Matematikanë

Time linjë Photos Para Pulla Sketch Kërkimi

John Stewart Bell

Datlindja:

Vendin e lindjes:

Data e vdekjes:

Vendi i vdekjes:

28 July 1928

Belfast, Ireland

1 Oct 1990

Geneva, Switzerland

Prezantimi
ATTENTION - Automatic translation nga versioni anglisht

Arritjes s John Bell 'e madhe ishte se gjatë viteve 1960 ai ishte në gjendje të marrë frymë një jetë të re dhe emocionuese në themelet e teorisë kuantike, një temë rraskapitur në dukje nga përfundimi i Bohr - debat Einstein tridhjetë vjet më parë, dhe injoruar nga pothuaj të gjitha ato të cilët përdorin teori kuantike në periudhën ndërhyrë. Realizëm Bell ishte në gjendje të tregojnë se diskutimin e koncepteve të tilla si '', 'determinizëm' dhe 'lokalitet' mund të theksuar në një deklaratë të ashpër matematikore, 'pabarazia Bell's', e cila është e aftë të testimit eksperimental. Testet e tilla, vazhdimisht në rritje në pushtet dhe saktësi, janë kryer gjatë tridhjetë viteve të fundit.

Në të vërtetë, pothuajse tërësisht për shkak të përpjekjeve për kërkime Bell, subjekt i fondacioneve kuantike, eksperimentale si edhe teorike dhe konceptuale, ka u bë një fokus i interesit të madh për shkencëtarë nga shumë vende, dhe na ka mësuar shumë me rëndësi themelore, kuantike jo vetëm për teori, por në lidhje me natyrën e universit fizik.

Përveç kësaj, dhe kjo zor se mund të ketë qenë parashikuar edhe si kohët e fundit si mesin e viteve 1990, disa vite pas vdekjes së Bell, shumë prej të koncepteve të studiuar nga Bell dhe ata që i zhvilluar punën e tij kanë formuar bazën e zonë e re subjekt i informacionit kuantike teori, e cila përfshin tema të tilla si informatikë kuantike dhe cryptography kuantike. Kujdes me informacion teorine kuantike është rritur mjaft gjatë viteve të fundit, dhe subjekt të caktuar duket të jetë një nga fushat e rritjes më të rëndësishme të shkencës në njëzet e shekullit të parë.

John Stewart Bell prindërit e të dy jetonin në veri të Irlandës për disa breza. I ati i tij u emërua gjithashtu Gjoni, kështu John Stewart ka qenë gjithmonë e quajtur Stewart brenda familjes. Nëna e tij, Annie, të inkurajuar fëmijët që të përqendrohen në arsimimin e tyre, e cila, ajo ndjeu, u kyç në përmbushjen dhe jetën dinjitoze. Megjithatë, nga katër fëmijët e saj - Gjoni kishte një motër i madh, Ruby, dhe dy vëllezër të rinj, David dhe Robert - vetëm Gjoni ishte në gjendje të qëndrojë në shkollë më shumë mbi katërmbëdhjetë. Familjen e tyre nuk ishte i pasur, dhe në këtë kohë nuk ka pasur e arsimit të mesëm, dhe për të lëvizur nga një sfond të tillë si ajo e këmbanat në universitet, ishte jashtëzakonisht e pazakontë.

Bell vetë ishte i interesuar në librat, dhe veçanërisht i interesuar në shkencë nga një moshë të re. Ai ishte shumë i suksesshëm në shkollat e tij të parë, Ulsterville Avenue dhe tempull Street, dhe, në moshën njëmbëdhjetë, kaloi me lehtësi provimin e tij për të kaluar në shkollën e mesme. Për fat të keq para koston e ndjekin një nga shkollat e ciklit të lartë Belfast prestigjioze ishte ndaluar, por të mjaftueshme për Bell u gjet për të kaluar në Shkollën e Lartë Teknike Belfast, ku një program të plotë akademik të kualifikuar që atë për hyrje të Universitetit ishte e shoqëruar me studime profesionale.

