EPJ-paradoks i fysikk
Hvordan EPR-paradokset beskriver kvanteforviklinger
MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY, Getty Images
EPR-paradokset (eller Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset) er et tankeeksperiment ment å demonstrere et iboende paradoks i de tidlige formuleringene av kvanteteori. Det er blant de mest kjente eksemplene på kvanteforviklinger . Paradokset innebærer to partikler som er viklet inn i hverandre i henhold til kvantemekanikk. Under København tolkning av kvantemekanikk, er hver partikkel individuelt i en usikker tilstand inntil den er målt, på hvilket tidspunkt tilstanden til den partikkelen blir sikker.
I akkurat det samme øyeblikket blir også den andre partikkelens tilstand sikker. Grunnen til at dette er klassifisert som et paradoks er at det tilsynelatende involverer kommunikasjon mellom de to partiklene kl. hastigheter større enn lysets hastighet , som er en konflikt med Albert Einstein 's relativitetsteorien .
Paradoksets opprinnelse
Paradokset var midtpunktet i en heftig debatt mellom Einstein og Niels Bohr . Einstein var aldri komfortabel med kvantemekanikken som ble utviklet av Bohr og kollegene hans (basert, ironisk nok, på arbeid startet av Einstein). Sammen med kollegene Boris Podolsky og Nathan Rosen utviklet Einstein EPR-paradokset som en måte å vise at teorien var inkonsistent med andre kjente fysikklover. På den tiden var det ingen reell måte å gjennomføre eksperimentet på, så det var bare et tankeeksperiment eller gedankeneksperiment.
Flere år senere modifiserte fysikeren David Bohm EPR-paradokseksemplet slik at ting ble litt klarere. (Den opprinnelige måten paradokset ble presentert på var noe forvirrende, selv for profesjonelle fysikere.) I den mer populære Bohm-formuleringen forfaller en ustabil spin 0-partikkel til to forskjellige partikler, partikkel A og partikkel B, på vei i motsatte retninger. Fordi den opprinnelige partikkelen hadde spinn 0, må summen av de to nye partikkelspinnene være lik null. Hvis partikkel A har spinn +1/2, må partikkel B ha spinn -1/2 (og omvendt).
Igjen, ifølge København-tolkningen av kvantemekanikk, inntil en måling er gjort, har ingen av partiklene en bestemt tilstand. De er begge i en superposisjon av mulige tilstander, med lik sannsynlighet (i dette tilfellet) for å ha et positivt eller negativt spinn.
Paradoksets mening
Det er to hovedpunkter på jobb her som gjør dette urovekkende:
- Kvantefysikk sier at, frem til øyeblikket av målingen, partiklene ikke ha en definitivt mengden av spinn men er i en superposisjon av mulige tilstander.
- Så snart vi måler spinnet til partikkel A, vet vi med sikkerhet verdien vi får ved å måle spinnet til partikkel B.
Hvis du måler partikkel A, ser det ut til at partikkel A sitt kvantespinn blir 'satt' av målingen, men på en eller annen måte 'vet' partikkel B også umiddelbart hvilket spinn den skal ha. For Einstein var dette et klart brudd på relativitetsteorien.
Teori om skjulte variabler
Ingen stilte noen gang virkelig spørsmål ved det andre punktet; kontroversen lå helt og holdent med det første punktet. Bohm og Einstein støttet en alternativ tilnærming kalt teorien om skjulte variabler, som antydet at kvantemekanikken var ufullstendig. I dette synspunktet måtte det være et aspekt ved kvantemekanikk som ikke var umiddelbart åpenbart, men som måtte legges inn i teorien for å forklare denne typen ikke-lokal effekt.
Som en analogi, tenk på at du har to konvolutter som hver inneholder penger. Du har blitt fortalt at en av dem inneholder en $5-seddel og den andre inneholder en $10-seddel. Hvis du åpner en konvolutt og den inneholder en $5-seddel, vet du sikkert at den andre konvolutten inneholder $10-seddelen.
Problemet med denne analogien er at kvantemekanikk definitivt ikke ser ut til å fungere på denne måten. Når det gjelder pengene, inneholder hver konvolutt en spesifikk regning, selv om jeg aldri kommer meg til å se i dem.
Usikkerhet i kvantemekanikk
Usikkerheten i kvantemekanikk representerer ikke bare mangel på kunnskap, men en grunnleggende mangel på en bestemt virkelighet. Inntil målingen er gjort, ifølge København-tolkningen, er partiklene virkelig i en superposisjon av alle mulige tilstander (som i tilfellet med den døde/levende katten i Schroedingers katt tankeeksperiment). Mens de fleste fysikere ville ha foretrukket å ha et univers med klarere regler, kunne ingen finne ut nøyaktig hva disse skjulte variablene var eller hvordan de kunne inkorporeres i teorien på en meningsfull måte.
Bohr og andre forsvarte den standard københavnske tolkningen av kvantemekanikk, som fortsatte å bli støttet av eksperimentelle bevis. Forklaringen er at bølgefunksjonen, som beskriver superposisjonen av mulige kvantetilstander, eksisterer på alle punkter samtidig. Spinnet til partikkel A og spinnet til partikkel B er ikke uavhengige størrelser, men representeres av samme ledd i kvantefysikk ligninger. I det øyeblikket målingen på partikkel A foretas, vil hele bølgefunksjonen kollapser til en enkelt tilstand. På denne måten er det ingen fjernkommunikasjon som finner sted.
Bells teorem
Den store spikeren i kista til teorien om skjulte variabler kom fra fysikeren John Stewart Bell, i det som er kjent som Bells teorem . Han utviklet en serie ulikheter (kalt Bell-ulikheter), som representerer hvordan målinger av spinnet til partikkel A og partikkel B ville fordele seg hvis de ikke var sammenfiltret. I eksperiment etter eksperiment blir Bell-ulikhetene krenket, noe som betyr at kvantesammenfiltring ser ut til å finne sted.
Til tross for dette beviset på det motsatte, er det fortsatt noen tilhengere av teorien om skjulte variabler, selv om dette stort sett er blant amatørfysikere i stedet for profesjonelle.
Redigert avAnne Marie Helmenstine, Ph.D.