yinzhangqi
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John Bell和影响最深远的科学发现
http://physicsweb.org/articles/world/11/12/8/1
John Bell 是当代量子力学的代表人物。由于他的贡献，量子力学许多基础性的概念才能够得到实验验证。我从PhysicsWeb上面看到他的一篇传记，于是把主要内容模糊翻译过来，记录如下。
早年生活
John Stewart Bell 于1928年出生于 Belfast。他的家族已经在爱尔兰北部居住了数代。他的 “Middle name” 来自他母亲家族的姓氏。他有一个姐姐和两个弟弟。
John 最初进入学校学习时就表现得特别有天分。他贪婪的阅读 Belfast 当地公共图书馆的书籍。由于他对知识的渴求和广泛的掌握，他被视为他们家中的“教授”。在他11岁时，他就告诉母亲以后要做一个科学家。
尽管 John 在资格考试中表现优异，可是他的家庭还是负担不起他去更有名望的学校读书的费用。家里的钱只够他在Belfast技术高中读上4年。他很喜欢这个实践课程，实践课程与他进入大学后的理论知识结合后，对他是很有益处的。
1944年，作为学生进入当地的 “Queen’s” 大学还太小，于是 Bell 进入了物理系教学实验室当一名技术工。系里的教授借给他书籍，并允许他旁听一年级的课程。1945年，他终于成为了大学生进入大学。1948年，由于表现出众，他在以实验物理专业一等奖的荣誉毕业。Bell 对理论很有兴趣，于是一年后他以数学物理专业第一名的成绩再次毕业了。他的指导老师是Peter Paul Ewald，著名的X光晶体学创立者，由于纳粹的迫害于1939年来到Belfast。
Bell 不大喜欢 Queen’s 大学的量子理论课程。这里的课程对于应用量子理论研究原子是很不错，但是 Bell 是想更多了解这个理论哲学上的意义。在这上面他与 Sloane 发生了激烈的冲突。Sloane 很重视 Heisenberg 原理，并且使它显得更为主观，在当时这是流行的观点。
回过头来看，Sloane不必为没有象 Bell 那样对待量子理论的而惭愧，在那以后的40年，有许多人都将如此。
工作：粒子与加速器
1949年毕业后，Bell加入了位于Harwell的英国原子能研究院（AERE），很快他又转入位于Malvern的加速器设计组。这段时间一个重要的事件就是他遇到了他后来的妻子，Mary Ross，她也加入了加速器设计组。他们1954年结婚。
直到1953年，Bell的工作包括对带电粒子通过加速器的路径建立模型。这项工作需要利用物理定律，在做足够的近似同时，保留住主要的物理本质，以便问题能够解决。这个时候正是“强聚束”发现的时代。轴向和放射状的聚束被分别用于束加速，导致了下一代的回旋加速器的出现。Bell的数值计算预示了强聚束原理。1952年这个原理建立后，他就成为专家以及CERN质子回旋加速器设计部门的顾问。
1951年加速器设计组从Malvern搬到 Harwell。同年Bell获得了离开去与伯明翰大学Rudolf Peierls教授共同工作一年的许可。在伯明翰，Bell发现了量子场论的CPT定理。所谓CPT定理就是说电荷共轭，镜像对称时间反演这三个的联合变换是一个对称的变换，使得体系保持不变。可惜与此同时，Gerhard Luders和Wolfgang Pauli也完成了类似的工作并获得了所有的荣誉，所以这个定理也称为Luders－Pauli定理。尽管如此，Bell也获得了尊敬。当他1954年回到Harwell时，他加入了基本粒子物理组，于1956年获得哲学博士学位。由于此后Harwell开始远离基础工作，Bell夫妇移居CERN，他们在那里度过了剩下的职业生涯。
