우리는 세상의 한 지역의 사건이 멀리 일어나는 일에 즉시 영향을 줄 수 없다는 것을 당연한 것으로 여깁니다. 물리학 자들이 지역성이라고 부르는이 원칙은 오랫동안 물리 법칙에 대한 기반암 가정으로 간주되었습니다. 알버트 아인슈타인과 두 명의 동료들이 1935 년에 양자 역학이“거리에서 으스스한 행동”을 허용한다고 보여 주었을 때, 아인슈타인이 말한 것처럼,이 이론의 특징은 매우 의심스러워 보였다. 물리학 자들은 양자 역학이 무언가를 놓치고 있는지 궁금해했다.
그런 다음 1964 년 북 아일랜드 물리학 자 존 스튜어트 벨 (John Stewart Bell)은 소중한 원칙에서 테스트 가능한 가설에 이르기까지 지역을 강등시켰다. Bell은 양자 역학이 지역 이론보다 특정 원거리 측정 결과에서 더 강한 통계적 상관 관계를 예측했음을 증명했다. 그 이후 몇 년 동안, 실험은 반복해서 양자 역학을 뒷받침했습니다.
Bell의 정리는 물리학에 대한 우리의 가장 깊은 직관 중 하나를 뒤집었고 물리학 자들은 양자 역학이 고전 세계에서 상상할 수없는 작업을 어떻게 가능하게 할 수 있는지 탐구하도록 자극했습니다. 국립 표준 표준 기술 연구소의 양자 물리학자인 Krister Shalm은“현재 일어나고있는 양자 혁명과 벨의 정리 덕분에 100%입니다.
Bell의 정리가“거리에서 으스스한 행동”이 실제라는 것을 보여주는 방법은 다음과 같습니다.
기복 및 다운
아인슈타인을 괴롭히는“으스스한 행동”은 얽힘으로 알려진 양자 현상을 포함하며, 우리가 일반적으로 별개의 단체로 생각하는 두 입자는 독립성을 잃습니다. 유명하게, 양자 역학에서는 입자의 위치, 편광 및 기타 특성이 측정되는 순간까지 무기한이 될 수 있습니다. 그러나 얽힌 입자의 특성을 측정하면 입자가 멀리 떨어져 있고 거의 동시에 측정되는 경우에도 강하게 상관 된 결과를 산출합니다. 한 측정의 예측할 수없는 결과는 그들 사이의 거리에 관계없이 다른 지역의 결과에 즉시 영향을 미치는 것으로 보입니다.
얽힘을보다 정확하게 이해하려면 전자와 스핀이라는 대부분의 다른 양자 입자의 특성을 고려하십시오. 스핀이있는 입자는 작은 자석처럼 행동합니다. 예를 들어, 전자가 한 쌍의 북쪽 및 남쪽 자기 극에 의해 생성 된 자기장을 통과하면 한 극을 향한 고정 된 양 또는 다른 극을 향해 편향됩니다. 이것은 전자의 스핀이 두 값 중 하나만을 가질 수있는 수량이라는 것을 보여줍니다 :북극을 향해 편향된 전자의 경우 "up", 남극을 향해 편향된 전자의 경우 "아래로"
.북쪽 극 위에있는 지역을 통과하는 전자가 바로 위 바로 위와 남극 바로 아래에있는 전자를 상상해보십시오. 처짐을 측정하면 전자의 스핀이 수직 축을 따라 "위쪽"또는 "아래로"여부를 나타냅니다. 이제 자석 극 사이의 축을 수직으로부터 멀어지게 하고이 새로운 축을 따라 편향을 측정하십시오. 다시, 전자는 항상 극 중 하나를 향해 같은 양으로 편향됩니다. 축을 따라 항상 이진 스핀 값 (위 또는 아래로)을 측정합니다.
여러 축을 따라 입자의 스핀을 동시에 측정 할 수있는 검출기를 구축 할 수는 없습니다. 양자 이론은 스핀 탐지기 의이 특성이 실제로 스핀 자체의 특성이라고 주장합니다. 전자가 한 축을 따라 명확한 스핀을 갖는 경우 다른 축을 따라 스핀이 정의되지 않습니다.
.로컬 숨겨진 변수
스핀에 대한 이러한 이해로 무장 한 우리는 Bell의 정리를 증명하는 데 사용할 수있는 사고 실험을 고안 할 수 있습니다. 얽힌 상태의 구체적인 예를 고려하십시오. 총 스핀이 0 인 한 쌍의 전자 쌍이 주어진 축을 따라 스핀의 측정은 항상 반대 결과를 산출합니다. 이 얽힌 상태에서 주목할만한 점은 전체 스핀이 모든 축을 따라이 확실한 값을 가지고 있지만 각 전자의 개별 스핀이 무한하다는 것입니다.
.이 얽힌 전자가 분리되어 먼 실험실로 운반되었으며,이 실험실의 과학자 팀이 스핀 측정을 수행 할 때 원하는 방식으로 각각의 탐지기의 자석을 회전시킬 수 있다고 가정합니다.
.두 팀이 동일한 축을 따라 측정하면 100%의 반대 결과를 얻습니다. 그러나이 증거는 비 지역성의 증거입니까? 반드시 그런 것은 아닙니다.
