Paradoks EPR v fiziki

Kako paradoks EPR opisuje kvantno zapletenost

MARK GARLICK/ZNANSTVENA FOTOKNJIŽNICA, Getty Images

Paradoks EPR (ali paradoks Einstein-Podolsky-Rosen) je miselni eksperiment, katerega namen je pokazati inherentni paradoks v zgodnjih formulacijah kvantne teorije. Je med najbolj znanimi primeri kvantna prepletenost . Paradoks vključuje dva delca ki so v skladu s kvantno mehaniko prepleteni drug z drugim. Pod Kopenhagenska interpretacija kvantne mehanike je vsak delec posebej v negotovem stanju, dokler ni izmerjen, na kateri točki stanje tega delca postane gotovo.

V istem trenutku postane gotovo tudi stanje drugega delca. Razlog, da je to razvrščeno kot paradoks, je, da na videz vključuje komunikacijo med dvema delcema na hitrosti večje od svetlobne hitrosti , ki je v konfliktu z Albert Einstein 's teorija relativnosti .

Izvor paradoksa

Paradoks je bil osrednja točka burne razprave med Einsteinom in Niels Bohr . Einstein nikoli ni bil zadovoljen s kvantno mehaniko, ki so jo razvili Bohr in njegovi kolegi (temelji, ironično, na delu, ki ga je začel Einstein). Skupaj s kolegoma Borisom Podolskim in Nathanom Rosenom je Einstein razvil paradoks EPR kot način za prikaz, da teorija ni v skladu z drugimi znanimi zakoni fizike. Takrat ni bilo pravega načina za izvedbo poskusa, zato je bil le miselni eksperiment ali gedankenexperiment.

Nekaj ​​let kasneje je fizik David Bohm primer paradoksa EPR spremenil tako, da so bile stvari nekoliko jasnejše. (Prvotni način, kako je bil paradoks predstavljen, je bil nekoliko zmeden, celo za poklicne fizike.) V bolj priljubljeni Bohmovi formulaciji nestabilen delec s spinom 0 razpade na dva različna delca, delec A in delec B, ki se gibljeta v nasprotnih smereh. Ker je imel začetni delec spin 0, mora biti vsota vrtljajev novih delcev enaka nič. Če ima delec A spin +1/2, mora imeti delec B spin -1/2 (in obratno).

Tudi v skladu s københavnsko interpretacijo kvantne mehanike, dokler ni opravljena meritev, noben delec nima določenega stanja. Oba sta v superpoziciji možnih stanj, z enako verjetnostjo (v tem primeru), da imata pozitiven ali negativen spin.

Pomen paradoksa

Tu sta na delu dve ključni točki, zaradi katerih je to zaskrbljujoče:

1. Kvantna fizika pravi, da do trenutka meritve delci ne imeti a vsekakor količina vrtenja vendar so v superpoziciji možnih stanj.
2. Takoj ko izmerimo vrtenje delca A, zagotovo vemo vrednost, ki jo bomo dobili z merjenjem vrtenja delca B.

Če izmerite delec A, se zdi, da se kvantni vrtljaj delca A 'nastavi' z meritvijo, vendar nekako tudi delec B takoj 've', kakšen vrtljaj naj bi imel. Za Einsteina je bilo to očitno kršenje relativnostne teorije.

Teorija skritih spremenljivk

O drugi točki ni nihče nikoli zares dvomil; polemika je bila v celoti povezana s prvo točko. Bohm in Einstein sta podpirala alternativni pristop, imenovan teorija skritih spremenljivk, ki je predlagala, da je kvantna mehanika nepopolna. S tega vidika je moral obstajati nek vidik kvantne mehanike, ki ni bil takoj očiten, vendar ga je bilo treba dodati v teorijo, da bi razložili to vrsto nelokalnega učinka.

Za primerjavo predpostavite, da imate dve ovojnici, od katerih vsaka vsebuje denar. Povedali so vam, da eden od njih vsebuje bankovec za 5 dolarjev, drugi pa bankovec za 10 dolarjev. Če odprete eno ovojnico in je v njej bankovec za 5 dolarjev, potem zagotovo veste, da je v drugi ovojnici bankovec za 10 dolarjev.

Težava s to analogijo je, da se zdi, da kvantna mehanika zagotovo ne deluje na ta način. Pri denarju je v vsaki kuverti določen bankovec, čeprav se mi nikoli ne zgodi, da bi pogledal vanje.

Negotovost v kvantni mehaniki

Negotovost v kvantni mehaniki ne predstavlja le pomanjkanja našega znanja, temveč temeljno pomanjkanje dokončne resničnosti. Dokler meritev ni opravljena, so po københavnski interpretaciji delci res v superpoziciji vseh možnih stanj (kot v primeru mrtve/žive mačke v Schroedingerjeva mačka miselni eksperiment). Medtem ko bi večina fizikov raje imela vesolje z jasnejšimi pravili, nihče ni mogel natančno ugotoviti, kaj so te skrite spremenljivke ali kako bi jih bilo mogoče vključiti v teorijo na smiseln način.

Bohr in drugi so branili standardno københavnsko interpretacijo kvantne mehanike, ki je bila še naprej podprta z eksperimentalnimi dokazi. Razlaga je, da valovna funkcija, ki opisuje superpozicijo možnih kvantnih stanj, obstaja na vseh točkah hkrati. Vrtenje delca A in vrtenje delca B nista neodvisni količini, ampak sta predstavljena z istim izrazom znotraj kvantna fizika enačbe. V trenutku, ko se opravi meritev na delcu A, se celotno valovno funkcijo propade v eno samo državo. Na ta način ne poteka komunikacija na daljavo.

Bellov izrek

Glavni žebelj v krsto teorije skritih spremenljivk je zabil fizik John Stewart Bell, znan kot Bellov izrek . Razvil je niz neenakosti (imenovanih Bellove neenakosti), ki predstavljajo, kako bi se porazdelile meritve vrtenja delcev A in B, če ne bi bila zapletena. V poskusu za poskusom so Bellove neenakosti kršene, kar pomeni, da se zdi, da do kvantne prepletenosti res pride.

Kljub tem nasprotnim dokazom še vedno obstajajo nekateri zagovorniki teorije skritih spremenljivk, čeprav je to večinoma med amaterskimi fiziki in ne med profesionalci.

UredilAnne Marie Helmenstine, dr.