1955到1984年间，Bell在高能物理的一般领域和场论中发表了大约80篇论文，包括核物理和多体物理，有些是实验分析，大部分是理论问题。
到了上世纪八十年代，Bell又回到了加速器设计领域，与他妻子合写了关于电子冷却，辐射阻尼，和量子轫致辐射方面的论文。
量子背景知识
Bell对待他的工作加速器和粒子物理全力以赴，另一方面，量子理论是他的兴趣，他完全被量子理论迷住了。正是它使得Bell名扬四海。
自从学生时代起Bell就被这个理论以及它的含义给迷住了。1920至1930年代，爱因斯坦和玻尔对这做了许多争论。最著名的例子就是海森堡不确定原理：如果一个粒子有确定的坐标，那么它就不可能有确定的动量。类似的，自旋-1/2的粒子如果在z方向有确定的自旋值Sz，那么x，y方向就没有值了。这个描述比粒子有这个值但是我们不知道的描述要强很多。物理学家称这个性质为真实的缺乏。
此外测量在量子理论中也有很特殊的角色。如果我们对Sz的x方向进行测量，我们肯定能够得到一个精确的结果。而这精确的结果有两个可能：+ hw/2和-hw/2。这两个值被称为本征值，相应的对应的状态被称为本征态。一般的态就是这两个本征态的线性叠加态：y = c+a+ + c-a-。其中c+与c-是复常数，它们满足恒等式：c+2 + c-2 = 1。
测量最一般的说法是冯.诺伊曼塌缩假定。也就是说，如果一次测量得到+hw/2，那么态矢那个时刻就塌缩到相应的本征态a+，接着对同一个量进行的测量还会得到+hw/2。这个解释很实用，但是与薛定谔方程完全不同。可是既然测量是一个常规的物理过程，它应该满足薛定谔方程。不仅如此，对爱因斯坦来说，塌缩假定对物理学是一个从现实致命的退却。在没有观测者时，许多物理量根本没有值。也就是说观测者与被观察的物理对象密不可分。这暗示根本没有独立与观测者以外的真实世界存在。
隐变量登场
一个最明显的恢复实在论和决定论的方法是在波函数中加入隐变量，使得系统获得完备的描述。玻尔和海森堡认为没有必要在量子理论中加入隐变量。当1932年冯.诺伊曼宣布证明了隐变量的量子理论是不可能时，他们很高兴。在以后30多年中这都被当做是公论。
1920年代，玻尔给出了测量理论概念上的解释。玻尔的出发点是测量必须用经典描述。也就是每个实验都有经典区域，使得物理学家能够设置仪器，指示器等。由于还有量子区域，在两个区域间必须有一个截断。这个截断点将是不确定的。截断点的任意性暗示了整体性。被测物和测量仪器不能被认为是相互独立的。它们不可避免的相互联系。测量是包括在整个实验中的一个物理步骤。所以说， sz和sx不可能简单的结合在一起，因为需要完全不同的仪器设置来测量这两个量。
这导出了玻尔的互补原理的框架，物理量的特定取值只能在测量这个物理量的仪器的情况下讨论。互补性原理实质上禁止讨论导致概念问题的特定条件，它解释的某些东西实际上是另外一个问题。
不管如何玻尔的解释是自恰的，很快就被当做是“正统”。但它也与某些科学上最珍视的信念，比如实在论，相互抵触。众所周知，爱因斯坦与玻尔间就他感觉的量子理论的缺陷展开过长期的争论。爱因斯坦唯一集中要害的批评是1935年公布的EPR理想实验。
EPR等人认为尽管有局域性破坏，在从这点到那点的信息瞬时传输形式中，或者量子理论的正统描述的形式是不完备的。在波函数之上有现实的元素支配着。玻尔强烈的反对他们。他的回应是扩展他的整体性定义。EPR自旋对的自旋虽然空间上远离，但仍旧可以看做是一个系统。科学界几乎毫无异议的站在玻尔一边。
John Bell登场
当Bell上个世纪四十年代末期对这个事件感兴趣时，他对爱因斯坦－玻尔辩论的态度是很明确的。几年后他向Jeremy Bernstein解释说：“我认为爱因斯坦的才智在这个方面远远超过玻尔。”Bell后来证明在这个问题上爱因斯坦是错误的，这正于他的的愿望相反。
