stringtranslate.com

Джон Стюарт Белл

Джон Стюарт Белл , член Королевского общества [2] (28 июля 1928 г. – 1 октября 1990 г.) [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. [a] [9]

Биография

Ранняя жизнь и работа

Белл родился в Белфасте , Северная Ирландия . Когда ему было 11 лет, он решил стать ученым, и в 16 лет окончил Белфастскую техническую среднюю школу. Затем Белл поступил в Королевский университет Белфаста , где в 1948 году получил степень бакалавра по экспериментальной физике, а год спустя — степень бакалавра по математической физике. В 1956 году он получил докторскую степень 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 его жены, Белл был атеистом . [12]

Карьера Белла началась в Исследовательском центре по атомной энергии Великобритании , недалеко от Харвелла, Оксфордшир , известном как AERE или Харвелльская лаборатория . В 1960 году он перешел на работу в Европейскую организацию по ядерным исследованиям ( CERN , Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ) в Женеве , Швейцария . [13] Там он работал почти исключительно над теоретической физикой элементарных частиц и над проектированием ускорителей, но нашел время, чтобы заняться своим главным призванием — исследованием основ квантовой теории . В 1987 году он был избран почетным иностранным членом Американской академии искусств и наук. [14] Также важное значение в своей карьере имел тот факт, что Белл вместе с Джоном Брэдбери Сайксом, М. Дж. Кирсли и У. Х. Ридом перевел несколько томов десятитомного Курса 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 волны-пилота . [15] В 1987 году, вдохновленный теорией Жирарди–Римини–Вебера , он также отстаивал теории коллапса. [16] Он сказал об интерпретации квантовой механики: «Ну, видите ли, я на самом деле не знаю. Для меня это не то, где у меня есть решение, чтобы продать!» [17]

Теорема Белла

Белл обсуждает неравенство Белла в ЦЕРНе в 1982 году

В 1964 году, после годичного отпуска из ЦЕРНа , 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, которые применимы ко всем классическим ситуациям, нарушается квантовой теорией.

Существуют некоторые разногласия относительно того, что неравенство Белла — в сочетании с анализом ЭПР — можно считать подразумеваемым. 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 неприводимая нелокальность ». [21] : 196  Согласно альтернативной интерпретации, не все локальные теории в целом, а только теории локальных скрытых переменных (или теории « локального реализма ») оказались несовместимыми с предсказаниями квантовой теории.

Критика доказательства фон Неймана

Интерес Белла к скрытым переменным был мотивирован существованием в формализме квантовой механики «подвижной границы» между квантовой системой и классическим аппаратом:

Возможно, мы найдем точное место, где находится граница. Для меня более правдоподобно, что мы обнаружим, что границы нет. ... Волновые функции оказались бы предварительным или неполным описанием квантово-механической части, объективное описание которой стало бы возможным. Именно эта возможность, однородного описания мира, является для меня главной мотивацией изучения так называемой возможности «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 его интерес к этой области исследований. Белл также критиковал стандартный формализм квантовой механики на основании отсутствия физической точности:

Ведь известные мне хорошие книги не слишком озабочены физической точностью. Это ясно уже из их словаря. Вот несколько слов, которые, хотя и являются законными и необходимыми в применении, не имеют места в формулировке, претендующей на физическую точность: система , аппарат , среда , микроскопический , макроскопический , обратимый , необратимый , наблюдаемый , информация , измерение . ... В этом списке плохих слов из хороших книг худшее из всех — «измерение». [21] : 215 

Но если бы он хотел тщательно исследовать жизнеспособность теории Бома, Беллу нужно было ответить на вызов так называемых доказательств невозможности против скрытых переменных. Белл обратился к ним в статье под названием «О проблеме скрытых переменных в квантовой механике». [22] (Белл на самом деле написал эту статью до своей статьи о парадоксе ЭПР, но она появилась только через два года, в 1966 году, из-за задержек с публикацией. [10] : 144  ) Здесь он показал, что аргумент Джона фон Неймана [23] не доказывает невозможность скрытых переменных, как это широко утверждалось, из-за его опоры на физическое предположение, которое не является справедливым для квантовой механики, а именно, что среднее значение, взвешенное по вероятности, суммы наблюдаемых величин равно сумме средних значений каждой из отдельных наблюдаемых величин. [10] : 141  Этот недостаток в доказательстве фон Неймана был ранее обнаружен Гретой Германн в 1935 году, но не стал общеизвестным до тех пор, пока его не переоткрыл Белл. [24] Как сообщается, Белл сказал: «Доказательство фон Неймана не просто ложно, но и глупо !» [25] : 88  В этой же работе Белл показал, что более сильная попытка такого доказательства (основанная на теореме Глисона ) также не устраняет программу скрытых переменных.

