ベルの定理について知っておくべきことすべて

クイーンズ大学ベルファスト (自作) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)]、Wikimedia Commons 経由

ベルの定理は、アイルランドの物理学者ジョン・スチュワート・ベル (1928-1990) によって、粒子が結合しているかどうかをテストする手段として考案されました。 量子もつれ 光速よりも速く情報を伝える。具体的には、この定理は、量子力学のすべての予測を説明できる局所隠れ変数の理論はないことを示しています。ベルはベルの不等式を作ることでこの定理を証明し、これは実験によって量子物理学系で破られることが示されているため、局所隠れ変数理論の中心にあるいくつかのアイデアが誤りであることが証明されています。通常、落下するプロパティは局所性です - 物理的な効果はより速く移動しないという考え 光の速度 .

量子もつれ

二人いる状況で 粒子 、A と B が量子もつれによって接続されている場合、A と B のプロパティは相関しています。たとえば、A のスピンは 1/2 で、 スピン の B は -1/2 の場合もあれば、その逆の場合もあります。 量子物理学 は、測定が行われるまで、これらの粒子が可能な状態の重ね合わせにあることを示しています。 A のスピンは 1/2 と -1/2 の両方です。 (私たちの記事を参照してください シュレディンガーの猫 このアイデアの詳細については、思考実験をご覧ください。粒子 A と B を含むこの特定の例は、アインシュタイン-ポドルスキー-ローゼンのパラドックスの変形であり、しばしば EPRのパラドックス .)

ただし、A のスピンを測定すると、直接測定しなくても B のスピンの値が確実にわかります。 (A のスピンが 1/2 の場合、B のスピンは -1/2 でなければなりません。A のスピンが -1/2 の場合、B のスピンは 1/2 でなければなりません。他に選択肢はありません。)ベルの定理の核心は、その情報が粒子 A から粒子 B に伝達される方法です。

働くベルの定理

ジョン・スチュワート・ベルは、1964 年の論文でベルの定理のアイデアを最初に提案しました。 アインシュタイン・ポドルスキー・ローゼンのパラドックスについて .'彼の分析では、ベルの不等式と呼ばれる式を導出しました。これは、通常の確率 (量子エンタングルメントとは対照的に) が機能している場合に、粒子 A と粒子 B のスピンが互いに相関する頻度に関する確率論的ステートメントです。これらのベルの不等式は、量子物理学の実験によって破られています。つまり、彼の基本的な仮定の 1 つが誤りである必要があり、法案に適合する仮定は 2 つしかなかったことを意味します。

これが何を意味するのかを理解するには、上記の実験に戻ってください。粒子 A のスピンを測定します。結果として考えられる状況は 2 つあります。粒子 B がすぐに反対のスピンを持つか、粒子 B がまだ状態の重ね合わせにあるかのいずれかです。

粒子 B が粒子 A の測定によって即座に影響を受ける場合、これは局所性の仮定に違反していることを意味します。言い換えれば、粒子 A から粒子 B への「メッセージ」は、遠く離れていても、瞬時に到達したのです。これは、量子力学が非局所性の性質を示すことを意味します。

この瞬間的な「メッセージ」(つまり、非局所性) が発生しない場合、他の唯一のオプションは、粒子 B がまだ状態の重ね合わせにあることです。したがって、粒子 B のスピンの測定は、粒子 A の測定とは完全に独立している必要があります。 ベルの不等式は、この状況で A と B のスピンが相関する必要がある時間の割合を表します。

実験では、ベルの不等式が破られていることが圧倒的に示されています。この結果の最も一般的な解釈は、A と B の間の「メッセージ」は瞬間的であるというものです。 (別の方法は、B のスピンの物理的現実を無効にすることです。) したがって、量子力学は非局所性を示すようです。

ノート： 量子力学におけるこの非局所性は、2 つの粒子間でもつれている特定の情報 (上記の例ではスピン) にのみ関連しています。 A の測定値は、遠距離にいる B に他の情報を即座に送信するために使用することはできません。また、B を観察している人は、A が測定されたかどうかを独立して判断することはできません。尊敬されている物理学者による大多数の解釈の下では、これは光の速度よりも速い通信を許可しません。