数学史 · 中文镜像

数学家传记

约翰·斯图尔特·贝尔John Stewart Bell

出生
1928年7月28日 北爱尔兰贝尔法斯特
逝世
1990年10月1日 瑞士日内瓦

约翰·斯图尔特·贝尔是一位爱尔兰数学家,研究量子力学。

完整传记

约翰·斯图尔特·贝尔的伟大成就是,在20世纪60年代,他能够为量子理论的基础注入新的、令人兴奋的活力,这一主题似乎因三十年前尼尔斯·玻尔-阿尔伯特·爱因斯坦辩论的结果而耗尽,并且在此期间几乎被所有used量子理论的人所忽视。贝尔能够表明,对“实在论”、“决定论”和“定域性”等概念的讨论可以精炼为严格的数学陈述,“贝尔不等式”,这能够进行实验检验。在过去三十年中,此类检验一直在进行,其能力和精度稳步提高。

事实上,几乎完全由于贝尔的开创性努力,量子基础这一主题,无论是实验方面还是理论和概念方面,已成为许多国家科学家主要兴趣的焦点,并教给了我们许多具有根本重要性的东西,不仅关于量子理论,而且关于物理宇宙的本质。

此外,甚至在20世纪90年代中期——贝尔去世几年之后——也几乎无法预料的是,贝尔所研究的概念以及发展其工作的人们所研究的概念,许多已成为量子信息论这一新学科领域的基础,该领域包括量子计算和量子密码学等主题。过去几年里,对量子信息论的关注急剧增加,这一学科似乎必定会成为21世纪科学最重要的增长领域之一。

贝尔的父母双方都曾在爱尔兰北部生活了好几代。他的父亲也叫弗瑞兹·约翰,所以约翰 贝尔在家里一直被称为贝尔。他的母亲安妮鼓励孩子们专注于教育,她认为教育是充实而有尊严生活的关键。然而,在她的四个孩子中——约翰有一个姐姐鲁比和两个弟弟弗洛伦斯·南丁格尔·大卫和罗伯特——只有约翰能够在十四岁之后继续上学。他们家并不富裕,当时还没有普及中等教育,从贝尔家族这样的背景进入大学是极其不寻常的。

贝尔本人对书籍感兴趣,尤其从小就对科学感兴趣。他在最初就读的阿尔斯特维尔大道学校和费恩街学校极为成功,十一岁时轻松通过了升入中等教育的考试。不幸的是,贝尔法斯特一所著名文法学校的学费令人望而却步,但凑够了钱让贝尔进入贝尔法斯特技术高中,在那里,完整的学术课程使他具备大学入学资格,同时还有职业课程。

随后,贝尔在贝尔法斯特女王大学物理系做了一年技术员,该系的高级教职员卡尔·埃梅勒斯教授和罗伯特·斯隆博士给予了极大的帮助,借书给贝尔并允许他旁听一年级的课程。1945年,贝尔得以作为学生进入该系。他的进步极为成功,1948年以实验物理学一等荣誉学位毕业。他又多读了一年,在那一年获得了第二个学位,同样是一等荣誉学位,这次是数学物理学。在数学物理学方面,他的主要老师是彼得·保罗·埃瓦尔德教授,他以X射线晶体学创始人之一而闻名;埃瓦尔德是来自纳粹德国的难民。

贝尔已经在深入思考量子理论,不仅仅是如何使用它,还有它的概念意义。在接受杰里米·伯恩斯坦的采访中,这次采访是在他生命末期进行的,并被引用在伯恩斯坦的书[1]中,贝尔报告说,他对维尔纳·海森堡不确定性或测不准原理的通常表述感到困惑(ΔxΔp\Delta x \Delta p ≥ \hbar,其中Δx\Delta xΔp\Delta p分别是位置和动量中的不确定性或测不准量,取决于一个人的哲学立场,而ℏ是(约化)马克斯·普朗克常数)。

看起来你可以取这个大小,然后位置就确定了,或者取那个大小,然后动量就确定了。听起来好像你可以随意选择。只是慢慢地我才意识到,这不是你希望什么的问题。这实际上是关于什么仪器产生了这种情况的问题。但对我来说,要理解这一点有点费劲。在我可用的书籍和课程中,这并没有很清楚地阐述。我记得为此和我的一个教授,一个叫Sloane的博士争论过。我变得非常激动,或多或少地指责他不诚实。他也变得非常激动,说:‘你太过分了。’

在本科学习结束时,贝尔本想攻读博士学位。他也本想更彻底地研究量子理论的概念基础。然而,经济考虑意味着他不得不暂时放弃量子理论,去找工作,于是在1949年,他加入了位于哈维尔的英国原子研究机构,尽管他很快转到了位于马尔文的加速器设计组。

正是在这里,他遇到了他未来的妻子玛丽·罗斯,她带着来自苏格兰的数学和物理学学位。他们于1954年结婚,婚姻长久而成功。玛丽将在她的职业生涯中一直从事加速器设计;在约翰生命的末期,他回到了加速器设计的问题上,他和玛丽共同写了一些论文。在他的职业生涯中,他从与玛丽的讨论中获益良多,当1987年他的量子理论论文被收集出版[21]时,他包括了以下的话:-

我在此特别再次向Mary Bell致以热烈的感谢。当我再次翻阅这些论文时,我到处都能看到她的身影。

加速器设计当然是一个相对较新的领域,贝尔在马尔文的工作包括追踪带电粒子通过加速器的路径。在计算机出现之前的那些日子里,这需要对电磁学有严格的理解,以及必要的洞察力和判断力,以进行必要的数学简化,使问题在机械计算器上可处理,同时保留物理的本质特征。贝尔的工作非常精湛。

1951年,贝尔获得一年休假,前往伯明翰大学与物理学教授鲁道夫·佩尔斯合作。在伯明翰期间,贝尔做出了极为重要的工作,提出了他对著名的量子场论CPT定理的版本。这一定理表明,在三个算符对物理事件的联合作用下:PP,即执行反射的宇称算符;CC,即用反粒子替换粒子的电荷共轭算符;以及TT,即执行时间反演的算符,结果将是另一个可能的物理事件。
不幸的是,Gerhard Lüders和沃尔夫冈·泡利比贝尔稍早证明了同一定理,他们获得了全部荣誉。

贝尔又增加了一项工作,并于1956年获得博士学位。他还获得了佩尔斯极为宝贵的支持,从伯明翰返回后,他前往哈维尔,加入一个为研究理论基本粒子物理而新成立的小组。他在哈维尔一直待到1960年,但他和Mary逐渐担心哈维尔正从基础工作转向更应用性的物理学领域,于是他们双双搬到了CERN,即日内瓦的欧洲核子研究中心。他们在这里度过了余下的职业生涯。

贝尔在高能物理和量子场论领域发表了约80篇论文。其中一些与CERN的实验物理项目相当密切相关,但大多数属于一般理论领域。

最重要的工作是1969年的工作,导致了量子场论中的Adler-贝尔-Jackiw(ABJ)反常。这源于贝尔和Ronan Jackiw的合作工作,随后由Stephen Adler加以澄清。他们表明,标准的流代数模型包含一个歧义。量子化导致了模型的对称性破缺。这项工作解决了粒子物理学中的一个突出问题;理论似乎预测中性π介子不能衰变为两个光子,但实验上衰变确实发生,正如ABJ所解释的那样。在随后的三十年中,对此类反常的研究在粒子物理学的许多领域变得重要。埃拉斯穆斯·赖因霍尔德 Bertlmann本人曾与贝尔做过重要工作,他写了一本题为Anomalies in Quantum Field Theory [10]的书,而ABJ两位仍在世的成员Adler和Jackiw因他们的工作共同获得了1988年的里雅斯特国际理论物理中心保罗·狄拉克奖章。

虽然粒子物理学和量子场论是贝尔受薪所做的工作,并且他做出了卓越的贡献,但他最大的热爱是量子理论,正是他在这里的工作将使他被人们铭记。正如我们所见,他从本科时代起就关心该理论的基本意义,他的许多重要论证都以那时为基础。

这些概念问题可以用自旋-12\large\frac{1}{2}\normalsize系统来概述。我们可以说,当态矢量分别为α+\alpha_{+}α\alpha_{-}时,szs_{z}分别等于12\large\frac{1}{2}\normalsize \hbar12-\large\frac{1}{2}\normalsize \hbar,但是,如果把自己限制在埃尔温·薛定谔方程内,sxs_{x}sys_{y}根本就没有值。人们所能说的只是,例如,如果对sxs_{x}进行测量,所得结果为12\large\frac{1}{2}\normalsize \hbar12-\large\frac{1}{2}\normalsize \hbar的概率都是12\large\frac{1}{2}\normalsize

另一方面,如果初始态矢量具有c+α++cαc_{+}\alpha_{+}+ c_{-}\alpha_{-}的一般形式,那么我们只能说,在测量szs_{z}时,得到12\large\frac{1}{2}\normalsize \hbar值的概率是c+2|c_{+}^{2} |,而得到12-\large\frac{1}{2}\normalsize \hbar值的概率是c2|c_{-}^{2} |。在任何测量之前,szs_{z}根本没有值。

这些陈述与我们两个基本观念相矛盾。我们拒绝realism,它告诉我们一个量有一个值,更宏大地说——物理世界具有独立于任何观察者行为的存在。阿尔伯特·爱因斯坦对这种实在论的抛弃特别不安——他坚持observer-free realm的存在。我们也拒绝determinism,即相信如果我们完全知道系统的状态,就能准确预测它将如何行为。在这种情况下,我们知道系统的态矢量,但无法预测测量szs_{z}的结果。

显然,如果我们允许这样的观点,即埃尔温·薛定谔方程以及波函数或态矢量可能不包含关于系统可获得的全部信息,我们就可以试图恢复实在论和决定论。可能有其他量提供额外信息——hidden variables。作为一个简单的例子,上面的态矢量可能适用于许多系统的系综,但此外每个系统的一个隐变量可能说明szs_{z}的实际值可能是什么。实在论和决定论都将被恢复;szs_{z}在任何时候都有一个值,并且,在完全知道系统状态(包括隐变量的值)的情况下,我们可以预测测量szs_{z}的结果。

一个完整的隐变量理论实际上必须比这更复杂——我们必须记住,我们希望预测的不仅是测量szs_{z}的结果,还有sxs_{x}sys_{y},以及ss的任何其他分量。然而,用隐变量补充埃尔温·薛定谔方程的可能性本来似乎很自然会被认真对待。但实际上,尼尔斯·玻尔维尔纳·海森堡确信人们不应追求实在论。因此,当冯·诺伊曼证明了一个定理,声称严格表明不可能将隐变量添加到量子理论的结构中时,他们很高兴。这在三十多年里被非常普遍地接受。

尼尔斯·玻尔提出了他(也许相当晦涩)的complementarity框架,试图解释为什么人们不应期望同时测量sxs_{x}sys_{y}(或xxpp)。这就是他的量子理论Copenhagen interpretation。然而阿尔伯特·爱因斯坦拒绝了这一点,并旨在恢复实在论。物理学家几乎一致赞成尼尔斯·玻尔

阿尔伯特·爱因斯坦最有力的论据,尽管这在几十年里没有变得非常普遍明显,在于1935年著名的阿尔伯特·爱因斯坦-Podolsky-Rosen(EPR)论证,该论证由阿尔伯特·爱因斯坦在其两位年轻合作者Boris Podolsky和Nathan Rosen的协助下构建。在这里,如通常所做的那样,我们讨论该论证的一个更简单的版本,这是后来由大卫 Bohm想出的。

考虑两个自旋为12\large\frac{1}{2}\normalsize的粒子;它们由一个自旋为12\large\frac{1}{2}\normalsize的粒子衰变产生,并从这个衰变点沿相反方向向外运动。组合态矢量可以写成(12)(α1α2+α1α2+)(\large\frac{1}{√2}\normalsize )(\alpha_{1-}\alpha_{2+} - \alpha_{1-} \alpha_{2+}),其中粒子1和粒子2的α1\alpha_{1}α2\alpha_{2}与上面的α\alpha有关。这个态矢量有一种奇怪的形式。这两个粒子并不是独立地出现在其中;相反,粒子1的任一状态都与粒子2的某一特定状态相关联。这个态矢量被称为entangled

现在想象测量s1zs_{1}z。如果我们得到+12v+\large\frac{1}{2}\normalsize v,我们就知道立即测量s2zs_{2}z必定得到12-\large\frac{1}{2}\normalsize \hbar,反之亦然,尽管至少按照哥本哈根解释,在任何测量之前,任一自旋都没有一个分量具有特定值。

这个论证的结果是,三个陈述中至少有一个必须为真:

(1) 粒子必须瞬时交换信息,即超光速;
(2) 存在隐变量,因此实验结果是预先注定的;或
(3) 量子理论在这些相当特殊的实验中并非完全正确。

第一种可能性可被描述为对locality原理的放弃,即信号不能以超光速从一个粒子传递到另一个粒子。这一建议对阿尔伯特·爱因斯坦来说是令人厌恶的。因此,他得出结论,如果量子理论是正确的,那么排除了可能性(3),则(2)必须为真。用阿尔伯特·爱因斯坦的话说,量子理论不是complete,而是需要用隐变量来补充。

贝尔将自己视为阿尔伯特·爱因斯坦的追随者。他告诉Bernstein [1]:-

我觉得,在这个例子中,阿尔伯特·爱因斯坦在智力上对尼尔斯·玻尔的优越性是巨大的;一个清楚看到需要什么的人与一个蒙昧主义者之间存在着巨大的鸿沟。

贝尔因此支持以隐变量形式的实在论。他对1952年大卫 Bohm创建的一种包含隐变量的量子理论版本感到高兴,这似乎无视了冯·诺伊曼的结果。贝尔写道[21]:-

1952年,我看到了不可能之事被完成。

1964年,贝尔对量子理论做出了自己的重大贡献。首先,他构建了自己关于任意自旋分量测量的隐变量解释。这比Bohm的工作简单得多,因而更难以被忽视。随后,他比Bohm走得更远,非常清晰地证明了冯·诺伊曼论证究竟错在哪里。

冯·诺伊曼不合法地把量子理论变量中的一个结果推广到了他假定的隐变量上,即A+BA + B的期望值等于AA的期望值与BB的期望值之和。(一个变量的期望值是其可能的实验结果按其发生概率加权的平均值。)一旦认识到这个错误,就很清楚量子理论的隐变量理论是可能的。

贝尔随后证明了隐变量理论必定具有的某些不受欢迎的性质。最重要的是它们必须是非局域的。他通过扩展EPR论证证明了这一点,允许在装置的每一翼测量任意自旋分量,而不仅仅是szs_{z}。他发现,即使允许隐变量,在某些情况下,一翼得到的结果也必须取决于另一翼测量的是哪个自旋分量;这违反了局域性。阿尔伯特·爱因斯坦会喜欢的那种解决EPR问题的方法,即拒绝(1)但保留(2),是不合法的。即使保留(2),只要坚持(3),也就必须保留(1)。

贝尔严格地表明,人们不可能拥有量子理论的局域实在论。Henry Stapp称这一结果为[18]:-

科学史上最深刻的发现。

贝尔所证明的隐变量的另一个性质是,它们必须是contextual。除最简单的情形外,测量一个变量所得到的结果必定取决于同时测量了哪些其他量。因此,不能把隐变量理解为说明一个量‘具有’什么值,而只能说明如果我们测量它将会得到什么值。

让我们回到定域性问题。于是人们一直假设量子理论是严格正确的,但当然这一点永远无法知道。约翰 Clauser、Richard Holt、Michael Horne和Abner Shimony改造了贝尔的工作,以给出对局域实在论的直接实验检验。于是就有了著名的CHHS-贝尔不等式[19],通常只称为贝尔不等式。在EPR型实验中,局域隐变量满足这个不等式,但其他理论,包括量子理论,可能违反它。

贝尔已经达到了所谓的experimental philosophy;从实验中可以获得具有相当哲学重要性的结果。近三十年来,贝尔不等式以日益精密的方式受到检验,实验检验实际上使用具有纠缠偏振的光子,这在数学上等价于上面讨论的纠缠自旋。虽然许多科学家参与其中,但最重要者中的一部分会包括Clauser、Alain Aspect和Anton Zeilinger。

虽然[2002年8月]至少还有一个漏洞有待堵住,但几乎可以肯定局域实在论被违反,并且量子理论能够预言所有实验的结果。

在他的余生中,贝尔继续批评量子理论中通常的测量理论。逐渐地,质疑尼尔斯·玻尔冯·诺伊曼至少变得稍微更可接受,而对量子理论意义的研究已经成为一项体面的活动。

贝尔本人早在1972年就成为皇家学会的会士,但很久以后他才获得他应得的奖项。在他生命的最后几年中,他被授予皇家学会的休斯奖章、物理学会的保罗·狄拉克奖章以及美国物理学会的海涅曼奖。在1988年7月的两周内,他获得了都柏林女王学院和三一学院两所学院的荣誉学位。他曾被提名诺贝尔奖;如果他多活十年,他肯定会获得该奖。

但事与愿违。贝尔于1990年10月1日因中风突然去世。自那以后,人们对他工作及其在量子信息论中应用的兴趣一直在稳步增长。

参考文献

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