Bell pastaj kaloi një vit si një teknik në Departamentin e fizikës në Universitetin e Mbretëreshës në Belfast, ku anëtarë të lartë të stafit në Departamentin, Profesor Karl Emeleus dhe Dr Robert Sloane, janë jashtëzakonisht të dobishme, kreditimit libra Bell dhe duke e lejuar atë që të marrë pjesë në vitin e parë leksioneve. Bell ishte në gjendje të hyjnë në Departamentin si student në vitin 1945. Përparimin e tij ishte tejet i suksesshëm, dhe ai u diplomua me klasë të parë nderon në Eksperimentale Fizikë në vitin 1948. Ai ishte në gjendje të shpenzojë një vit më shumë si student, në atë vit të arritur një shkallë të dytë, përsëri me klasë të parë nderon, këtë herë në Mathematical Physics. Në Mathematical Physics, mësuesi i tij kryesor ishte Profesor Peter Paul Ewald, i njohur si një nga themeluesit e X-ray kristalografi, Ewald ishte një refugjat nga Gjermania naziste.

Bell ishte tashmë duke menduar thellë rreth teorisë kuantike, jo vetëm se si të përdorin atë, por kuptimin e tij konceptual. Në një intervistë me Jeremy Bernstein, duke pasur parasysh drejt fund të jetës së tij dhe të cituar në librin e Bernstein, Bell raportuar të hutuar nga deklaratë e zakonshme e pasigurisë Heisenberg ose parim indeterminacy (x p, ku x dhe p janë pasiguri apo indeterminacies, në varësi në pozicionin e të filozofike, në pozicion dhe momenti respektivisht, dhe është (reduktuar) Planck 's konstante).

Ajo dukej sikur ju mund të merrni këtë madhësi dhe pastaj pozicion është përcaktuar mirë, ose që madhësia dhe pastaj momentit është përcaktuar mirë. Ajo dukej sikur keni qenë vetëm i lirë të bëjë atë që dëshironte. Ishte vetëm ngadalë se kam kuptuar se kjo nuk është një pyetje të asaj që ju dëshironi. Është me të vërtetë një çështje e asaj që aparati ka prodhuar këtë situatë. Por, për mua ajo ishte pak e një luftë për të marrë deri se. Nuk ishte shumë e qartë të përcaktuara në libra dhe kurseve që ishin në dispozicion për mua. Mbaj mend duke arsyetuar me një nga profesorët e mi, një Sloane Doktor, në lidhje me atë. I was getting shumë e nxehtë dhe duke e akuzuar atë, më shumë ose më pak, i pandershëm. Ai ishte duke u ndezur shumë e shumë dhe tha: 'Ju jeni duke shkuar shumë larg ".

Në përfundim të studimeve universitare Bell e tij do të pëlqente të punonte për një PhD. Ai gjithashtu do të kishin dashur të studiuar bazat konceptuale e teorisë kuantike më në tërësi. Konsideratat ekonomike, megjithatë, do të thotë se ai kishte për të harruar për teori kuantike, të paktën për momentin, dhe për të marrë një punë, dhe në 1949 ai u bashkua me themelimin Atomike në Mbretërinë e Bashkuar Hulumtime në Harwell, megjithëse ai lëvizi shpejt për të grupit të projektimit përshpejtues në Malvern .

Ishte këtu se ai u takua me gruan e tij të ardhshëm, Maria Ros, i cili erdhi me gradë në matematikë dhe fizikë nga Skocia. Ata u martua në vitin 1954 dhe kishte një martesë të gjatë dhe të suksesshme. Maria ishte për të qëndruar në hartimin akselerator gjatë karrierës së saj, drejt fundit të jetës së Gjonit ai u kthye në probleme në hartimin akselerator dhe ai e Maria shkroi disa letra së bashku. Nëpërmjet karrierës së tij ka fituar shumë nga diskutimet me Marinë, dhe kur, në vitin 1987, gazeta e tij në teorinë kuantike ishin mbledhur, ai përfshirë fjalët e mëposhtme:

Unë këtu rinovojë shumë sidomos falenderimet e mia të ngrohta për të Mary Bell. Kur unë shoh nga këto dokumente përsëri unë shoh e saj kudo.

Design Accelerator ishte, sigurisht, një fushë relativisht e re, dhe puna e Bell-së në gjetjen Malvern përbëhej nga shtigjet e grimcave akuzuar përmes Accelerators. Në këto ditë para kompjuterëve, këtë kërkohet një mirëkuptim rigoroz të Elektromagnetizmi, dhe depërtim dhe gjykimi për të bërë simplifications matematikore të nevojshme të kërkuara për të bërë problemi i shtruar në një makinë llogaritëse mekanike, por duke e mbajtur karakteristikat themelore të fizikës. Punës Bell ishte mjeshtri.

