John Stewart Bell ideó una forma de medir las extrañas correlaciones permitidas en el reino cuántico
Sargento
Algunas personas piensan que tienen un poltergeist en su ático, algunas dicen que han visto fantasmas en las noches oscuras, tengo John Stewart Bell. La investigación del físico y su tremendo legado me han estado atrapando durante años.
Supongo que no debería sorprenderme. ¿Alguna vez pensaste en cuánto de lo que experimentamos como realidad es en realidad, objetivamente, inequívocamente real? Tengo que hacerlo, o no pude escribir sobre la naturaleza del espacio y el tiempo, y los intrincados acontecimientos en el reino cuántico. A Bell también le encantaba reflexionar sobre estas cosas, y su trabajo cambió para siempre cómo las entendemos.
Nació en Belfast en 1928 y fue, por todos los informes, un niño excepcionalmente inquisitivo y brillante. Se aferró a la física temprano, aterrizó su primer concierto como técnico de laboratorio cuando tenía 16 años. Fue entrenado en física teórica y experimental y construyó gran parte de su carrera en el mundo de las partículas. aceleradoresdonde trabajó en cálculos tan complejos que ahora los releguamos a las supercomputadoras. Pero lo que realmente mantuvo a Bell en la noche fueron las grietas que podía ver en los cimientos de la teoría cuántica.
Hoy, este es un campo establecido de física y muchos de sus practicantes han aparecido en las páginas de Nuevo científico – La física contemporánea no es hostil con aquellos que hacen preguntas que se sientan en el Border of Física, Matemáticas y Filosofía. Sin embargo, cuando Bell se presentaba como investigador, los físicos todavía fueron tomados por los debates entre la primera ola de grandes de la teoría cuántica, personas como Niels Bohr y Albert Einstein, y los consideraban establecidos o pensados que lo que quedaba era una cuestión de filosofía en lugar de física.
Entonces, Bell solo trabajó en ellos después de horas, casi como un pasatiempo. Eso cambió en 1963 cuando él y su esposa, también un físico consumado, tomaron un año sabático de su trabajo acelerador y Bell usó ese tiempo para desarrollar su pasatiempo en un par de papeles seminales. Aunque fueron recibidos sin fanfarria y fueron pasados por alto durante años, su importancia no puede ser exagerada.
Bell tomó una línea de este interrogatorio filosófico y lo convirtió en algo que podría investigarse en un laboratorio. Se centró en la idea de “variables ocultas” en la mecánica cuántica.
Como fue desarrollado por Bohr y sus colegas en las décadas de 1920 y 1930, la mecánica cuántica no es amigo de certeza o determinismo. Infame, puede decir muy poco que sea definitivo sobre un objeto cuántico hasta que interactúe con él. Puede predecir qué propiedades podría tener tras la medición, pero solo probabilísticamente. Por ejemplo, es posible que sepa que un electrón tiene un 98 por ciento de posibilidades de tener una cierta cantidad de energía cuando la mide, y una probabilidad del 2 por ciento de tener otra energía, pero cuál será realmente completamente al azar.
¿Cómo decide la naturaleza qué energía servir al azar para usted? Una explicación es que en realidad no es aleatoria en juego aquí, sino que algunas propiedades, algunas variables, están ocultas para los investigadores. Si pudieran precisar cuáles son estas variables ocultas, los físicos podrían aportar una previsibilidad absoluta a la teoría cuántica.
Bell ideó una prueba que eliminaría una gran franja de teorías de Variables Oscuros de la competencia para reemplazar, o al menos enmendar, la teoría cuántica. Esta prueba requiere dos experimentadores, típicamente apodado Alice y Bob. Los pares de partículas enredadas se producen repetidamente, luego se envía una partícula en cada par a Alice, mientras que su partícula de socios va a Bob en un laboratorio lejano. Al recibir sus partículas, Alice y Bob eligen que cada uno eligen independientemente medir una propiedad en particular. Por ejemplo, Alice podría medir el giro de su partícula.
Al mismo tiempo, Bob también está haciendo medidas y elige cómo hacerlas, pero Alice y Bob no se comunican durante el experimento. Al final, conectan sus datos respectivos a una ecuación que Bell derivó en 1964. Esta ecuación de “desigualdad” prueba los datos para las correlaciones entre las mediciones de Alice y Bob. Incluso sin efectos cuánticos, pueden surgir algunas correlaciones por casualidad. Pero Bell determinó un nivel de correlación Eso demuestra que está sucediendo algo más: las partículas están correlacionadas de una manera que solo existe en la física cuántica y no puede existir si hay variables ocultas locales.
