EPJ-paradoks i fysik

EPJ-paradokset (eller Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset) er et tankeeksperiment beregnet til at demonstrere et iboende paradoks i de tidlige formuleringer af kvanteteorien. Det er blandt de mest kendte eksempler på kvanteforvikling. Paradokset indebærer to partikler der er sammenfiltret med hinanden ifølge kvantemekanikken. Under Københavns fortolkning af kvantemekanikken er hver partikel individuelt i en usikker tilstand, indtil den måles, på hvilket tidspunkt tilstanden af ​​den partikel bliver bestemt.

I det nøjagtige samme øjeblik bliver den anden partikels tilstand også sikker. Årsagen til, at dette klassificeres som et paradoks, er, at det tilsyneladende involverer kommunikation mellem de to partikler kl hastigheder større end lysets hastighed, som er en konflikt med Albert Einstein's relativitetsteori.

Paradokset var omdrejningspunktet for en ophedet debat mellem Einstein og Niels Bohr. Einstein var aldrig tilpas med kvantemekanikken, der blev udviklet af Bohr og hans kolleger (ironisk nok baseret på arbejde startet af Einstein). Sammen med sine kolleger Boris Podolsky og Nathan Rosen udviklede Einstein EPR-paradokset som en måde at vise, at teorien var uforenelig med andre kendte fysiske love. På det tidspunkt var der ingen reel måde at udføre eksperimentet på, så det var bare et tankeeksperiment eller gedankenexperiment.

Flere år senere ændrede fysikeren David Bohm EPR-paradokseksemplet, så tingene var lidt klarere. (Den originale måde, hvorpå paradokset blev præsenteret, var lidt forvirrende, selv for professionelle fysikere.) I den mere populære Bohm formulering, en ustabil spin 0-partikel nedbrydes til to forskellige partikler, partikel A og partikel B, der modsætter sig modsat retninger. Da den indledende partikel havde spin 0, skal summen af ​​de to nye partikelsnurr være lig med nul. Hvis partikel A har spin +1/2, skal partikel B have spin -1/2 (og vice versa).

Igen, ifølge Københavns fortolkning af kvantemekanik, indtil en måling er udført, har ingen af ​​partiklerne en bestemt tilstand. De er begge i en superposition af mulige tilstande, med en lige sandsynlighed (i dette tilfælde) for at have en positiv eller negativ drejning.

Der er to vigtige punkter på arbejdet her, der gør dette bekymrende:

1. Kvantefysik siger, at indtil målingens øjeblik, partiklerne lade være med have en bestemt kvantespind men er i en superposition af mulige tilstande.
2. Så snart vi måler centrifugeringen af ​​partikel A, ved vi med sikkerhed, hvilken værdi vi får ved at måle spin af partikel B.

Hvis du måler partikel A, ser det ud til, at partikel A's kvantespind bliver "indstillet" af målingen, men på en eller anden måde "ved" også partikel B øjeblikkeligt, hvilken drejning den skal tage på. For Einstein var dette en klar krænkelse af relativitetsteorien.

Ingen satte spørgsmålstegn ved det andet punkt; kontroversen lå helt med det første punkt. Bohm og Einstein støttede en alternativ tilgang kaldet skjulte variabler teorien, som antydede, at kvantemekanik var ufuldstændig. I dette synspunkt måtte der være et aspekt af kvantemekanikken, der ikke straks var indlysende, men som skulle tilføjes i teorien for at forklare denne slags ikke-lokal effekt.

Overvej som en analogi, at du har to konvolutter, der hver indeholder penge. Du har fået at vide, at den ene indeholder en $ 5-regning, og den anden indeholder en $ 10-regning. Hvis du åbner den ene konvolut, og den indeholder en $ 5-regning, ved du med sikkerhed, at den anden konvolut indeholder $ 10-regningen.

Problemet med denne analogi er, at kvantemekanik bestemt ikke ser ud til at fungere på denne måde. I tilfælde af penge indeholder hver konvolut en bestemt regning, selvom jeg aldrig kommer rundt og kigger efter dem.

Usikkerheden i kvantemekanik repræsenterer ikke kun en mangel på vores viden, men en grundlæggende mangel på en bestemt virkelighed. Indtil målingen foretages, ifølge Københavns fortolkning, er partiklerne virkelig i en superposition af alle mulige tilstande (som for den døde / levende kat i Schroedinger's Cat tankeeksperiment). Mens de fleste fysikere ville have foretrukket at have et univers med klarere regler, kunne ingen finde ud af nøjagtigt hvad disse skjulte variabler var, eller hvordan de kunne indarbejdes i teorien i en meningsfuld vej.

Bohr og andre forsvarede den standard Københavns fortolkning af kvantemekanik, som fortsat blev understøttet af det eksperimentelle bevis. Forklaringen er, at bølgefunktionen, der beskriver superpositionen af ​​mulige kvantetilstander, findes på alle punkter samtidig. Rotationen af ​​partikel A og spin af partikel B er ikke uafhængige mængder, men er repræsenteret af den samme betegnelse inden for kvantefysik ligninger. Det øjeblik, hvor målingen på partikel A foretages, er hele bølgefunktionen kollapser i en enkelt tilstand. På denne måde foregår der ingen fjern kommunikation.

Den største søm i kisten i den skjulte-variabeltorien kom fra fysikeren John Stewart Bell, i det såkaldte Bell's sætning. Han udviklede en række uligheder (kaldet Bell-uligheder), som repræsenterer, hvordan målinger af spin af partikel A og partikel B ville fordele sig, hvis de ikke var sammenfiltret. I eksperiment efter eksperiment overtrædes Bell-ulighederne, hvilket betyder, at kvanteforvirring ser ud til at finde sted.

På trods af dette bevis for det modsatte, er der stadig nogle fortalere for den skjulte variabels teori, skønt dette mest er blandt amatørfysikere snarere end fagfolk.

Redigeret af Anne Marie Helmenstine, ph.d.