Në 1951 Bell u ofruar të lënë një vit të mungesës për të punuar me Rudolf Peierls, profesor i fizikës në Birmingham University. Gjatë kohës së tij në Birmingham, Bell ka punë me rëndësi të madhe, duke prodhuar versionin e tij të teorema KPT njohur teorinë e fushës kuantike. Kjo teoremë tregoi se sipas veprimit të kombinuar të tre operatorëve në një ngjarje fizike: P, operatori i paritetit, i cili kryhet një reflektim, C, zgjedhim ngarkuar operator, i cili zëvendësoi grimca nga anti-grimca dhe T, e cila kryhet një kohë të ndryshim , rezultati do të jetë një tjetër ngjarje të mundshme fizike.
Për fat të keq Lüders dhe Gerhard Wolfgang Pauli provuar teoremen e njëjtë pak përpara Bell, dhe ata morën të gjitha kredive.

Megjithatë, Bell shtuar një tjetër pjesë të punës dhe fituan një PhD në 1956. Ai gjithashtu fitoi mbështetjen e shumë të vlefshme të Peierls, dhe kur ai u kthye nga Birmingham ai shkoi në Harwell për t'u bashkuar me një grup të ri të ngritur për të punuar në fizikën teorike grimcë elementare. Ai ka mbetur në Harwell deri 1960, por ai dhe Maria gradualisht u bë i shqetësuar se Harwell ishte duke u larguar nga puna themelore me më shumë aplikuar fushat e fizikës, dhe ata të dy u shpërngul në CERN, Qendra Evropiane për Kërkime Bërthamore në Gjenevë. Këtu ata shpenzuar mbetur të karrierës së tyre.

Bell botuar rreth 80 letra në fushën e fizikës së lartë për energji-fushës kuantike dhe teori. Disa ishin të lidhur mjaft ngushtë me programet eksperimentale fizikës në CERN, por shumica ishin në zonat e përgjithshme teorike.

Punë më të rëndësishme ishte ajo e çon në 1969 Adler-bell-Jackiw (ABJ) anomali në fushën e teorisë kuantike. Kjo ka rezultuar nga puna e përbashkët e Bell dhe Ronan Jackiw, e cila u sqaruar më pas nga Stephen Adler. Ata treguan se modeli aktual algjebër standard që përmban një paqartësi. Quantisation çoi në një simetri ndarjen e modelit. Kjo pune zgjidhet një problem i shquar ne fiziken grimcë; teori duket se parashikojnë se pion neutral nuk mund të kalbet në dy fotone, por eksperimentalisht prishja u zhvillua, siç shpjegohet nga ABJ. Gjatë tridhjetë viteve të mëvonshme, studimin e anomali të tilla u bë e rëndësishme në shumë fusha të fizikës pjesëz. Reinhold Bertlmann, i cili vetë e ka punën e rëndësishme me Bell, ka shkruar një libër me titull anomalive në Quantum Field Theory, dhe dy anëtarët e mbijetuar të ABJ, Adler dhe Jackiw përbashkët 1988 Dirakut Medaljen e Qendrës Ndërkombëtare për Fizika teorike në Trieste për punën e tyre .

Ndërsa fizika grimcë teoria kuantike e fushës u Bell punë është paguar për të bërë, dhe ai ka dhënë një kontribut të shkëlqyer, dashuria e tij e madhe ishte për teorinë kuantike, dhe kjo është për punën e tij këtu se ai do të mbahet mend. Siç e kemi parë, ai ishte i shqetësuar për kuptimin themelor të teorisë nga koha ai si një universitare, dhe shumë nga argumentet e tij ishte bazë e rëndësishme e tyre në atë kohë.

Probleme konceptuale, mund të jetë përshkruar duke përdorur spin-1 / 2 sistemit. Ne mund të themi se, kur shteti-vektor është + ose -, respektivisht, a është e barabartë me z / 2 dhe - / 2 përkatësisht, por, në qoftë se e kufizon veten në ekuacion Shrodingerit, s s x dhe y thjesht nuk kanë vlera. Të gjitha mund të them është se në qoftë se një matje e s x, për shembull, është kryer, probabilities rezultat duke u marrë ose / ose 2 - / 2 janë dy 1 / 2.

