Nobelpriset i fysik i år har delats ut "för experiment med intrasslade fotoner, som fastställer kränkningen av Bells ojämlikheter och banbrytande kvantinformationsvetenskap."

För att förstå vad detta betyder, och varför detta arbete är viktigt, måste vi förstå hur dessa experiment avgjorde en långvarig debatt bland fysiker. Och en nyckelspelare i den debatten var en irländsk fysiker vid namn John Bell.

På 1960-talet kom Bell på hur man kan översätta en filosofisk fråga om verklighetens natur till en fysisk fråga som kunde besvaras av vetenskapen – och på vägen bröt distinktionen mellan vad vi vet om världen och hur världen verkligen är .

Kvantumintrassling

Vi vet att kvantobjekt har egenskaper som vi vanligtvis inte tillskriver objekten i våra vanliga liv. Ibland är ljus en våg, ibland är det en partikel. Vårt kylskåp gör aldrig detta.

När vi försöker förklara denna typ av ovanligt beteende finns det två breda typer av förklaringar vi kan föreställa oss. En möjlighet är att vi uppfattar kvantvärlden tydligt, precis som den är, och det råkar bara vara ovanligt. En annan möjlighet är att kvantvärlden är precis som den vanliga värld vi känner och älskar, men vår syn på den är förvrängd, så vi kan inte se kvantverkligheten tydligt, som den är.

Under de tidiga decennierna av 1900-talet var fysikerna delade om vilken förklaring som var rätt. Bland dem som tyckte att kvantvärlden bara är ovanlig fanns figurer som Werner Heisenberg och Niels Bohr. Bland dem som trodde att kvantvärlden måste vara precis som den vanliga världen, och vår syn på den är helt enkelt dimmig, var Albert Einstein och Erwin Schrödinger.

Kärnan i denna uppdelning är en ovanlig förutsägelse av kvantteorin. Enligt teorin förblir egenskaperna hos vissa kvantsystem som interagerar beroende av varandra – även när systemen har flyttats ett stort avstånd från varandra.

1935, samma år som han utarbetade sitt berömda tankeexperiment som involverade en katt instängd i en låda, myntade Schrödinger termen "förtrassling" för detta fenomen. Han hävdade att det är absurt att tro att världen fungerar på det här sättet.

Problemet med intrassling

Om intrasslade kvantsystem verkligen förblir sammankopplade även när de är åtskilda av stora avstånd, verkar det som om de på något sätt kommunicerar med varandra omedelbart. Men denna typ av koppling är inte tillåten, enligt Einsteins relativitetsteori. Einstein kallade den här idén "läskig handling på avstånd."

Återigen 1935 utarbetade Einstein, tillsammans med två kollegor, ett tankeexperiment som visade att kvantmekanik inte kan ge oss hela historien om förveckling. De trodde att det måste finnas något mer i världen som vi ännu inte kan se.

Men allt eftersom tiden gick blev frågan om hur man tolkar kvantteorin en akademisk fotnot. Frågan verkade för filosofisk, och på 1940-talet var många av kvantfysikens skarpaste hjärnor upptagna med att använda teorin för ett mycket praktiskt projekt:att bygga atombomben.

Det var inte förrän på 1960-talet, när den irländska fysikern John Bell vände sig till problemet med förveckling, som det vetenskapliga samfundet insåg att denna till synes filosofiska fråga kunde ha ett påtagligt svar.

Klockans teorem

Med hjälp av ett enkelt intrasslat system utökade Bell Einsteins tankeexperiment från 1935. Han visade att det inte fanns något sätt att kvantbeskrivningen kunde vara ofullständig samtidigt som han förbjöd "läskig handling på avstånd" och fortfarande matchade kvantteorins förutsägelser.

Inga bra nyheter för Einstein, verkar det som. Men detta var inte en omedelbar vinst för hans motståndare.

Detta beror på att det inte var uppenbart på 1960-talet om kvantteorins förutsägelser verkligen var korrekta. För att verkligen bevisa Bells poäng var någon tvungen att sätta detta filosofiska argument om verkligheten, förvandlad till ett verkligt fysiskt system, på ett experimentellt test.

Och det är naturligtvis här två av årets Nobelpristagare kommer in i historien. Först utförde John Clauser, och sedan Alain Aspect, experimenten på Bells föreslagna system som i slutändan visade att kvantmekanikens förutsägelser var korrekta. Som ett resultat, såvida vi inte accepterar "läskig handling på avstånd", finns det ingen ytterligare redogörelse för intrasslade kvantsystem som kan beskriva den observerade kvantvärlden.

Så, Einstein hade fel?

Det är kanske en överraskning, men dessa framsteg inom kvantteorin verkar ha visat att Einstein har fel på denna punkt. Det vill säga, det verkar som om vi inte har en dimmig bild av en kvantvärld som är precis som vår vanliga värld.

Men idén att vi tydligt uppfattar en i sig ovanlig kvantvärld är likaså för förenklad. Och detta ger en av de viktigaste filosofiska lärdomarna i denna episod i kvantfysik.

Det är inte längre klart att vi rimligen kan prata om kvantvärlden bortom vår vetenskapliga beskrivning av den – det vill säga bortom informationen vi har om det.

Som årets tredje nobelpristagare, Anton Zeilinger, uttryckte det:"Skillnaden mellan verklighet och vår kunskap om verkligheten, mellan verklighet och information, kan inte göras. Det finns inget sätt att referera till verkligheten utan att använda den information vi har om den. "

Denna distinktion, som vi vanligtvis antar för att underbygga vår vanliga bild av världen, är nu oåterkallelig suddig. Och vi har John Bell att tacka.

Låt oss dock höra det för John Bell. Jag menar Kristus, verkligen. Det var tack vare honom som kvantfundament blev experimentell fysik och inte filosofi. (Inget emot filosofi, men det är bra att få svar ibland.)

— Philip Ball (@philipcball) 4 oktober 2022