Por que John Stewart Bell tem assombrado mecânica quântica há décadas

Algumas pessoas pensam que têm um poltergeist em seu sótão, alguns dizem que viram fantasmas em noites escuras – eu tenho John Stewart Bell. A pesquisa do físico e seu tremendo legado me assombram há anos.

Acho que não deveria me surpreender. Você já pensou em quanto do que experimentamos como realidade é, objetivamente, inequivocamente actual? Eu tenho que, ou não pude escrever sobre a natureza do espaço e do tempo e os intrincados acontecimentos no reino quântico. Bell adorava refletir sobre essas coisas também, e seu trabalho mudou para sempre como as entendemos.

Ele nasceu em Belfast em 1928 e, por todas as contas, uma criança excepcionalmente inquisitiva e brilhante. Ele se apegou à física cedo, conseguindo seu primeiro present como técnico de laboratório aos 16 anos. Ele foi treinado em física teórica e experimental e construiu grande parte de sua carreira no mundo da partícula aceleradoresonde ele trabalhou em cálculos tão complexos que agora os relegamos aos supercomputadores. Mas o que realmente mantinha Bell Up à noite foram as rachaduras que ele podia ver nos fundamentos da teoria quântica.

Hoje, este é um campo estabelecido de física e muitos de seus praticantes foram apresentados nas páginas de Novo cientista – A física contemporânea não é amigável para aqueles que fazem perguntas que se sentam no Fronteira da física, matemática e filosofia. No entanto, quando Bell estava surgindo como pesquisador, os físicos ainda foram levados pelos debates entre a primeira onda de grandes nomes da teoria quântica – pessoas como Niels Bohr e Albert Einstein – e as consideraram liquidadas ou pensaram que o que restava period uma questão de filosofia e não física.

Então, Bell só trabalhou neles depois de horas, quase como um passion. Isso mudou em 1963, quando ele e sua esposa, também um físico talentoso, tiraram um trabalho sabático do trabalho do acelerador e Bell usou esse tempo para alimentar seu passion em um par de papéis seminais. Embora tenham sido recebidos sem alarde e tenham sido amplamente esquecidos por anos, sua importância não pode ser exagerada.

Bell pegou uma linha desse questionamento filosófico e a transformou em algo que poderia ser investigado em um laboratório. Centrou -se na idéia de “variáveis ​​ocultas” na mecânica quântica.

Como foi desenvolvido por Bohr e seus colegas nas décadas de 1920 e 30, a mecânica quântica não é amigo da certeza ou determinismo. Infamamente, você pode dizer muito pouco que é definitivo em relação a um objeto quântico até que você interaja com ele. Você pode prever quais propriedades isso pode ter após a medição, mas apenas probabilisticamente. Por exemplo, você pode saber que um elétron tem uma probability de 98 % de ter uma certa quantidade de energia quando você a media, e uma probability de 2 % de ter outra energia, mas qual é realmente completamente aleatório.

Como a natureza determine qual energia servir aleatoriamente a você? Uma explicação é que, na verdade, não é a aleatoriedade em jogo aqui, mas que algumas propriedades – algumas variáveis ​​- estão ocultas dos pesquisadores. Se eles pudessem definir quais são essas variáveis ​​ocultas, os físicos poderiam trazer previsibilidade absoluta à teoria quântica.

Bell desenvolveu um teste que eliminaria uma grande faixa de teorias de variável oculta, da competição a substituir, ou pelo menos alterar a teoria quântica. Este teste exige dois experimentadores, normalmente apelidados de Alice e Bob. Pares de partículas emaranhados são produzidos repetidamente, então uma partícula em cada par é enviada para Alice, enquanto sua partícula parceira vai para Bob em um laboratório distante. Ao receber suas partículas, Alice e Bob escolhem independentemente medir uma propriedade específica. Por exemplo, Alice pode medir a rotação de sua partícula.

Simultaneamente, Bob também está fazendo medições e escolhendo como fazê -las, mas Alice e Bob não se comunicam durante o experimento. No last, eles conectam seus respectivos dados a uma equação que Bell derivou em 1964. Essa equação de “desigualdade” testa os dados para correlações entre as medições de Alice e Bob. Mesmo sem efeitos quânticos, algumas correlações podem surgir por acaso. Mas Bell determinou um nível de correlação Isso demonstra que algo mais está acontecendo: as partículas estão correlacionadas de uma maneira que existe apenas na física quântica e não pode existir se houver variáveis ​​ocultas locais.