대안 적으로, 아인슈타인이 제안 된, 각각의 전자 쌍은 모든 축을 따라 입자 회전을 동시에 지정하는 관련 "숨겨진 변수"세트와 함께 제공 될 수있다. 이 숨겨진 변수는 얽힌 상태에 대한 양자 설명에는 없지만 양자 역학은 전체 이야기를 말하지 않을 수 있습니다.
.숨겨진 가변 이론은 동일한 축 측정이 왜 지역을 위반하지 않고 항상 반대 결과를 산출하는지 설명 할 수 있습니다. 한 전자의 측정은 다른 전자에 영향을 미치지 않지만 단지 숨겨진 변수의 기존 가치를 드러냅니다.
.Bell은 다른 축을 따라 얽힌 입자의 회전을 측정함으로써 국소 숨겨진 가변 이론을 배제하고 실제로 지역성을 배제 할 수 있음을 증명했습니다.
.우선, 한 과학자 팀이 다른 실험실에 비해 180도 감지기를 회전 시킨다고 가정 해 봅시다. 이는 북쪽과 남쪽 극을 교환하는 것과 같습니다. 따라서 한 전자에 대한 "위"결과에는 다른 전자에 대한 "다운"결과가 동반되지 않습니다. 과학자들은 또한 60도 (60도) 사이에서 회전하도록 선택할 수 있습니다. 두 실험실에서 자석의 상대적 배향에 따라 반대 결과의 확률은 0%에서 100% 사이에있을 수 있습니다.
.특정 방향을 지정하지 않고 두 팀이 가능한 세 가지 측정 축 세트에 동의한다고 가정합니다.이 방법은 A, B 및 C 라벨을 붙일 수 있습니다. 모든 전자 쌍에 대해 각 실험실은 무작위로 선택된이 세 가지 축 중 하나를 따라 전자 중 하나의 스핀을 측정합니다.
.이제 세상이 양자 역학보다는 국소 숨겨진 가변 이론에 의해 묘사되었다고 가정 해 봅시다. 이 경우 각 전자는 세 방향 각각에 고유 한 스핀 값을 갖습니다. 이로 인해 숨겨진 변수에 대한 8 개의 가능한 값 세트가 발생합니다.
예를 들어, 5 라벨링 된 스핀 값 세트는 첫 번째 실험실에서 축 A를 따라 측정 결과가 "위"되고, 축 B와 C를 따르는 측정은 "다운"될 것이라고 지시한다. 두 번째 전자의 스핀 값은 반대입니다.
1 또는 8으로 표시된 스핀 값을 갖는 전자 쌍의 경우, 두 실험실의 측정은 과학자들이 함께 측정하기로 선택한 축에 관계없이 항상 반대 결과를 산출합니다. 다른 6 개의 스핀 값은 모두 상대적인 축 측정의 33%에서 반대 결과를 산출합니다. (예를 들어, 5 라벨이 붙은 스핀 값의 경우, 랩은 축 B를 따라 측정하는 반면 다른 측정 값은 C를 따라 측정 할 때 반대 결과를 얻게됩니다. 이것은 가능한 선택의 3 분의 1을 나타냅니다.)
.따라서 실험실은 다른 축을 따라 적어도 33%를 측정 할 때 반대 결과를 얻을 수 있습니다. 동등하게, 그들은 최대 67%에 동일한 결과를 얻을 것입니다. 이 결과 - 국소 숨겨진 변수 이론에 의해 허용되는 상관 관계에 대한 상한은 Bell의 정리의 핵심 불평등입니다.
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이제 양자 역학은 어떻습니까? 우리는 다른 축을 따라 전자 회전을 측정 할 때 두 실험실이 동일한 결과를 얻을 확률에 관심이 있습니다. 양자 이론의 방정식은 측정 축 사이의 각도의 함수 로서이 확률에 대한 공식을 제공합니다.
공식에 따르면, 메르세데스 로고에서와 같이 세 축이 가능한 한 멀리 떨어져있을 때, 즉 120도 떨어져있을 때, 두 실험실은 모두 75%의 동일한 결과를 얻을 것입니다. 이것은 벨의 상한 67%를 초과합니다.
그것이 Bell의 정리의 본질입니다. 위치가 유지되고 한 입자의 측정이 멀리 떨어진 다른 측정 결과에 즉시 영향을 줄 수 없다면 특정 실험 설정의 결과는 67% 이상의 상관 관계가 될 수 있습니다. 반면에, 양자 역학에서와 같이 얽힌 입자의 운명이 광범위한 거리에서도 불가분하게 연결되어 있다면 특정 측정 결과는 더 강한 상관 관계를 나타냅니다.
.1970 년대 이래로 물리학 자들은 Bell의 정리에 대한 정확한 실험 테스트를 점점 더 정확하게 수행했습니다. 각각은 양자 역학의 강한 상관 관계를 확인했습니다. 지난 5 년 동안 다양한 허점이 폐쇄되었습니다. 물리학 자들은 Bell의 정리의 영향에 대해 계속 파악하지만 표준 테이크 아웃은 우리 세계의 특징이 아니라는 지역입니다.
.편집자 주 :저자는 현재 콜로라도 주 볼더에있는 Jila의 박사후 연구원입니다.
설명 2021 년 8 월 19 일 :
이 기사는 벨의 정리에 대한 표준 해석이 물리학 자들 사이에서 보편적으로 받아 들여진다는 인상을 제거하기 위해 개정되었습니다.
