Har vi fritt val eller är våra beslut förutbestämda? Är den fysiska verkligheten lokal, eller har det vi gör här och nu ett omedelbart inflytande på händelser någon annanstans? Svaren på dessa frågor söks av fysiker i Bell-ojämlikheterna. Det visar sig att fritt val och lokal realism skickligt kan mätas och jämföras. De erhållna resultaten avslöjar överraskande samband av grundläggande och universell karaktär, går långt bortom själva kvantmekaniken.

kausalitet, lokalitet, och fritt val är relaterade till några enkla formler som kallas Bells ojämlikheter. Sofistikerade experiment inom kvantoptik under de senaste decennierna har utan tvekan bevisat att dessa ojämlikheter är brutna. I dag, fysiker ställs inför ett dilemma:ska vi acceptera en vision av den verkliga världen där vi ifrågasätter antagandet om försöksledarens fria val, eller förkasta antagandet om lokalisering av experimenten? Forskare från Institutet för kärnfysik vid den polska vetenskapsakademin i Krakow (IFJ PAN), British City University of London (CUL) och tyska Technische Hochschule Mittelhessen i Giessen (THM) har konfronterat detta problem. Resultaten av deras forskning som går långt utöver enbart fysik diskuteras i en artikel som just publicerats i den prestigefyllda Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ).

"Realism är ett fysiskt koncept där vi beskriver världen i termer av orsak-och-verkan relationer. Lokalitet innebär att handlingar inte kan spridas omedelbart. Så om den fysiska verkligheten ska uppfylla kraven från lokal realism, resultatet av experimentet kommer endast att påverkas av vad som finns i dess omedelbara närhet, och inte av det som händer just nu i en avlägsen galax, " förklarar Dr. Pawel Blasiak, artikelns första författare.

Fritt val, ett till synes typiskt filosofiskt begrepp, kan också behandlas som ett fysiskt eller till och med matematiskt problem. I detta tillvägagångssätt, fritt val avser de variabler som beskriver parametrarna för ett experiment, dvs vad vi mäter i laboratoriet. Vi antar att vi kan välja dessa variabler fritt, oavsett vad som har hänt tidigare.

Som en del av en vision av världen där lokal realism och fritt val gäller, man kan härleda Bells ojämlikheter och sedan genomföra ett experiment för att verifiera dem. Huvudidéerna kan illustreras enligt följande. Alice och Bob arbetar i laboratorier i motsatta ändar av galaxen. En dag får var och en av dem en låda. De placerar lådorna på sina bord och vid en viss tidpunkt, öppna dem försiktigt. Ett snurrande mynt spricker ur lådan, som var och en av experimentörerna trycker ner på bordet med sina handflattor. Alice och Bob noterar nu om myntet har landat heads up eller tails up. Snart, fler liknande försändelser kommer. Efter ett tag, Alice och Bob har en lång lista med observationer där de trycker ner mynten på olika sätt. Ingen av dem ser något ovanligt i deras data:huvuden och svansar visas på deras listor på ett rent slumpmässigt sätt.

Situationen förändras dramatiskt när Alice och Bob träffas på Intergalactic Science Congress. De jämför sina data och plötsligt visar det sig att i samma observationer, när Alices mynt landade svansar upp, Bobs mynt landade alltid heads up - och vice versa. Så, de antar båda att det inte är en slump och att de korrelationer de observerar måste tillskrivas någon vanlig orsak som lurar i det förflutna för båda objekten som skickats från samma källa. Den mystiska avsändaren av lådorna kunde helt enkelt ha instruerat varje mynt hur det skulle landa när det trycks mot bordet på ett givet sätt. Om det verkligen var så, Alice och Bob kunde gissa denna instruktion och tillkännage en spektakulär upptäckt. Tyvärr, deras ansträngningar kommer till ingenting!

