Paradoks EPR w fizyce

Paradoks EPR (lub paradoks Einsteina-Podolskiego-Rosen) jest eksperymentem myślowym mającym na celu wykazanie nieodłącznego paradoksu we wczesnych formułach teorii kwantowej. Jest to jeden z najbardziej znanych przykładów splątanie kwantowe. Paradoks obejmuje dwie cząstki splecione ze sobą zgodnie z mechaniką kwantową. Pod Interpretacja kopenhaska w mechanice 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 cząsteczki również staje się pewny. Powodem, dla którego klasyfikuje się to jako paradoks, jest to, że pozornie obejmuje komunikację między dwiema cząsteczkami prędkości większe niż prędkość światła, co jest konfliktem z Albert Einstein„s teoria względności.

Paradoks był punktem centralnym ożywionej debaty między Einsteinem a Niels Bohr. Einstein nigdy nie czuł się swobodnie z mechaniką kwantową rozwijaną przez Bohra i jego współpracowników (na ironię, na podstawie pracy rozpoczętej przez Einsteina). Wraz ze swoimi kolegami Borisem Podolskim i Nathanem Rosenem Einstein opracował paradoks EPR jako sposób wykazania, że ​​teoria była 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 trochę jaśniejsze. (Oryginalny sposób przedstawienia paradoksu był nieco mylący, nawet dla zawodowych fizyków.) W bardziej popularnym Bohm preparat, niestabilna cząstka spin 0 rozpada się na dwie różne cząstki, Cząstkę A i Cząstkę B, idąc w przeciwnym kierunku kierunki. Ponieważ początkowa cząstka miała spin 0, suma dwóch nowych spinów cząstek musi wynosić zero. Jeśli Cząstka A ma spin +1/2, to Cząstka B musi mieć spin -1/2 (i odwrotnie).

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 jednakowym prawdopodobieństwem (w tym przypadku) posiadania spinu dodatniego lub ujemnego.

Są tu dwa kluczowe punkty, które sprawiają, że to niepokojące:

1. Fizyka kwantowa mówi, że do momentu pomiaru cząstki nie rób mieć określony spin kwantowy ale są w superpozycji możliwych stanów.
2. Gdy tylko zmierzymy spin cząstki A, wiemy na pewno, jaką wartość uzyskamy z pomiaru spinu cząsteczki B.

Jeśli mierzysz cząstkę A, wydaje się, że spin kwantowy cząsteczki A jest „ustawiany” przez pomiar, ale w jakiś sposób cząsteczka B natychmiast „wie”, jaki spin ma przybierać. Dla Einsteina było to wyraźne naruszenie teorii względności.

Nikt tak naprawdę nigdy nie kwestionował drugiej kwestii; kontrowersje dotyczyły całkowicie pierwszego punktu. Bohm i Einstein poparli alternatywne podejście zwane teorią zmiennych ukrytych, które sugerowało, że mechanika kwantowa była niepełna. Z tego punktu widzenia musiał istnieć pewien aspekt mechaniki kwantowej, który nie był od razu oczywisty, ale który musiał zostać dodany do teorii w celu wyjaśnienia tego rodzaju efektu nielokalnego.

Analogicznie weź pod uwagę, że masz dwie koperty, z których każda zawiera pieniądze. Powiedziano Ci, że jeden z nich zawiera 5 USD, a drugi 10 USD. Jeśli otworzysz jedną kopertę, która zawiera 5 USD, to na pewno wiesz, że druga koperta zawiera 10 USD.

Problem z tą analogią polega na tym, że mechanika kwantowa zdecydowanie nie działa w ten sposób. W przypadku pieniędzy każda koperta zawiera konkretny rachunek, nawet jeśli nigdy nie przejdę do ich zaglądania.

Niepewność w mechanice kwantowej oznacza nie tylko brak naszej wiedzy, ale podstawowy brak konkretnej rzeczywistości. Do czasu wykonania pomiaru, zgodnie z interpretacją kopenhaską, cząstki znajdują się w superpozycji wszystkich możliwych stanów (jak w przypadku martwego / żywego kota w Kot Schroedingera eksperyment myślowy). Podczas gdy większość fizyków wolałaby mieć wszechświat o jaśniejszych zasadach, nikt nie był w stanie tego zrozumieć jakie dokładnie były te ukryte zmienne lub jak można je w znaczący sposób włączyć do teorii sposób.

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 chwili wykonania pomiaru na cząstce A, cała funkcja fali rozpada się w pojedynczy stan. W ten sposób nie zachodzi komunikacja na odległość.

Główny gwóźdź w trumnie teorii ukrytych zmiennych pochodzi od fizyka Johna Stewarta Bella, znanego jako Twierdzenie Bella. Rozwinął szereg nierówności (zwanych nierównościami Bella), które reprezentują rozkład pomiarów spinów Cząstki A i Cząstki B, gdyby nie były splątane. W kolejnych eksperymentach naruszane są nierówności Bella, co oznacza, że ​​splątanie kwantowe zdaje się mieć miejsce.

Pomimo tych dowodów przeciwnych, nadal istnieją zwolennicy teorii zmiennych ukrytych, chociaż jest to głównie wśród fizyków amatorów, a nie profesjonalistów.

Edytowany przez Dr Anne Marie Helmenstine