Однако в 2010 году Джеффри Баб опубликовал аргумент о том, что Белл (и, неявно, Германн) неверно истолковали доказательство фон Неймана, заявив, что оно не пытается доказать абсолютную невозможность скрытых переменных и на самом деле не является ошибочным, в конце концов. [26] (Таким образом, именно физическое сообщество в целом неверно истолковало доказательство фон Неймана как применимое универсально.) Баб приводит доказательства того, что фон Нейман понимал ограничения своего доказательства, но нет никаких записей о том, что фон Нейман пытался 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]

Выводы из экспериментальных испытаний

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 пришел к выводу из этих экспериментов, что «теперь кажется, что нелокальность глубоко укоренена в самой квантовой механике и сохранится при любом ее завершении». [21] : 132  Это, по мнению Белла, также подразумевало, что квантовая теория не является локально причинной и не может быть встроена ни в одну локально причинную теорию. Белл сожалел, что результаты тестов не согласуются с концепцией локальных скрытых переменных:

Для меня так разумно предположить, что фотоны в этих экспериментах несут с собой программы, которые были заранее скоррелированы, говоря им, как себя вести. Это так рационально, что я думаю, что когда Эйнштейн увидел это, а другие отказались это видеть, он был рациональным человеком. Другие люди, хотя история и оправдала их, прятали головы в песок. ... Так что для меня жаль, что идея Эйнштейна не работает. Разумная вещь просто не работает." [28] : 84 

Белл, казалось, смирился с мыслью, что будущие эксперименты продолжат согласовываться с квантовой механикой и нарушат его неравенство. Ссылаясь на тестовые эксперименты Белла , он заметил:

Мне трудно поверить, что квантовая механика, прекрасно работающая в современных практических условиях, тем не менее, потерпит неудачу при повышении эффективности счетчиков..." [21] : 109 

Некоторые продолжают верить, что согласие с неравенствами Белла еще можно спасти. Они утверждают, что в будущем гораздо более точные эксперименты могли бы выявить, что одна из известных лазеек , например, так называемая «лазейка справедливой выборки», искажала интерпретации. Большинство физиков-основателей весьма скептически относятся ко всем этим «лазейкам», признавая их существование, но продолжая верить, что неравенства Белла должны быть неверны.

Белл оставался заинтересованным в объективной «свободной от наблюдателя» квантовой механике. [29] Он чувствовал, что на самом фундаментальном уровне физические теории должны были заниматься не наблюдаемыми, а «существующими»: «Условия существования теории — это те элементы, которые могли бы соответствовать элементам реальности, вещам, которые существуют. Их существование не зависит от «наблюдения»». [21] : 174  Он остался под впечатлением от скрытых переменных Бома как примера такой схемы и напал на более субъективные альтернативы, такие как копенгагенская интерпретация . [21] : 92, 133, 181 

Преподавание специальной теории относительности

Белл и его жена Мэри Росс Белл , также физик, внесли значительный вклад в физику ускорителей частиц, и с многочисленными молодыми теоретиками в ЦЕРНе Белл разработал саму физику частиц. Обзор этой работы доступен в томе собраний работ под редакцией Мэри Белл, Курта Готфрида и Мартинуса Вельтмана. [30] Помимо своих исследований в области физики частиц, Белл часто поднимал вопрос понимания специальной теории относительности, и хотя существует только один письменный отчет по этой теме («Как преподавать специальную теорию относительности»), [21] : 67–80  это была для него критическая тема. Белл восхищался вкладом Эйнштейна в специальную теорию относительности, но предупредил в 1985 году: «Подход Эйнштейна ... педагогически опасен, по моему мнению». [31] : ix  В 1989 году по случаю столетия сокращения тел Лоренца-Фицджеральда Белл пишет: «О сокращении тел Фицджеральда было написано много чепухи». [30] Белл предпочитал думать о сокращении тел Лоренца-Фицджеральда 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 неправильного толкования. Эта ситуация и предыстория позиции Белла подробно описаны его соавтором Иоганном Рафельским в учебнике «Относительность имеет значение» (2017). [31] Чтобы бороться с заблуждениями, окружающими сокращение тел Лоренца-Фицджеральда, Белл принял и продвигал релятивистский мысленный эксперимент, который стал широко известен как парадокс космического корабля Белла .

