Skip to content
Home » Deze maand in de geschiedenis van de natuurkunde

Deze maand in de geschiedenis van de natuurkunde

    Deze maand in de geschiedenis van de natuurkunde

    November 1964: John Stewart Bell luidt stilletjes in het nieuwe tijdperk van de kwantumtheorie

    Door Daniel Garisto | 13 oktober 2022

    John Bell schoolbord
    Krediet: CERN

    John Bell geeft in 1982 lezingen over zijn stelling.


    Toen het belangrijkste artikel over de kwantumtheorie in 30 jaar werd gepubliceerd op 4 november 1964, merkte vrijwel niemand het op. “On the Einstein-Podolsky-Rosen Paradox” verzamelde minder dan een dozijn citaten in de eerste zes jaar, en toen het meer aandacht kreeg, verwierpen veel natuurkundigen de implicaties ervan. Zelfs nu, met de 2022 Nobelprijs voor natuurkunde toegekend aan onderzoekers die gelijknamige Bell-tests uitvoeren, wordt de unieke rol ervan om concrete antwoorden van de natuur over de realiteit te krijgen, ondergewaardeerd.

    De auteur, John Stewart Bell, werd geboren op 28 juli 1928 in Belfast. Zijn moeder Annie was naaister en zijn vader Jackie verkocht paarden. De familie was niet rijk; in de biografie van Bell merkt Andrew Whitaker op dat Annie Johns academische toga naaide van verduisterende gordijnen.

    Bell ging Queen’s University binnen toen de Tweede Wereldoorlog eindigde. Daar was hij academisch uitstekend, maar al ontevreden over de orthodoxie van de natuurkunde. De heersende Kopenhagen-interpretatie stelde een onderscheid voor tussen klassieke waarnemer en kwantumwaarneembaar – een overtuiging die Bell later zou bespotten als een ‘verschuivende splitsing’. Gezien door de Kopenhagen-interpretatie, bestaat de locatie van een elektron bijvoorbeeld als een vage wolk van waarschijnlijkheden beschreven door de golffunctie totdat het instort tot een vaste waarde. Vanwege deze “shifty split”, waarschuwen voorstanders vaak tegen filosoferen over de kwantumwereld en het maken van aannames die verder gaan dan wat experimenteel kan worden bewezen.

    Een ouder artikel, gepubliceerd in 1935 door Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen (EPR), zou tot de verbeelding van Bell spreken. EPR betoogde, met behulp van een gedachte-experiment, dat de kwantummechanica correct was, maar onvolledig. Zoals Einstein later grapte: “Geloof je echt dat de maan alleen bestaat als hij wordt waargenomen?” Een mogelijke oplossing voor de kwalen van de kwantummechanica waren ‘verborgen variabelen’, niet-detecteerbare eigenschappen die al die tijd in deeltjes waren ingebakken. Als deze eigenschappen in het geheim aanwezig waren, zouden ze het bestaan ​​teruggeven aan dingen, en zelfs de maan eigenschappen geven, ongeacht of het werd gemeten.

    Bezorgd om wat meetbaar is, niet om wat is, verwierpen de Kopenhagen-interpretatie en zijn hogepriester, Niels Bohr, theorieën over verborgen variabelen. De onbepaaldheid van deeltjes was prima, en in ieder geval had de theoreticus John von Neumann in 1932 bewezen dat theorieën over verborgen variabelen onmogelijk waren. Voor aanhangers van de Kopenhagen-interpretatie was er geen reden om verborgen variabelen te bespreken die waren uitgesloten.

    Bell zag het anders. EPR wees op een centraal probleem, een diepe filosofische vraag over de werkelijkheid – en er was geen manier om te zeggen wie gelijk had.

    In 1952 kreeg Bell een schok van inspiratie toen David Bohm zijn interpretatie van de kwantummechanica publiceerde, een theorie met verborgen variabelen die zou kunnen aansluiten bij de Kopenhagen-interpretatie. De acolieten van Bohr waren niet onder de indruk. Ze vonden de theorie van Bohm overbodig – ironisch genoeg, omdat ze dezelfde voorspellingen deden als de bestaande kwantumtheorie. (Dit was in feite het punt – om aan te tonen dat een theorie met verborgen variabelen ook waarnemingen kan verklaren.) Ondertussen verwierp Albert Einstein de ideeën van Bohm omdat ze de plaats niet behielden, het gezond verstand dat objecten alleen worden beïnvloed door hun directe omgeving.

