Paradoks EPR w fizyce

Jak paradoks EPR opisuje splątanie kwantowe?

MARK GARLIC / SCIENCE PHOTO LIBRARY, Getty Images

Paradoks EPR (lub paradoks Einsteina-Podolsky'ego-Rosena) jest eksperymentem myślowym, który ma wykazać nieodłączny paradoks we wczesnych sformułowaniach teorii kwantowej. Jest jednym z najbardziej znanych przykładów splątanie kwantowe . Paradoks polega na: dwie cząstki które są ze sobą splątane zgodnie z mechaniką kwantową. Pod Interpretacja kopenhaska mechaniki kwantowej, każda cząstka jest indywidualnie w niepewnym stanie, dopóki nie zostanie zmierzona, w którym to momencie stan tej cząstki staje się pewny.

W tym samym momencie stan drugiej cząstki również staje się pewny. Powodem, dla którego jest to klasyfikowane jako paradoks, jest to, że pozornie obejmuje komunikację między dwiema cząstkami w prędkości większe niż prędkość światła , który jest konfliktem z Alberta Einsteina 's teoria względności .

Pochodzenie paradoksu

Paradoks był centralnym punktem gorącej debaty między Einsteinem a Niels Bohr . Einstein nigdy nie czuł się komfortowo z mechaniką kwantową rozwijaną przez Bohra i jego współpracowników (opierając się, jak na ironię, na pracach rozpoczętych przez Einsteina). Wraz ze swoimi kolegami Borisem Podolskim i Nathanem Rosenem, Einstein opracował paradoks EPR jako sposób na pokazanie, że teoria jest niezgodna z innymi znanymi prawami fizyki. W tamtym czasie nie było realnego sposobu przeprowadzenia eksperymentu, więc był to tylko eksperyment myślowy lub eksperyment gedanken.

Kilka lat później fizyk David Bohm zmodyfikował przykład paradoksu EPR, aby wszystko było nieco jaśniejsze. (Pierwotny sposób przedstawienia paradoksu był nieco mylący, nawet dla zawodowych fizyków). W bardziej popularnym sformułowaniu Bohma niestabilna cząstka o spinie 0 rozpada się na dwie różne cząstki, cząstkę A i cząstkę B, kierujące się w przeciwnych kierunkach. Ponieważ początkowa cząstka miała spin 0, suma spinów dwóch nowych cząstek musi być równa zeru. Jeśli Cząstka A ma rotację +1/2, to Cząstka B musi mieć rotację -1/2 (i na odwrót).

Ponownie, zgodnie z kopenhaską interpretacją mechaniki kwantowej, dopóki nie zostanie wykonany pomiar, żadna cząstka nie ma określonego stanu. Oba znajdują się w superpozycji możliwych stanów, z równym prawdopodobieństwem (w tym przypadku) posiadania spinu dodatniego lub ujemnego.

Znaczenie paradoksu

Istnieją dwa kluczowe punkty, które sprawiają, że jest to niepokojące:

1. Fizyka kwantowa mówi, że do momentu pomiaru cząstki nie rób mieć zdecydowanie ilość wirowania ale są w superpozycji możliwych stanów.
2. Gdy tylko zmierzymy spin Cząstki A, wiemy na pewno, jaką wartość uzyskamy mierząc spin Cząstki B.

Jeśli mierzysz Cząstkę A, wydaje się, że spin kwantowy Cząstki A zostaje „ustalony” przez pomiar, ale w jakiś sposób Cząstka B również natychmiast „wie”, jaki spin ma przyjąć. Dla Einsteina było to wyraźne pogwałcenie teorii względności.

Teoria ukrytych zmiennych

Nikt tak naprawdę nie kwestionował drugiego punktu; kontrowersje dotyczyły wyłącznie pierwszego punktu. Bohm i Einstein poparli alternatywne podejście zwane teorią ukrytych zmiennych, które sugerowało, że mechanika kwantowa jest niekompletna. Z tego punktu widzenia musiał istnieć pewien aspekt mechaniki kwantowej, który nie był od razu oczywisty, ale który należało dodać do teorii, aby wyjaśnić tego rodzaju nielokalne efekty.

Jako analogię rozważ, że masz dwie koperty, z których każda zawiera pieniądze. Powiedziano ci, że jeden z nich zawiera banknot 5 USD, a drugi 10 USD. Jeśli otworzysz jedną kopertę, która zawiera banknot 5 USD, to wiesz na pewno, że druga koperta zawiera banknot 10 USD.

Problem z tą analogią polega na tym, że mechanika kwantowa zdecydowanie nie działa w ten sposób. W przypadku pieniędzy w każdej kopercie znajduje się konkretny banknot, nawet jeśli nigdy nie zajrzę do nich.

Niepewność w mechanice kwantowej

Niepewność w mechanice kwantowej to nie tylko brak naszej wiedzy, ale fundamentalny brak określonej rzeczywistości. Dopóki pomiar nie zostanie wykonany, zgodnie z interpretacją kopenhaską, cząstki są tak naprawdę w superpozycji wszystkich możliwych stanów (tak jak w przypadku martwego/żywego kota w Kot Schroedingera eksperyment myślowy). Podczas gdy większość fizyków wolałaby mieć wszechświat z jaśniejszymi regułami, nikt nie potrafił dokładnie określić, czym są te ukryte zmienne ani jak można je w znaczący sposób włączyć do teorii.

Bohr i inni bronili standardowej interpretacji kopenhaskiej mechaniki kwantowej, która nadal była poparta dowodami eksperymentalnymi. Wyjaśnienie jest takie, że funkcja falowa, która opisuje superpozycję możliwych stanów kwantowych, istnieje we wszystkich punktach jednocześnie. Spin cząstki A i spin cząstki B nie są wielkościami niezależnymi, ale są reprezentowane przez ten sam termin w obrębie Fizyka kwantowa równania. W momencie wykonania pomiaru na Cząstce A, cała funkcja fali zapada się w jeden stan. W ten sposób nie ma komunikacji na odległość.

Twierdzenie Bella

Główny gwóźdź do trumny teorii ukrytych zmiennych pochodzi od fizyka Johna Stewarta Bella, znanego jako Twierdzenie Bella . Opracował szereg nierówności (zwanych nierównościami Bella), które reprezentują sposób, w jaki pomiary spinu Cząstki A i Cząstki B rozkładałyby się, gdyby nie były splątane. Eksperyment po eksperymencie, nierówności Bella są naruszane, co oznacza, że ​​wydaje się, że ma miejsce splątanie kwantowe.

Pomimo tych dowodów przeciwnych, wciąż istnieją zwolennicy teorii ukrytych zmiennych, chociaż jest to raczej wśród fizyków amatorów niż profesjonalistów.

Edytowany przezdr Anne Marie Helmenstine