Gebruikersavatar
jazzer
Artikelen: 0
Berichten: 65
Lid geworden op: ma 03 mei 2004, 22:42

Ongelijkheid van Bell voor fotonen

N.a.v. een eerdere discussie over vrije wil kwam het theorema van John Bell in beeld omdat dat zou kunnen bewijzen dat niet alles gedetermineerd is.
Het betreft ongelijkheden die zouden moeten gelden indien verstrengelde kwanta (zoals fotonenparen) verborgen variabelen bezitten die het resultaat van metingen bepalen. Zulke experimenten werden o.a. verricht door Alain Aspect en die zouden aantonen dat er iets bijzonders aan de hand is (hetgeen Einstein "spooky action" noemde) omdat bepaalde ongelijkheden van Bell worden geschonden.

Ik lees vooral populariserende wetenschapsboeken die soms voornoemde theorie en experimenten trachten te verduidelijken doch heb tot nu toe nog geen enkel overtuigend artikel gevonden.
Behalve een inmiddels van de website van de Radboud universiteit verwijderd werkstuk van Klaas Landsman (nadat ik die professor enkele vragen daarover had gesteld) vond ik https://nl.wikipedia.org/wiki/Stelling_van_Bell
Omdat dat artikel nog steeds voor iedereen beschikbaar is, stel ik voor dat te bediscussiëren.

(bij gebrek aan hoofdletters met een streepje bovenop gebruik ik een ' achter de betreffende letter)
De ongelijkheid van Bell wordt dan |AB'| + |BC'| >= |AC'|
Concreet betekent het dat het linker polarisatiefilter een foton doorliet terwijl het andere foton werd geabsorbeerd door het rechter filter.
Zo geformuleerd betreft het metingen, maar in de ongelijkheid betreft het kansen.

Volgens mij is de ongelijkheid van Bell zo triviaal dat de experimenten niets bewijzen.
Om te beginnen maakt men in het theoretisch "bewijs" https://nl.wikipedia.org/wiki/Stelling_ ... d_van_Bell
van een gemeten duo verstrengelde fotonen (eerste kolom in de tabel hieronder) twee hypothetische trios (ABC in volgende kolommen zonder [indien +] of met [indien -] een ').
De trios zijn onlosmakelijk verbonden met een meting en moeten m.i. zo behandeld worden. Nochtans haalt men ze uiteen om uit de onderdelen ervan een nieuw trio te vormen.
Map1
De zo samengestelde "meting" heeft niets te maken met de echte metingen omdat het andere verborgen variabelen heeft.
Dat wordt trouwens op Wikipedia bevestigd in "... dat ieder paar andere waarden meekrijgt voor zijn verborgen variabelen".
Bovendien is de oriëntatie van de filters verschillend : de hoek bij |AB'| en bij |BC'| is 22,5° terwijl de hoek bij |AC'| 45° is!
Hoe rechtvaardig je dan |AC'| = |ABC'| + |AB'C'| en de ongelijkheid die eruit volgt?
Gebruikersavatar
Xilvo
Moderator
Artikelen: 0
Berichten: 10.737
Lid geworden op: vr 30 mar 2018, 16:51

Re: Ongelijkheid van Bell voor fotonen

jazzer schreef: di 26 nov 2024, 16:43 (bij gebrek aan hoofdletters met een streepje bovenop gebruik ik een ' achter de betreffende letter)
De ongelijkheid van Bell wordt dan |AB'| + |BC'| >= |AC'|
Met LaTex kan dat wel:
\(|A \overline B|+|B \overline C|\ge|A \overline C|\)
(Klik rechts op de formule om de LaTex code te zien)
jazzer schreef: di 26 nov 2024, 16:43 Concreet betekent het dat het linker polarisatiefilter een foton doorliet terwijl het andere foton werd geabsorbeerd door het rechter filter.
Zo geformuleerd betreft het metingen, maar in de ongelijkheid betreft het kansen.
Die kansen kan je toch meten?
jazzer schreef: di 26 nov 2024, 16:43 Volgens mij is de ongelijkheid van Bell zo triviaal dat de experimenten niets bewijzen.
Het punt is juist dat die triviale ongelijkheid geschonden wordt - wat je elders ook schrijft.

