Mecanica cuantică, una dintre cele mai revoluționare teorii ale fizicii, a schimbat fundamental modul în care înțelegem natura la nivel microscopic. Totuși, această teorie a fost însoțită de numeroase controverse și paradoxuri. Unul dintre cele mai fascinante și importante aspecte ale mecanicii cuantice este inegalitatea lui Bell, un concept care a pus la încercare ideea că realitatea ar putea fi descrisă de variabile ascunse. În acest articol, vom explora ce este inegalitatea lui Bell, de ce teoria variabilelor ascunse nu este validă și cum demonstrează Bell că mecanica cuantică este corectă.
Contextul și problema variabilelor ascunse
La începutul secolului XX, teoria mecanicii cuantice a fost formulată pentru a descrie comportamentul particulelor subatomice. Aceasta a introdus conceptul de superpoziție și inseparabilitate cuantică (entanglement), sugerând că particulele pot exista în mai multe stări simultan și că starea unei particule poate fi instantaneu corelată cu starea altei particule, indiferent de distanța dintre ele.
Albert Einstein, Boris Podolsky și Nathan Rosen au exprimat scepticismul lor față de aceste idei în celebrul articol EPR (Einstein-Podolsky-Rosen) din 1935, sugerând că mecanica cuantică ar putea fi incompletă și că există „variabile ascunse” care, dacă ar fi cunoscute, ar oferi o descriere deterministă și completă a realității. Potrivit teoriei variabilelor ascunse, comportamentul aparent aleatoriu al particulelor cuantice este de fapt determinat de factori pe care încă nu îi cunoaștem.
Inegalitatea lui Bell
John Bell, un fizician irlandez, a publicat în 1964 o lucrare care a schimbat radical discuția despre natura mecanicii cuantice și a variabilelor ascunse. Bell a formulat ceea ce astăzi numim „inegalitățile lui Bell”, care sunt criterii matematice ce permit testarea teoriei variabilelor ascunse locale împotriva predicțiilor mecanicii cuantice.
Principiul localității: Pentru a înțelege inegalitățile lui Bell, este esențial să înțelegem principiul localității. Acesta afirmă că obiectele fizice influențează doar obiectele din imediata lor apropiere, adică influențele cauzale nu se pot propaga mai repede decât lumina. Cu alte cuvinte, dacă două particule sunt separate de o distanță mare, modificarea stării uneia nu poate afecta instantaneu starea celeilalte.
Bell a arătat că dacă variabilele ascunse locale ar exista, ele ar trebui să satisfacă anumite inegalități matematice. Dacă aceste inegalități sunt violate, atunci variabilele ascunse locale nu pot explica complet comportamentul particulelor cuantice.
Experimentul gândit de Bell
Să ne imaginăm un experiment simplificat pentru a ilustra inegalitatea lui Bell. Avem două particule cuplate cuantic (inseperabilitate cuantică), care sunt trimise în direcții opuse către doi observatori, Alice și Bob, care pot efectua măsurători asupra acestor particule. Fiecare observator poate alege între două setări diferite ale aparatului lor de măsurare.
Conform teoriei variabilelor ascunse locale, rezultatele măsurătorilor lui Alice și Bob ar trebui să fie determinate de variabile ascunse comune și de setările lor de măsurare, respectând principiul localității.
Bell a derivat o inegalitate matematică ce implică corelațiile dintre măsurătorile făcute de Alice și Bob. Dacă teoria variabilelor ascunse locale este corectă, atunci corelațiile ar trebui să satisfacă această inegalitate. Dacă nu, atunci mecanica cuantică, cu toate ciudățeniile ei, trebuie să fie corectă.
Testarea inegalităților lui Bell
Au fost efectuate numeroase experimente pentru a testa inegalitățile lui Bell. Unul dintre cele mai cunoscute este experimentul Aspect, realizat de Alain Aspect și colegii săi la începutul anilor 1980. În aceste experimente, s-au măsurat corelațiile dintre particulele corelate cuantic pentru a verifica dacă respectă sau violează inegalitățile lui Bell.
Măsurătorile au arătat în mod repetat că inegalitățile lui Bell sunt violate. Aceste rezultate au confirmat predicțiile mecanicii cuantice și au infirmat teoria variabilelor ascunse locale.
De ce teoria variabilelor ascunse locale nu este validă
Rezultatele experimentelor de tip Bell sugerează că orice teorie bazată pe variabile ascunse trebuie să renunțe la unul dintre cele două principii fundamentale:
- Determinismul: Ideea că rezultatele măsurătorilor sunt determinate de variabile ascunse.
- Localitatea: Ideea că obiectele influențează doar obiectele din imediata lor apropiere.
Experimentele au arătat că pentru a explica corelațiile cuantice, ar trebui să acceptăm non-localitatea, adică faptul că particulele corelate cuantic pot influența instantaneu stările uneia alteia, indiferent de distanță. Acest lucru este profund contraintuitiv, dar este confirmat de mecanica cuantică.
Mecanica cuantică este corectă
Prin inegalitatea lui Bell și prin rezultatele experimentelor, am obținut dovezi convingătoare că mecanica cuantică descrie corect realitatea la nivel microscopic. Acest lucru nu înseamnă că înțelegem complet toate implicațiile sale, dar confirmă că predicțiile sale sunt corecte.
Implicații și concluzii
Descoperirea și testarea inegalităților lui Bell au avut implicații profunde pentru fizică și filozofia științei. Ele au demonstrat că natura este mai stranie și mai interconectată decât ne-am fi putut imagina. Renunțarea la ideea localității a fost un pas uriaș în înțelegerea fundamentelor mecanicii cuantice.
Aceste rezultate deschid calea către tehnologii noi, cum ar fi calculul cuantic și criptografia cuantică, care se bazează pe principiile corelării cuantice și non-localității.
În concluzie, inegalitatea lui Bell este o piesă crucială a puzzle-ului mecanicii cuantice. Ea ne-a forțat să reevaluăm concepțiile noastre despre realitate și ne-a oferit o metodă clară și experimental verificabilă de a testa validitatea teoriei variabilelor ascunse. Rezultatele acestor teste au arătat fără echivoc că mecanica cuantică, deși stranie, este corectă, și că universul nostru este interconectat într-un mod profund și fascinant.
