Alles, was Sie über Bell's Theorem wissen müssen

Bells Theorem wurde vom irischen Physiker John Stewart Bell (1928-1990) entwickelt, um zu testen, ob durch Quantenverschränkung verbundene Teilchen Informationen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit kommunizieren. Insbesondere besagt der Satz, dass keine Theorie lokaler versteckter Variablen alle Vorhersagen der Quantenmechanik erklären kann. Bell beweist dieses Theorem durch die Erzeugung von Bellschen Ungleichungen, von denen experimentell gezeigt wird, dass sie in quantenphysikalischen Systemen verletzt werden, und beweist damit, dass eine Idee, die den Theorien lokaler versteckter Variablen zugrunde liegt, falsch sein muss. Die Eigenschaft, die normalerweise den Fall einnimmt, ist die Lokalität - die Idee, dass sich keine physikalischen Effekte schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.

Quantenverschränkung

In einer Situation, in der Sie zwei Teilchen haben, A und B, die durch Quantenverschränkung verbunden sind, korrelieren die Eigenschaften von A und B. Beispielsweise kann der Spin von A 1/2 sein und der Spin von B kann -1/2 sein oder umgekehrt. Die Quantenphysik sagt uns, dass sich diese Teilchen bis zur Messung in einer Überlagerung möglicher Zustände befinden. Der Spin von A ist sowohl 1/2 als auch -1/2. (Weitere Informationen zu dieser Idee finden Sie in unserem Artikel über das Schroedinger's Cat-Gedankenexperiment. Dieses spezielle Beispiel mit den Partikeln A und B ist eine Variante des Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxons, das häufig als EPR-Paradoxon bezeichnet wird.)

Wenn Sie jedoch den Spin von A messen, wissen Sie mit Sicherheit, welchen Wert der Spin von B hat, ohne ihn jemals direkt messen zu müssen. (Wenn A den Spin 1/2 hat, muss der Spin von B -1/2 sein. Wenn A den Spin -1/2 hat, muss der Spin von B 1/2 sein. Es gibt keine anderen Alternativen.) Das Rätsel am Das Herzstück von Bell's Theorem ist, wie diese Informationen von Teilchen A zu Teilchen B übertragen werden.

Glocke's Satz bei der Arbeit

John Stewart Bell schlug die Idee für Bells Theorem ursprünglich in seiner Arbeit "On the Einstein Podolsky Rosen paradox" von 1964 vor. In seiner Analyse leitete er Formeln mit der Bezeichnung Bell-Ungleichungen ab, die probabilistische Aussagen darüber sind, wie oft der Spin von Teilchen A und Teilchen B miteinander korrelieren sollte, wenn die normale Wahrscheinlichkeit (im Gegensatz zur Quantenverschränkung) funktioniert. Diese Bellschen Ungleichungen werden durch quantenphysikalische Experimente verletzt, was bedeutet, dass eine seiner Grundannahmen falsch sein musste und es nur zwei Annahmen gab, die der Rechnung entsprachen - entweder die physikalische Realität oder der Ort fiel aus.

Um zu verstehen, was dies bedeutet, kehren Sie zu dem oben beschriebenen Experiment zurück. Sie messen den Spin von Partikel A. Es gibt zwei Situationen, die die Folge sein könnten - entweder hat Teilchen B sofort den entgegengesetzten Spin, oder Teilchen B befindet sich immer noch in einer Überlagerung von Zuständen.

Wenn Partikel B unmittelbar von der Messung von Partikel A betroffen ist, bedeutet dies, dass die Annahme der Lokalität verletzt wird. Mit anderen Worten, irgendwie kam eine "Nachricht" sofort von Teilchen A zu Teilchen B, obwohl sie durch eine große Entfernung getrennt werden können. Dies würde bedeuten, dass die Quantenmechanik die Eigenschaft der Nichtlokalität aufweist.

Wenn diese augenblickliche "Nachricht" (d. H. Nichtlokalität) nicht stattfindet, besteht die einzige andere Option darin, dass sich das Teilchen B immer noch in einer Überlagerung von Zuständen befindet. Die Messung des Spin von Teilchen B sollte daher völlig unabhängig von der Messung von Teilchen A sein Die Bell-Ungleichungen stellen den Prozentsatz der Zeit dar, in der die Drehungen von A und B in dieser Situation korreliert werden sollten.

Versuche haben überwiegend gezeigt, dass die Bellschen Ungleichungen verletzt werden. Die gängigste Interpretation dieses Ergebnisses ist, dass die "Nachricht" zwischen A und B augenblicklich ist. (Die Alternative wäre, die physikalische Realität des Spins von B ungültig zu machen.) Daher scheint die Quantenmechanik eine Nichtlokalität aufzuweisen.

Hinweis: Diese Nichtlokalität in der Quantenmechanik bezieht sich nur auf die spezifische Information, die zwischen den beiden Teilchen verwickelt ist - der Spin im obigen Beispiel. Die Messung von A kann nicht verwendet werden, um sofort irgendeine andere Information in großen Entfernungen an B zu übertragen, und niemand, der B beobachtet, wird in der Lage sein, unabhängig zu sagen, ob A gemessen wurde oder nicht. Dies erlaubt bei der überwiegenden Mehrheit der Interpretationen durch angesehene Physiker keine Kommunikation, die schneller als die Lichtgeschwindigkeit ist.