John Stewart Bell

John Stewart Bell (født 28. juni 1928 i Belfast i Nord-Irland, død 1. oktober 1990 i Genève) var en fysiker fra Nord-Irland, og opphav til Bells teorem, et viktig teorem innen kvantefysikk angående skjulte variabler.

Biografi

Tidlig liv og arbeid
Bell ble født i Belfast i Nord-Irland. Begge sider av familien var av skotsk-irsk avstamning. Da han var 11 år gammel bestemte han seg for å bli videnskapsmann, og i en alder av 16 ble han uteksaminert fra Belfast Technical High School. Bell tiltrådte så Queen's University of Belfast, og oppnådde en bachelor-grad i eksperimentell fysikk i 1948, og en i matematisk fysikk året senere. Deretter tok han en doktorgrad i fysikk ved University of Birmingham i 1956, med fordypning i kjernefysikk og kvantefeltteori. I 1954 giftet han seg med Mary Ross, som også var fysiker og som han møtte mens han jobbet med partikkelakseleratorfysikk i Malvern, UK. Bell ble vegeterianer i tenårene. Ifølge sin kone var han ateist.

Bells karriere fikk sin start i UK Atomic Energy Research Establishment, i nærheten av Harwell, Oxfordshire, kjent som AERE eller Harwell Laboratory. Etter noen år flyttet han for å arbeide for European Organization for Nuclear Research (CERN, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), i  Genève, Sveits. Der anbeidet han stort sett utelukkende med partikkelfysikk og med design av akseleratorer, men fant allikevel tid til å forfølge sin store bigeskjeftigelse, å utforske kvantefyksikkens fundament. Han ble  Foreign Honorary Member av American Academy of Arts and Sciences in 1987. Forøvrig oversatte Bell, sammen med John Bradbury Sykes, M. J. Kearsley, and W. H. Reid, flere volumer av verket Course of Theoretical Physics av Lev Landau og Evgeny Lifshitz, hvilket tilgjengeliggjorde disse for et engelskspråklig publikum. Disse eksisterer fremdeles.

Bell var tilhenger av teorien om pilotbølger.

Bells teorem

I 1964, etter et års permisjon fra CERN, som han tilbragte ved Stanford University, University of Wisconsin–Madison og Brandeis University, skrev han en avhandling kalt  "On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox". Her viste han at man, som en forlengelse av EPR, kunne utlede det berømte Bells teorem. Den resulterende ulikheten strider mot kvanteteorien.

Det er en viss uenighet angående hva Bells ulikhet, i motsetning til EPR analysen, kan sies å implisere. Bell postulerte at ikke kun lokale, skjulte variable, men også alle og enhver lokale teoretiske forklaringer må motstride kvanteteorien forutsigelser: I Bohms eksempel på EPR-korrelasjoner, som angår partikler med spinn, dokumenteres ikke-lokalitet utvetydig. Ifølge en alternativ tolkning, vises at skjulte lokale variabler, dog ikke alle lokale teorier generelt, er inkompatible med kvanteteoriens antagelser.

Bells kritikk av von Neumanns bevis
Bells interesse i lokale variabler var motivert av eksistensen av en "bevegelig grense" i beskrivelsen av kvantemekanikken, mellom et kvante-system og et klassiske instrument.

En mulighet er at vi finner nøyaktig hvor grensen går. Jeg ser det som mer sannsynlig at det ikke eksisterer noen grense. ... Bølgefunksjonen ville vise seg å være en provisorisk eller ufullstendig beskrivelse av den kvantemekaniske delen, der en objektiv forståelse ville muliggjøres. Det er denne muligheten, av en enhetlig forståelse av verden, som for meg er drivkraften for å studere den såkalte 'skjulte variabler'-tolkningen.