Het is me niet duidelijk wat jouw probleem met de ongelijkheid van Bell is.
Gebruikersavatar
jazzer
Artikelen: 0
Berichten: 65
Lid geworden op: ma 03 mei 2004, 22:42

Re: Ongelijkheid van Bell voor fotonen

Xilvo schreef: di 26 nov 2024, 18:40 Die kansen kan je toch meten?
Ja, maar de metingen kloppen altijd omdat de ongelijkheid niets bewijst.
Je zou net zo goed experimenteel kunnen controleren of je met 2 dobbelstenen nooit een aantal ogen gooit dat groter is dan 12.
Xilvo schreef: di 26 nov 2024, 18:40
jazzer schreef: di 26 nov 2024, 16:43 Volgens mij is de ongelijkheid van Bell zo triviaal dat de experimenten niets bewijzen.
Het punt is juist dat die triviale ongelijkheid geschonden wordt - wat je elders ook schrijft.
Het is me niet duidelijk wat jouw probleem met de ongelijkheid van Bell is.
Als je analyseert waarvoor de termen in de ongelijkheid staan, namelijk
(A<>C)=(p++- ^ p+-- ^ p-++ ^ p--+)
(A<>B)=(p+-+ ^ p+-- ^ p-++ ^ p-+-)
(B<>C)=(p++- ^ p+-+ ^ p-+- ^ p--+)
resteren na schrapping van dezelfde termen links en rechts in
P(A<>C) <= P(A<>B) + P(B<>C)
0 <= 2 p+-+ ^ 2 p-+-
hetgeen mij nogal evident lijkt en zeker niet door enig experiment wordt geschonden.
Gebruikersavatar
Xilvo
Moderator
Artikelen: 0
Berichten: 10.737
Lid geworden op: vr 30 mar 2018, 16:51

Re: Ongelijkheid van Bell voor fotonen

jazzer schreef: di 26 nov 2024, 19:42
Xilvo schreef: di 26 nov 2024, 18:40 Die kansen kan je toch meten?
Ja, maar de metingen kloppen altijd omdat de ongelijkheid niets bewijst.
Je zou net zo goed experimenteel kunnen controleren of je met 2 dobbelstenen nooit een aantal ogen gooit dat groter is dan 12.
Als die ongelijkheid strijdig is met wat je meet, dan heb je zeker iets aangetoond.
Je kunt ook controleren door vaak met twee dobbelstenen te gooien dat de kans dat je 12 gooit kleiner is dan 0,05 , bijvoorbeeld.
jazzer schreef: di 26 nov 2024, 19:42 Als je analyseert waarvoor de termen in de ongelijkheid staan, namelijk
(A<>C)=(p++- ^ p+-- ^ p-++ ^ p--+)
(A<>B)=(p+-+ ^ p+-- ^ p-++ ^ p-+-)
(B<>C)=(p++- ^ p+-+ ^ p-+- ^ p--+)
resteren na schrapping van dezelfde termen links en rechts in
P(A<>C) <= P(A<>B) + P(B<>C)
0 <= 2 p+-+ ^ 2 p-+-
hetgeen mij nogal evident lijkt en zeker niet door enig experiment wordt geschonden.
Ik snap niet wat je hier doet. Wat betekenen die plusjes en minnetjes, bijvoorbeeld?
flappelap
Artikelen: 0
Berichten: 1.358
Lid geworden op: za 30 dec 2017, 10:49

