Home » Articole » Articole » Știință » Fizica » Mecanica cuantică » Testul Bell în mecanica cuantică

Testul Bell în mecanica cuantică

Testul Bell, cunoscut și sub numele de test de inegalitate Bell sau experiment Bell, este un experiment de fizică din lumea reală conceput pentru a testa teoria mecanicii cuantice în relație cu conceptul de realism local al lui Albert Einstein. Numit după John Stewart Bell, experimentele testează dacă lumea reală satisface sau nu realismul local, care necesită prezența unor variabile locale suplimentare (numite „ascunse” deoarece nu sunt o caracteristică a teoriei cuantice) pentru a explica comportamentul particulelor precum fotoni și electroni. Testul evaluează empiric implicațiile teoremei lui Bell. Începând cu 2015, toate testele Bell au descoperit că ipoteza variabilelor ascunse locale este incompatibilă cu modul în care se comportă sistemele fizice.

Multe tipuri de teste Bell au fost efectuate în laboratoarele de fizică, adesea cu scopul de a ameliora problemele de proiectare sau configurație experimentală care ar putea afecta, în principiu, validitatea constatărilor testelor Bell anterioare. Acest lucru este cunoscut sub numele de „închiderea lacunelor în testele Bell”.

Încălcările inegalității Bell sunt, de asemenea, folosite în unele protocoale de criptografie cuantică, prin care prezența unui spion este detectată atunci când inegalitățile Bell încetează să fie încălcate.

Testul Bell își are originea în dezbaterea dintre Einstein și alți pionieri ai fizicii cuantice, în principal Niels Bohr. O caracteristică a teoriei mecanicii cuantice aflată în dezbatere a fost semnificația principiului incertitudinii lui Heisenberg. Acest principiu afirmă că, dacă unele informații sunt cunoscute despre o anumită particulă, există alte informații despre aceasta care sunt imposibil de știut. Un exemplu în acest sens se găsește în observațiile privind poziția și impulsul unei particule date. Conform principiului incertitudinii, impulsul unei particule și poziția sa nu pot fi determinate simultan cu o precizie arbitrar de mare.

În 1935, Einstein, Boris Podolsky și Nathan Rosen au publicat o afirmație conform căreia mecanica cuantică prezice că ar putea fi observate mai multe informații despre o pereche de particule inseparate decât a permis principiul lui Heisenberg, ceea ce ar fi posibil doar dacă informațiile ar călători instantaneu între cele două particule. Acest lucru produce un paradox care a ajuns să fie cunoscut sub numele de „paradoxul EPR” după cei trei autori. Apare dacă orice efect resimțit într-o locație nu este rezultatul unei cauze care a avut loc în conul său de lumină trecut, în raport cu locația sa. Această acțiune la distanță pare să încalce cauzalitatea, permițând informațiilor dintre cele două locații să călătorească mai repede decât viteza luminii. Cu toate acestea, este o concepție greșită comună să credem că orice informație poate fi partajată între doi observatori mai repede decât viteza luminii folosind particule inseparate; transferul de informații ipotetic aici este între particule.

Pe baza acestui fapt, autorii au concluzionat că funcția de undă cuantică nu oferă o descriere completă a realității. Ei au sugerat că trebuie să existe unele variabile ascunse locale la lucru pentru a lua în considerare comportamentul particulelor inseparate. Într-o teorie a variabilelor ascunse, așa cum a preconizat-o Einstein, aleatoritatea și nedeterminarea observate în comportamentul particulelor cuantice ar fi doar aparente. De exemplu, dacă s-ar cunoaște detaliile tuturor variabilelor ascunse asociate cu o particulă, atunci s-ar putea prezice atât poziția, cât și impulsul acesteia. Incertitudinea care fusese cuantificată de principiul lui Heisenberg ar fi pur și simplu un artefact de a nu avea informații complete despre variabilele ascunse. Mai mult, Einstein a susținut că variabilele ascunse ar trebui să se supună condiției de localitate: Oricare ar fi variabilele ascunse de fapt, comportamentul variabilelor ascunse pentru o particulă nu ar trebui să poată afecta instantaneu comportamentul celor pentru o altă particulă aflată la distanță. Această idee, numită principiul localității, este înrădăcinată în intuiția din fizica clasică că interacțiunile fizice nu se propagă instantaneu în spațiu. Aceste idei au făcut obiectul unei dezbateri continue între susținătorii lor. În special, Einstein însuși nu a aprobat modul în care Podolsky a afirmat problema în celebra lucrare despre EPR.