Bell var overbevist om at det, ifølge David Bohms teori om ikke-lokale skjulte variabler, ikke var nødvendig med noen grense, og det var dette som tente hans interesse for forskning på feltet. Bell kritiserte også standardtolkningen av kvantemekanikk på grunnlag av fysisk presisjon:

Fordi de gode bøkene jeg kjenner til er ikke særlig opptatt av fysisk presisjon. Dette blir klart allerede utfra vokabularet. Her er noen ord, uansett hvor gyldige og nødvendige de er, som ikke har noen plass i en formulering med krav til fysisk presisjon: system, apparat, omgivelser, mikroskopisk, makroskopisk, reversibel, irreversibel, observerbar, informasjon, måling.

Dersom han virkelig skulle utforske gyldigheten av Bohms teori måtte han svare på utfordringen med såkalte umulighetsbevis mot skjulte variable. Bell adresserte disse i en forskningsartikkel med tittelen "On the Problem of Hidden Variables in Quantum Mechanics. (Bell hadde faktisk skrevet artikkelen før artikkelen om EPR-paradokset, men det ble allikevel ikke utgitt før to år senere, i 1966, grunnet publiseringsforsinkelser.)

Her viste han at  John von Neumanns argument ikke motbeviser muligheten av skjulte variable, hvilket den påstod, med begrunnelsen at den baserte seg på en antagelse som ikke er gyldig i kvantemekanikken, nemlig at det sannsynlighetsvektede gjennomsnitt av summen av de oberverte kvantiteter tilsvarer gjennomsnittet av verdier av hver av de observerte verdier. Bell hevdet videre "von Neumanns bevis er ikke bare feil men tåpelig" . I den samme artikkelen viste Bell at en bedre tilnærming på et slikt bevis (basert på Gleasons teorem) også mislykkes i å eliminere skjulte varabler. Den påståtte feilen i von Neumanns bevis hadde tidligere blitt oppdaget av Grete Hermann i 1935, men var ikke offentlig kjent inntil den ble gjenoppdaget av Bell.

Imidlertid publiserte Jeffrey Bus i 2010 en artikkel der han argumenterte for at Bell (og herunder Hermann) hadde misforstått von Neumanns bevis, ved å hevde at den ikke mener å påstå at skjulte variable er absolutt umulig, og faktisk ikke er feil allikevel. (Demed var det fellesskapet av fysikere som helhet som hadde misforstått at von Neumanns bevis var ment å gjelde universelt.) Bub fremholdt bevis på at von Neumann forstod begrensningene i sitt bevis, men det er ikke dokumentert at von Neumann noensinne prøvde å korrigere den omtrent universelle forståelsen som vedvarte i over 30 år, og til en viss grad fremdels. Von Neumanns bevis angår faktisk kontekstuelt skjule variabler, som i Bohms teori.

Konklusjoner fra eksperimentelle tester
I 1972 ble den første av mange eksperimenter som har vist en bestridigelse av Bells ulikhet gjennomført.Bell konkluderte selv utfra disse eksperimenter at "nå ser det ut til at ikke-lokalitet er dypt rotfestet i kvantemekanikken og vil fobli det i enhver ferdigstillelse" Ifølge Bell impliserer dette også at kvanteteori ikke er lokalt kausal og ikke kan integreres i noen lokalt kausal teori. Bell angret dette resultatet og samtykket ikke til konseptet med lokalt skjulte variabler.

For meg er det natrulig å anta at fotonene i disse eksperimentene bærer med seg egenskaper, som har blitt korrelert på forhånd, og som forteller fotonene hvordan de skal oppføre seg. Dette er så naturlig at da Eistein så det, og de andre nektet å se det, var det han som var den rasjonelle. Selv om historien har gitt de andre rett, begravde de hodet i sanden. ... Så, for meg, er det trist at Einsteins idé ikke virker. Den opplagte tingen fungerer rett og slett ikke.

Bell synes å ha resignert angående forholdet om at fremtidige eksperimenter ville fortsette å samsvare med kvantemekanikken og motstride hans uliket (Bells inequality). Med referanse til sine testresultater bemeket han følgende:

Det er vanskelig for meg å tro at kvantemekanikken, som fungerer utmerket for praktiske oppsett, allikevel vil mislykkes fullstendig med forbedringer av ytelsen i partikkeldetektorer.

