Джон Стюарт Белл - John Stewart Bell

Для других людей с таким же именем см. Джон Белл (значения).

Джон Стюарт Белл
JohnStewartBell.jpg
Джон Стюарт Белл, ЦЕРН, 1973
Родился
Джон Стюарт Белл

28 июля 1928 г.
Белфаст, Северная Ирландия, Великобритания
Умер1 октября 1990 г. (62 года)
Женева, Швейцария
Альма-матерКоролевский университет Белфаста (B.Sc. )
Бирмингемский университет (Кандидат наук. )
ИзвестенТеорема Белла
Состояние колокола
Супердетерминизм
Хиральная аномалия
Парадокс космического корабля Белла
Квантовая запутанность
НаградыПремия Гейнемана (1989)
Медаль Хьюза (1989)
Медаль Поля Дирака и приз (1988)
Научная карьера
УчрежденияНаучно-исследовательский центр по атомной энергии
ЦЕРН, Стэндфордский Университет
Тезися. Обращение времени в теории поля, ii. Некоторые функциональные методы в теории поля.  (1956)
ДокторантРудольф Э. Пайерлс
Другие научные консультантыПол Тонтон Мэтьюз[1]:137

Джон Стюарт Белл ФРС[2] (28 июля 1928 - 1 октября 1990) физик из Северная Ирландия и создатель Теорема Белла, важная теорема из квантовая физика относительно теории скрытых переменных.[3][4][5][6]

биография

Ранняя жизнь и работа

Джон Белл родился в Белфаст, Северная Ирландия. Когда ему было 11 лет, он решил стать ученым, а в 16 окончил Белфастскую техническую школу. Затем Белл посетил Королевский университет Белфаста, где в 1948 г. получил степень бакалавра экспериментальной физики, а годом позже - степень бакалавра математической физики. Затем он защитил докторскую диссертацию. по физике на Бирмингемский университет в 1956 г. по специальности ядерная физика и квантовая теория поля. В 1954 году он женился на Мэри Росс, тоже физике, с которой познакомился во время работы над ускоритель физика в Малверне, Великобритания.[7]:139 Белл стал вегетарианцем в подростковом возрасте.[8] По словам его жены, Белл был атеист.[9]

Карьера Белла началась с Великобритании. Научно-исследовательский центр по атомной энергии, около Харвелл, Оксфордшир, известный как AERE или лаборатория Харвелла. В 1960 году он перешел на работу в Европейскую организацию ядерных исследований (ЦЕРН, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire), в Женева, Швейцария.[10] Там он работал почти исключительно над теоретическими физика элементарных частиц и по конструкции ускорителя, но нашел время, чтобы заняться призвание, исследуя основы квантовая теория. Он был избран иностранным почетным членом Американская академия искусств и наук в 1987 г.[11] Также важную роль в его карьере сыграл Белл вместе с Джоном Брэдбери Сайксом, М. Дж. Кирсли и У. Х. Рид, перевел несколько томов десятитомного Курс теоретической физики из Лев Ландау и Евгений Лифшиц, делая эти работы доступными для англоязычной аудитории в переводе, и все они остаются в печати.

Белл был сторонником пилотная волна теория.[12]

Теорема Белла

Основная статья: Теорема Белла

В 1964 году после годичного отпуска из ЦЕРН что он провел в Стэндфордский Университет, то Университет Висконсина-Мэдисона и Университет Брандейса, он написал статью под названием «О Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена ".[13] В этой работе он показал, что продолжение анализа ЭПР[14] позволяет вывести известные Теорема Белла.[15] Результирующее неравенство, полученное из определенных предположений, нарушается квантовой теорией.