Nëse, nga ana tjetër, shteti fillestare vektor ka formën e përgjithshme e c + + + c - -, atëherë të gjithë ne mund të themi është se në një matje e s z, probabiliteti i marrjes së vlerës së / 2 është | c "2 |, dhe që të marrë vlerën e - / 2 i | c - 2 |. Para çdo matje, s z vetëm nuk ka një vlerë.

Këto deklarata kundërshton dy nocionet tona themelore. Ne jemi duke hedhur poshtë realizëm, i cili na tregon se një sasi ka një vlerë, për të vënë gjërat më grandly - bota ka një ekzistencë fizike dhe të pavarur të veprimeve të çdo vëzhguesi. Ajnshtajni ishte veçanërisht i shqetësuar nga kjo braktisje e realizmit - ai këmbënguli në ekzistencën e një vëzhgues-fushë e lirë. Ne jemi gjithashtu duke hedhur poshtë determinizëm, besimi se, në qoftë se ne kemi një njohuri të plotë të gjendjes së sistemit, ne mund të parashikojë saktësisht se si do sillen. Në këtë rast, ne e dimë shtetit-vektor i sistemit, por nuk mund të parashikoni rezultat i matjes s z.

Është e qartë se ne mund të përpiqet të rikuperojë të realizmit dhe determinizëm, nëse kemi parasysh se lejohet ekuacionin Shrodingerit, dhe vala-funksion ose shtet-vektor, nuk mund të përmbajnë të gjithë informacionin që është në dispozicion në lidhje me sistemin. Nuk mund të jetë sasi të tjera të dhënë informacione shtesë - fshehur variablave. Si një shembull të thjeshtë, shtetëror-vector më lart mund të aplikohen në një ansambël i sistemeve shumë, por përveç një ndryshore e fshehur për çdo sistem mund të them se çfarë vlera aktuale e s z mund të jetë. Realizëm dhe determinizëm do të jenë të restaurohen; s z do të ketë një vlerë në çdo kohë, dhe, me njohuri të plotë të gjendjes së sistemit, duke përfshirë vlerën e ndryshueshme fshehur, ne mund të parashikoj rezultatin e matjes së s z.

Një teori e plotë e variablave të fshehura në të vërtetë duhet të jetë më e komplikuar sesa kjo - ne duhet të kujtojmë se kemi dëshirë që të parashikojnë rezultatet e matjes jo vetëm s z, por edhe s s x dhe y, dhe çdo pjesë të tjera të s. Megjithatë kjo do të duket e natyrshme që mundësinë e plotësimin ekuacionit Shrodingerit me ndryshore e fshehur do të ishte marrë seriozisht. Në fakt, edhe pse, Niels Bohr dhe Werner Heisenberg ishin të bindur se nuk duhet të synojë në realizëm. Ata ishin të kënaqur për këtë arsye kur John von Neumann provuar një teoremë duke pretenduar për të treguar në mënyrë rigoroze se është e pamundur për të shtuar variablave fshehur në strukturën e teorisë kuantike. Kjo do të ishte shumë e përgjithësisht të pranuara për më shumë se tridhjetë vjet.

Bohr vënë përpara (në vend të tij ndoshta i panjohur) kuadër të komplementaritetit, që u orvatën të shpjegojnë pse nuk duhet të presin për të matur s s x dhe y (ose x dhe p) njëkohësisht. Ky ishte interpretim Kopenhagen e teorisë së tij kuantike. Ajnshtajni megjithatë e kundërshtoi këtë, dhe me qëllim për të rikthyer realizëm. Fizikantë pothuajse unanimisht favorizuar Bohr.

Ajnshtajni 's argument të fortë, edhe pse kjo nuk u bë shumë e dukshme në përgjithësi për disa dekada vë në Ajnshtajni e famshme-Podolsky-Rosen (EPR) Argumenti i 1935, ndërtuar nga Ajnshtajni me ndihmën e dy bashkë-punëtorët e rinj të tij, Boris Podolsky dhe Nathan Rosen. Këtu, siç është bërë zakonisht, kemi diskutuar një version të thjeshtë të argument, që mendohet deri pak më vonë nga David Bohm.

