Vi kender omkostningerne ved frit valg og lokalitet - i fysik og andre steder

Har vi frit valg eller er vores beslutninger forudbestemt? Er den fysiske virkelighed lokal, eller har det, vi gør her og nu, en umiddelbar indflydelse på begivenheder andre steder? Svarene på disse spørgsmål søges af fysikere i Bell -ulighederne. Det viser sig, at frit valg og lokal realisme dygtigt kan måles og sammenlignes. De opnåede resultater afslører overraskende forhold af grundlæggende og universel karakter, går langt ud over selve kvantemekanikken.

Kausalitet, lokalitet, og frit valg hænger sammen med et par enkle formler kendt som Bells uligheder. Sofistikerede eksperimenter inden for kvanteoptik i løbet af de sidste par årtier har utvivlsomt bevist, at disse uligheder er brudt. I dag, fysikere står over for et dilemma:skal vi acceptere en vision om den virkelige verden, hvor vi sætter spørgsmålstegn ved antagelsen om det frie valg af eksperimentatoren, eller afvise antagelsen om lokaliteten af ​​eksperimenterne? Forskere fra Institute of Nuclear Physics fra det polske videnskabsakademi i Krakow (IFJ PAN), British City University of London (CUL) og den tyske Technische Hochschule Mittelhessen i Giessen (THM) har konfronteret dette problem. Resultaterne af deres forskning, der rækker langt ud over fysik alene, diskuteres i en artikel, der netop er offentliggjort i den prestigefyldte Procedurer fra National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Realisme er et fysisk begreb, hvor vi beskriver verden i forhold til årsag-virkning-forhold. Lokalitet betyder, at handlinger ikke kan spredes øjeblikkeligt. Så hvis den fysiske virkelighed skal opfylde kravene i lokal realisme, resultatet af eksperimentet vil kun blive påvirket af det, der er i dets umiddelbare nærhed, og ikke af det, der sker lige nu i en fjern galakse, "forklarer Dr. Pawel Blasiak, artiklens første forfatter.

Frit valg, et tilsyneladende typisk filosofisk begreb, kan også behandles som et fysisk eller endda matematisk problem. I denne tilgang, frit valg refererer til de variabler, der beskriver parametrene for et eksperiment, dvs. hvad vi måler i laboratoriet. Vi går ud fra, at vi frit kan vælge disse variabler, uanset hvad der er sket tidligere.

Som en del af en vision om verden, hvor lokal realisme og frit valg gælder, man kan udlede Bells uligheder og derefter foretage et eksperiment for at verificere dem. Hovedideerne kan illustreres som følger. Alice og Bob arbejder i laboratorier i hver sin ende af galaksen. En dag modtager hver af dem en kasse. De placerer æskerne på deres borde og på et bestemt tidspunkt, åbn dem forsigtigt. En snurrende mønt springer ud af kassen, som hver af eksperimentørerne trykker ned på bordet med håndfladerne. Alice og Bob bemærker nu, om mønten er landet hovedet op eller haler op. Snart, flere lignende forsendelser ankommer. Efter et stykke tid, Alice og Bob har en lang række observationer, hvor de trykker mønterne ned på forskellige måder. Ingen ser noget usædvanligt i deres data:hoveder og haler vises på deres lister på en tilfældig måde.

Situationen ændrer sig dramatisk, når Alice og Bob mødes på Intergalactic Science Congress. De sammenligner deres data, og pludselig viser det sig, at i de samme observationer, da Alice's mønt landede haler op, Bobs mønt landede altid på hovedet - og omvendt. Så, de antager begge, at det ikke er en tilfældighed, og at de korrelationer, de observerer, må tilskrives en fælles årsag, der lurer i fortiden for begge objekter, der er sendt fra den samme kilde. Den mystiske afsender af kasserne kunne simpelthen have instrueret hver mønt i, hvordan man skulle lande, når den blev presset mod bordet på en given måde. Hvis det virkelig var sådan, Alice og Bob kunne gætte denne instruktion og annoncere en spektakulær opdagelse. Desværre, deres indsats bliver til ingenting!