Смерть

Голубая мемориальная доска в честь Джона Белла в Королевском университете Белфаста

Белл неожиданно умер от кровоизлияния в мозг в Женеве в 1990 году. [32] [33] [34] Белл не знал, что в том году его номинировали на Нобелевскую премию. [35] : 3  [36] : 155  [1] : 374  Его вклад в проблемы, поднятые ЭПР, был значительным. Некоторые считают, что он продемонстрировал провал локального реализма (локальных скрытых переменных). Собственная интерпретация Белла заключается в том, что локальность сама по себе встретила свою кончину.

Наследие

Северная Ирландия

Книги

Смотрите также

Другие работы Белла:

Сноски

  1. ^ Белл не мог быть признан, поскольку Нобелевская премия присуждается только ныне живущим людям.

Ссылки

  1. ^ ab Whitaker, Andrew (2016). Джон Стюарт Белл и физика двадцатого века: видение и целостность. Оксфорд: Oxford University Press. doi :10.1093/acprof:oso/9780198742999.001.0001. ISBN 978-0198742999. OCLC  960219296.
  2. ^ Берк, Филип Г.; Персиваль, Ян К. (1999). «Джон Стюарт Белл. 28 июля 1928 г. – 1 октября 1990 г.: избран FRS 1972 г.». Биографические мемуары членов Королевского общества . 45 : 1–17. doi :10.1098/rsbm.1999.0001. JSTOR  770260. S2CID  72616247.
  3. ^ "Белл, Джон Стюарт | Encyclopedia.com". www.encyclopedia.com . Получено 23 апреля 2023 г. .
  4. ^ Llewellyn Smith, CH (23 сентября 2004 г.). "The Oxford Dictionary of National Biography" . В Matthew, HCG; Harrison, B. (ред.). Oxford Dictionary of National Biography (онлайн-ред.). Oxford: Oxford University Press. стр. ref:odnb/40025. doi :10.1093/ref:odnb/40025 . Получено 25 ноября 2022 г. . (Требуется подписка или членство в публичной библиотеке Великобритании.)
  5. ^ Шимони, Абнер; Телегди, Валентайн; Велтман, Мартинус (1991). "Джон С. Белл". Physics Today . 44 (8): 82–86. Bibcode : 1991PhT....44h..82S. doi : 10.1063/1.2810223 .
  6. ^ О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф. , «Джон Стюарт Белл», Архив истории математики Мактьютора , Университет Сент-Эндрюс
  7. ^ Уитакер, Эндрю (1998). «Джон Белл и самое глубокое открытие науки». Physics World . 11 (12): 29–34. doi :10.1088/2058-7058/11/12/24.
  8. ^ Стапп, Генри П. (1975). «Теорема Белла и мировой процесс». Il Nuovo Cimento B. 29 ( 2): 270–276. Bibcode : 1975NCimB..29..270S. doi : 10.1007/BF02728310. S2CID  117358907.
  9. ^ "Нобелевская премия по физике 2022 года". Nobel Foundation . 4 октября 2022 г. Архивировано из оригинала 4 октября 2022 г. Получено 6 октября 2022 г.
  10. ^ abc Aczel, Amir D. (2002). Запутанность: величайшая тайна в физике . Нью-Йорк: Basic Books . ISBN 978-1-56858-232-0. OCLC  49649300.
  11. ^ Белл, Мэри (2016). «Белл — вегетарианец». Physics Today . 69 (8): 12. Bibcode : 2016PhT....69h..12B. doi : 10.1063/pt.3.3252 .
  12. ^ Белл, Мэри (2002). «Некоторые воспоминания». В Bertlmann, Reinhold A.; Zeilinger, Anton (ред.). Quantum [Un]speakables . The Frontiers Collection. Берлин: Springer. стр. 3–5. doi :10.1007/978-3-662-05032-3_1. ISBN 978-3-642-07664-0. Хотя Джон Белл большую часть своей жизни был атеистом, во время учебы в Университете Квинс он много беседовал со своим другом-католиком Денисом Макконалогом о дьяволе и даже посещал некоторые собрания Студенческого христианского движения ради дискуссии.
  13. ↑ Люди и вещи. 1990.