Re: Ongelijkheid van Bell voor fotonen

Ik snap denk ik de verwarring. Volgens mij verwijs je naar dit artikel van Landsman:

http://www.fi.uu.nl/wiskrant/artikelen/ ... ndsman.pdf

Het punt is het volgende. Als de uitkomsten van tevoren vastliggen, dan kun je als het ware "afspraken" over de uitkomsten maken. De uitkomsten liggen dan vast, die je in een lijst kunt noteren. De bijbehorende correlaties van die lijst voldoen aan de ongelijkheid die jij hier uitwerkt. En ja, dat lijkt nogal triviaal, maar dat is het niet. Want in de kwantummechanica worden deze relaties namelijk geschonden bij bepaalde standen van de polarisatiefilters in een EPR-experiment. Landsman gebruikt hier de uitslag van een enquete, maar voor een boek dat ik nu schrijf gebruik ik de volgende analogie, die de clou voor mij i.i.g. duidelijker maakt.

Lucy en Ricardo claimen een bijzondere gave te hebben. In twee afgesloten kamers krijgen Lucy en Ricardo namelijk allebei een kaartje met daarop een 1, 2 of 3. Hun taak is simpel: ze moeten bij elk kaartje de kleur ‘Rood’ (R) of ‘Groen’ (G) noemen. Omdat ze in afgesloten kamers zitten kunnen ze niet fysiek met elkaar communiceren. Vervolgens herhalen ze dit experiment in heel veel rondes, worden hun gekregen getallen en de kleuren die ze daarbij noemen van elke ronde naast elkaar gelegd en vergeleken, en de correlatie tussen hun antwoorden onderzocht. Een uitkomst van een ronde zou bijvoorbeeld ’31 GR’ kunnen zijn. Het eerste getal en de eerste letter hierin geeft Lucy haar situatie weer: ze kreeg een kaartje met nummer 3 en gaf de kleur groen op. Ricardo kreeg nummer 1 en gaf als kleur rood. Nog een voorbeeld: ’22 RR’. Lucy kreeg hierbij nummer 2 en gaf als kleur rood op, en Ricardo ook. Een laatste voorbeeld: ’23 GG’. Lucy kreeg nu nummer 2 en gaf als kleur groen, en Ricardo kreeg nummer 3 en gaf ook als kleur groen. Er zijn in totaal drie maal drie is negen verschillende combinaties van getallen in deze uitkomsten (namelijk 11, 12, 13, 21, 22, 23, 31, 32, 33), en twee maal twee is vier verschillende kleurcombinaties (RR, RG, GR, GG). De volgorde van de cijfers en kleuren is hier natuurlijk belangrijk, want deze geven aan of ze bij Lucy (eerste getal en kleur) of Ricardo (twee getal en kleur) horen.

De uitkomsten van de experimenten voldoen nu aan de volgende cruciale (!) eigenschappen:

(1) Elke keer als ze dezelfde getallen krijgen (11,22 of 33), dan geven ze altijd dezelfde kleuren op! In 50% van die drie gevallen zeggen ze beide ‘groen’ (GG), en in 50% van die drie gevallen geven ze beide ‘rood’ (RR) op.

(2) Als ze verschillende getallen krijgen (12, 13, 21, 23, 31, 32), dan geven ze in 25% van deze zes gevallen dezelfde kleur (RR of GG, elk even vaak). In de resterende 75% geven ze verschillende kleuren op (RG of GR, ook even vaak).

De hamvraag: kun je deze uitkomsten verklaren door te postuleren dat Ricardo en Lucy van tevoren afspraken hebben gemaakt? De eerste ronde zouden ze bijvoorbeeld kunnen afspreken dat ze bij een 1 'Rood' zeggen, bij een 2 ook, en bij een 3 'Groen', wat ik noteer als

123
RRG

De tweede ronde zou er uit kunnen zien als

123
GGR

enz. Deze afspraken kunnen niet lukraak zijn; ze moeten de statistieken van de beide eigenschappen hierboven reproduceren. Zo komen de kleurcombinaties RR, GR, RG en GG alle vier in 25% van de gevallen voor. Ze kunnen dus niet afspreken om bijvoorbeeld bij elke ronde allebei domweg 'Rood' te noemen, wat natuurlijk ook erg flauw zou zijn.