Dy spin-1 / 2 grimca janë konsideruar ato janë formuar nga prishja e një spin-1 / 2 grimcë, dhe ata lëvizin jashtë nga ky shkatërrim në drejtime të kundërta. Shtetërore kombinuar-vektoriale mund të shkruhet si (1 / √ 2) (1 - 2 + - 1 - 2 +), ku 1 dhe 2 s s për grimcat e 1 dhe 2 janë të lidhura me s lart. Ky shtet-vektor ka një formë të çuditshme. Dy grimca nuk paraqiten në atë mënyrë të pavarur, në vend ose shtet i thermije 1 është lidhen me një shtet të veçantë të pjesëz 2. Shtet-vektoriale është e thënë të jetë ngatërruar.

Tani imagjinoni matjes s Z 1. Nëse marrim + / 2, ne e dimë se një matje e menjëhershme e s 2 z është i detyruar të japë - / 2, dhe vice-versa, edhe pse, të paktën sipas të Kopenhagenit, përpara çdo matje, asnjë pjesë e tjerr ose ka një të veçantë vlerë.

Rezultat i këtij argumenti është se të paktën një nga tre deklarata duhet të jetë e vërtetë:

(1) grimcave duhet të shkëmbejnë informacion menjëherë të thotë më shpejt se drita;
(2) Nuk janë fshehur variable, kështu që rezultatet e eksperimenteve janë para-paracaktuar ose
(3) Teoria kuantike nuk është tamam e vërtetë në këto jo eksperimente speciale.

Mundësia e parë mund të përshkruhet si sakrificë e parimit të lokaliteti, ku sinjalet nuk mund të kalojnë nga një pjesëz të një tjetër më të shpejtë se shpejtësia e dritës. Ky sugjerim është mallkim për Einstein. Prandaj, ai arriti në përfundimin se në qoftë se teoria kuantike ishte e saktë, kështu që një e përjashtoi mundësinë (3), atëherë (2) duhet të jetë e vërtetë. Në Ajnshtajni 's kushte, teoria kuantike nuk ishte i plotë, por duhet të plotësohet nga variablave fshehur.

Bell konsideruar veten si një ndjekës të Ajnshtajnit. Ai tha Bernstein:

Ndjeja se Ajnshtajni 's superioritetin intelektual mbi Bohr, në këtë rast, ishte i madh, një hendek të madh midis njeri i cili e pa qartë se çfarë ishte e nevojshme, dhe obskurantist.

Bell duke mbështetur realizmit në formën e variablave fshehur. Ai ishte i kënaqur me krijimin në vitin 1952 nga David Bohm e një version të teorisë kuantike të cilat përfshinin fshehur variablave, me sa duket në kundërshtim të von Neumann 's rezultat. Bell ka shkruajtur:

1952 unë pashë pamundur bërë.

Në vitin 1964, Bell bërë kontributet e tij të madhe për teorinë kuantike. Së pari ai ndërtuar vetë llogarinë e tij të fshehur ndryshore e një matje të ndonjë komponenti të spin. Kjo ka përparësi për të qenë shumë më të thjeshtë se puna Bohm, dhe kështu shumë më e vështirë vetëm për të injorohej. Ai pastaj shkoi shumë më tej se Bohm duke treguar shumë qartë pikërisht atë që ishte e gabuar me von Neumann 's argument.

Von Neumann u zgjatur paligjshme të variablave supozuar të tij të fshehura një rezultat nga variablat e teorisë kuantike se vlera mesatare e A + B është e barabartë me shumën e vlerave të pritjes e A dhe B. (Vlera mesatare e një ndryshore është të thotë e mundshme rezultatet eksperimentale të ponderuara me probabilitetin e tyre të shfaqjes.) Pasi ky gabim ishte realizuar, kjo ishte e qartë se variablave fshehur teoritë e teorisë kuantike të ishte e mundur.