    Maar voor Bell was het cruciaal, en hij zou zich later herinneren dat hij “het onmogelijke zag gedaan” door Bohm, hoewel Bell nooit een Bohmaan werd. “Dit was niet het enige paard waaraan hij zijn wagen vastsjorde”, zegt David Kaiser, een natuurkundige en historicus aan het Massachusetts Institute of Technology. In plaats daarvan liet hij zich inspireren door Bohms orthodoxie tartende werk om niet alleen maar “zwijgen en berekenen.”

    Gedurende de volgende twaalf jaar hield Bell de ideeën in zijn achterhoofd en werkte hij ze in zijn vrije tijd uit. Af en toe kwam hij collega’s op de werkvloer tegen waarmee hij kon discussiëren, zoals Franz Mandl in Harwell, het nieuw gevormde Britse centrum voor atoomonderzoek waar Bell eind jaren vijftig werkte, en Josef-Maria Jauch bij CERN, waar hij in 1960 een baan aannam. 1963, Bell en zijn vrouw, Mary, ook een natuurkundige, namen een soort sabbatical in Amerika, waardoor hij vrijkwam om aan kwantumfunderingen te werken. De resulterende twee papers zouden uiteindelijk een revolutie teweegbrengen in het veld.

    Bells eerste artikel, ‘Over het probleem van verborgen variabelen in de kwantummechanica’, als onderdeel van een warboel met een verkeerd gearchiveerd manuscript en niet-teruggestuurde post, werd pas in 1966 gepubliceerd – twee jaar na zijn bekendere ‘tweede’ artikel. In dit eerste artikel, dat werd gepubliceerd in Reviews of Modern Physics, hoewel het allesbehalve een recensie was, richtte Bell zich op bewijzen van von Neumann en anderen die beweerden verborgen variabelen uit te sluiten. Hoewel de wiskunde van von Neumann correct was, erkende Bell dat het bewijs fataal gebrekkig was omdat het berustte op een valse veronderstelling dat de regels voor de kwantummechanica van toepassing waren op verborgen variabelen.

    Tegen het einde van het artikel besprak Bell de stelling van Bohm en non-lokaliteit. Als voorbode merkte hij op dat “er geen bewijs is dat een verborgen variabele beschrijving van de kwantummechanica dit buitengewone karakter moet hebben”, maar dat het “misschien interessant” zou zijn om zo’n bewijs te vinden.

    In zijn tweede artikel nam Bell wat een filosofisch debat was en maakte er een experimentele vraag van. De correlaties tussen een paar verstrengelde deeltjes – bijvoorbeeld hoe vaak beide verticaal gepolariseerd waren – zouden kunnen worden gebruikt om theorieën over verborgen variabelen te onderscheiden van de kwantummechanica. De sleutel was om “verschillende vragen te stellen aan de twee deeltjes”, zegt Kaiser. “Je krijgt een heel duidelijk kwantitatief onderscheid.”

    De ongelijkheid van Bell stelt een limiet aan theorieën over verborgen variabelen; met correlaties boven die limiet, moet het universum kwantum zijn. Ten slotte was er een manier om te bepalen welke theorie correct was en of het universum gehoorzaamde aan het ‘lokale realisme’ waarnaar EPR verlangde. Maar Bell verkondigde de bevinding niet; het werd gepubliceerd in een prestigieus maar nieuw tijdschrift, Physics Physique Физика, dat slechts vier jaar later zou sluiten. De fundamenten van de kwantummechanica waren nog grotendeels verboden terrein, gezien als filosofie voor cranks.

    Experimenten zouden Bell uiteindelijk rechtvaardigen, hoewel niet zoals hij had gehoopt: ze sloten verborgen variabelen en ook de plaats uit. Wat ze echter deden, was bewijzen dat de fundamenten van de kwantummechanica interessant en waardevol waren. “Filosofisch ingestelde natuurkundigen zitten nu aan tafel, op een manier die ze niet hadden in de tijd van Bohm, niet in de tijd van Bell”, zegt Kaiser.

    De bredere erkenning buiten de natuurkundegemeenschap is ook langzaam gekomen. In Belfast is het illegaal om wegen naar mensen te vernoemen. Dus in 2015, toen een halfronde weg aan de waterkant werd hernoemd, kreeg deze de naam Bell’s Theorem Crescent.

    Daniel Garisto is een schrijver uit New York.