Dessa maneira, o teste de Bell faz mais do que diagnosticar a teoria quântica como uma descrição melhor de nossa realidade do que essas teorias determinísticas e variáveis ​​ocultas-ela também se aproxima da propriedade estranha da “não native” como algo que parece ser uma característica bizarra de nossa realidade. A não native significa que objetos quânticos podem manter uma conexão e que seus comportamentos podem permanecer inextricavelmente correlacionados, independentemente de quão distantes estejam. Einstein foi um grande crítico disso, em parte porque period desconfortavelmente próximo da comunicação instantânea entre objetos, o que é estritamente proibido por sua teoria da relatividade especial.

Bell period um acólito de Einstein, mas os caprichos da realidade física o levaram a provar seu ídolo errado. Seu teste apontou um dedo firme para o nosso mundo sendo quântico, algo com o qual os pesquisadores ainda estão lutando hoje, especialmente quando se trata do abismo aparentemente inútil entre a teoria quântica e nossa melhor compreensão da gravidade, desenvolvida por Einstein.

Não consegui encontrar nenhuma menção de Bell realmente trabalhando em implementações experimentais de seu teste, e há muito tempo se mostrou tecnologicamente difícil. Enquanto o primeiro experimento desse tipo foi concluído em 1972, foi preciso até 2015 para um teste livre de brechas -o mais rigoroso possível-finalmente colocar o último prego no caixão das teorias locais de variável oculta. Em 2022, os físicos Alain Facet, John F. Clauser e Anton Zeilinger estavam em conjunto concedeu o Prêmio Nobel de Física por suas décadas de trabalho nesses experimentos.

Então, por que ainda estou vendo John Stewart Bell em todos os lugares que viro? Fui submetido a alguma maldição quântica?

A resposta curta é que seu trabalho e todos os experimentos que o testaram abriram quase tantas perguntas sobre a física quântica e a natureza da realidade física que eles se propuseram a responder. Por exemplo, enquanto muitos físicos concordam que nosso mundo simplesmente não é native, alguns ainda estão tentando descobrir exatamente qual mecanismo físico está subjacente à não native. Outros estão trabalhando no desenvolvimento Novas teorias de variável oculta Isso não pode ser frustrado pelo teste de Bell. No entanto, outros estão mencionando meticulosamente toda e qualquer suposição matemática que Bell fez em seus documentos a partir da década de 1960. Todos eles parecem acreditar que encontrar algum novo ângulo no trabalho de Bell, ou alguma complexidade negligenciada dentro dele, pode ser uma chave do esqueleto para empurrar interpretações da teoria quântica além de seu estado atual e talvez até construir uma teoria indescritível de tudo.

Os efeitos da ondulação do trabalho de Bell estão em toda parte na física quântica. Na verdade, melhoramos as partículas em enredar simplesmente tentando fazer testes de sino nos últimos 50 anos. Mas esse é apenas o começo. Algumas semanas atrás, passei muito tempo conversando com físicos que encontraram uma maneira de aproveitar o trabalho de Bell para criar testes quânticos para se o livre arbítrio pode ser parcialou seja, se nossa liberdade de escolha pode ser cosmicamente restrita em alguns casos, mas não em outros. Então, peguei o telefone com uma equipe diferente de pesquisadores, presumivelmente para discutir a gravidade e a natureza do espaço e do tempo, mas acabei conversando sobre Bell mais uma vez. Esses físicos foram inspirados por sua abordagem e queriam criar um teste semelhante ao dele, mas por propriedades gravitacionais da realidade, e não em quânticas.

Acho que isso também não posso escapar do sino – sua capacidade de transformar questões filosóficas em testes tangíveis da realidade reflete o fascínio no centro da física. A promessa da física é que ela pode nos ajudar a lascar os mistérios mais confusos do mundo através de experimentos, e o teste de Bell é uma personificação incrivelmente elegante dessa promessa.

Se eu tiver que ser assombrado por alguma coisa, sinceramente não poderia pedir um fantasma melhor.