой стало бы возможным. Именно эта возможность однородного описания мира является для меня главной мотивацией изучения возможности так называемой «скрытой переменной». [21] : 30
Белл был впечатлен тем, что в формулировке нелокальной теории скрытых переменных Дэвида Бома такая граница не нужна, и именно это пробудило в нем интерес к этой области исследований. Белл также раскритиковал стандартный формализм квантовой механики на основании отсутствия физической точности:
Известные мне хорошие книги не особо заботятся о физической точности. Это ясно уже из их словаря. Вот несколько слов, которые, какими бы законными и необходимыми они ни были, не имеют места в формулировках , претендующих на физическую точность: система , аппарат , окружающая среда , микроскопический , макроскопический , обратимый , необратимый , наблюдаемый , информация , измерение . … В этом списке плохих слов из хороших книг самое страшное — «измерение». [21] : 215
Но если Беллу нужно было тщательно изучить жизнеспособность теории Бома, ему нужно было ответить на вызов так называемых доказательств невозможности скрытых переменных. Белл обратился к этим вопросам в статье, озаглавленной «О проблеме скрытых переменных в квантовой механике». [22] (На самом деле Белл написал эту статью до своей статьи о парадоксе ЭПР, но она появилась только два года спустя, в 1966 году, из-за задержек с публикацией. [10] : 144 ). Здесь он показал, что Джон фон Нейман Аргумент s [23] не доказывает невозможность скрытых переменных, как широко утверждалось, из-за того, что он опирается на физическое предположение, которое неприменимо для квантовой механики, а именно, что средневзвешенное по вероятности суммы наблюдаемых величин равно сумма средних значений каждой из отдельных наблюдаемых величин. [10] : 141 Этот недостаток в доказательстве фон Неймана был ранее обнаружен Гретой Герман в 1935 году, но не стал общеизвестным до тех пор, пока он не был заново открыт Беллом. [24] Белл, как сообщается, сказал: «Доказательство фон Неймана не просто ложно, но и глупо !» [25] : 88 В этой же работе Белл показал, что более сильные попытки такого доказательства (основанного на теореме Глисона ) также не могут устранить программу скрытых переменных.
Однако в 2010 году Джеффри Баб опубликовал аргумент, что Белл (и, косвенно, Герман) неправильно истолковал доказательство фон Неймана, заявив, что оно не пытается доказать абсолютную невозможность скрытых переменных и, в конце концов, не является ошибочным. [26] (Таким образом, именно физическое сообщество в целом неверно истолковало доказательство фон Неймана как универсально применимое.) Баб приводит доказательства того, что фон Нейман понимал пределы своего доказательства, но нет никаких записей о попытках фон Неймана исправить почти универсальное неверное толкование, которое сохранялось более 30 лет и существует в некоторой степени по сей день. Доказательство фон Неймана на самом деле не применимо к контекстуальным скрытым переменным, как в теории Бома. [27]
В 1972 году был проведен эксперимент, который при экстраполяции на идеальную эффективность детектора показал нарушение неравенства Белла. Это был первый из многих подобных экспериментов. Сам Белл на основании этих экспериментов пришел к выводу: «Теперь кажется, что нелокальность глубоко укоренилась в самой квантовой механике и сохранится при любом ее завершении». [21] : 132 Это, согласно Беллу, также подразумевает, что квантовая теория не является локально причинной и не может быть встроена ни в какую локально причинную теорию. Белл выразил сожаление, что результаты тестов не согласуются с концепцией локальных скрытых переменных:
Для меня вполне разумно предположить, что фотоны в этих экспериментах несут с собой заранее согласованные программы, указывающие им, как вести себя. Это настолько рационально, что я думаю, что когда Эйнштейн увидел это, а другие отказались это видеть, он был разумным человеком. Остальные люди, хотя история их и оправдала, прятали головы в песок. ... Так что мне жаль, что идея Эйнштейна не работает. Разумные вещи просто не работают». [28] : 84
Белл, казалось, смирился с мыслью, что будущие эксперименты будут продолжать согласовываться с квантовой механикой и нарушать его неравенство. Ссылаясь на тестовые эксперименты Белла , он заметил:
Мне трудно поверить, что квантовая механика, очень хорошо работающая для нынешних практических установок, тем не менее потерпит неудачу при повышении эффективности противодействия...» [21] : 109
Некоторые люди продолжают верить, что согласие с неравенствами Белла еще можно сохранить. Они утверждают, что в будущем гораздо более точные эксперименты могут выявить, что одна из известных лазеек , например, так называемая «лазейка для справедливой выборки», искажает интерпретации. Большинство ведущих физиков крайне скептически относятся ко всем этим «лазейкам», признавая их существование, но продолжая верить, что неравенства Белла не работают.
