EPR-paradox i fysik

EPR-paradoxen (eller Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen) är ett tankeexperiment avsett att demonstrera en inneboende paradox i de tidiga formuleringarna av kvantteorin. Det är bland de mest kända exemplen på kvantsammanflätning. Paradoxen innebär två partiklar som är förvirrad med varandra enligt kvantmekanik. Under Köpenhamn tolkning av kvantmekanik är varje partikel individuellt i ett osäkert tillstånd tills den mäts, vid vilken punkt partikelns tillstånd blir säkert.

I exakt samma ögonblick blir den andra partikelns tillstånd också säker. Anledningen till att detta klassificeras som en paradox är att det till synes innebär kommunikation mellan de två partiklarna vid hastigheter större än ljusets hastighet, vilket är en konflikt med Albert Einstein's relativitetsteorin.

Paradoxen var fokuspunkten för en het debatt mellan Einstein och Niels Bohr. Einstein var aldrig bekväm med den kvantmekanik som utvecklades av Bohr och hans kollegor (baserat, ironiskt nog, på arbete som startats av Einstein). Tillsammans med sina kollegor Boris Podolsky och Nathan Rosen utvecklade Einstein EPR-paradoxen som ett sätt att visa att teorin var inkonsekvent med andra kända fysiklagar. Då fanns det inget riktigt sätt att genomföra experimentet, så det var bara ett tankeexperiment eller gedankenexperiment.

Flera år senare ändrade fysikern David Bohm EPR-paradoxexemplet så att saker och ting var lite tydligare. (Det ursprungliga sättet som paradoxen presenterades var något förvirrande, även för professionella fysiker.) I den mer populära Bohm formulering, en instabil spin 0-partikel sönderfaller i två olika partiklar, partikel A och partikel B, med motsatt riktning riktningar. Eftersom den initiala partikeln hade spin 0 måste summan av de två nya partikelsnurrna vara lika med noll. Om partikel A har snurra +1/2, måste partikel B ha rotation -1/2 (och vice versa).

Återigen, enligt Köpenhamns tolkning av kvantmekanik, har ingen av partiklarna ett bestämt tillstånd tills en mätning har gjorts. De ligger båda i en superposition av möjliga tillstånd, med lika sannolikhet (i detta fall) för att ha en positiv eller negativ snurr.

Det finns två viktiga punkter på jobbet här som gör detta besvärande:

1. Kvantfysiken säger att partiklarna, tills mätningen är ögonblick låt bli ha en bestämd kvantsnurr men är i en superposition av möjliga tillstånd.
2. Så snart vi mäter snurret på partikel A, vet vi säkert värdet vi får från att mäta rotationen av partikel B.

Om du mäter partikel A verkar det som om partikel A: s kvantsnurr får "uppsättning" av mätningen, men på något sätt "vet" också partikel B direkt "vilken snurra den ska ta på sig. För Einstein var detta en tydlig kränkning av relativitetsteorin.

Ingen ifrågasatte någonsin den andra punkten; kontroversen låg helt och hållet med den första punkten. Bohm och Einstein stödde en alternativ metod som kallas the Hidden-Variables Teorin, vilket antydde att kvantmekanik var ofullständig. I denna synvinkel måste det finnas någon aspekt av kvantmekanik som inte omedelbart var uppenbar men som behövde läggas in i teorin för att förklara denna typ av icke-lokal effekt.

Tänk som en analogi på att du har två kuvert som var och en innehåller pengar. Du har fått höra att en av dem innehåller en $ 5-räkning och den andra innehåller en $ 10-räkning. Om du öppnar ett kuvert och det innehåller en räkning på $ 5, vet du säkert att det andra kuvertet innehåller $ 10-räkningen.

Problemet med denna analogi är att kvantmekanik definitivt inte verkar fungera på detta sätt. När det gäller pengarna innehåller varje kuvert en specifik räkning, även om jag aldrig kommer runt och letar efter dem.

Osäkerheten i kvantmekanik representerar inte bara en brist på vår kunskap utan en grundläggande brist på bestämd verklighet. Tills mätningen har gjorts, enligt Köpenhamn-tolkningen, är partiklarna verkligen i en superposition av alla möjliga tillstånd (som i fallet med den döda / levande katten i Schroedinger's Cat tankeexperiment). Medan de flesta fysiker hade föredragit att ha ett universum med tydligare regler, kunde ingen räkna ut exakt vad dessa dolda variabler var eller hur de kunde integreras i teorin på ett meningsfullt sätt sätt.

Bohr och andra försvarade Köpenhamns standardtolkning av kvantmekanik, som fortsatte att stödjas av det experimentella beviset. Förklaringen är att vågfunktionen, som beskriver superpositionen av möjliga kvanttillstånd, finns vid alla punkter samtidigt. Snurret av partikel A och spinnet för partikel B är inte oberoende kvantiteter utan representeras av samma term inom kvantfysik ekvationer. Det ögonblick som mätningen på partikel A görs, hela vågfunktionen kollapsar till ett enda tillstånd. På det här sättet sker ingen avlägsen kommunikation.

Den stora spiken i kistan i den dolda-variabler teorin kom från fysikern John Stewart Bell, i vad som kallas Bell's sats. Han utvecklade en serie ojämlikheter (kallad Bell ojämlikheter), som representerar hur mätningar av snurret av partikel A och partikel B skulle fördela om de inte var intrasslade. I experiment efter experiment överträffas Bell-ojämlikheterna, vilket innebär att kvantförvirring verkar äga rum.

Trots detta bevis för motsatsen finns det fortfarande vissa förespråkare för dolda-variabler teorin, även om detta mestadels är bland amatörfysiker snarare än proffs.

Redigerad av Anne Marie Helmenstine, Ph.D.