  14. ^ "Белл, Джон Стюарт". Члены Академии искусств и наук, 1780–2010 (PDF) . Американская академия искусств и наук . стр. 41 . Получено 8 октября 2019 г. .
  15. ^ Хардести, Ларри (12 сентября 2014 г.). «Механика жидкости предлагает альтернативу квантовой ортодоксии». Phys.org . Science X . Получено 8 октября 2019 г. .
  16. ^ Zeh, HD, «Различные интерпретации квантовой механики Джона Белла: воспоминания и комментарии», в Mary Bell, Shan Gao (ред.), Quantum Nonlocality and Reality: 50 Years of Bell's Theorem , (Cambridge University Press, 2016) ISBN 978-1-107-10434-1 
  17. ↑ Джон С. Белл, интервью в книге «Призрак в атоме: обсуждение тайн квантовой физики» (1986) под редакцией П. К. Дэвиса и Джулиана Р. Брауна.
  18. ^ Белл, Джон Стюарт (1964). «О парадоксе Эйнштейна-Подольского-Розена». Physics Physique Физика . 1 (3): 195–200. doi : 10.1103/PhysicsPhysiqueFizika.1.195 .
  19. ^ Эйнштейн, Альберт; Подольский, Борис; Розен, Натан (1935). «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». Physical Review . 47 (10): 777–780. Bibcode : 1935PhRv...47..777E. doi : 10.1103/PhysRev.47.777 .
  20. ^ Sutton, Christine (4 ноября 2014 г.). «Пятьдесят лет теоремы Белла». Официальный сайт ЦЕРНа . ЦЕРН . Получено 8 октября 2019 г. Статья Джона Белла, опубликованная 4 ноября 1964 г., заложила основы современной области квантовой информатики.
  21. ^ abcdefgh Белл, Джон Стюарт (1987). Выразимое и невыразимое в квантовой механике. Кембридж: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-36869-8.
  22. ^ Белл, Джон Стюарт (1966). «О проблеме скрытых переменных в квантовой механике». Reviews of Modern Physics . 38 (3): 447–452. Bibcode : 1966RvMP...38..447B. doi : 10.1103/RevModPhys.38.447. OSTI  1444158.
  23. ^ фон Нейман, Джон (1955). Математические основы квантовой механики . Принстон: Princeton University Press . ISBN 978-0-691-02893-4.
  24. ^ Солер, Лена (2009). «Сближение трансцендентальной философии и квантовой физики: пионерское предложение Греты Генри-Херманн 1935 года». В М. Битболе; П. Керсберге; Дж. Петито (ред.). Составление объективности . Серия Западного Онтарио по философии науки. Том 74. Springer. стр. 329–344. doi :10.1007/978-1-4020-9510-8_20. ISBN 978-1-4020-9509-2.
  25. ^ Манн, Чарльз; Криз, Роберт (1988). «Интервью: Джон Белл». Omni . 10 (8): 84–86, 88, 90, 92, 121.
  26. ^ Баб, Джеффри (2010). «Доказательство фон Неймана об отсутствии скрытых переменных: переоценка». Основы физики . 40 (9–10): 1333–1340. arXiv : 1006.0499 . Bibcode :2010FoPh...40.1333B. doi :10.1007/s10701-010-9480-9. S2CID  118595119.
  27. ^ Bacciagaluppi, Guido; Crull, Elise (2009). «Гейзенберг (и Шредингер, и Паули) о скрытых переменных». Исследования по истории и философии науки Часть B: Исследования по истории и философии современной физики . 40 (4): 374–382. Bibcode :2009SHPMP..40..374B. CiteSeerX 10.1.1.484.3421 . doi :10.1016/j.shpsb.2009.08.004. S2CID  13140289. Неконтекстуальные скрытые переменные — это те, которые фиксируют значения или вероятности или ожидаемые значения для всех квантово-механических наблюдаемых независимо от какого-либо экспериментального контекста. Доказательства невозможности фон Неймана (1932), Глисона (1957) и Кохена и Шпеккера (1967) относятся к этому типу скрытых переменных. 
  28. ^ Бернстайн, Джереми (1991). Квантовые профили . Принстон: Princeton University Press. ISBN 978-0691087252. OCLC  21971886.