De esta manera, la prueba de Bell hace más que diagnosticar la teoría cuántica como una mejor descripción de nuestra realidad que estas teorías deterministas y de variables ocultas: también se concentra en las propiedades extrañas de la “no localidad” como algo que parece ser una característica extraña de nuestra realidad. La no localidad significa que los objetos cuánticos pueden mantener una conexión, y que sus comportamientos pueden permanecer inextricablemente correlacionados, independientemente de cuán lejos estén. Einstein fue un gran crítico de esto, en parte porque estaba incómodamente cerca de la comunicación instantánea entre los objetos, lo que está estrictamente prohibido por su teoría de la relatividad especial.
Bell era una especie de acólito de Einstein, pero los caprichos de la realidad física lo llevaron a demostrar que su ídolo era equivocado. Su prueba apuntó con un dedo firme hacia nuestro mundo como cuántico, algo con lo que los investigadores todavía están luchando hoy, especialmente cuando se trata del abismo aparentemente inminente entre la teoría cuántica y nuestra mejor comprensión de la gravedad desarrollada por Einstein.
No pude encontrar ninguna mención de Bell trabajando realmente en implementaciones experimentales de su prueba él mismo, y durante mucho tiempo demostró ser tecnológicamente difícil. Si bien el primer experimento de este tipo se completó en 1972, se produjo hasta 2015 para un Prueba libre de lagunas -Lo más riguroso posible, para finalmente poner el último clavo en el ataúd de las teorías locales de variables escondidas. En 2022, los físicos Alain Aspecto, John F. Clauser y Anton Zeilinger fueron conjuntamente Otorgado el Premio Nobel de Física durante sus décadas de trabajo en estos experimentos.
Entonces, ¿por qué sigo viendo a John Stewart Bell en todas partes? ¿He sido sometido a alguna maldición cuántica?
La respuesta corta es que su trabajo, y todos los experimentos que lo probaron, abrieron casi tantas preguntas sobre la física cuántica y la naturaleza de la realidad física como se propusieron responder. Por ejemplo, aunque muchos físicos están de acuerdo en que nuestro mundo simplemente no es local, algunos todavía están tratando de descubrir exactamente qué mecanismo físico subyace en la no localidad. Otros están trabajando en el desarrollo Nuevas teorías de variables ocultas Eso no puede ser obstaculizado por la prueba de Bell. Sin embargo, otros están desentrañando minuciosamente todos y cada uno de los supuestos matemáticos que Bell hizo en sus documentos de la década de 1960. Todos ellos parecen creer que encontrar algún ángulo nuevo en el trabajo de Bell, o alguna complejidad pasada por alto dentro de él, podría ser una clave esquelética para impulsar las interpretaciones de la teoría cuántica más allá de su estado actual y tal vez incluso construir una teoría evasiva de todo.
Los efectos de la onda del trabajo de Bell están en todas partes en la física cuántica. De hecho, mejoramos enredar partículas simplemente tratando de hacer pruebas de campana en los últimos 50 años. Pero ese es solo el comienzo. Hace unas semanas, pasé mucho tiempo hablando con físicos que encontraron una forma de aprovechar el trabajo de Bell para diseñar pruebas cuánticas para Si el libre albedrío puede ser parciales decir, si nuestra libertad de elección puede limitarse cósmicamente en algunos casos, pero no en otros. Luego, me puse al teléfono con un equipo diferente de investigadores, presumiblemente para discutir la gravedad y la naturaleza del espacio y el tiempo, pero terminé hablando de Bell una vez más. Estos físicos se inspiraron en su enfoque y querían idear una prueba similar a la suya, pero para las propiedades gravitacionales de la realidad, en lugar de las cuánticas.
Creo que esto también es parte de por qué no puedo escapar de Bell: su capacidad para convertir los problemas filosóficos en pruebas de realidad tangibles refleja el encanto en el núcleo de la física. La promesa de la física es que puede ayudarnos a impulsar los misterios más confusos del mundo a través de experimentos, y la prueba de Bell es una encarnación increíblemente elegante de esa promesa.
Si tengo que ser perseguido por algo, sinceramente, no podría pedir un mejor fantasma.
Temas: