John Stewart Bell FRS [2] (28 de julio de 1928 - 1 de octubre de 1990) [3] fue un físico de Irlanda del Norte y el creador del teorema de Bell , un importante teorema en física cuántica sobre las teorías de variables ocultas . [4] [5] [6] [7] [8]
En 2022, el Premio Nobel de Física fue otorgado a Alain Aspect , John Clauser y Anton Zeilinger por su trabajo sobre las desigualdades de Bell y la validación experimental del teorema de Bell. [a] [9]
Bell nació en Belfast , Irlanda del Norte . Cuando tenía 11 años, decidió ser científico, y a los 16 se graduó de la Belfast Technical High School. Bell luego asistió a la Queen's University de Belfast , donde, en 1948, obtuvo una licenciatura en física experimental y, un año después, una licenciatura en física matemática. Luego completó un doctorado en física en la Universidad de Birmingham en 1956, especializándose en física nuclear y teoría cuántica de campos . En 1954, se casó con Mary Ross , también física, a quien había conocido mientras trabajaba en física de aceleradores en Malvern, Reino Unido. [10] : 139 Bell se volvió vegetariano en su adolescencia. [11] Según su esposa, Bell era ateo . [12]
La carrera de Bell comenzó en el Establecimiento de Investigación de Energía Atómica del Reino Unido , cerca de Harwell, Oxfordshire , conocido como AERE o Laboratorio Harwell . En 1960, se trasladó a trabajar para la Organización Europea para la Investigación Nuclear ( CERN , Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire ), en Ginebra , Suiza . [13] Allí trabajó casi exclusivamente en física teórica de partículas y en el diseño de aceleradores, pero encontró tiempo para seguir una importante vocación , investigando los fundamentos de la teoría cuántica . Fue elegido Miembro Honorario Extranjero de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias en 1987. [14] También de importancia durante su carrera, Bell, junto con John Bradbury Sykes, MJ Kearsley y WH Reid, tradujeron varios volúmenes del Curso de Física Teórica de diez volúmenes de Lev Landau y Evgeny Lifshitz , poniendo estas obras a disposición de una audiencia de habla inglesa en traducción, todas las cuales permanecen impresas.
Bell fue un defensor de la teoría de la onda piloto . [15] En 1987, inspirado por la teoría de Ghirardi-Rimini-Weber , también defendió las teorías del colapso. [16] Dijo sobre la interpretación de la mecánica cuántica: "Bueno, verás, en realidad no lo sé. Para mí no es algo para lo que tenga una solución que vender". [17]
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En 1964, después de un año de licencia en el CERN que pasó en la Universidad de Stanford , la Universidad de Wisconsin-Madison y la Universidad Brandeis , Bell escribió un artículo titulado "Sobre la paradoja de Einstein-Podolsky-Rosen ". [18] En este trabajo, demostró que llevar adelante el análisis de EPR [19] permite derivar el famoso teorema de Bell . [20] La desigualdad resultante, derivada de supuestos básicos que se aplican a todas las situaciones clásicas, es violada por la teoría cuántica.
Existe cierto desacuerdo respecto de lo que puede decirse que implica la desigualdad de Bell, en conjunción con el análisis EPR . Bell sostuvo que no sólo las variables ocultas locales , sino todas y cada una de las explicaciones teóricas locales deben entrar en conflicto con las predicciones de la teoría cuántica: "Se sabe que con el ejemplo de Bohm de correlaciones EPR, que involucran partículas con espín, hay una no localidad irreducible ". [21] : 196 Según una interpretación alternativa, no todas las teorías locales en general, sino sólo las teorías de variables ocultas locales (o teorías " realistas locales ") han demostrado ser incompatibles con las predicciones de la teoría cuántica.