Белл по-прежнему интересовался объективной квантовой механикой, «свободной от наблюдателя». [29] Он считал, что на самом фундаментальном уровне физические теории должны иметь дело не с наблюдаемыми, а с «возможностями»: «Возможности теории — это те элементы, которые могут соответствовать элементам реальности, вещам, которые существуют. Их существование не зависит от «наблюдения». [21] : 174 На него произвели впечатление скрытые переменные Бома как пример такой схемы, и он подверг критике более субъективные альтернативы, такие как копенгагенская интерпретация . [21] : 92, 133, 181
Белл и его жена Мэри Росс Белл , также физик, внесли существенный вклад в физику ускорителей элементарных частиц, а вместе с многочисленными молодыми теоретиками в ЦЕРНе Белл разработал саму физику элементарных частиц. Обзор этой работы доступен в сборнике сочинений под редакцией Мэри Белл, Курта Готфрида и Мартинуса Вельтмана. [30] Помимо своих исследований в области физики элементарных частиц, Белл часто поднимал вопрос о понимании специальной теории относительности, и хотя доступен только один письменный отчет по этой теме («Как преподавать специальную теорию относительности»), [21] : 67–80 это была для него критической темой. Белл восхищался вкладом Эйнштейна в специальную теорию относительности, но предупредил в 1985 году: «Подход Эйнштейна, на мой взгляд, ... опасен с педагогической точки зрения». [31] : ix В 1989 году по случаю столетия со дня сокращения тела Лоренца-Фитцджеральда Белл пишет: «О сокращении Фитцджеральда было написано много чепухи». [30] Белл предпочитал думать о сокращении Лоренца-Фитцджеральда как о явлении, которое реально и наблюдаемо как свойство материального тела, что также было мнением Эйнштейна, но, по мнению Белла, подход Эйнштейна оставляет много места для неправильной интерпретации. Эту ситуацию и подоплеку позиции Белла подробно описывает его соратник Иоганн Рафельски в учебнике «Относительность имеет значение» (2017). [31] Чтобы бороться с заблуждениями, связанными с сокращением тела Лоренца-Фитцджеральда, Белл принял и пропагандировал релятивистский мысленный эксперимент, который стал широко известен как парадокс космического корабля Белла .
Белл неожиданно умер от кровоизлияния в мозг в Женеве в 1990 году. [32] [33] [34] Белл не знал, что в том же году он, как сообщается, был номинирован на Нобелевскую премию. [35] : 3 [36] : 155 [1] : 374 Его вклад в решение проблем, поднятых EPR, был значительным. Некоторые считают, что он продемонстрировал провал локального реализма (локальных скрытых переменных). Собственная интерпретация Белла состоит в том, что сама местность погибла.
Другие работы Белла:
Хотя большую часть своей жизни он был атеистом, во время учебы в Королевском университете [Джон Белл] много дискутировал с другом-католиком Денисом МакКоналогом о дьяволе и даже ради спора посещал некоторые собрания Студенческого христианского движения.
Статья Джона Белла, опубликованная 4 ноября 1964 года, заложила основы современной области квантовой информатики.
Неконтекстуальные скрытые переменные — это те, которые фиксируют значения, вероятности или ожидаемые значения для всех квантово-механических наблюдаемых, независимо от какого-либо экспериментального контекста.
Доказательства невозможности фон Неймана (1932), Глисона (1957), Кохена и Спекера (1967) относятся к этому виду скрытых переменных.
