Bohr, Einstein ja Bell: mida 2022. aasta Nobeli füüsikaauhind meile kvantmehaanika kohta ütleb

Teadusfilosoofe on huvitanud tänavune Nobeli füüsikaauhind. Selle põhjuseks on asjaolu, et Alain Aspect, John Clauser ja Anton Zeilinger on tunnustatud mitmesuguste geniaalsete katsete kavandamise ja läbiviimise eest, et demonstreerida takerdunud osakesi. Filosoofide jaoks on töö põnev, sest selle keskmes on väljakutse mõista kvantmehaanika sisu.

See väljakutse on olnud sama kaua kui teema ise, mõlemaga Niels Bohr ja Albert Einstein arutledes erinevate mõttekatsete tagajärgede üle juba aastast 1927. Bohri jaoks näitasid katsed, et kvantmehaanika formalism, olgu see kummaline, muudab maailma selliseks, nagu see tegelikult on. Einsteini jaoks näitasid nad, et kvantmehaanika teeb seda mitte muuta maailm selliseks, nagu see tegelikult on – ja seetõttu puudub tõeline tähendus.

Einsteini argumendid kulmineerusid kuulsaga "EPR" paber et ta kirjutas 1935. aastal koos Boris Podolsky ja Nathan Roseniga, mis väidetavalt tõestas, et kvantmehaanika ei suuda reaalsust kujutada (Füüsiline ülevaade 47 777). EPR paber on füüsikadokumentide seas ainulaadne selle poolest, et see algab reaalsuse määratlemise katsega. "Piisav tingimus füüsikalise suuruse tegelikkusele," kuulutasid autorid, "on võimalus ennustada seda kindlalt, ilma süsteemi häirimata."

Kui John Bell oli pettunud füüsikutes, kes olid kvantmehaanika tähenduse suhtes apaatsed, siis veelgi enam ärritasid teda füüsikud, kes austasid Niels Bohri.

See artikkel on märkimisväärne ka selle poolest, et „reaalsust“ käsitleti esimest korda kaasaegses teaduses kontrollitava hüpoteesina. Millest sai alguse tegelikkuse ebakindlus Erwin Schrödinger, 1935. aasta EPR-i järgses kirjas Einsteinile, dubleeritud "põimumine" – või tingimus, et süsteemi ühe osakese kvantolekut ei saa defineerida kõigist teistest sõltumatult. Einstein ja Schrödinger pidasid seda kuriteoks ja olid šokeeritud, et nende kolleegid ei olnud šokeeritud.

Reaalseks saamine

Üks füüsik, kes kuriteost hoolis, oli John Stewart Bell. Ta sündis 1928. aastal pärast seda, kui Bohr ja Einstein olid juba oma vaidlusi alustanud, ja tal polnud kahtlustki, et kvantmehaanika sobib kõikidel praktilistel eesmärkidel. Kuid Bell arvas, et nii EPR-i paber kui ka Bohri segane vastus jäid kõrvale põhiprobleemist, millel polnud midagi pistmist ei kvantfüüsika tehnilise tõhususe ega selle kui teooria täpsusega.

Kui Bell valmistas pettumuse füüsikutes, kes olid kvantmehaanika tähenduse suhtes apaatsed, siis Bohri aupaklikud füüsikud ärritasid teda veelgi. Paljud arvasid, et ta oli edukalt vastu Einsteini vastuväidetele ja asetas põhiprobleemid – kuidagi – "Kopenhaageni tõlgendus". Kontseptuaalselt ebamäärane, see tõlgendus hõlmab millegi lainelaadset (kas matemaatilist või reaalset), mis variseb mingil teadmata viisil millekski osakeselaadseks.

1960. aastal leidis Bell CERNi konverentsil ootamatult end Bohriga lifti jagamas ja püüdis koguda julgust, et 75-aastasele füüsika grand old man'ile öelda, kui vigane ja vastutustundetu oli tema kvantmehaanika tõlgendus. Kahjuks kaotas Bell närvi. Tegelikult mõtles ta, kui paljud tema kolleegid olid sama teinud.

