Vi tar for gitt at en hendelse i en del av verden ikke umiddelbart kan påvirke det som skjer langt unna. Dette prinsippet, som fysikere kaller lokalitet, ble lenge sett på som en grunnfjellsantagelse om fysikkens lover. Så da Albert Einstein og to kolleger viste i 1935 at kvantemekanikk tillater «skummel handling på avstand», som Einstein sa det, virket denne egenskapen ved teorien svært suspekt. Fysikere lurte på om kvantemekanikken manglet noe.

Så i 1964, med et pennestrøk, degraderte den nordirske fysikeren John Stewart Bell lokalitet fra et kjært prinsipp til en testbar hypotese. Klokke beviste at kvantemekanikk spådde sterkere statistiske korrelasjoner i resultatene av visse fjerntliggende målinger enn noen lokal teori muligens kunne. I årene siden har eksperimenter bekreftet kvantemekanikk igjen og igjen.

Bells teorem opphevet en av våre dypeste intuisjoner om fysikk, og fikk fysikere til å utforske hvordan kvantemekanikk kan muliggjøre oppgaver som er utenkelige i en klassisk verden. "Kvanterevolusjonen som skjer nå, og alle disse kvanteteknologiene - det er 100 % takket være Bells teorem," sier Krister Shelm, en kvantefysiker ved National Institute of Standards and Technology.

Her er hvordan Bells teorem viste at "skummel handling på avstand" er ekte.

Ups and Downs

Den "skummele handlingen" som plaget Einstein involverer et kvantefenomen kjent som entanglement, der to partikler som vi normalt vil tenke på som distinkte enheter mister sin uavhengighet. Berømt, i kvantemekanikk kan en partikkels plassering, polarisasjon og andre egenskaper være ubestemte til øyeblikket de blir målt. Likevel gir måling av egenskapene til sammenfiltrede partikler resultater som er sterkt korrelert, selv når partiklene er langt fra hverandre og målt nesten samtidig. Det uforutsigbare resultatet av en måling ser ut til å umiddelbart påvirke resultatet av den andre, uavhengig av avstanden mellom dem - et grovt brudd på lokaliteten.

For å forstå sammenfiltring mer presist, vurder en egenskap til elektroner og de fleste andre kvantepartikler kalt spinn. Partikler med spinn oppfører seg litt som små magneter. Når for eksempel et elektron passerer gjennom et magnetfelt skapt av et par nord- og sørmagnetiske poler, blir det avbøyet med en fast mengde mot den ene eller den andre polen. Dette viser at elektronets spinn er en størrelse som bare kan ha én av to verdier: "opp" for et elektron som er avbøyd mot nordpolen, og "ned" for et elektron som avbøyes mot sørpolen.

Se for deg et elektron som passerer gjennom et område med nordpolen rett over seg og sørpolen rett under. Måling av avbøyningen vil avsløre om elektronets spinn er "opp" eller "ned" langs den vertikale aksen. Roter nå aksen mellom magnetpolene bort fra vertikalen, og mål avbøyningen langs denne nye aksen. Igjen vil elektronet alltid bøye seg like mye mot en av polene. Du vil alltid måle en binær spinnverdi – enten opp eller ned – langs en hvilken som helst akse.

Det viser seg at det ikke er mulig å bygge noen detektor som kan måle en partikkels spinn langs flere akser samtidig. Kvanteteori hevder at denne egenskapen til spinndetektorer faktisk er en egenskap ved spinn i seg selv: Hvis et elektron har et bestemt spinn langs en akse, er dets spinn langs en hvilken som helst annen akse udefinert.

Lokale skjulte variabler

Bevæpnet med denne forståelsen av spinn, kan vi lage et tankeeksperiment som vi kan bruke for å bevise Bells teorem. Tenk på et spesifikt eksempel på en sammenfiltret tilstand: et elektronpar hvis totale spinn er null, noe som betyr at målinger av deres spinn langs en gitt akse alltid vil gi motsatte resultater. Det som er bemerkelsesverdig med denne sammenfiltrede tilstanden er at selv om det totale spinnet har denne bestemte verdien langs alle akser, er hvert elektrons individuelle spinn ubestemt.

Anta at disse sammenfiltrede elektronene blir separert og transportert til fjerne laboratorier, og at team av forskere i disse laboratoriene kan rotere magnetene til sine respektive detektorer som de vil når de utfører spinnmålinger.

Når begge lag måler langs samme akse, oppnår de motsatte resultater 100 % av tiden. Men er dette bevis på ikke-lokalitet? Ikke nødvendigvis.