Desperat, Alice och Bob ber den geniale teoretikern John om hjälp. Han frågar först vilka antaganden de två forskarna har antagit i sitt arbete som sanna och säkra. "Vi tror att de korrelationer vi observerade borde kunna förklaras av en rad orsaker och effekter som sprider sig över tiden, " säger Alice. Bob förtydligar, "Vi tror också att ingen orsak omedelbart påverkar experimentet om det är tillräckligt långt bort från laboratoriet." De är båda övertygade om att sättet de öppnar lådorna inte påtvingas dem på något sätt och de är helt övertygade om att det är de som fattar beslutet om hur de trycker ner myntet. Till deras stora förvåning, John förklarar lugnt att alla dessa antaganden inte kan förenas med de korrelationer de observerar.

Faktiskt, Bells ojämlikheter upptäcktes av den nordirländska fysikern John Stewart Bell 1964. Han inspirerades av det berömda problemet med "spooky-action-at-a-distance". poserad av Albert Einstein, Boris Podolsky och Nathan Rosen 1935. I fysiska experiment, där myntens roll spelas av fotoner och huvuden och svansarna är deras polarisationer observerade i olika riktningar, dessa ojämlikheter är verkligen brutna. Samtida fysik, därför, har ett grundläggande dilemma:är det bättre att överge idén om lokal realism, eller kanske ifrågasätta forskarnas fria val? Få fysiker är villiga att ifrågasätta realism som förutsätter orsakssamband i linje med tidens pil. Så antingen stämmer något "inte riktigt" med antagandet om lokal realism eller med experimenters fria val.

"Det faktum att verkligheten bryter Bells ojämlikhet provocerar oss att ställa spännande frågor. Till exempel:hur ofta, samtidigt som full lokalitet bibehålls, skulle vi behöva bryta det fria valet för att återskapa de korrelationer som observerades i experimenten? Med varje mätning, för det mesta, eller kanske bara ibland? Liknande, om vi behåller det fria valet, hur ofta skulle vi behöva bryta lokalitet?" undrar Dr. Blasiak.

Resultaten av den polsk-brittisk-tyska gruppens forskning ger ett överraskande svar. Det visar sig att för att återskapa de registrerade korrelationerna, med bibehållande av fritt vallokal bör brytas lika ofta som fritt val med bibehållande av ort. Av någon (okänd) anledning, naturen gynnar inte varken ort eller fritt val det minsta.

Forskarna lyckades härleda formler för att beräkna hur ofta Alice och Bob skulle behöva bryta lokalitet eller fritt val för att återskapa de observerade korrelationerna (i kvantmekaniken och inte bara). Särskilt, det visar sig att kvantmekanikens formalism tvingar fram det med maximal intrassling mellan fotoner, brytningen av ort eller fritt val sker vid varje mätning (vilket generaliserar de tidigare resultaten angående själva orten).

"Det mest intressanta är att Bells teorem inte alls är ett uttalande om kvantmekanik, men om sannolikhetsteorin, så den har en universell karaktär. De satser som vi bevisat är inte heller begränsade till själva kvantfysiken, men gäller alla situationer som handlar om korrelationer angående separerbara system, " betonar Dr. Blasiak.

"Förutom fysik i strikt mening, brytningen av orten eller det fria valet behöver inte vara dramatisk. I forskning om mänskligt beteende, det skulle vara tillräckligt för Alice att viska något till Bob för att kränka lokalitet, " noterar prof. Emmanuel Pothos, en psykolog på CUL. Ett annat exempel ges av professor Christoph Gallus, ekonom på THM:"Om Alice och Bob är aktörer på aktiemarknaden, deras val kan korreleras helt enkelt genom att använda viss offentlig information."

Universaliteten hos de beroenden som hittas öppnar dörren till mycket praktiska tillämpningar, såsom studiet av mekanismerna för informationsflöde i komplexa system. Det är värt att betona att den allmänna karaktären hos dessa typer av överväganden kommer från själva naturen av frågan om orsakerna till de observerade korrelationerna, som är grundläggande och gemensamt för hela vetenskapen.