Seejärel, 1964. aastal, töötas Bell välja loomingulise mõttekatse, mis tõelise läbiviimise korral näitaks, kas takerdumise põhjuseks on kohalikud "varjatud muutujad" – omadused, mis eksisteerivad enne mõõtmist. Algselt arvas Bell, et Einsteinil on õigus, et varjatud muutujad on vastuseks kvantmehaanika probleemidele ja et ta suudab näidata, et Bohr eksis. Kuid Bell nägi üha enam, et ta ei saa.

Kui Einstein oleks muutnud reaalsuse kontrollitavaks hüpoteesiks, tegi Bell ka midagi uudset, mis pidi näitama, et testida saab ka Einsteini eeldust olemasolevate muutujate kohta (Füüsika 1 195). Filosoofide jaoks on Belli artikkel paeluv selle poolest, et see uuris Einsteini enesestmõistetavaks peetud asjade paikapidavust; see küsis, milline mikroskoopiline maailm tegelikult on, ja uuris selle pildi tagajärgi. Seda, mida Einstein oli kontseptuaalselt enesestmõistetavaks pidanud – osakeste kindlate omaduste olemasolu enne mõõtmist –, saab nüüd hinnata.

Veelgi enam, paber näitas, et Bohr ei olnud selgeks teinud, miks peab takerdumise olemasolu välistama need juba olemasolevad omadused. Teisisõnu, Belli artikkel andis eksperimentalistidele sihtmärgi, mida ei Einstein ega Bohr kaalunud. See töö algas 1972. aastal, kui Clauser tegi hilise Stuart Freedmaniga "Bell-testi", mis pakkus esimesed kindlad tõendid kohalike varjatud muutujate vastu. Aspect jätkas seda tööd hiljem.

Nagu Zeilinger, oli ta (erinevalt Bellist) juba ammu omaks võtnud Bohri välja töötatud kvantmehaanilise kirjelduse. Aastal 1989, aasta enne Belli surma, demonstreeris ta ja ta meeskond kolme osakese põimumist, kõrvaldades vajaduse Belli ebavõrdsuse järele ühe mõõtmisega. Sellest ajast alates on Zeilinger seda teinud sulges üha uusi võimalikke lünki kohalikele peidetud muutujate teooriatele, kavandades üha keerukamaid põimumiskatseid.

Kriitiline punkt

Belli filosoofiline tundlikkus ja füüsiline peenus on pälvinud talle a kvaasimüütiline staatus reflektiivsete füüsikute ja mõtlike teadusfilosoofide seas. Tema uuesti seotus segaduse mõistatusega sai alguse filosoofilistest muredest, mis jäid vastuseta füüsikute poolt, kes võitlesid EPR paberi pärast. Bell võiks väljendada oma kahtlusi kvantmehaanika tähenduse kohta viisil, mis meeldis füüsikutele, tuues veidrate ja mänguliste mõttekatsete abil esile kontseptuaalsed erinevused.

Aga miks ei olnud teaduslikult tundlikud filosoofid esimestena kuriteopaigas? Miks nad ei mõistnud EPR väljakutset ega löönud? Üks osa vastusest hõlmab kahtlemata nende puudulikku tehnilist ettevalmistust. Teine on akadeemilise distsiplinaarelu piirangud. Sellegipoolest peaks Belli rikkalik filosoofiline kontseptualiseerimine ja geniaalne metafüüsiline kujutlusvõime olema rohkem koostisosa mitte ainult peavoolu teoreetilises füüsikas, vaid ka filosoofias.

Füüsik David Mermin kord meenutas a kohtumine 1989. aastal kui Bell sõna otseses mõttes karjus kaasfüüsiku peale, püüdes oma kolleege meelitada, et nad ei laseks oma kujutlusvõimel tavapärase tarkuse varjus atrofeeruda. Tänavune Nobeli preemia tõstab esile füüsikute jultumust ja avatust, kes seadsid kahtluse alla oma võrrandites eeldatud kontseptuaalse raamistiku ning näitasid, et vähemalt füüsikat puudutavaid filosoofilisi küsimusi saab sageli muuta füüsiliselt testitavateks ja rangeteks.

Robert P Crease (täieliku biograafia vaatamiseks klõpsake alloleval lingil) on USA Stony Brooki ülikooli filosoofia osakonna juhataja ja Gino Elia on Stony Brooki ülikooli filosoofia doktorant