  29. ^ Садбери, Энтони (2018). «Джон Белл и великое предприятие». Quanta . 7 (1): 68–73. arXiv : 1808.06845 . doi : 10.12743/quanta.v7i1.79. MR  3894852. S2CID  53705805.
  30. ^ ab Bell, Mary; Gottfried, Kurt; Veltman, Martinus, ред. (1995). Квантовая механика, физика высоких энергий и ускорители: избранные статьи Джона С. Белла (с комментариями) . World Scientific Series in 20th Century Physics. Том 9. Сингапур: World Scientific. Bibcode : 1995qmhe.book.....B. doi : 10.1142/2611. ISBN 9810221150.
  31. ^ ab Rafelski, Johann (2017). Относительность имеет значение: от Einstein's EMC2 до лазерного ускорения частиц и кварк-глюонной плазмы. Cham, Швейцария: Springer. doi :10.1007/978-3-319-51231-0. ISBN 978-3-319-51230-3.
  32. ^ Джекив, Р.; Шимони, А. (2008). «Белл, Джон Стюарт». Полный словарь научной биографии . Получено 8 октября 2019 г.
  33. ^ Салливан, У. (10 октября 1990 г.). «Джон Стюарт Белл умер в возрасте 62 лет; физик проверил действия частиц». The New York Times . Получено 8 октября 2019 г.
  34. ^ Фрейзер, Гордон (1990). «Джон Стюарт Белл 1928–1990». CERN Courier . 30 (8): 25.
  35. ^ Гилдер, Луиза (2008). Эпоха запутанности: когда квантовая физика возродилась. Нью-Йорк: Альфред А. Кнопф . ISBN 978-1-4000-4417-7. OCLC  608258970.
  36. ^ Бернстайн, Джереми (2009). Квантовые скачки. Кембридж, Массачусетс: Belknap Press: отпечаток Harvard University Press. ISBN 978-0674035416. OCLC  648759731.
  37. ^ "Премия Джона Стюарта Белла". Центр квантовой информации и квантового управления . Университет Торонто. Архивировано из оригинала 4 июня 2014 года . Получено 8 октября 2019 года .
  38. ^ "Профессор Николя Жизен награжден премией First Bell Prize". Центр квантовой информации и квантового управления . Университет Торонто. Архивировано из оригинала 2 декабря 2013 года . Получено 8 октября 2019 года .
  39. ^ Бертлманн, Рейнхольд А. (2017). «Вселенная Белла: личное воспоминание». В Бертлманн, Рейнхольд А.; Цайлингер, Антон (ред.). Quantum [Un]Speakables II. Коллекция Frontiers. Хам, Швейцария: Springer. стр. 17–80. arXiv : 1605.08081 . doi :10.1007/978-3-319-38987-5_3. ISBN 978-3-319-38985-1. S2CID  119259828.
  40. ^ "День Джона Белла". RIA . Королевская ирландская академия. 2019. Получено 8 октября 2019 .
  41. ^ "Джон Белл: улица Белфаста названа в честь физика, доказавшего, что Эйнштейн ошибался". BBC News . BBC . 19 февраля 2015 г. Получено 8 октября 2019 г.
  42. ^ "John Bell House, Belfast". Размещение для студентов . 2019. Получено 8 октября 2019 .
  43. ^ «Скульптура чествует связи футбола и физики». Городской совет Белфаста. 13 апреля 2018 г. Получено 8 октября 2019 г.
  44. ^ "Location". School of Maths and Physics . Queen's University Belfast. 2019. Архивировано из оригинала 9 января 2019 года . Получено 8 октября 2019 года .
  45. ^ "Classical CDs Weekly: Гайдн, Малер, Мэтью Уайтсайд | обзоры, новости и интервью | The Arts Desk". theartsdesk.com . Получено 26 апреля 2021 г. .
  46. ↑ Архивировано в Ghostarchive и Wayback Machine: Квартет № 4 (Запутанная история), сочиненный Мэтью Уайтсайдом и снятый Марисой Занотти, 2 декабря 2019 г. , получено 26 апреля 2021 г.

Внешние ссылки

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с Джоном Стюартом Беллом .
На Викискладе есть медиафайлы по теме Джон Стюарт Белл (физик) .