El interés de Bell por las variables ocultas estuvo motivado por la existencia en el formalismo de la mecánica cuántica de una "frontera móvil" entre el sistema cuántico y el aparato clásico:
Una posibilidad es que encontremos exactamente dónde se encuentra el límite. Para mí, lo más plausible es que encontremos que no hay límite. ... Las funciones de onda resultarían ser una descripción provisional o incompleta de la parte mecánico-cuántica, de la que sería posible una explicación objetiva. Es esta posibilidad, la de una explicación homogénea del mundo, la que para mí constituye la principal motivación del estudio de la llamada posibilidad de la "variable oculta". [21] : 30
Bell quedó impresionado por el hecho de que en la formulación de la teoría de variables ocultas no locales de David Bohm no se necesitara tal límite, y fue esto lo que despertó su interés en el campo de la investigación. Bell también criticó el formalismo estándar de la mecánica cuántica por falta de precisión física:
Los buenos libros que conozco no se ocupan mucho de la precisión física. Esto se desprende claramente de su vocabulario. He aquí algunas palabras que, por legítimas y necesarias que sean en su aplicación, no tienen cabida en una formulación con alguna pretensión de precisión física: sistema , aparato , entorno , microscópico , macroscópico , reversible , irreversible , observable , información , medición ... En esta lista de malas palabras de buenos libros, la peor de todas es "medición". [21] : 215
Pero si quería explorar a fondo la viabilidad de la teoría de Bohm, Bell necesitaba responder al desafío de las llamadas pruebas de imposibilidad contra las variables ocultas. Bell abordó estas cuestiones en un artículo titulado "Sobre el problema de las variables ocultas en la mecánica cuántica". [22] (Bell había escrito este artículo antes de su artículo sobre la paradoja EPR, pero no apareció hasta dos años después, en 1966, debido a retrasos en la publicación. [10] : 144 ) Aquí demostró que el argumento de John von Neumann [23] no prueba la imposibilidad de las variables ocultas, como se afirmaba ampliamente, debido a su dependencia de un supuesto físico que no es válido para la mecánica cuántica, a saber, que el promedio ponderado por probabilidad de la suma de las cantidades observables es igual a la suma de los valores promedio de cada una de las cantidades observables separadas. [10] : 141 Esta falla en la prueba de von Neumann había sido descubierta previamente por Grete Hermann en 1935, pero no se volvió de conocimiento público hasta que fue redescubierta por Bell. [24] Bell supuestamente dijo: "¡La prueba de von Neumann no es meramente falsa sino tonta !" [25] : 88 En este mismo trabajo, Bell demostró que un esfuerzo más fuerte en tal prueba (basada en el teorema de Gleason ) también falla en eliminar el programa de variables ocultas.
Sin embargo, en 2010, Jeffrey Bub publicó un argumento en el que afirmaba que Bell (e implícitamente, Hermann) habían malinterpretado la prueba de von Neumann, diciendo que no intenta demostrar la imposibilidad absoluta de las variables ocultas y que, después de todo, no tiene fallas. [26] (Por lo tanto, fue la comunidad de físicos en su conjunto la que había malinterpretado la prueba de von Neumann como si fuera aplicable universalmente). Bub aporta pruebas de que von Neumann comprendía los límites de su prueba, pero no hay constancia de que von Neumann intentara corregir la interpretación errónea casi universal que persistió durante más de 30 años y que existe en cierta medida hasta el día de hoy. La prueba de von Neumann, de hecho, no se aplica a las variables ocultas contextuales, como en la teoría de Bohm. [27]
En 1972 se llevó a cabo un experimento que, al extrapolarlo a las eficiencias ideales de los detectores, mostró una violación de la desigualdad de Bell. Fue el primero de muchos experimentos de este tipo. El propio Bell concluyó a partir de estos experimentos que "ahora parece que la no localidad está profundamente arraigada en la propia mecánica cuántica y persistirá en cualquier finalización". [21] : 132 Esto, según Bell, también implicaba que la teoría cuántica no es localmente causal y no puede integrarse en ninguna teoría localmente causal. Bell lamentó que los resultados de las pruebas no coincidieran con el concepto de variables ocultas locales:
"Para mí es tan razonable suponer que los fotones en esos experimentos llevan consigo programas, que han sido correlacionados de antemano, que les dicen cómo comportarse. Esto es tan racional que creo que cuando Einstein vio eso, y los demás se negaron a verlo, él era el hombre racional. Las otras personas, aunque la historia los ha justificado, estaban enterrando la cabeza en la arena... Así que para mí es una lástima que la idea de Einstein no funcione. Lo razonable simplemente no funciona". [28] : 84
Bell parecía haberse resignado a la idea de que los experimentos futuros seguirían coincidiendo con la mecánica cuántica y violarían su desigualdad. Refiriéndose a los experimentos de prueba de Bell , comentó:
Me resulta difícil creer que la mecánica cuántica, que funciona muy bien en los entornos prácticos actuales, fracasará estrepitosamente con mejoras en la contraeficiencia... " [21] : 109
Algunas personas siguen creyendo que todavía se puede salvar el acuerdo con las desigualdades de Bell. Argumentan que en el futuro experimentos mucho más precisos podrían revelar que una de las lagunas conocidas , por ejemplo la llamada "laguna del muestreo justo", había estado sesgando las interpretaciones. La mayoría de los físicos convencionales son muy escépticos respecto de todas estas "lagunas", admiten su existencia pero siguen creyendo que las desigualdades de Bell deben fracasar.