It is difficult for me to believe that quantum mechanics, working very well for currently practical set-ups, will nevertheless fail badly with improvements in counter efficiency ..."

Noen fortsatte å tro at arrangementet med Bells ulikheter fortsatt kunne reddes. De argumenterte med at det i fremtiden ville mye mer presise eksperimeter avsløre at en av teoriens kjente smutthull, for eksempel at det såkalte "fair sampling loophole" hadde påvirket tolkningen av resultatene. De fleste alminnelige fysikere er svært skeptiske angående disse "smutthull", ved å anerkjenne eksistesen av dem, men fortsette å tro at Bells ulikheter må vise seg å være feil.

Bell fortsatte interessen i den "observatørfrie" kvantemekanikken. Han følte at på det mest fundamentale nivået kunne ikke fysiske teorier avhenge av om de ble observert eller ikke, men ved "be-ables".

???  "The beables of the theory are those elements which might correspond to elements of realitydet såkalte "fair blaising, to things which exist. Their existence does not depend on 'observation'." ???

Han forble imponert av Bohms skjule variabler som eksempel på et slikt regime og han angrep de mer subjektive alternativ som Niels Bohrs forklaring (the Copenhagen interpretation).

Bell og den spesielle relativitetsteorien
Bell og hans hustru bidro betydelig til fysikken som foregår i partikkelakseleratorer, og sammen med flere unge teoretikere ved Cern gjorde Bell utvikling innen feltet akseleratorfysikk. En overikt over arbeidet er tilgjengelig i boken om samlede verker av Mary Bell, Kurt Gottfried, and Martinus Veltman. Bortsett fra hans forskning innen akeleratorfysikk beskjeftiget Bell seg med forståelsen av den spesielle relativitetsteorien, og selv det kun er én rapport om dette emnet tilgjengelig ("Hvordan undervise spesiell relativitetsteori"), reprinted in, var dette et viktig anliggende for ham. Bell beundret Einsteins bidrag til den spesielle relativitetsteori, men advarte i 1985 "Einsteins tilnærming er ... pedagogisk farlig, etter min mening". I 1989, i forbindelse med hundreårsdagen for Lorentz-FitzGerald sammentrekning av objekter skrev Bell: En stor del nonsens er blitt skrevet om FitzGerald-sammentrekningen". Bell foretrakk å tenke på Lorentz-FitzGerald contraction som et fenomen som er reelt og observerbart som en egenskap ved et objekt, hvilket også var Einsteins mening, men etter Bells mening levner Einsteins tilnærming rom for mange misforståelser. Dette forholdet og bakgrunnen til Bells standpunkt er beskrevet i detalj av hans medarbeider Johann Rafelski i boken "Relativity Matters" (2017). For å bekjempe misforståelser angående Lorentz-FitzGerald sammentrekning adopterte og promoterte Bell et relativistisk tankeeksperiment som ble kjent under navnet Bell's spaceship paradox.

Bell var medlem av Royal Society.

Død 
Bell døde uventet av et hjerneslag i Genenve i 1990. Det er allment hevdet at Bell dette året ble nominert til Nobelprisen, noe han selv ikke var klar over.  Hans bidrag til spørsmålene belyst av EPR var betydelige. Enkelte anser ham den ansvarlige for å å ha demonstrert manglene i teorien om lokale variabler. Bells egen tolkning var at selve konseptet lokalitet var å betrakte som et tilbakelagt stadium.

Referanser

Kilder 

 2004 edition with introduction by Alain Aspect and two additional papers: .

Eksterne lenker 

John Bell and the most profound discovery of science (Desember 1998)
The Most Profound Discovery of Science (September 2006)

Britiske fysikere
Personer tilknyttet CERN
Medlemmer av Royal Society