Hebben we vrije keuze of zijn onze beslissingen vooraf bepaald? Is de fysieke realiteit lokaal, of heeft wat we hier en nu doen een directe invloed op gebeurtenissen elders? De antwoorden op deze vragen worden door natuurkundigen gezocht in de Bell-ongelijkheden. Het blijkt dat vrije keuze en lokaal realisme goed te meten en te vergelijken zijn. De verkregen resultaten onthullen verrassende relaties van fundamentele en universele aard, die veel verder gaan dan de kwantummechanica zelf.

causaliteit, plaats, en vrije keuze zijn gerelateerd aan een paar eenvoudige formules die bekend staan ​​als de ongelijkheden van Bell. Geavanceerde experimenten in de kwantumoptica van de afgelopen decennia hebben ontegensprekelijk bewezen dat deze ongelijkheden worden doorbroken. Vandaag, natuurkundigen staan ​​voor een dilemma:moeten we een visie op de echte wereld accepteren waarin we de veronderstelling over de vrije keuze van de experimentator in twijfel trekken, of de aanname van de plaats van de experimenten verwerpen? Wetenschappers van het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen in Krakau (IFJ PAN), de British City University of London (CUL) en de Duitse Technische Hochschule Mittelhessen in Giessen (THM) hebben dit probleem aangepakt. De resultaten van hun onderzoek die veel verder gaan dan alleen natuurkunde worden besproken in een artikel dat zojuist is gepubliceerd in het prestigieuze Proceedings van de National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Realisme is een fysiek concept waarin we de wereld beschrijven in termen van oorzaak-en-gevolgrelaties. Lokaliteit betekent dat acties zich niet onmiddellijk kunnen verspreiden. Dus als fysieke realiteit moet voldoen aan de vereisten van lokaal realisme, het resultaat van het experiment wordt alleen beïnvloed door wat zich in de directe omgeving bevindt, en niet door wat er nu gebeurt in een ver sterrenstelsel, " legt Dr. Pawel Blasiak uit, de eerste auteur van het artikel.

Vrije keuze, een schijnbaar typisch filosofisch concept, kan ook worden behandeld als een fysiek of zelfs wiskundig probleem. Bij deze benadering vrije keuze verwijst naar de variabelen die de parameters van een experiment beschrijven, d.w.z. wat we meten in het laboratorium. We nemen aan dat we deze variabelen vrij kunnen kiezen, ongeacht wat er in het verleden is gebeurd.

Als onderdeel van een visie op de wereld waarin lokaal realisme en vrije keuze gelden, men kan de ongelijkheden van Bell afleiden en vervolgens een experiment uitvoeren om ze te verifiëren. De belangrijkste ideeën kunnen als volgt worden geïllustreerd. Alice en Bob werken in laboratoria aan weerszijden van de melkweg. Op een dag krijgt elk van hen een doos. Ze zetten de dozen op hun tafels en op een gegeven moment, open ze voorzichtig. Een draaiende munt barst uit de doos, die elk van de onderzoekers met hun handpalmen op de tafel drukt. Alice en Bob noteren nu of de munt met de kop omhoog of met de munt omhoog is geland. Spoedig, er komen meer soortgelijke zendingen aan. Na verloop van tijd, Alice en Bob hebben een lange lijst met observaties waarin ze de munten op verschillende manieren naar beneden drukken. Geen van beiden ziet iets ongewoons in hun gegevens:kop en munt verschijnen op een puur willekeurige manier op hun lijsten.

De situatie verandert drastisch wanneer Alice en Bob elkaar ontmoeten op het Intergalactic Science Congress. Ze vergelijken hun gegevens en ineens blijkt dat in dezelfde waarnemingen, toen Alice's munt landde, staart omhoog, De munt van Bob kwam altijd heads-up terecht - en vice versa. Dus, ze gaan er allebei van uit dat het geen toeval is en dat de correlaties die ze waarnemen moeten worden toegeschreven aan een gemeenschappelijke oorzaak die in het verleden op de loer ligt van beide objecten die uit dezelfde bron zijn verzonden. De mysterieuze verzender van de dozen had elke munt eenvoudig kunnen instrueren hoe hij moest landen wanneer hij op een bepaalde manier tegen de tafel werd gedrukt. Als dat echt zo was, Alice en Bob konden deze instructie raden en een spectaculaire ontdekking aankondigen. Helaas, hun inspanningen lopen op niets uit!