Je zult nu zien dat als je deze afspraken in een lijst zet, waarbij deze lijst aan de statistieken hierboven moet voldoen, je altijd inconsistenties krijgt. Met afspraken maken kun je dus niet beide eigenschappen van de resultaten reproduceren. Kortom: je kunt bovenstaande eigenschappen niet verklaren door te stellen dat ze gewoon per ronde afspreken welke kleur ze bij welk getal noemen.

Ik kan het argument hier voor je neerzetten, maar ik denk dat het veel instructiever is om het zelf uit te vogelen. Neem daarbij als volgorde van de getallen 123. Daarvoor kun je kijken naar wat de resultaten zijn als de afgesproken kleuren RRG, RGR, GGR, GRR, GRG en RGG zijn (dus RRG betekent weer bij een 1 'Rood' zeggen, bij een 2 ook, en bij een 3 'Groen', etc.), en als de kleuren RRR of GGG zijn. Als het goed is zie je dan dat ze in minstens (!) een derde van de gevallen oftewel 33% dezelfde kleur moeten opgeven volgens hun afspraken. Dit is in tegenspraak met eigenschap (2), “Als ze verschillende getallen krijgen (12, 13, 21, 23, 31, 32), dan geven ze in 25% van de gevallen dezelfde kleur”.

De lijst met afspraken die ze maken zijn dan de "verborgen variabelen", en de uitkomsten van hun resultaten zijn daadwerkelijk gemeten uitkomsten in EPR-experimenten bij bepaalde standen van de filters, die bovendien door de kwantummechanica worden voorspeld. De verborgen variabelen leggen domweg teveel restricties op de mogelijke correlaties zodat Bells ongelijkheid geldt. Maar die ongelijkheid wordt geschonden.
flappelap
Artikelen: 0
Berichten: 1.358
Lid geworden op: za 30 dec 2017, 10:49

Re: Ongelijkheid van Bell voor fotonen

Om nog je punt te bespreken dat het zo triviaal is: de lijst die Landsman geeft voldoet aan de ongelijkheid

\(P(A \neq C) \leq P(A \neq B) + P(B \neq C)\)

wat hij op een soortgelijke manier aantoont als jij: gewoon alle mogelijkheden nagaan (wat hij A, B en C noemt is in mijn analogie 1, 2 en 3). Maar de kwantummechanica geeft voor de correlatie

\(P(X \neq Y) = \sin^2{(X-Y)}\)

waarbij X en Y voor de hoeken A, B en C kunnen staan (de drie verschillende standen van de filters). Als je bijvoorbeeld A = 0, B = 3x en C = x kiest voor een bepaalde x, dan moet er voor verborgen variabelen blijkbaar gelden dat

\(sin^2{(x)} \leq sin^2{(3x)} + sin^2{(2x)}\)

oftewel

\(0 \leq sin^2{(3x)} + sin^2{(2x)} - sin^2{(x)}\)

Je ziet dat als x tussen ca 1,05 rad en ca 1,52 ligt, of tussen ca 1,62 rad en ca 2,09 rad, de ongelijkheid wordt geschonden. Je kunt dus in dit geval geen kansen toedichten aan de uitkomsten die voldoen aan jouw "triviale ongelijkheid".
Gebruikersavatar
jazzer
Artikelen: 0
Berichten: 65
Lid geworden op: ma 03 mei 2004, 22:42

Re: Ongelijkheid van Bell voor fotonen

Bedankt Xilvo en flappelap voor de reacties en de verwijzing naar een ander artikel van prof Landsman dan dat waarnaar ik even verwees. Zodra ik wat meer tijd heb bestudeer ik alles en hoop dan overtuigd te zijn van de bewijskracht van de ongelijkheid van Bell.

Terug naar “Kwantummechanica en vastestoffysica”