Quantum Milestones, 1964: John Stewart Bell toca silenciosamente em Nova Period da Teoria Quantum

Para o Ano internacional de ciência quântica e tecnologiaestamos republicando histórias sobre a história da física quântica dos arquivos de Revista de Física e Notícias da APS. O Versão unique desta história foi publicado em Notícias da APS em 13 de outubro de 2022.

Quando o artigo da teoria quântica mais importante em 30 anos foi publicado em 4 de novembro de 1964, praticamente ninguém notou. “No Einstein Podolsky Rosen Paradox” (1) acumulou menos de uma dúzia de citações em seus primeiros seis anos e, quando atraiu atenção mais ampla, muitos físicos descartaram suas implicações. Mesmo agora, com o Prêmio Nobel de 2022 em física concedido aos experimentadores realizando testes de Bell de mesmo nome, seu papel singular que lutava respostas concretas da natureza sobre a realidade permanece subestimada.

Seu autor, John Stewart Bell, nasceu em 28 de julho de 1928, em Belfast, Irlanda do Norte. Sua mãe Annie period costureira e seu pai Jackie vendeu cavalos. A família não period rica; Na biografia de Bell, Andrew Whitaker observa que Annie costurou o vestido acadêmico de John de cortinas de blecaute.

Bell entrou na Queen’s College Belfast quando a Segunda Guerra Mundial terminou. Lá, ele period academicamente excelente, mas já insatisfeito com a ortodoxia da física. A interpretação dominante de Copenhague propôs uma distinção entre observador clássico e observável quântico – um sino de crença mais tarde ridicularizaria como uma “divisão instável”. Visto através da interpretação de Copenhague, a localização de um elétron, por exemplo, existe como uma nuvem nebulosa de probabilidades descrita pela função de onda até que ele desmaie em um valor fixo. Devido a essa divisão instável, os proponentes costumam alertar contra a filosofia sobre o mundo quântico e fazer suposições além do que pode ser comprovado experimentalmente.

Um artigo mais antigo, publicado em 1935 por Albert Einstein, Boris Podolsky e Nathan Rosen (EPR) (2), capturaria a imaginação de Bell. A EPR argumentou, usando um experimento pensado, que a mecânica quântica estava correta, mas incompleta. Como Einstein brincou mais tarde: “Você realmente acredita que a lua existe apenas quando observada?” Uma solução possível para os males da mecânica quântica foi “variáveis ​​ocultas”, características indetectáveis ​​assadas em partículas o tempo todo. Se essas características estivessem secretamente presentes, elas retornariam a existência às coisas, dando até as propriedades da lua, independentemente de ter sido medidas.

Preocupado com o que é mensurável, não o que éa interpretação de Copenhague e seu sumo sacerdote, Niels Bohr, rejeitaram teorias variáveis ​​ocultas. A indeterminação das partículas period boa e, de qualquer forma, o teórico John von Neumann provou teorias variáveis ​​ocultas impossíveis em 1932. Para adeptos de interpretação de Copenhague, não havia razão para discutir variáveis ​​ocultas que foram descartadas.

Bell viu as coisas de maneira diferente. A EPR apontou um problema central, uma profunda questão filosófica sobre a realidade – e não havia como dizer quem estava correto.

Em 1952, Bell recebeu um choque de inspiração quando David Bohm publicou sua interpretação da mecânica quântica, uma teoria de variável oculta que poderia se depositar com a interpretação de Copenhague. Os acólitos de Bohr não ficaram impressionados. Eles atacaram a teoria de Bohm como supérflua – ironicamente, por fazer as mesmas previsões que a teoria quântica existente. (Isso foi, de fato, o ponto-para mostrar que uma teoria de variável oculta também poderia explicar as observações.) Enquanto isso, Einstein rejeitou as idéias de Bohm porque não preservam a localidade, o princípio do senso comum de que os objetos são afetados apenas por seu ambiente imediato.

Mas para Bell, foi crítico, e ele mais tarde se lembraria de que “viu o impossível feito” de Bohm, embora Bell nunca tenha se twister um bohmiano. “Este não period o cavalo que ele atacou sua carroça”, diz David Kaiser, físico e historiador do MIT. Em vez disso, ele se inspirou no trabalho que desafia a ortodoxia de Bohm para não apenas “calar a boca e calcular”.

Nos 12 anos seguintes, Bell manteve as idéias na parte de trás da cabeça, trabalhando com elas em seu tempo livre. Ocasionalmente, ele encontrava colegas de trabalho que podia debater, como Franz Mandl no Harwell Laboratory, o recém-formado Centro de Pesquisa Atômica do Reino Unido, onde Bell trabalhava no last da década de 1950, e Josef-Maria Jauch, em Cern, onde estava em 1960. fundações. Os dois artigos resultantes revolucionariam o campo.

O primeiro artigo de Bell, “Sobre o problema das variáveis ​​ocultas na mecânica quântica” (3), como conseqüência de uma sujeira envolvendo um manuscrito falhado e o correio não devolvido, não foi publicado até 1966-dois anos após seu mais famoso artigo “segundo” (1). Neste primeiro artigo, publicado em Revisões da física modernaapesar de ter sido tudo menos uma revisão, Bell direcionou as provas de von Neumann e outros que alegavam descartar variáveis ​​ocultas. Embora a matemática de von Neumann fosse sólida, Bell reconheceu, a prova period fatalmente falha porque repousava em uma falsa suposição de que as regras para a mecânica quântica aplicadas a variáveis ​​ocultas.

No last do artigo, Bell discutiu o teorema e a não native de Bohm. Prenúncia, ele observou que “não há provas de que qualquer conta variável oculta da mecânica quântica deve ter esse caráter extraordinário”, mas que seria “interessante, talvez” encontrar essa prova.

Em seu segundo artigo, Bell pegou o que foi um debate filosófico e o transformou em uma pergunta experimental. As correlações entre um par de partículas emaranhadas-como muitas vezes ambas eram polarizadas verticalmente, por exemplo-poderiam ser usadas para diferenciar teorias locais de variável oculta da mecânica quântica. A chave period “fazer perguntas diferentes das duas partículas”, diz Kaiser. “Você começa a obter uma distinção quantitativa muito clara.”

A desigualdade de Bell coloca um limite nas teorias locais de variável oculta; Com as correlações acima desse limite, o universo deve ser quântico. Finalmente, havia uma maneira de dizer qual teoria estava correta e se o universo obedeceu ao “realismo native” que a EPR desejava. Mas Bell não trombeta a descoberta; Foi publicado em um prestigioso, mas novo diário, Física física Fizika (1), que fecharia apenas quatro anos depois. Os fundamentos da mecânica quântica ainda eram principalmente fora dos limites, vistos como filosofia para manivelas.

Os experimentos acabariam justificando Bell, embora não como ele esperava: eles descartaram variáveis ​​ocultas locais e a localidade também. O que eles fizeram, no entanto, foi provar que os fundamentos da mecânica quântica eram interessantes e valiosos. “Os físicos filosoficamente inclinados estão sentados à mesa agora, de uma maneira que não tivessem nos dias de Bohm (nem) nos dias de sinos”, diz Kaiser.

O reconhecimento mais amplo fora da comunidade de física também veio devagar. Em Belfast, é ilegal nomear estradas depois das pessoas. Então, em 2015, quando uma estrada semicircular à beira -mar foi renomeada, foi apelidada de Teorema Crescent de Bell.

–Dan Garisto

Dan Garisto é um jornalista de ciências com sede na cidade de Nova York.

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