Paradox EPR vo fyzike
Ako EPR paradox opisuje kvantové zapletenie
MARK GARLICK/SCIENCE PHOTO LIBRARY, Getty Images
EPR paradox (alebo Einstein-Podolsky-Rosen paradox) je myšlienkový experiment určený na demonštráciu inherentného paradoxu v raných formuláciách kvantovej teórie. Patrí medzi najznámejšie príklady kvantové zapletenie . Paradox zahŕňa dve častice ktoré sú navzájom prepletené podľa kvantovej mechaniky. Pod Kodanská interpretácia v kvantovej mechanike je každá častica individuálne v neistom stave, kým nie je zmeraná, kedy sa stav danej častice stáva istým.
Presne v tom istom momente sa stáva istý aj stav druhej častice. Dôvodom, prečo je to klasifikované ako paradox, je to, že zdanlivo zahŕňa komunikáciu medzi dvoma časticami at rýchlosti väčšie ako rýchlosť svetla , čo je v rozpore s Albert Einstein 's teória relativity .
Pôvod paradoxu
Paradox bol ústredným bodom búrlivej diskusie medzi Einsteinom a Niels Bohr . Einsteinovi nikdy nevyhovovala kvantová mechanika, ktorú vyvinul Bohr a jeho kolegovia (ironicky vychádzajúca z práce, ktorú začal Einstein). Spolu so svojimi kolegami Borisom Podolským a Nathanom Rosenom vyvinul Einstein paradox EPR ako spôsob, ako ukázať, že teória nie je v súlade s inými známymi fyzikálnymi zákonmi. V tom čase neexistoval žiadny skutočný spôsob, ako experiment uskutočniť, takže to bol len myšlienkový experiment alebo gedankenexperiment.
O niekoľko rokov neskôr fyzik David Bohm upravil príklad EPR paradoxu tak, aby veci boli o niečo jasnejšie. (Pôvodný spôsob, akým bol paradox prezentovaný, bol trochu mätúci, dokonca aj pre profesionálnych fyzikov.) V populárnejšej Bohmovej formulácii sa nestabilná častica so spinom 0 rozpadá na dve rôzne častice, časticu A a časticu B, smerujúce opačnými smermi. Pretože počiatočná častica mala spin 0, súčet dvoch nových spinov častice sa musí rovnať nule. Ak má častica A rotáciu +1/2, potom častica B musí mať rotáciu -1/2 (a naopak).
Opäť platí, že podľa kodanskej interpretácie kvantovej mechaniky, kým sa nevykoná meranie, žiadna častica nemá určitý stav. Oba sú v superpozícii možných stavov s rovnakou pravdepodobnosťou (v tomto prípade) s kladným alebo záporným spinom.
Význam Paradoxu
Sú tu dva kľúčové body, ktoré to znepokojujú:
- Kvantová fyzika hovorí, že až do okamihu merania častice nie mať určite množstvo točenia ale sú v superpozícii možných stavov.
- Hneď ako zmeriame rotáciu častice A, s istotou poznáme hodnotu, ktorú získame meraním rotácie častice B.
Ak meriate časticu A, zdá sa, že kvantový spin častice A je „nastavený“ meraním, ale akosi aj častica B okamžite ‚vie‘, aký spin má dosiahnuť. Pre Einsteina to bolo jasné porušenie teórie relativity.
Teória skrytých premenných
Nikto nikdy skutočne nespochybňoval druhý bod; Kontroverzia spočíva výlučne v prvom bode. Bohm a Einstein podporovali alternatívny prístup nazývaný teória skrytých premenných, ktorý naznačoval, že kvantová mechanika je neúplná. Z tohto hľadiska musel existovať nejaký aspekt kvantovej mechaniky, ktorý nebol okamžite zrejmý, ale ktorý bolo potrebné pridať do teórie, aby sa vysvetlil tento druh nemiestneho efektu.
Ako analógiu si predstavte, že máte dve obálky, z ktorých každá obsahuje peniaze. Bolo vám povedané, že jedna z nich obsahuje 5-dolárovú bankovku a druhá 10-dolárovú bankovku. Ak otvoríte jednu obálku a je v nej 5-dolárová bankovka, potom určite viete, že druhá obálka obsahuje 10-dolárovú bankovku.
Problém s touto analógiou je, že kvantová mechanika rozhodne takto nefunguje. V prípade peňazí, každá obálka obsahuje konkrétnu bankovku, aj keď sa do nich nikdy nedostanem.
Neistota v kvantovej mechanike
Neistota v kvantovej mechanike nepredstavuje len nedostatok našich vedomostí, ale zásadný nedostatok definitívnej reality. Kým sa meranie neuskutoční, podľa kodanskej interpretácie sú častice skutočne v superpozícii všetkých možných stavov (ako v prípade mŕtvej/živej mačky v Schroedingerova mačka myšlienkový experiment). Zatiaľ čo väčšina fyzikov by uprednostnila vesmír s jasnejšími pravidlami, nikto nedokázal presne zistiť, čo tieto skryté premenné sú alebo ako by sa dali zmysluplným spôsobom začleniť do teórie.
Bohr a ďalší obhajovali štandardnú kodanskú interpretáciu kvantovej mechaniky, ktorú naďalej podporovali experimentálne dôkazy. Vysvetlením je, že vlnová funkcia, ktorá popisuje superpozíciu možných kvantových stavov, existuje vo všetkých bodoch súčasne. Spin častice A a spin častice B nie sú nezávislé veličiny, ale sú reprezentované rovnakým pojmom v rámci kvantová fyzika rovnice. V okamihu, keď sa vykoná meranie na častici A, celú vlnovú funkciu sa zrúti do jedného stavu. Týmto spôsobom neprebieha žiadna komunikácia na diaľku.
Bellova veta
Hlavný klinec do rakvy teórie skrytých premenných prišiel od fyzika Johna Stewarta Bella, známeho ako Bellova veta . Vyvinul sériu nerovností (nazývaných Bellove nerovnosti), ktoré predstavujú, ako by sa merania rotácie častice A a častice B rozložili, keby neboli zapletené. V experimente po experimente sa Bellove nerovnosti porušujú, čo znamená, že sa zdá, že kvantové zapletenie skutočne prebieha.
Napriek týmto dôkazom o opaku stále existujú niektorí zástancovia teórie skrytých premenných, aj keď je to väčšinou medzi amatérskymi fyzikmi a nie profesionálmi.
UpravilAnne Marie Helmenstine, Ph.D.