Bell认为引入决定论的隐变量理论是很自然的。有三个原因，一是排除了在测量中的量子和经典区域截断的需要。二是重建实在论。他的第三个动机与 EPR 有着联系。Bell认为爱因斯坦呼吁建立完备的量子理论就是呼吁建立一个隐变量理论。Bell可能误解了爱因斯坦，他希望建立一个更重大的理论，就像他的广义相对论那样，可以解决量子理论中的所有问题。Bell大部分工作来自对隐变量的尝试。
Bell把他自己描述为爱因斯坦的继承者。而对玻尔，Bell把他看做两个分离的人。Bell非常赞同他主张测量仪器本质上是经典的，以及他对一个独立测量的整体性观念。不仅如此，玻尔不把测量过程当做仅仅是发现事先存在的性质的思想是Bell最重要的工作的主要组成部分。但是Bell反对他所认为的缺乏条理的互补性原理。他觉得玻尔给EPR问题的答案是语无伦次的。
当学生时代读到冯.诺伊曼对隐变量理论不可能的证明时，他对隐变量理论的热情被激起了。1952年，Bell看到“不可能”实现了。大卫.玻姆成功的在标准量子理论中加入隐变量，获得了完全决定论的理论。
Bell迷惑了，很长时间他仅仅只是德布罗意－玻姆理论的支持者。1963年，Bell达到了他“白天”职业粒子物理工作的顶峰，获得了在加州斯坦福线性加速器工作一年的机会。在那里，他有时间和空间来思考。
John Bell 和量子理论
最终Bell能够拿出相当比例的时间来研究这个令他感兴趣多时的问题。他依据玻姆的理论从冯.诺伊曼的工作切入。玻姆的理论很复杂，Bell创建了他自己的模型，这是一个相当简单的模型，只涵盖了1/2自旋的各个分量的取值。不过问题就在于太简单而没有用。
Bell然后将注意力转移到冯.诺伊曼。其实玻姆和他自己的理论都推翻了诺伊曼公理的证明。让我们讨论对某个自旋的sx和sy的测量。下面这个说法是错误的：如果我们测量sx + sy，会得到两个自旋分量值之和。Bell对整体性的意见告诉我们这三次测量需要不同的仪器设置，所以我们无法将结果简单的相加。
尽管如此，如果我们计算sx + sy的期望值，也就是把sx + sy对系统所有可能状态下的取值求和，我们发现它正好等于sx和sy各自期望值之和。冯.诺伊曼用这一公理来证明它的理论。但是这个公理没有被证明，当它不成立时，冯.诺伊曼的理论就崩溃了。于是Bell就可以打破30年来研究量子理论基础的僵局。在同一篇论文中，Bell也解决了其他“不可能”的理论。
在同一篇论文中，Bell讨论了另外两个不为人知的隐变量理论的性质。第一个是脉络性。这个性质告诉我们，除了尝试情形外，任何隐变量理论都要求，测量某个可观测量的结果依赖与其它与之可以同时测量的量。所有Bell检查过的隐变量理论，包括玻姆的，都有一个不好的性质，那就是不论距离多远，一个粒子的性质取决于其它所有的粒子。在EPR情况下，最一个粒子的测量结果依赖于对另一个粒子的测量。正如Bell所言，这是爱因斯坦最不喜欢的解决EPR问题的方案。在这个意义上可以说Bell证明爱因斯坦是错的。
提出非局域性是一回事；Bell希望能够给出一个严格的证明。他做到了，并于1964年在量子领域发表了他的第二篇重要的论文。Bell从局域性开始，接着是EPR，讨论了决定论的隐变量理论的存在。Bell计算出当实验取向保持一个方向和发生变化时所发生的事。他发现，当隐变量只在局域起作用时，量子理论和隐变量理论是不同的。
正如后来Bell及其他人说明的那样，局域实在理论（比如隐变量理论）满足一个所谓的Bell不等式。另一方面，量子理论不遵守这个不等式。通过这个方式Bell开启了实验的可能，通过实验研究一般认为是哲学的议题。这些实验不仅促进了对量子理论最深入和影响最深远的研究，也给宇宙的基本性质提供了信息。加州Lawrence Berkeley国家实验室的Henry Stapp把Bell在量子理论上的工作称作“科学中意义最深远的发现”。Bell在这个领域的工作也对正在快速发展的量子信息起着主要的推动作用。
不等式之后
