Bellova nerovnost

Bellova nerovnost je nerovnost, kterou splňují určité spinové korelace v lokálně realistických teoriích. Je dílem irského fyzika J. S. Bella.

Rovnice

Bellova nerovnost má tvar:

n(\alpha_+\beta_+)\le n(\alpha_+\gamma_+)+n(\beta_+\gamma_+).

Bližší pohled na její odvození. Nechť N(+++) je počet částic v našem testu s hodnotami \alpha_+, \beta_+, \gamma_+ (a obdobně pro další kombinace orientací). +more Nechť N(\alpha_+ \beta_+) označuje počet částic s \alpha_+, \beta_+ a s neurčenou hodnotou \gamma (a podobně). Pak platí.

N(\alpha_+ \beta_-) = N(+-+) + N(+--), N(\alpha_+ \gamma_-) = N(++-) + N(+--), N(\beta_- \gamma_+) = N(+-+) + N(--+).

Protože všechny N jsou nezáporné (jde o počty případů), musí platit

N(\alpha_+ \beta_-) \le N(\alpha_+ \gamma_-) + N(\beta_- \gamma_+).

Uvědomíme-li si, že pokud má jedna z částic \alpha_+, musí mít druhá částice z páru \alpha_- atd. Veličiny n jsou úměrné součtům dvojic N

\frac{n(\alpha_+\beta_+)}{N(\alpha_+ \beta_-) + N(\alpha_- \beta_+)}=\frac{n(\alpha_+ \gamma_+)}{N(\alpha_+ \gamma_-) + N(\alpha_- \gamma_+)}=\frac{n(\beta_+ \gamma_+)}{N(\beta_+ \gamma_-) + N(\beta_- \gamma_+)}.

Potom ze zmíněné nerovnosti

N(\alpha_+ \beta_-) \le N(\alpha_+ \gamma_-) + N(\beta_- \gamma_+)

a z podobné nerovnosti se zaměněnými symboly + a − vyplývá konečný vztah pro Bellovu nerovnost:

n(\alpha_+\beta_+)\le n(\alpha_+\gamma_+)+n(\beta_+\gamma_+).

Bellův teorém

Tento teorém v obecné rovině staví lokální realismus jako neslučitelný s kvantovou mechanikou. Nejedná se ovšem o teorém (ani Bell ho tak nikdy nenazval), ale jde spíše o interpretaci. +more Neslučitelnost kvantové mechaniky s lokálním realismem je dle Bellova/CHSH teorému prokázána na dvojici kvantově provázaných částic.

Lokální realismus pro takové páry částic předpokládá, že vlastnosti těchto částic (jejich provázanost) vznikají v okamžiku vzniku jejich provázanosti - typicky srážkou nějakých jiných částic, při které vznikne kvantově provázaný pár. Dle lokálního realismu si tedy tyto vlastnosti nesou částice nadále s sebou, i když se od sebe vzdálí. +more Bellův teorém se konkrétně zaměřuje na spin obou částic. Protože spin má vždy stejnou absolutní hodnotu a mění se jen jeho znaménko, musíme pro další vysvětlení principu předpokládat opakované měření více párů částic a statistické vyhodnocení výsledků.

Měření prokazují, že spin obou částic ve stejné ose je vždy opačný (je tedy dokonale antikorelován, korelace = −1). Spin obou částic, měřený v osách, mezi nimiž je úhel 90°, je náhodný (má korelace = 0).

Lokální realismus předpovídá, že pro opakovaná měření v osách, které jsou od sebe odchýleny o 45°, může být korelace jen mezi 0 a −0,5. To vyplývá z toho, že spin v každé ose je dán již v okamžiku vzniku páru částic a pokud mezi každými dvěma úhly 90° je korelace = 0 a pro shodné osy je korelace = −1, tak aby osa, mezi těmito dvěma polohami (tj. +more 45°), měla shodnou korelaci k oběma předchozím, tak tato korelace musí být mezi hodnotami 0 a −0,5. Větší antikorelace k jedné z os by nutně vedla k menší antikorelaci ke druhé ose.

Naproti tomu kvantová mechanika předpovídá, a experimentální měření to potvrzují, že korelace spinu částic může při úhlu 45° nabývat až hodnoty cca −0,7 (přesně je to minus odmocnina ze 2 dělená 2). Tento výsledek je však v rozporu s lokálním realismem, protože druhá měřená částice "se nějak dozví", v jakém úhlu byla měřena ta první a "přizpůsobí" svůj spin tak, aby korelace byla vyšší. +more To lze prokázat i opakováním měření téhož páru částic v různých osách, kdy pro každá dvě po sobě jdoucí měření při úhlu 45° se prokazuje vyšší korelace. (Pár částic si jakoby pamatuje poslední pár měření - starší měření "zapomíná", a pokud tedy změříme např. spin v ose x, potom změříme spin v několika jiných osách a opět spin v ose x, může se spin lišit - tak, aby vyhověl korelaci s měřením předchozí osy. ).

Obdobná pravidla platí i pro úhly 135°, 225°, 315°.

Experimenty

Existuje však klasická analogie optických polí, která porušuje Clauser-Horne-Shimony-Holt (CHSH) Bellovu nerovnost (překračuje hodnotu 2) a blíží se k maximální možné hodnotě (Tsirelsonovu limitu 2,828). Existence klasických analogií tak přináší otázku, co je kvantové. +more S tím souvisí také interpretace kvantové mechaniky.

Na podzim roku 2015 proběhl na Technické Univerzitě v holandském Delftu (TU Delft) experiment, který podle autorů definitivně prokázal neplatnost lokálního realismu, neboť prostorová a časová dispozice experimentu vyloučila možnost komunikace provázaných částic v rámci platné fyziky (rychlost světla). Koncem roku 2015 ale prohlásil Alain Aspect, že zatím žádný experiment nemůže být považován plně za bez skulin.

Přesto již Bell uvedl, že je v teorii obsažen předpoklad svobodné vůle a že pak superdeterminismus může reprodukovat stejné výsledky. Nikdy totiž nelze vyloučit, zda dva zdroje jsou opravdu nezávislé.

Odkazy

Reference

Související články

Entanglement

Externí odkazy

[url=http://arxiv.org/pdf/1508.05949.pdf]http://arxiv.org/pdf/1508.05949.pdf - experiment na TU Delft[/url]

Kategorie:Kvantová fyzika Kategorie:Nerovnosti