Desperat, Alice og Bob beder genialteoretikeren John om hjælp. Han spørger først, hvilke antagelser de to videnskabsfolk har antaget i deres arbejde som sande og sikre. "Vi mener, at de korrelationer, vi observerede, skal kunne forklares af en række årsager og virkninger, der formerer sig over tid, "siger Alice. Bob præciserer, "Vi tror også, at ingen årsag umiddelbart påvirker forsøget, hvis det er langt nok væk fra laboratoriet." De tror begge bestemt på, at måden de åbner æskerne på ikke er pålagt dem på nogen måde, og de er absolut overbeviste om, at det er dem, der træffer beslutningen om, hvordan de presser mønten ned. Til deres store overraskelse John forklarer roligt, at alle disse antagelser ikke kan forenes med de korrelationer, de observerer.

Faktisk, Bells uligheder blev opdaget af den nordirske fysiker John Stewart Bell i 1964. Han blev inspireret af det berømte problem med "uhyggelig handling-på-afstand", udført af Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen i 1935. I fysiske eksperimenter, hvor mønternes rolle spilles af fotoner og hoveder og haler, er deres polariseringer observeret i forskellige retninger, disse uligheder er faktisk brudt. Moderne fysik, derfor, har et grundlæggende dilemma:er det bedre at opgive tanken om lokal realisme, eller måske sætte spørgsmålstegn ved forskernes frie valg? Få fysikere er villige til at stille spørgsmålstegn ved realisme, der forudsætter årsagssammenhæng i overensstemmelse med tidens pil. Så enten er noget "ikke helt rigtigt" med antagelsen om lokal realisme eller med det frie valg af eksperimenterne.

"Det faktum, at virkeligheden bryder Bells ulighed, får os til at stille spændende spørgsmål. For eksempel:hvor ofte, samtidig bevare fuld lokalitet, ville vi skulle bryde frit valg for at genskabe de korrelationer, der blev observeret i eksperimenterne? For hver måling, det meste af tiden, eller måske bare nogle gange? Tilsvarende hvis vi bevarer det frie valg, hvor ofte skulle vi bryde lokaliteten? "undrer Dr. Blasiak.

Resultaterne af den polsk-britisk-tyske gruppes forskning bringer et overraskende svar. Det viser sig, at for at genskabe de registrerede korrelationer, mens opretholdelse af frit valg lokalitet bør brydes lige så ofte som frit valg, mens lokalitet bevares. Af en (ukendt) årsag, naturen favoriserer ikke det mindste lokalitet eller frit valg.

Forskerne formåede at udlede formler for at beregne, hvor ofte Alice og Bob skulle bryde lokalitet eller frit valg for at genskabe de observerede korrelationer (i kvantemekanik og ikke kun). I særdeleshed, det viser sig, at kvantemekanikkens formalisme håndhæver det med maksimal sammenfiltring mellem fotoner, lokalitetsbruddet eller det frie valg sker ved hver måling (hvilket generaliserer de tidligere resultater vedrørende selve lokaliteten).

"Det mest interessante er, at Bells sætning slet ikke er en erklæring om kvantemekanik, men om sandsynlighedsteorien, så det har en universel karakter. De af os bevist sætninger er heller ikke begrænset til selve kvantefysikken, men gælder for alle situationer, der omhandler korrelationer vedrørende adskillelige systemer, "understreger Dr. Blasiak.

"Bortset fra fysik i streng forstand, lokalitetsbruddet eller det frie valg behøver ikke at være dramatisk. I forskning om menneskelig adfærd, det ville være nok for Alice at hviske noget til Bob for at krænke lokalitet, "bemærker prof. Emmanuel Pothos, en psykolog på CUL. Et andet eksempel er givet af prof. Christoph Gallus, økonom hos THM:"Hvis Alice og Bob er aktører på aktiemarkedet, deres valg kan korreleres simpelthen ved at bruge visse offentlige oplysninger. "

Universaliteten af ​​de afhængigheder, der findes, åbner døren for meget praktiske anvendelser, såsom undersøgelse af mekanismerne for informationsflow i komplekse systemer. Det er værd at understrege, at den generelle karakter af denne slags overvejelser stammer fra selve spørgsmålet om årsagerne til de observerede korrelationer, som er grundlæggende og fælles for hele videnskaben.