Bell siguió interesado en la mecánica cuántica objetiva "sin observador". [29] Creía que, en el nivel más fundamental, las teorías físicas no deberían ocuparse de observables, sino de "entes": "Los entes de la teoría son aquellos elementos que podrían corresponder a elementos de la realidad, a cosas que existen. Su existencia no depende de la 'observación'". [21] : 174 Quedó impresionado con las variables ocultas de Bohm como ejemplo de tal esquema y atacó las alternativas más subjetivas, como la interpretación de Copenhague . [21] : 92, 133, 181
Bell y su esposa, Mary Ross Bell , también física, contribuyeron sustancialmente a la física de los aceleradores de partículas, y con numerosos jóvenes teóricos del CERN, Bell desarrolló la física de partículas en sí. Una descripción general de este trabajo está disponible en el volumen de trabajos recopilados editado por Mary Bell, Kurt Gottfried y Martinus Veltman. [30] Además de su investigación en física de partículas, Bell a menudo planteó el problema de la comprensión de la relatividad especial, y aunque solo hay un informe escrito disponible sobre este tema ("Cómo enseñar relatividad especial"), [21] : 67–80 este era un tema crítico para él. Bell admiraba la contribución de Einstein a la relatividad especial, pero advirtió en 1985 que "el enfoque de Einstein es... pedagógicamente peligroso, en mi opinión". [31] : ix En 1989, con motivo del centenario de la contracción corporal de Lorentz-FitzGerald, Bell escribe "Se ha escrito mucho sin sentido sobre la contracción corporal de FitzGerald". [30] Bell prefería pensar en la contracción corporal de Lorentz-FitzGerald como un fenómeno que es real y observable como una propiedad de un cuerpo material, que también era la opinión de Einstein, pero en opinión de Bell, el enfoque de Einstein deja mucho espacio para malas interpretaciones. Esta situación y el trasfondo de la posición de Bell son descritos en detalle por su colaborador Johann Rafelski en el libro de texto "Relativity Matters" (2017). [31] Para combatir los conceptos erróneos en torno a la contracción corporal de Lorentz-FitzGerald, Bell adoptó y promovió un experimento mental relativista que se hizo ampliamente conocido como la paradoja de la nave espacial de Bell .
Bell murió inesperadamente de una hemorragia cerebral en Ginebra en 1990. [32] [33] [34] Sin que Bell lo supiera, se dice que había sido nominado para el Premio Nobel ese año. [35] : 3 [36] : 155 [1] : 374 Su contribución a las cuestiones planteadas por el EPR fue significativa. Algunos lo consideran como el que demostró el fracaso del realismo local (variables ocultas locales). La propia interpretación de Bell es que la localidad en sí misma había llegado a su fin.
Otros trabajos de Bell:
Aunque fue ateo durante la mayor parte de su vida, mientras estuvo en la Queen's University, [John Bell] tuvo muchas discusiones con un amigo católico, Denis McConalogue, sobre el diablo, e incluso asistió a algunas reuniones del Movimiento Cristiano Estudiantil con el único fin de discutir.
Un artículo de John Bell publicado el 4 de noviembre de 1964 sentó las bases del campo moderno de la ciencia de la información cuántica
Las variables ocultas no contextuales son aquellas que fijan valores o probabilidades o valores esperados para todos los observables mecánicos cuánticos, independientemente de cualquier contexto experimental. Las pruebas de imposibilidad de von Neumann (1932), Gleason (1957) y Kochen y Specker (1967) se refieren a este tipo de variables ocultas.
