EPR paradoks iz fizike

Paradoks EPR (ali paradoks Einstein-Podolsky-Rosen) je miselni eksperiment, namenjen prikazu lastnega paradoksa v zgodnjih formulacijah kvantne teorije. Spada med najbolj znane primere kvantno zapletanje. Paradoks vključuje dva delca ki se med seboj zapletejo v skladu s kvantno mehaniko. Pod Københavnska razlaga v kvantni mehaniki je vsak delček posamezno v negotovem stanju, dokler se ne izmeri, ko stanje tega delca postane gotovo.

V istem trenutku postane stanje drugih delcev tudi gotovo. Razlog, da je to označeno kot paradoks, je v tem, da navidezno vključuje komunikacijo med obema delcema na hitrosti, večje od svetlobne hitrosti, s katerim je v sporu Albert Einsteins teorija relativnosti.

Paradoks je bil osrednja točka vroče razprave med Einsteinom in Niels Bohr. Einstein nikoli ni bil zadovoljen s kvantno mehaniko, ki sta jo razvila Bohr in njegovi sodelavci (ironično temelji na delu, ki ga je začel Einstein). Skupaj s kolegi Borisom Podolskim in Nathanom Rosenom je Einstein razvil paradoks EPR kot način dokazovanja, da je teorija v neskladju z drugimi znanimi zakoni fizike. Takrat ni bilo pravega načina izvedbe poskusa, zato je šlo le za miselni eksperiment ali gedankeexperiment.

Nekaj ​​let pozneje je fizik David Bohm spremenil primer paradoksa EPR, tako da so bile stvari nekoliko bolj jasne. (Prvotni način, kako je bil paradoks predstavljen, je bil nekoliko zmeden, celo za profesionalne fizike.) V bolj priljubljenem Bohmu formulacija, nestabilen spin 0 delec razpade na dva različna delca, delca A in delca B, ki sta nasproti navodila. Ker se je začetni delček zavrtel 0, mora biti vsota dveh novih vrtljajev delcev enaka nič. Če ima delček A spin +1/2, mora imeti delec B spin -1/2 (in obratno).

Glede na kopenhagensko razlago kvantne mehanike, dokler se ne izvede meritev, niti en delec nima določenega stanja. Obe sta v superpoziciji možnih stanj, pri čemer je enaka verjetnost (v tem primeru) pozitivnega ali negativnega vrtenja.

Tu delujeta dve ključni točki, ki delata to težavo:

1. Kvantna fizika pravi, da so do trenutka meritve delci ne imeti a dokončno kvantno spinovanje vendar so v superpoziciji možnih stanj.
2. Takoj ko izmerimo spin delca A, zagotovo vemo, kakšno vrednost bomo dobili z merjenjem osi delca B.

Če izmerite delček A, se zdi, da kvantni spin delcev A z meritvijo "nastavi", vendar nekako B delec B tudi v trenutku "ve", kakšen spin naj bi izvedel. Einsteinu je bila to očitna kršitev teorije relativnosti.

Nihče ni nikoli resnično podvomil o drugi točki; polemika je v celoti temeljila na prvi točki. Bohm in Einstein sta podprla alternativni pristop, imenovan teorija skritih spremenljivk, ki je nakazoval, da je kvantna mehanika nepopolna. S tega vidika je moral obstajati nek vidik kvantne mehanike, ki ni bil takoj očiten, vendar ga je treba dodati v teorijo, da bi razložil tovrstne ne-lokalne učinke.

Kot analogija upoštevajte, da imate dve ovojnici, v katerih vsaka vsebuje denar. Povedali so vam, da ena od njih vsebuje račun v vrednosti 5 USD, druga pa 10 USD. Če odprete eno ovojnico in vsebuje račun v vrednosti 5 USD, potem zagotovo veste, da druga ovojnica vsebuje račun v vrednosti 10 USD.

Težava te analogije je v tem, da kvantna mehanika vsekakor ne deluje tako. V primeru denarja vsaka ovojnica vsebuje točno določen račun, četudi nikoli ne pogledam v njih.

Negotovost v kvantni mehaniki ne predstavlja le pomanjkanja našega znanja, ampak temeljno pomanjkanje dokončne resničnosti. Dokler se meritve ne opravijo, so v skladu s kopenhaško razlago 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, tega nihče ne bi mogel ugotoviti kaj točno so bile te skrite spremenljivke ali kako bi jih lahko smiselno vključili v teorijo način.

Bohr in drugi so zagovarjali standardno kopenhagensko razlago kvantne mehanike, ki je še naprej podprta z eksperimentalnimi dokazi. Razlaga je, da valovna funkcija, ki opisuje superpozicijo možnih kvantnih stanj, obstaja na vseh točkah hkrati. Zasuk delca A in odvajanje delca B nista neodvisni količini, ampak sta predstavljena z istim izrazom znotraj kvantna fizika enačbe. Trenutek, ko se izvede meritev na delcu A, je celotna valovna funkcija propada v enotno stanje. Na ta način ni oddaljene komunikacije.

Glavni žebelj v krsti teorije skritih spremenljivk je prišel od fizika Johna Stewarta Bell-a, v tistem, kar je znano kot Bell's Teorem. Razvil je niz neenakosti (imenovanih Bell neenakosti), ki predstavljajo, kako bi se meritve vrtenja delca A in delca B porazdelile, če jih ne bi zapletli. V poskusu po poskusu se Bell-ove neenakosti kršijo, kar pomeni, da se zdi, da pride do kvantnega zapletanja.

Kljub temu, da nasprotujejo tem dokazom, še vedno obstaja nekaj zagovornikov teorije skritih spremenljivk, čeprav je to večinoma med ljubiteljskimi fiziki in ne profesionalci.

Uredil Anne Marie Helmenstine, dr.