Существуют некоторые разногласия относительно того, что неравенство Белла - в сочетании с EPR анализ - можно сказать, подразумевает. Белл считал, что не только локальные скрытые переменные, но все и вся местные теоретические объяснения должно противоречить предсказаниям квантовой теории: «Известно, что на примере Бома корреляций ЭПР, включающих частицы со спином, существует неприводимая нелокальность."[16]:196 Согласно альтернативной интерпретации, не все локальные теории в целом, а только теории локальных скрытых переменных (или "местный реалист «теории») оказались несовместимыми с предсказаниями квантовой теории.

Критика доказательства фон Неймана

Интерес Белла к скрытым переменным был мотивирован существованием в формализме квантовой механики «подвижной границы» между квантовой системой и классическим аппаратом:

Возможно, мы точно найдем, где проходит граница. Для меня более правдоподобно то, что мы обнаружим, что границ нет. ... Волновые функции оказались бы предварительным или неполным описанием квантово-механической части, объективное описание которой стало бы возможным. Именно эта возможность однородного описания мира является для меня главной мотивацией изучения возможности так называемой «скрытой переменной».[16]:30

Белл был впечатлен тем, что в формулировке Дэвид Бом с нелокальная теория скрытых переменных, такая граница не нужна, и именно это пробудило его интерес к этой области исследований. Белл также раскритиковал стандартный формализм квантовой механики на основании отсутствия физической точности:

Известные мне хорошие книги не особо касаются физической точности. Это ясно уже из их словарного запаса. Вот несколько слов, которые, какими бы законными и необходимыми они ни были, не имеют места в формулировка с любой претензией на физическую точность: система, аппарат, Окружающая среда, микроскопический, макроскопический, обратимый, необратимый, наблюдаемый, Информация, измерение. . ... В этом списке плохих слов из хороших книг хуже всего «измерение».[16]:215

Но для того, чтобы полностью исследовать жизнеспособность теории Бома, Беллу нужно было ответить на вызов так называемых доказательств невозможности для скрытых переменных. Белл обратился к ним в статье, озаглавленной «К проблеме скрытых переменных в квантовой механике».[17] (Белл на самом деле написал эту статью до своей статьи о парадоксе EPR, но она появилась только через два года, в 1966 году, из-за задержек с публикацией.[7]:144) Вот он показал что Джон фон Нейман аргумент[18] не доказывает невозможность скрытых переменных, как было широко заявлено, из-за его опоры на физическое предположение, не верное для квантовой механики, а именно на то, что взвешенное по вероятности среднее от суммы наблюдаемых величин равно сумме средних значения каждой отдельной наблюдаемой величины.[7]:141 Впоследствии Белл заявил: «Доказательства фон Неймана не просто ложны, но глупый!".[19]:88 В этой же работе Белл показал, что более сильные попытки такого доказательства (основанные на Теорема Глисона ) также не устраняет программу скрытых переменных. Предполагаемый изъян в доказательстве фон Неймана был ранее обнаружен Грета Германн в 1935 году, но не стал общеизвестным до тех пор, пока не был заново открыт Беллом.[20]

Однако в 2010 г. Джеффри Баб опубликовал аргумент, что Белл (и, косвенно, Герман) неверно истолковал доказательство фон Неймана, утверждая, что оно не пытается доказать абсолютную невозможность скрытых переменных и, в конце концов, не является ошибочным.[21] (Таким образом, физическое сообщество в целом неверно истолковало доказательство фон Неймана как универсальное.) Буб предоставляет доказательства того, что фон Нейман понимал пределы своего доказательства, но нет никаких свидетельств того, что фон Нейман пытался исправить это почти универсальное неверное толкование. которая просуществовала более 30 лет и в некоторой степени существует до наших дней. Доказательство фон Неймана на самом деле не применимо к контекстуальным скрытым переменным, как в теории Бома.[22]

Выводы экспериментальных испытаний

В 1972 году был проведен эксперимент, который при экстраполяции к идеальной эффективности детектора показал нарушение неравенства Белла. Это был первый из многих подобных экспериментов. Сам Белл на основании этих экспериментов пришел к выводу, что «теперь кажется, что нелокальность глубоко укоренилась в самой квантовой механике и сохранится в любом завершении».[16]:132 Это, согласно Беллу, также подразумевает, что квантовая теория не является локально причинной и не может быть встроена в какую-либо локально причинную теорию. Белл сожалел, что результаты тестов не соответствовали концепции локальных скрытых переменных:

На мой взгляд, разумно предположить, что фотоны в этих экспериментах несут с собой программы, которые были заранее согласованы, и рассказывают им, как себя вести. Это настолько рационально, что я думаю, что когда Эйнштейн увидел это, а другие отказались это видеть, он был разумным человеком. Остальные люди, хотя история их оправдала, прятали головы в песок. ... Так что мне жаль, что идея Эйнштейна не работает. Разумная вещь просто не работает ".[23]:84

Белл, казалось, смирился с представлением о том, что будущие эксперименты будут по-прежнему согласовываться с квантовой механикой и нарушать его неравенство. Ссылаясь на Белл тестовые эксперименты, он заметил:

Мне трудно поверить, что квантовая механика, очень хорошо работающая для нынешних практических установок, тем не менее потерпит неудачу с улучшениями в эффективности счетчика ... "[16]:109

Некоторые люди продолжают верить, что согласие с неравенством Белла еще может быть сохранено. Они утверждают, что в будущем гораздо более точные эксперименты могут выявить одну из известных лазейки, например, так называемая «лазейка для честной выборки», искажала интерпретации. Большинство основных физиков очень скептически относятся ко всем этим «лазейкам», признавая их существование, но продолжая верить в то, что неравенства Белла должны потерпеть неудачу.

Белл по-прежнему интересовался объективной «свободной от наблюдателя» квантовой механикой.[24] Он считал, что на самом фундаментальном уровне физические теории должны быть связаны не с наблюдаемыми, а с «умными»: beables теории - это те элементы, которые могут соответствовать элементам реальности, вещам, которые существуют. Их существование не зависит от «наблюдения» ».[16]:174 Его по-прежнему впечатляли скрытые переменные Бома как пример такой схемы, и он атаковал более субъективные альтернативы, такие как Копенгагенская интерпретация.[16]:92,133,181

Преподавание специальной теории относительности

Белл и его жена Мэри Росс Белл, также физик, внесли значительный вклад в физику ускорителей элементарных частиц, и вместе с многочисленными молодыми теоретиками в ЦЕРНе Белл разработал саму физику элементарных частиц. Обзор этой работы доступен в сборнике сочинений под редакцией Мэри Белл, Курта Готфрида и Мартинуса Вельтмана.[25]Помимо своих исследований физики элементарных частиц, Белл часто поднимал вопрос о понимании специальной теории относительности, и хотя имеется только один письменный отчет по этой теме («Как преподавать специальную теорию относительности»),[16]:67–80 это была критическая тема для него. Белл восхищался вкладом Эйнштейна в специальную теорию относительности, но в 1985 году предупредил, что «подход Эйнштейна ..., на мой взгляд, опасен с педагогической точки зрения».[26]:ix В 1989 г. по случаю 100-летия Сокращение тела Лоренца-Фитцджеральда Белл пишет: «О сокращении Фитцджеральда написано много чепухи».[25] Белл предпочитал думать о сжатии Лоренца-Фитцджеральда как о явлении, которое является реальным и наблюдаемым как свойство материального тела, что также было мнением Эйнштейна, но, с точки зрения Белла, подход Эйнштейна оставляет много места для неправильного толкования. Эта ситуация и предыстория позиции Белла подробно описаны его сотрудником. Иоганн Рафельски в учебнике «Вопросы относительности» (2017).[26] В целях борьбы с заблуждениями, связанными с сокращением тела Лоренца-Фитцджеральда, Белл принял и продвигал релятивистский мысленный эксперимент, который стал широко известен как Парадокс космического корабля Белла.