Alternativt, foreslo Einstein, kunne hvert elektronpar komme med et tilknyttet sett med "skjulte variabler" som spesifiserer partiklenes spinn langs alle akser samtidig. Disse skjulte variablene er fraværende i kvantebeskrivelsen av den sammenfiltrede tilstanden, men kvantemekanikken forteller kanskje ikke hele historien.

Skjulte variabelteorier kan forklare hvorfor målinger på samme akse alltid gir motsatte resultater uten brudd på lokalitet: En måling av ett elektron påvirker ikke det andre, men avslører bare den eksisterende verdien til en skjult variabel.

Bell beviste at du kunne utelukke lokale skjulte variable teorier, og faktisk utelukke lokalitet helt, ved å måle sammenfiltrede partiklers spinn langs forskjellige akser.

Anta, for det første, at et team av forskere tilfeldigvis roterer sin detektor i forhold til den andre laboratoriets med 180 grader. Dette tilsvarer å bytte nord- og sørpolen, så et "opp"-resultat for ett elektron vil aldri bli ledsaget av et "ned"-resultat for det andre. Forskerne kan også velge å rotere den et mellomrom - 60 grader, si. Avhengig av den relative orienteringen til magnetene i de to laboratoriene, kan sannsynligheten for motsatte resultater variere hvor som helst mellom 0 % og 100 %.

Uten å spesifisere noen spesielle orienteringer, anta at de to lagene er enige om et sett med tre mulige måleakser, som vi kan merke A, B og C. For hvert elektronpar måler hvert laboratorium spinnet til ett av elektronene langs en av disse. tre akser valgt tilfeldig.

La oss nå anta at verden er beskrevet av en lokal skjult variabelteori, snarere enn kvantemekanikk. I så fall har hvert elektron sin egen spinnverdi i hver av de tre retningene. Det fører til åtte mulige sett med verdier for de skjulte variablene, som vi kan merke på følgende måte:

Settet med spinnverdier merket 5, for eksempel, tilsier at resultatet av en måling langs akse A i det første laboratoriet vil være "opp", mens målinger langs aksene B og C vil være "ned"; det andre elektronets spinnverdier vil være motsatte.

For ethvert elektronpar som har spinnverdier merket 1 eller 8, vil målinger i de to laboratoriene alltid gi motsatte resultater, uavhengig av hvilke akser forskerne velger å måle langs. De andre seks settene med spinnverdier gir alle motsatte resultater i 33 % av målinger med forskjellige akser. (For eksempel, for spinnverdiene merket 5, vil laboratoriene oppnå motsatte resultater når den ene måler langs akse B mens den andre måler langs C; dette representerer en tredjedel av de mulige valgene.)

Dermed vil laboratoriene oppnå motsatte resultater når de måler langs forskjellige akser minst 33 % av tiden; tilsvarende vil de oppnå samme resultat maksimalt 67 % av tiden. Dette resultatet - en øvre grense for korrelasjonene tillatt av lokale skjulte variabelteorier - er ulikheten i hjertet av Bells teorem.

Over grensen

Nå, hva med kvantemekanikk? Vi er interessert i sannsynligheten for at begge laboratoriene får samme resultat når de måler elektronenes spinn langs forskjellige akser. Kvanteteoriens ligninger gir en formel for denne sannsynligheten som funksjon av vinklene mellom måleaksene.

I følge formelen, når de tre aksene er så langt fra hverandre som mulig – det vil si alle 120 grader fra hverandre, som i Mercedes-logoen – vil begge laboratoriene oppnå samme resultat 75 % av tiden. Dette overskrider Bells øvre grense på 67 %.

Det er essensen av Bells teorem: Hvis lokaliteten holder og en måling av en partikkel ikke umiddelbart kan påvirke utfallet av en annen måling langt unna, kan resultatene i et bestemt eksperimentelt oppsett ikke være mer enn 67 % korrelert. Hvis på den annen side skjebnen til sammenfiltrede partikler er uløselig forbundet selv over store avstander, som i kvantemekanikk, vil resultatene av visse målinger vise sterkere korrelasjoner.

Siden 1970-tallet har fysikere gjort stadig mer presise eksperimentelle tester av Bells teorem. Hver av dem har bekreftet de sterke korrelasjonene til kvantemekanikk. I løpet av de siste fem årene, ulike smutthull har blitt stengt. Lokalitet - den langvarige antagelsen om fysisk lov - er ikke et trekk ved vår verden.

Redaktørens notat: Forfatteren er for tiden postdoktor ved JILA i Boulder, Colorado.