Schema unui test Bell cu „două canale
Credit: George Stamatiou/C.Thompson/Wikimedia Commons, licenșa CC BY-SA 3.0

(Schema unui test Bell cu „două canale”. Sursa S produce perechi de „fotoni”, trimiși în direcții opuse. Fiecare foton întâlnește un polarizator cu două canale a cărui orientare poate fi stabilită de experimentator. Semnalele emergente de la fiecare canal sunt detectate și coincidențele sunt numărate de către monitorul de coincidențe CM. Credit: George Stamatiou/C.Thompson/Wikimedia Commons, licenșa CC BY-SA 3.0)

În 1964, John Stewart Bell a propus celebra sa teoremă, care afirmă că nicio teorie fizică a variabilelor locale ascunse nu poate reproduce vreodată toate predicțiile mecanicii cuantice. În teoremă este implicită propoziția că determinismul fizicii clasice este fundamental incapabil să descrie mecanica cuantică. Bell a extins teorema pentru a oferi ceea ce va deveni fundamentul conceptual al experimentelor de testare Bell.

Un experiment tipic implică observarea particulelor, adesea fotoni, într-un aparat proiectat să producă perechi inseparate și să permită măsurarea anumitor caracteristici ale fiecăreia, cum ar fi spinul lor. Rezultatele experimentului ar putea fi apoi comparate cu ceea ce a fost prezis de realismul local și cu cele prezise de mecanica cuantică.

În teorie, rezultatele ar putea fi „prin coincidență” în concordanță cu ambele. Pentru a rezolva această problemă, Bell a propus o descriere matematică a realismului local care a plasat o limită statistică asupra probabilității acestei eventualități. Dacă rezultatele unui experiment încalcă inegalitatea Bell, variabilele locale ascunse pot fi excluse drept cauză. Cercetătorii de mai târziu s-au bazat pe munca lui Bell propunând noi inegalități care servesc aceluiași scop și rafinează ideea de bază într-un fel sau altul. În consecință, termenul „inegalitate Bell” poate însemna oricare dintre un număr de inegalități satisfăcute de teoriile locale ale variabilelor ascunse; în practică, multe experimente din zilele noastre folosesc inegalitatea CHSH. Toate aceste inegalități, ca și originalul conceput de Bell, exprimă ideea că asumarea realismului local impune restricții asupra rezultatelor statistice ale experimentelor pe seturi de particule care au luat parte la o interacțiune și apoi s-au separat.

Până în prezent, toate testele Bell au susținut teoria fizicii cuantice și nu ipoteza variabilelor ascunse locale. Aceste eforturi de a valida experimental încălcările inegalităților Bell au dus la acordarea Premiului Nobel pentru Fizică în 2022 pentru John Clauser, Alain Aspect și Anton Zeilinger.

(Include texte traduse și adaptate din Wikipedia de Nicolae Sfetcu)

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 2
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 2

Descoperă universul fizicii printr-o perspectivă fenomenologică captivantă!

Nu a fost votat 47.84 lei167.60 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

O explorare cuprinzătoare a fizicii, combinând perspective teoretice cu fenomene din lumea reală.

Nu a fost votat 47.84 lei167.60 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.
Mecanica cuantică fenomenologică
Mecanica cuantică fenomenologică

Intră în lumea fascinantă a mecanicii cuantice. Nu rata ocazia de a explora frontierele științei!

Nu a fost votat 23.89 lei104.96 lei Selectează opțiunile Acest produs are mai multe variații. Opțiunile pot fi alese în pagina produsului.

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *