Bohr, Einstein och Bell: vad Nobelpriset i fysik 2022 säger oss om kvantmekanik

Vetenskapsfilosofer har fascinerats av årets Nobelpris i fysik. Det beror på att Alain Aspect, John Clauser och Anton Zeilinger har blivit erkända för att ha designat och utfört en mängd geniala experiment för att demonstrera intrasslade partiklar. För filosofer är verket fascinerande eftersom kärnan ligger utmaningen att förstå vad kvantmekanik handlar om.

Denna utmaning har funnits lika länge själva ämnet, med båda Niels Bohr och Albert Einstein diskuterade implikationerna av olika tankeexperiment så långt tillbaka som 1927. För Bohr visade experimenten att kvantmekanikens formalism, hur märklig den än är, återger världen som den verkligen är. För Einstein visade de att kvantmekaniken gör det inte återge världen som den verkligen är – och därför saknar någon sann mening.

Einsteins argument kulminerade i det berömda "EPR" papper som han skrev 1935 med Boris Podolsky och Nathan Rosen, vilket ska bevisa att kvantmekaniken inte kunde representera verkligheten (Fysisk granskning 47 777). EPR-papperet är unikt bland fysikpapper genom att det börjar med att försöka definiera verkligheten. "Ett tillräckligt villkor för verkligheten av en fysisk kvantitet", förklarade författarna, "är möjligheten att förutsäga den med säkerhet, utan att störa systemet."

Om John Bell blev besviken på fysiker som var apatiska när det gäller innebörden av kvantmekanik, blev han ännu mer irriterad av fysiker som var vördnadsfulla mot Niels Bohr

Uppsatsen är också betydelsefull eftersom "verkligheten" för första gången i modern vetenskap närmade sig som en testbar hypotes. Verklighetens osäkerhet sprungit ur vad Erwin Schrödinger, i ett brev till Einstein efter EPR 1935, dubbat "förveckling" – eller villkoret att kvanttillståndet för en partikel i ett system inte kan definieras oberoende av alla andra. Einstein och Schrödinger ansåg att det var ett brott och var chockade över att deras kollegor inte var mer chockade.

Blir verklig

En fysiker som brydde sig om brottet var John Stewart Bell. Född 1928 efter att Bohr och Einstein redan hade börjat sina debatter, tvivlade han inte på att kvantmekanik var bra för alla praktiska ändamål. Bell ansåg dock att både EPR-tidningen och Bohrs förvirrade svar strök den grundläggande frågan, som inte hade något att göra vare sig med kvantfysikens tekniska effektivitet eller med dess noggrannhet som teori.

Om Bell blev besviken på fysiker som var apatiska om innebörden av kvantmekaniken, blev han ännu mer irriterad av fysiker som var vördnadsfulla mot Bohr. Många antog att han framgångsrikt hade motverkat Einsteins invändningar och hade lagt de grundläggande frågorna till vila – på något sätt – i "Köpenhamn tolkning". Begreppsmässigt vag innebär den tolkningen att något våglikt (antingen matematiskt eller verkligt) på något okänt sätt kollapsar till något partikelliknande.

1960, vid en konferens på CERN, fann Bell sig oväntat dela hiss med Bohr och försökte ta mod till sig för att berätta för den 75-årige grand old man i fysiken hur bristfällig och oansvarig hans tolkning av kvantmekaniken var. Tyvärr tappade Bell nerverna. Han undrade faktiskt hur många av hans kollegor som hade gjort detsamma.

Sedan, 1964, utarbetade Bell ett kreativt tankeexperiment som, om det genomfördes på riktigt, skulle visa om intrassling orsakas av lokala "dolda variabler" - egenskaper som existerar innan man gör en mätning. Till en början trodde Bell att Einstein hade rätt, att dolda variabler skulle vara svaret på problem med kvantmekanik, och att han kunde visa att Bohr hade fel. Men Bell såg alltmer att han inte kunde.

Om Einstein hade förvandlat verkligheten till en testbar hypotes, gjorde Bell också något nytt, som skulle visa att Einsteins antagande om redan existerande variabler också kunde testas (Fysik 1 195). För filosofer är Bells uppsats fascinerande genom att den granskade sundheten i vad Einstein hade tagit för givet; den frågade hur den mikroskopiska världen egentligen är och frågade sig om konsekvenserna av den bilden. Det som Einstein hade tagit för givet konceptuellt – förekomsten av bestämda egenskaper hos partiklar före mätning – kunde nu utvärderas.

Dessutom visade tidningen att Bohr inte hade klargjort varför förekomsten av intrassling måste utesluta dessa redan existerande egenskaper. Med andra ord gav Bells papper experimentalister ett mål som varken Einstein eller Bohr hade övervägt. Det arbetet startade 1972 när Clauser gjorde ett "Bell-test" med avlidne Stuart Freedman som erbjöd de första hårda bevisen mot lokala dolda variabler. Aspect fortsatte det arbetet senare.

Som för Zeilinger, han hade (till skillnad från Bell) länge anammat den kvantmekaniska beskrivningen som utvecklats av Bohr. År 1989, året innan Bell dog, demonstrerade han och hans team tre-partikelförveckling, vilket tog bort behovet av Bells ojämlikhet med en enda mätning. Sedan dess har Zeilinger gjort det stängt fler och fler potentiella kryphål till lokala teorier om dolda variabler genom att designa fler och mer utarbetade förvecklingsexperiment.

Den kritiska punkten

Bells filosofiska känslighet och fysiska subtilitet har gett honom en kvasi-mytisk status bland reflekterande fysiker och eftertänksamma vetenskapsfilosofer. Hans återkoppling med förvecklingens gåta utlöstes av filosofiska farhågor som lämnades obesvarade av fysiker som slogs om EPR-tidningen. Bell kunde rama in sina betänkligheter om innebörden av kvantmekaniken på ett sätt som tilltalade fysiker, genom att lyfta fram begreppsmässiga skillnader via udda och lekfulla tankeexperiment.

Men varför var inte vetenskapligt känsliga filosofer först på brottsplatsen? Varför hade de inte insett utmaningen med EPR och kastade sig? En del av svaret är utan tvekan deras brist på teknisk utbildning. En annan är begränsningarna i det akademiska disciplinära livet. Ändå borde Bells rika filosofiska konceptualisering och geniala metafysiska fantasi vara mer av en ingrediens inte bara i mainstream teoretisk fysik, utan också i filosofi.

Fysikern David Mermin en gång erinrade om en möte 1989 när Bell bokstavligen skrek åt en annan fysiker och försökte samla sina kollegor för att inte låta deras fantasi atrofieras i skuggan av konventionell visdom. Årets Nobelpris lyfter fram fräckheten och öppenheten hos fysiker som utmanade den begreppsram som deras ekvationer förutsätter och visade att åtminstone filosofiska frågor om fysik ofta kan göras fysiskt testbara och rigorösa.

Robert P Crease (klicka på länken nedan för fullständig bio) är ordförande för Institutionen för filosofi, Stony Brook University, USA, och Gino Elia är doktorand i filosofi vid Stony Brook University