EPR-paradoksi fysiikassa

EPR-paradoksi (tai Einstein-Podolsky-Rosen-paradoksi) on ajatuskoe, jonka tarkoituksena on osoittaa luontainen paradoksi kvanttiteorian varhaisissa formulaatioissa. Se on tunnetuimpia esimerkkejä kvantti takertuminen. Paradoksi liittyy kaksi hiukkasta jotka ovat takertuneet toisiinsa kvanttimekaniikan mukaan. Alla Kööpenhaminan tulkinta Kvanttimekaniikan mukaan jokainen hiukkanen on erikseen epävarmassa tilassa, kunnes se mitataan, jolloin hiukkasen tila muuttuu varmaksi.

Samana ajankohtana myös toisen hiukkasen tila tulee varma. Syy siihen, että tämä luokitellaan paradoksiksi, on se, että näennäisesti siihen liittyy viestintä kahden hiukkasen välillä valon nopeutta suuremmat nopeudet, joka on ristiriidassa Albert Einsteinn suhteellisuusteoria.

Paradoksi oli Einsteinin ja Niels Bohr. Einstein ei ollut koskaan tyytyväinen Bohrin ja hänen kollegoidensa kehittämään kvantimekaniikkaan (perustuu ironisesti Einsteinin aloittamaan työhön). Yhdessä kollegojensa Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin kanssa Einstein kehitti EPR-paradoksin tapana osoittaa, että teoria oli ristiriidassa muiden tunnettujen fysiikan lakien kanssa. Tuolloin ei ollut todellista tapaa suorittaa koetta, joten se oli vain ajattelukoke tai gedankenexperiment.

Useita vuosia myöhemmin fyysikko David Bohm muutti EPR-paradoksi-esimerkkiä siten, että asiat olivat hiukan selkeämpiä. (Alkuperäinen tapa, jolla paradoksi esitettiin, oli hieman hämmentävä, jopa ammattfyysikoille.) Suositummassa Bohmissa formulaatiossa epästabiili spin 0 -partikkeli hajoaa kahdeksi eri hiukkaseksi, hiukkasiksi A ja hiukkasiksi B, vastakkaisessa suunnassa suuntiin. Koska alkuperäisellä hiukkasella oli spin 0, kahden uuden partikkelin spin-arvon on oltava nolla. Jos hiukkasella A on spin +1/2, hiukkasella B on oltava spin -1/2 (ja päinvastoin).

Kemiallisen mekaniikan Kööpenhaminan tulkinnan mukaan taas, kunnes mittaus on tehty, kummallakaan hiukkasella ei ole tarkkaa tilaa. Ne molemmat ovat mahdollisten tilojen superpositiossa, yhtä suurella todennäköisyydellä (tässä tapauksessa) positiivisen tai negatiivisen spinin saaminen.

Täällä on kaksi keskeistä kohtaa, jotka tekevät tästä huolestuttavasta:

1. Kvanttifysiikka sanoo, että hiukkaset ovat mittauksen ajankohtaan saakka Älä olla a varma kvantti spin mutta ovat mahdollisten tilojen superpositiossa.
2. Heti kun mittaamme hiukkasen A spin, tiedämme varmasti arvon, jonka saamme mittaamalla hiukkasen B spin.

Jos mitat hiukkasen A, näyttää siltä, ​​että hiukkasen A kvanttipiikki "asetetaan" mittauksella, mutta jotenkin hiukkanen "tietää" heti myös "mitä" spinin sen on tarkoitus ottaa. Einsteinille tämä oli selvä suhteellisuusteorian rikkomus.

Kukaan ei koskaan kyseenalaistanut toista kohtaa; kiista oli täysin ensimmäisessä kohdassa. Bohm ja Einstein tukivat vaihtoehtoista lähestymistapaa, jota kutsutaan piilotettujen muuttujien teoriaksi, joka ehdotti, että kvanttimekaniikka oli epätäydellinen. Tässä näkökulmassa piti olla jokin kvanttimekaniikan näkökohta, joka ei ollut heti ilmeinen, mutta joka piti lisätä teoriaan selittääkseen tällaisen ei-paikallisen vaikutuksen.

Katsele analogisena, että sinulla on kaksi kirjekuorta, joissa molemmissa on rahaa. Sinulle on kerrottu, että yksi niistä sisältää 5 dollarin laskun ja toinen sisältää 10 dollarin laskun. Jos avaat yhden kirjekuoren ja se sisältää 5 dollarin laskun, tiedät varmasti, että toinen kirjekuori sisältää 10 dollarin laskun.

Tämän analogian ongelma on, että kvantmekaniikka ei ehdottomasti näytä toimivan tällä tavalla. Rahan tapauksessa kukin kirjekuori sisältää tietyn laskun, vaikka en koskaan edes etsisi niitä.

Kvanttimekaniikan epävarmuus ei tarkoita pelkästään tietämättömyyttämme, vaan selkeän todellisuuden perustavaa laatua olevaa puutetta. Kunnes mittaus on tehty, Kööpenhaminan tulkinnan mukaan hiukkaset ovat todella kaikkien mahdollisten tilojen superpositiossa (kuten kuolleen / elävän kissan tapauksessa Schroedinger's kissa ajatuskokeilu). Vaikka suurin osa fyysikoista olisi mieluummin saanut selkeämpiä sääntöjä sisältävän maailmankaikkeuden, kukaan ei voinut selvittää mitä nämä piilotetut muuttujat olivat tai kuinka ne voitiin sisällyttää teoriaan tarkoituksenmukaisella tavalla tapa.

Bohr ja muut puolustivat kvanttimekaniikan Kööpenhaminan tavanomaista tulkintaa, jota jatkoivat kokeelliset todisteet. Selitys on, että aaltofunktio, joka kuvaa mahdollisten kvantitilajen superpositioitumista, on olemassa kaikissa pisteissä samanaikaisesti. Hiukkasen A spin ja partikkelin B spin eivät ole riippumattomia määriä, mutta niitä edustaa sama termi kvanttifysiikka yhtälöt. Mittaus hiukkasella A tehdään, koko aalto-toiminto romahtaa yhdeksi tilaksi. Tällä tavalla etäviestintää ei tapahdu.

Piilotettujen muuttujien teorian arkun suurin naula tuli fyysikolta John Stewart Belliltä, ​​joka tunnetaan nimellä Bellin lause. Hän kehitti sarjan epätasa-arvoisuuksia (kutsutaan Bell-epätasa-arvoisuuksiksi), jotka edustavat kuinka hiukkasten A ja hiukkasten B spinnin mittaukset jakautuvat, jos niitä ei olisi takertunut toisiinsa. Kokeessa kokeilun jälkeen Bell-eriarvoisuudet rikkovat, mikä tarkoittaa, että kvanttien sotkeutuminen näyttää tapahtuvan.

Huolimatta tästä päinvastaisesta näytöstä, piilomuuttujien teoriassa on edelleen joitain kannattajia, vaikka tämä tapahtuu enimmäkseen amatöörifyysikoiden eikä ammattilaisten keskuudessa.

Muokannut Tohtori Anne Marie Helmenstine