Смерть

Синий налет в честь Джона Белла в Королевский университет Белфаста

Белл неожиданно умер от кровоизлияние в мозг в Женеве в 1990 году.[27][28][29] Широко распространено мнение, что Белл не знал, что в том же году он был номинирован на Нобелевскую премию.[30]:3[31]:155[1]:374 Его вклад в решение вопросов, поднятых EPR, был значительным. Некоторые считают, что он продемонстрировал несостоятельность локального реализма (локальные скрытые переменные). Собственная интерпретация Белла состоит в том, что сама местность погибла.

Наследие

  • На ЦЕРН сайт в Мейрин, рядом с Женева, в честь Джона Стюарта Белла находится улица Route Bell.
  • В 2016 году его коллега из ЦЕРН, Райнхольд Бертльманн, написал длинную статью «Вселенная Белла: личные воспоминания»,[34] подробно объясняя свое удивление, узнав о статье Белла о Носки Bertlmann, в котором Белл сравнил Парадокс ЭПР с носками.
  • В честь него был назван день, ссылаясь на дату, когда он опубликовал теорему Белла, 4 ноября.[35]

Северная Ирландия

  • С 2015 года улица была названа Полумесяцем теоремы Белла в его родном городе Белфасте.[36]
  • Дом Джона Белла, названный в его честь, был построен в 2016 году и в нем проживает более 400 студентов в центре Белфаста.[37]
  • Пешеходный вход в развлекательный центр Olympia в Белфасте, расположенный в 200 метрах от дома детства Белла, назван «Вход Джона Стюарта Белла» в честь местного жителя.[38]
  • в Королевский университет Белфаста один из лекционных залов по физике назван в честь Джона Стюарта Белла.[39]
  • Существует синий налет память Джона Стюарта Белла в главном кампусе Королевского университета
  • Существует синий налет память Джона Стюарта Белла в доме его детства в Тейтс-авеню в Белфасте

Книги

  • Белл, Джон Стюарт (2004). Разговорчивый и непроизносимый в квантовой механике (2-е изд.). Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-52338-7. Издание 2004 г. с введением Ален Аспект и два дополнительных документа: ISBN  0-521-52338-9.

Смотрите также

Другая работа Белла:

использованная литература

  1. ^ а б Уитакер, Эндрю (2016). Джон Стюарт Белл и физика двадцатого века: видение и целостность. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. Дои:10.1093 / acprof: oso / 9780198742999.001.0001. ISBN  978-0198742999. OCLC  960219296.
  2. ^ Берк, Филип Дж .; Персиваль, Ян К. (1999). "Джон Стюарт Белл. 28 июля 1928 - 1 октября 1990: Избранный F.R.S. 1972". Биографические воспоминания членов Королевского общества. 45: 1–17. Дои:10.1098 / rsbm.1999.0001. JSTOR  770260. S2CID  72616247.
  3. ^ Шимони, Абнер; Телегди, Валентин; Велтман, Мартинус (1991). "Джон С. Белл". Физика сегодня. 44 (8): 82–86. Bibcode:1991ФТ .... 44х..82С. Дои:10.1063/1.2810223.
  4. ^ О'Коннор, Джон Дж.; Робертсон, Эдмунд Ф., "Джон Стюарт Белл", Архив истории математики MacTutor, Сент-Эндрюсский университет.
  5. ^ Уитакер, Эндрю (1998). «Джон Белл и самое глубокое открытие науки». Мир физики. 11 (12): 29–34. Дои:10.1088/2058-7058/11/12/24.
  6. ^ Стэпп, Генри П. (1975). «Теорема Белла и мировой процесс». Il Nuovo Cimento B. 29 (2): 270–276. Bibcode:1975NCimB..29..270S. Дои:10.1007 / BF02728310. S2CID  117358907.
  7. ^ а б c Aczel, Амир Д. (2002). Запутанность: величайшая тайна физики. Нью-Йорк: Базовые книги. ISBN  978-1-56858-232-0. OCLC  49649300.
  8. ^ Белл, Мэри (2016). "Белл вегетарианец". Физика сегодня. 69 (8): 12. Bibcode:2016ФТ .... 69ч..12Б. Дои:10.1063 / pt.3.3252.
  9. ^ Белл, Мэри (2002). «Некоторые воспоминания». В Bertlmann, Reinhold A .; Цайлингер, Антон (ред.). Квантовая [не] говорящая информация: от колокола к квантовой информации. Коллекция Frontiers. Берлин: Springer. С. 3–5. Дои:10.1007/978-3-662-05032-3_1. ISBN  978-3-642-07664-0. Хотя большую часть своей жизни он был атеистом, в то время как в Королевском университете [Джон Белл] имел много споров о дьяволе со своим другом-католиком Денисом Макконалогом и даже посещал некоторые собрания Христианского студенческого движения ради аргументов.
  10. ^ Люди и вещи. 1990.
  11. ^ «Белл, Джон Стюарт». Члены Академии художеств и наук, 1780–2010 гг. (PDF). Американская академия искусств и наук. п. 41 год. Получено 8 октября 2019.
  12. ^ Хардести, Ларри (12 сентября 2014 г.). «Механика жидкости предлагает альтернативу квантовой ортодоксии». Phys.org. Наука X. Получено 8 октября 2019.
  13. ^ Белл, Джон Стюарт (1964). "О парадоксе Эйнштейна Подольского и Розена". Физика Телосложение Физика. 1 (3): 195–200. Дои:10.1103 / PhysicsPhysiqueFizika.1.195.
  14. ^ Эйнштейн, Альберт; Подольский, Борис; Розен, Натан (1935). «Можно ли считать квантово-механическое описание физической реальности полным?». Физический обзор. 47 (10): 777–780. Bibcode:1935ПхРв ... 47..777Э. Дои:10.1103 / PhysRev.47.777.
  15. ^ Саттон, Кристина (4 ноября 2014 г.). «Пятьдесят лет теореме Белла». Официальный сайт ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 8 октября 2019. Статья Джона Белла, опубликованная 4 ноября 1964 года, заложила основы современной области квантовой информатики.
  16. ^ а б c d е ж г час Белл, Джон Стюарт (1987). Разговорчивый и непроизносимый в квантовой механике. Кембридж: Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-36869-8.
  17. ^ Белл, Джон Стюарт (1966). «К проблеме скрытых переменных в квантовой механике». Обзоры современной физики. 38 (3): 447–452. Bibcode:1966РвМП ... 38..447Б. Дои:10.1103 / RevModPhys.38.447. OSTI  1444158.
  18. ^ фон Нейман, Джон (1955). Математические основы квантовой механики. Принстон: Princeton University Press. ISBN  978-0-691-02893-4.
  19. ^ Манн, Чарльз; Crease, Роберт (1988). "Интервью: Джон Белл". Омни. 10 (8): 84–86, 88, 90, 92, 121.
  20. ^ Герценберг, К. Л. (2008). «Грета Германн: один из первых участников квантовой теории». arXiv:0812.3986 [Physics.gen-ph ].