Megjithatë Bell pastaj demonstruar disa prona të padëshirueshme që teori duhet të kenë fshehur ndryshore. Më e rëndësishmja ata duhet të jenë jo-lokale. Ai demonstroi këtë duke zgjeruar argumentin EPR, duke lejuar matje në çdo krah i aparatit të çdo komponent i vjen rrotull, jo vetëm s z. Ai gjeti se, edhe kur variablat fshehur janë lejuar, në disa raste rezultojnë të marrë në një krah duhet të varen në të cilën komponent i tjerr është i matur në të tjera, ky shkel lokalitet. Zgjidhje për problemin EPR se Ajnshtajni do të pëlqyer, duke hedhur poshtë (1), por mban (2) ishte i paligjshëm. Edhe nëse e mbajtur (2), për aq kohë sa një ruajtur (3) e ka pasur edhe për të mbajtur (1).

Bell ishte rigorozisht tregoi se nuk mund të ketë teori lokale realiste e teorisë kuantike. Henri Stapp quajtur këtë rezultat:

zbulimi më i madh i shkencës.

Pronë e variablave të tjera të fshehta, të cilat demonstruan Bell ishte se ata duhet të jenë kontekstuale. Përjashtim në rastet e thjeshta, rezultat i matur kur ju marrë një variabël duhet të varen nga sasi të tjera të cilat janë të matur në të njëjtën kohë. Kështu variables fshehur nuk mund të mendohet të ketë thënë se çfarë vlerë një sasi 'ka', vetëm se çfarë vlerë do të marrë në qoftë se ne atë masë.

Le të kthehemi në çështje lokalitet. Pra, është supozuar se teoria kuantike është pikërisht e vërtetë, por sigurisht kjo nuk mund të jetë i njohur. John Clauser, Riçard Holt, Michael Horne dhe Abneri Shimony përshtatur punën e Bell-së për të dhënë një provë të drejtpërdrejtë eksperimental realizmi lokale. Kështu u CHHS i famshëm-pabarazia Bell, shpesh i quajtur vetëm pabarazia Bell. Në EPR-lloj eksperimente, kjo pabarazi është bindur nga variablat lokale të fshehur, por mund të jetë shkelur nga teori të tjera, duke përfshirë Teoria kuantike.

Bell ka arritur atë që është quajtur filozofi eksperimental, rezultatet e filozofike të një rëndësie të konsiderueshme mund të merret nga eksperiment. Pabarazive Bell janë testuar gjatë gati tridhjetë vjet, me sofistikimit në rritje, analiza eksperimentale në fakt duke përdorur fotone me polarisations ngatërruar, të cilat janë ekuivalente me matematikisht ngatërruar vishet me të diskutuara më lart. Ndërsa shumë shkencëtarë janë të përfshira, një përzgjedhje e më të rëndësishme do të përfshijnë Clauser, Alain Aspect dhe Anton Zeilinger.

Ndërsa të paktën një shteg ende mbetet për t'u mbyllur [në gusht 2002], ajo praktikisht duket e sigurtë se realizëm lokal është shkelur, dhe se teoria kuantike mund të parashikoj rezultatet e të gjitha eksperimentet.

Për pjesën tjetër të jetës së tij, Bell vazhduan të kritikojnë teoritë e zakonshme e matjes në teori kuantike. Gradualisht u bë të paktën një pak më të pranueshme për pyetje dhe Bohr von Neumann, dhe studimit të kuptimit të teorisë kuantike është bërë një aktivitet të respektuar.

Bell vetë u bë anëtar i Shoqërisë Mbretërore si në fillim të 1972, por ai ishte shumë më vonë para se të marrë çmime ai merituar. Në vitet e fundit të jetës së tij ai u dha Medaljen Hughes e Shoqërisë Mbretërore, Medaljen Dirakut e Institutit të Fizikë, dhe Çmimin Heineman i Shoqërisë Amerikane Fizike. Brenda dy javë në korrik 1988 ai mori diploma nderi nga të dyja Mbretëreshës dhe Trinity College Dublin. Ai u propozua për çmimin Nobel, e nëse ai kishte jetuar dhjetë vjet më të gjatë se ai me siguri do të marrë atë.

Kjo nuk ishte për jetë. John Bell vdiq papritmas nga një goditje më 1 tetor 1990. Që nga ajo datë, shuma e interesave në punën e tij, dhe në aplikimin e saj për informacion teorine kuantike është vazhdimisht në rritje.

Source:School of Mathematics and Statistics University of St Andrews, Scotland