Wanhopig, Alice en Bob vragen de geniale theoreticus John om hulp. Hij vraagt ​​eerst welke veronderstellingen de twee wetenschappers in hun werk als waar en zeker hebben aangenomen. "Wij zijn van mening dat de correlaties die we hebben waargenomen verklaarbaar moeten zijn door een reeks oorzaken en gevolgen die zich in de loop van de tijd voortplanten, " zegt Alice. Bob verduidelijkt, "We denken ook dat geen enkele oorzaak het experiment onmiddellijk beïnvloedt als het ver genoeg van het laboratorium verwijderd is." Ze zijn er allebei van overtuigd dat de manier waarop ze de dozen openen hen op geen enkele manier wordt opgelegd en ze zijn er absoluut van overtuigd dat zij degenen zijn die beslissen hoe ze op de munt drukken. Tot hun grote verbazing, John legt kalm uit dat al deze aannames niet te rijmen zijn met de correlaties die ze waarnemen.

In feite, De ongelijkheden van Bell werden in 1964 ontdekt door de Noord-Ierse natuurkundige John Stewart Bell. Hij werd geïnspireerd door het beroemde probleem van "spooky-action-at-a-distance", gesteld door Albert Einstein, Boris Podolsky en Nathan Rosen in 1935. In fysieke experimenten, waar de rol van de munten wordt gespeeld door fotonen en koppen en staarten worden hun polarisaties waargenomen in verschillende richtingen, deze ongelijkheden zijn inderdaad doorbroken. hedendaagse natuurkunde, daarom, heeft een fundamenteel dilemma:is het beter om het idee van lokaal realisme los te laten, of misschien de vrije keuze van wetenschappers in twijfel trekken? Er zijn maar weinig natuurkundigen die bereid zijn vraagtekens te zetten bij het realisme dat causaliteit veronderstelt in lijn met de pijl van de tijd. Dus ofwel is er iets "niet helemaal goed" met de aanname van lokaal realisme of met de vrije keuze van de onderzoekers.

"Het feit dat de realiteit de ongelijkheid van Bell doorbreekt, daagt ons uit om intrigerende vragen te stellen. Bijvoorbeeld:hoe vaak, met behoud van de volledige plaats, zouden we de vrije keuze moeten doorbreken om de correlaties die in de experimenten zijn waargenomen opnieuw te creëren? Bij elke meting meestal, of misschien gewoon soms? evenzo, als we de vrije keuze behouden, hoe vaak zouden we de plaats moeten doorbreken?" vraagt ​​Dr. Blasiak zich af.

De resultaten van het onderzoek van de Pools-Brits-Duitse groep brengen een verrassend antwoord. Het blijkt dat om de geregistreerde correlaties te recreëren, met behoud van vrije keuze lokaliteit moet net zo vaak worden doorbroken als vrije keuze met behoud van lokaliteit. Om de een of andere (onbekende) reden, de natuur is niet in het minst voorstander van plaats of vrije keuze.

De wetenschappers slaagden erin formules af te leiden om te berekenen hoe vaak Alice en Bob lokaliteit of vrije keuze zouden moeten doorbreken om de waargenomen correlaties te recreëren (in de kwantummechanica en niet alleen). Vooral, het blijkt dat het formalisme van de kwantummechanica dat afdwingt met maximale verstrengeling tussen fotonen, het breken van lokaliteit of vrije keuze vindt plaats bij elke meting (die de eerdere resultaten met betrekking tot lokaliteit zelf generaliseert).

"Het meest interessante is dat de stelling van Bell helemaal geen verklaring van de kwantummechanica is, maar van de waarschijnlijkheidstheorie, het heeft dus een universeel karakter. De door ons bewezen stellingen zijn ook niet beperkt tot de kwantumfysica zelf, maar van toepassing zijn op alle situaties die te maken hebben met correlaties met betrekking tot scheidbare systemen, " benadrukt Dr. Blasiak.

"Behalve de natuurkunde in strikte zin, het breken van plaats of vrije keuze hoeft niet dramatisch te zijn. Bij onderzoek naar menselijk gedrag het zou genoeg zijn voor Alice om iets tegen Bob te fluisteren om de plaats te schenden, " merkt prof. Emmanuel Pothos op, een psycholoog aan de CUL. Een ander voorbeeld wordt gegeven door Prof. Christoph Gallus, econoom bij THM:"Als Alice en Bob spelers op de beurs zijn, hun keuzes kunnen eenvoudig worden gecorreleerd door bepaalde openbare informatie te gebruiken."

De universaliteit van de gevonden afhankelijkheden opent de deur naar zeer praktische toepassingen, zoals de studie van de mechanismen van informatiestroom in complexe systemen. Het is de moeite waard te benadrukken dat de algemene aard van dit soort overwegingen voortkomt uit de aard van de vraag naar de oorzaken van de waargenomen correlaties, die fundamenteel en gemeenschappelijk is voor de hele wetenschap.