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 teorema importante en la 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. [un] [9]
Bell nació en Belfast , Irlanda del Norte . Cuando tenía 11 años decidió ser científico y a los 16 se graduó en 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 conoció mientras trabajaba en física de aceleradores en Malvern, Reino Unido. [10] : 139 Bell se hizo 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 diseño de aceleradores, pero encontró tiempo para dedicarse a una vocación importante : investigar los fundamentos de la teoría cuántica . Fue elegido miembro honorario extranjero de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias en 1987. [14] También de importancia durante su carrera, Bell, junto con John Bradbury Sykes, MJ Kearsley y WH Reid, tradujo varios volúmenes de los diez volumen Curso de Física Teórica de Lev Landau y Evgeny Lifshitz , poniendo estos trabajos a disposición de una audiencia de habla inglesa en traducción, todos los cuales permanecen impresos.
Bell fue un defensor de la teoría de las ondas piloto . [15] En 1987, inspirado por la teoría de Ghirardi-Rimini-Weber , también abogó por las teorías del colapso. [16] Dijo sobre la interpretación de la mecánica cuántica: "Bueno, verás, realmente no lo sé. ¡Para mí no es algo que tenga una solución para 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 se puede decir que implica la desigualdad de Bell (junto con el análisis de la 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 las correlaciones EPR, que involucran partículas con espín, existe una no localidad irreducible ". [21] : 196 Según una interpretación alternativa, no todas las teorías locales en general, sino sólo las teorías locales de variables ocultas (o teorías " realistas locales ") han demostrado ser incompatibles con las predicciones de la teoría cuántica.
El interés de Bell por las variables ocultas fue motivado por la existencia en el formalismo de la mecánica cuántica de un "límite 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 descubramos que no hay límites. ... 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, de una explicación homogénea del mundo, la que es para mí la principal motivación del estudio de la posibilidad de la llamada "variable oculta". [21] : 30
Bell quedó impresionado de que en la formulación de la teoría de variables ocultas no locales de David Bohm no se necesita 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:
Porque los buenos libros que conozco no se ocupan mucho de la precisión física. Esto ya 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 que tenga 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 variables ocultas. Bell abordó estos temas 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 del EPR, pero no apareció hasta dos años después, en 1966, debido a retrasos en la publicación. [10] : 144 ) Aquí demostró que John von Neumann ' El argumento de [23] no prueba la imposibilidad de las variables ocultas, como se afirmó ampliamente, debido a su dependencia de un supuesto físico que no es válido para la mecánica cuántica, es decir, que el promedio ponderado por probabilidad de la suma de cantidades observables es igual la suma de los valores promedio de cada una de las cantidades observables separadas. [10] : 141 Este defecto en la prueba de von Neumann había sido descubierto previamente por Grete Hermann en 1935, pero no se hizo de conocimiento común hasta que Bell lo redescubrió. [24] Bell supuestamente dijo: "¡La prueba de von Neumann no es sólo falsa sino tonta !" [25] : 88 En este mismo trabajo, Bell demostró que un esfuerzo más intenso en dicha demostración (basado en el teorema de Gleason ) tampoco logra eliminar el programa de variables ocultas.
Sin embargo, en 2010, Jeffrey Bub publicó un argumento de que Bell (e, implícitamente, Hermann) habían malinterpretado la prueba de von Neumann, diciendo que no intenta probar la imposibilidad absoluta de variables ocultas y, después de todo, en realidad no es defectuosa. [26] (Por lo tanto, fue la comunidad física en su conjunto la que había malinterpretado la prueba de von Neumann como aplicable universalmente.) Bub proporciona evidencia de que von Neumann entendió los límites de su prueba, pero no hay registro de que von Neumann intentara corregir la Una interpretación errónea casi universal que persistió durante más de 30 años y que existe hasta cierto punto hasta el día de hoy. De hecho, la prueba de Von Neumann no se aplica a variables contextuales ocultas, como en la teoría de Bohm. [27]
En 1972 se llevó a cabo un experimento que, cuando se extrapoló 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 incluso si se completa". [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 locales ocultas:
Para mí, es muy 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. Los demás, aunque la historia los ha justificado, estaban escondiendo 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 futuros experimentos seguirían coincidiendo con la mecánica cuántica y violarían su desigualdad. Refiriéndose a los experimentos de prueba de Bell , comentó:
Es difícil para mí creer que la mecánica cuántica, que funciona muy bien para las configuraciones prácticas actuales, fracase sin embargo con mejoras en la contraeficiencia..." [21] : 109
Algunas personas siguen creyendo que todavía es posible salvar el acuerdo con las desigualdades de Bell. Sostienen que en el futuro experimentos mucho más precisos podrían revelar que una de las lagunas conocidas , por ejemplo la llamada "laguna de muestreo justo", había sesgado las interpretaciones. La mayoría de los físicos convencionales son muy escépticos acerca de todas estas "lagunas", admitiendo su existencia pero siguen creyendo que las desigualdades de Bell deben fallar.
Bell siguió interesado en la mecánica cuántica objetiva "libre de observadores". [29] Sintió que, en el nivel más fundamental, las teorías físicas no deberían preocuparse por observables, sino por 'be-ables': "Los beables 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 teóricos jóvenes del CERN, Bell desarrolló la propia física de partículas. Una descripción general de este trabajo está disponible en el volumen de obras completas editado por Mary Bell, Kurt Gottfried y Martinus Veltman. [30] Aparte de su investigación en física de partículas, Bell a menudo planteó una cuestión de comprensión de la relatividad especial, y aunque sólo hay un informe escrito disponible sobre este tema ("Cómo enseñar la 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 han escrito muchas tonterías sobre la contracción de FitzGerald". [30] Bell prefería pensar en la contracción de Lorentz-FitzGerald como un fenómeno 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 margen para interpretaciones erróneas. Esta situación y los antecedentes de la posición de Bell los describe detalladamente su colaborador Johann Rafelski en el libro de texto "Relativity Matters" (2017). [31] Para combatir los conceptos erróneos que rodean la contracción corporal de Lorentz-FitzGerald, Bell adoptó y promovió un experimento mental relativista que llegó a ser 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, supuestamente había sido nominado para un Premio Nobel ese año. [35] : 3 [36] : 155 [1] : 374 Su contribución a las cuestiones planteadas por EPR fue significativa. Algunos consideran que ha demostrado el fracaso del realismo local (variables locales ocultas). La propia interpretación de Bell es que la localidad misma encontró su desaparición.
Otro trabajo de Bell:
Aunque fue ateo durante la mayor parte de su vida, mientras estaba 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 Estudiantil Cristiano para 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 de la mecánica cuántica, 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.
