约翰·斯图尔特·贝尔(John Stewart Bell,1928年6月28日-1990年10月1日), 爱尔兰 物理学家,因发展了 量子力学 中的贝尔 定理 而闻名。 他是 伦敦皇家自然知识促进学会 会员(FRS),并于1987年被选为 美国艺术与科学院 的外国荣誉成员。
贝尔是导波理论的支持者,并在1987年提出了 缩理论。他的研究不仅限于量子力学,还涉及特殊 相对论 的问题,提出了广为人知的贝尔的飞船 悖论 。
人物生平
约翰·斯图尔特·贝尔出生于 北爱尔兰 的 贝尔法斯特 。11岁时他立志成为一名科学家,16岁时便从贝尔法斯特技术学校毕业。之后贝尔进入 贝尔法斯特女王大学 就读,1948年取得了实验物理的 学士 ,隔年再取得了数学物理学位。接着他到了 伯明翰大学 研究 核物理 与 量子场论 ,并在1956年获得博士学位。这段期间里,他认识了在从事 粒子加速器 研究的物理学家玛莉·罗斯,两人在1954年结婚。此后,他先后任职于哈维尔附近的英国原子能研究机构(AERE,也称为哈维尔实验室)和欧洲高能物理中心(CERN)。在CERN,他多年从事 加速器 设计工程有关的工作,与理论物理,特别是量子论的理论基础的工作,相差甚远。贝尔只能利用业余时间来研究理论物理,正是这一业余研究使贝尔留名于物理史。在十几岁时成为素食主义者。据他的妻子称,贝尔是一位无神论者。
约翰·贝尔于1990年因一场突发的 脑出血 ,在 日内瓦 过世,享年62岁。
学术成就
贝尔不等式
约翰·斯图尔特·贝尔于1964年提出了一个强有力的数学 不等式 ,后来以他的名字命名为贝尔不等式,又称贝尔定理。该 定理 在定域性和实在性的双重假设下,对于两个分隔的粒子同时被测量时其结果的可能关联程度建立了一个严格的限制。而 量子力学 预言 ,在某些情形下,合作的程度会超过贝尔的极限,也即,量子力学的常规观点要求在分离系统之间合作的程度超过任何“定域实在性”理论中的逻辑许可程度。贝尔不等式提供了用实验在量子不确定性和 阿尔伯特·爱因斯坦 的定域实在性之间做出判决的机会。目前的实验表明量子力学正确, 决定论 的定域的 隐变量理论 不成立。
贝尔不等式不成立意味着,阿尔伯特·爱因斯坦所主张的局域实体论(local realism ),其预测不符合量子力学理论。由于很多实验的结果与 量子力学 理论的预测一致,显示出的量子关联(quantum correlation)远强过局域隐变量理论所能够解释,所以,物理学者拒绝接受局域实体论对于这些实验结果的解释。陷入找不到满意解答的窘境,倘若不接受量子力学,物理学者只能无可奈何地勉强承认这是一种非因果关系的超光速效应(superluminal effect)。
贝尔不等式可以应用于任何由两个相互纠缠的 量子位元 所组成的量子系统。最常见的范例是纠缠于 自旋 或 偏振 的 粒子系统 。在贝尔前后,别的物理学家也达到了和贝尔类似的认识,比如, 李政道 在贝尔之前就认识到具有定域隐变量的体系不可能有中性 介子 那样的 量子力学 关联。继贝尔之后,布歌尔(W.Buehel)与 尤金·维格纳 (E.P Wigner)等人对贝尔 不等式 给出了不同的证明,1979年后克劳塞、西蒙尼等人则导出了更为实用的广义不等式。包括 法国 物理学家埃斯帕纳所作的证明和洪定国所介绍的证明在内,贝尔不等式已有了多种证明方法。
学术贡献与立场
贝尔是导波理论的支持者,并在1987年,受吉拉尔迪-里米尼-韦伯理论的启发,提倡了坍缩理论。他对量子力学的解释表示:“嗯,你看,我真的不知道。对我来说,这不是我要出售解决方案的事情!”1964年,在CERN度过一年休假后,他在 斯坦福大学 、 威斯康星大学麦迪逊分校 和 布兰迪斯大学 写了一篇名为《爱因斯坦-波多尔斯基-罗森悖论》的论文。
贝尔认为,不仅是局部隐藏变量,而是任何和所有的局部理论解释都必须与量子理论的预测相冲突:“众所周知,用 戴维·玻姆 的EPR 相关性 的例子,涉及具有 自旋 的粒子,存在不可约的非局域性。”他还批评了 量子力学 标准 形式主义 的物理精度不足,并一直对客观的“无观察者”量子力学感兴趣。1972年进行了一项实验,当推断到理想 探测器 效率时,显示了贝尔不等式的违反。
特殊 相对论 的探索
除了他的粒子物理研究,贝尔经常提出特殊相对论理解的问题。1985年警告说“ 阿尔伯特·爱因斯坦 的方法在教学上在我看来是危险的”。1989年,在洛伦兹-菲兹杰拉德体收缩百年纪念日上,贝尔写道“关于菲兹杰拉德收缩已经写了很多胡言乱语”。贝尔的合作者约翰·拉费尔斯基在2017年的 教科书 《相对论问题》中详细描述了这种情况和贝尔的立场背景。为了消除关于洛伦兹-菲兹杰拉德体收缩的误解,贝尔采用并推广了一个相对论 思想实验 ,这个实验后来被广泛称为贝尔的飞船 悖论 。
荣誉与影响
约翰·斯图尔特·贝尔被选为 伦敦皇家自然知识促进学会 会员,并在1987年当选为 美国艺术与科学院 的外国荣誉成员。他与约翰·布拉德伯里·赛克斯、M·J·基尔斯利和W·H·里德一起翻译了 列夫·达维多维奇·朗道 和 叶夫根尼·利夫希茨 的《 理论物理学教程 》十卷本中的几卷。2008年, 多伦多大学 量子信息与量子控制中心设立了约翰·斯图尔特·贝尔奖,以表彰在量子信息领域的杰出贡献。
在 日内瓦 附近的梅林的CERN网站上,有一条以约翰·斯图尔特·贝尔命名的贝尔路。自2015年以来,在他的出生城市 贝尔法斯特 ,有一条名为贝尔定理新月的街道。以他的名字命名的约翰·贝尔之家于2016年竣工,位于贝尔法斯特市中心,可容纳400多名学生。此外,为了纪念他发布贝尔定理的日期,每年的11月4日被称为“约翰·斯图尔特·贝尔日”。