  21. ^ Баб, Джеффри (2010). «Доказательство отсутствия скрытых переменных фон Неймана: переоценка». Основы физики. 40 (9–10): 1333–1340. arXiv:1006.0499. Bibcode:2010ФоФ ... 40.1333Б. Дои:10.1007 / s10701-010-9480-9. S2CID  118595119.
  22. ^ Бачиагалуппи, Гвидо; Крулл, Элиза (2009). «Гейзенберг (и Шредингер, и Паули) о скрытых переменных». Исследования по истории и философии науки Часть B: Исследования по истории и философии современной физики. 40 (4): 374–382. Bibcode:2009ШПМП..40..374Б. CiteSeerX  10.1.1.484.3421. Дои:10.1016 / j.shpsb.2009.08.004. Неконтекстные скрытые переменные - это те, которые фиксируют значения, вероятности или ожидаемые значения для всех квантово-механических наблюдаемых, независимо от какого-либо экспериментального контекста. Доказательства невозможности фон Неймана (1932), Глисона (1957), Кохена и Спекера (1967) относятся к этому виду скрытых переменных.
  23. ^ Бернштейн, Джереми (1991). Квантовые профили. Принстон: Издательство Принстонского университета. ISBN  978-0691087252. OCLC  21971886.
  24. ^ Садбери, Энтони (2018). «Джон Белл и большое предприятие». Quanta. 7 (1): 68–73. arXiv:1808.06845. Дои:10.12743 / Quanta.v7i1.79. Г-Н  3894852. S2CID  53705805.
  25. ^ а б Белл, Мэри; Готфрид, Курт; Велтман, Мартинус, ред. (1995). Квантовая механика, физика высоких энергий и ускорители: избранные статьи Джона С. Белла (с комментариями). Мировая научная серия по физике ХХ века. 9. Сингапур: World Scientific. Дои:10.1142/2611. ISBN  9810221150.
  26. ^ а б Рафельски, Иоганн (2017). Вопросы относительности: от EMC2 Эйнштейна до лазерного ускорения частиц и кварк-глюонной плазмы. Чам, Швейцария: Springer. Дои:10.1007/978-3-319-51231-0. ISBN  978-3-319-51230-3.
  27. ^ Jackiw, R .; Шимони, А. (2008). "Белл, Джон Стюарт". Полный словарь научной биографии. Получено 8 октября 2019.
  28. ^ Салливан, В. (10 октября 1990 г.). «Джон Стюарт Белл мертв в 62 года; физики опробовали действие частиц». Газета "Нью-Йорк Таймс. Получено 8 октября 2019.
  29. ^ Фрейзер, Гордон (1990). "Джон Стюарт Белл 1928-1990". ЦЕРН Курьер. 30 (8): 25.
  30. ^ Гилдер, Луиза (2008). Эпоха запутанности: возрождение квантовой физики. Нью-Йорк: Альфред А. Кнопф. ISBN  978-1-4000-4417-7. OCLC  608258970.
  31. ^ Бернштейн, Джереми (2009). Квантовые скачки. Кембридж, Массачусетс: Belknap Press: отпечаток издательства Harvard University Press. ISBN  978-0674035416. OCLC  648759731.
  32. ^ "Приз Джона Стюарта Белла". Центр квантовой информации и квантового контроля. Университет Торонто. Получено 8 октября 2019.
  33. ^ «Проф. Николас Гизен удостоен Премии Первого звонка». Центр квантовой информации и квантового контроля. Университет Торонто. Получено 8 октября 2019.
  34. ^ Бертльманн, Райнхольд А. (2017). «Вселенная Белла: личные воспоминания». В Bertlmann, Reinhold A .; Цайлингер, Антон (ред.). Quantum [Un] Speakables II: полвека теоремы Белла. Коллекция Frontiers. Чам, Швейцария: Springer. С. 17–80. arXiv:1605.08081. Дои:10.1007/978-3-319-38987-5_3. ISBN  978-3-319-38985-1. S2CID  119259828.
  35. ^ "День Джона Белла". RIA. Ирландская королевская академия. 2019 г.. Получено 8 октября 2019.
  36. ^ «Джон Белл: улица Белфаста названа в честь физика, доказавшего неправоту Эйнштейна». Новости BBC. BBC. 19 февраля 2015 г.. Получено 8 октября 2019.
  37. ^ «Дом Джона Белла, Белфаст». Проживание для студентов. 2019. Получено 8 октября 2019.
  38. ^ «Скульптура прославляет футбол и связи физики». Городской совет Белфаста. 13 апреля 2018 г.. Получено 8 октября 2019.
  39. ^ "Расположение". Школа математики и физики. Королевский университет Белфаста. 2019. Архивировано с оригинал 9 января 2019 г.. Получено 8 октября 2019.

внешняя ссылка