过去30年间出现大量的Bell不等式实验，其中最著名的是Alain Aspect同合作者完成的。在这个实验里，一对光子由一个原子的激发态级联辐射出来，沿着不同的方向测量它们。在最近的实验中，用到了由非线性光学晶体中辐射出来的纠缠光子。这些实验中光子的极化方向就扮演了EPR设置中自旋的角色。
可是，由于探测器的效率低，需要做出额外的假设来检测Bell不等式。如果做了这些假设的话，那么局域实在论就要被排除在外，且与量子理论完美的契合。现在大部分物理学家认为量子理论是正确的，局域实在需要被忽略。
但是其他被视作实在主义者的物理学家强烈反对。他们置疑附加的假设，坚持探测漏洞必须严肃对待。粒子比光子容易被探测，有可能通过测量k介子来堵住探测漏洞。
Bell自己担心，依据狭义相对论，Aspect的实验中展示出的非局域（超光速）影响有可能牵涉到在另一个等价的惯性参照系中时间上的逆向传播。在另一个参照系中时间上的逆向传播被视为“不真实的”或者说“显然的”而不予考虑。Bell期待一个更好的理论，并坚持认为现在的量子理论仅仅是一个权宜之计。
1980年代Bell在量子理论上的工作集中在对正统量子测量理论的批评和修正上。在1987年薛定谔会议上，他极力支持 Ghirardi，Rimini 和 Weber (GRW)理论。这个理论中波函数塌缩不是随机的和人为的设置，而是代表着正统薛定谔方程中的非线性修正项。宏观尺度系统的塌缩速度非常快，速度随着尺度的减小而减小，原子尺度的塌缩可以忽略。
1990年，在一篇发表在物理世界上的，名为“反对测量”的旗帜鲜明的文章中，Bell严厉的批判了冯.诺伊曼塌缩过程，以及把“测量”当做“基本项”的想法。他再次的鼓吹玻姆和GRW理论。
其人
John Bell被所有认识他的人尊为完全正直和非常慷慨的人。他为人谦虚，不拿腔作势，带有令人高兴的淘气式幽默感。这最明显的表现为他的“Berltmann 的袜子”论文。在这篇论文中EPR问题被比为他最亲近的合作者之一Berltmann不匹配的袜子。Bell与其夫人都是长期的素食主义者。在他的薛定谔猫版本中，猫被分为饥饿与不饿的，而不是死与活两种。
1972年Bell成为皇家学会的会士。直到他的实验成就为人所知后，他才获得了许多奖励。他被提名为诺贝尔奖候选人，如果他活的长一些，他有可能得奖。可悲的是1990年十月一日他在吸烟后突然死亡。让人告慰的是在去世前八年他逐渐被承认，如今毫无疑问的，他是最杰出的科学家之一。
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| 发表时间：2005-09-15, 20:20:15 |
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Re: John Bell和影响最深远的科学发现
Bell是一个传奇式的人物
Bell不等式的出现让量子力学的争论从空谈走向实验
| 发表时间：2005-09-19, 04:02:25 |
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sage
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Re: John Bell和影响最深远的科学发现
Bell是一个传奇式的人物
Bell不等式的出现让量子力学的争论从空谈走向实验
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he is definitely on of my favorites.
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| 发表时间：2005-10-04, 22:36:21 |
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