Paradoxul EPR în fizică

Paradoxul EPR (sau paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen) este un experiment gândit menit să demonstreze un paradox inerent în formulările timpurii ale teoriei cuantice. Este printre cele mai cunoscute exemple de legatura cuantica. Paradoxul implică două particule care se leagă între ele conform mecanicii cuantice. Sub Interpretarea la Copenhaga a mecanicii cuantice, fiecare particulă este individuală într-o stare incertă până când este măsurată, moment în care starea acelei particule devine certă.

În același moment, starea celeilalte particule devine de asemenea certă. Motivul pentru care acest lucru este clasificat ca paradox este că, implicit, implică comunicarea între cele două particule la viteze mai mari decât viteza luminii, care este un conflict cu Albert Einstein„s teoria relativitatii.

Paradoxul a fost punctul central al unei dezbateri aprinse între Einstein și Niels Bohr. Einstein nu a fost niciodată confortabil cu mecanica cuantică dezvoltată de Bohr și colegii săi (bazată, ironic, pe lucrările începute de Einstein). Împreună cu colegii săi Boris Podolsky și Nathan Rosen, Einstein a dezvoltat paradoxul EPR ca o modalitate de a arăta că teoria era în contradicție cu alte legi cunoscute ale fizicii. La vremea respectivă, nu a existat o modalitate reală de a efectua experimentul, deci a fost doar un experiment de gândire sau un gedankenexperiment.

Câțiva ani mai târziu, fizicianul David Bohm a modificat exemplul de paradox al EPR, astfel încât lucrurile să fie ceva mai clare. (Modul original de prezentare a paradoxului a fost oarecum confuz, chiar și pentru fizicienii profesioniști.) În Bohm mai popular formularea, o particulă de spin 0 instabilă se descompune în două particule diferite, Particula A și Particula B, îndreptate în sens opus directii. Deoarece particulele inițiale au învârtit 0, suma celor două noi rotiri ale particulelor trebuie să fie egală cu zero. Dacă Particula A are rotire +1/2, atunci Particula B trebuie să aibă rotire -1/2 (și invers).

Din nou, conform interpretării de la Copenhaga a mecanicii cuantice, până când nu se face o măsurare, niciuna dintre particule nu are o stare certă. Amândoi se află într-o superpoziție a stărilor posibile, cu o probabilitate egală (în acest caz) de a avea un spin pozitiv sau negativ.

Există două puncte cheie în lucru care fac acest lucru tulburător:

1. Fizica cuantică spune că, până la momentul măsurării, particulele nu face ia o spin cuantic definit dar sunt într-o superpoziție a stărilor posibile.
2. De îndată ce vom măsura rotirea Particulei A, știm cu siguranță valoarea pe care o vom obține din măsurarea spinului Particulei B.

Dacă măsurați Particula A, se pare că spinul cuantic al Particulei A este „setat” de măsurare, dar cumva Particula B, de asemenea, „știe” instantaneu ce rotire trebuie să ia. Pentru Einstein, aceasta a fost o încălcare clară a teoriei relativității.

Nimeni nu a pus niciodată la îndoială al doilea punct; controversa s-a așezat în întregime cu primul punct. Bohm și Einstein au susținut o abordare alternativă numită teoria variabilelor ascunse, care sugera că mecanica cuantică era incompletă. În acest punct de vedere, a trebuit să existe un aspect al mecanicii cuantice care nu era imediat evident, dar care trebuia adăugat în teorie pentru a explica acest tip de efect non-local.

Ca o analogie, considerați că aveți două plicuri care conțin bani fiecare. Vi s-a spus că una dintre ele conține o factură de 5 dolari, iar cealaltă conține o factură de 10 USD. Dacă deschideți un plic și conține o factură de 5 USD, atunci știți sigur că celălalt plic conține factura de 10 USD.

Problema cu această analogie este că mecanica cuantică nu pare să funcționeze astfel. În cazul banilor, fiecare plic conține o factură specifică, chiar dacă nu mă apuc niciodată să mă uit în ele.

Incertitudinea în mecanica cuantică nu reprezintă doar o lipsă a cunoștințelor noastre, ci o lipsă fundamentală a realității definitive. Până la efectuarea măsurării, conform interpretării de la Copenhaga, particulele se află într-adevăr într-o superpoziție a tuturor stărilor posibile (ca în cazul pisicii moarte / vie din Pisica Schroedinger experiment de gândire). Deși majoritatea fizicienilor ar fi preferat să aibă un univers cu reguli mai clare, nimeni nu și-a dat seama exact ce au fost aceste variabile ascunse sau cum pot fi încorporate în teorie într-un sens cale.

Bohr și alții au apărat interpretarea standard de la Copenhaga a mecanicii cuantice, care a continuat să fie susținută de dovezile experimentale. Explicația este că funcția de undă, care descrie superpoziția stărilor cuantice posibile, există în toate punctele simultan. Spinul particulei A și spinarea particulei B nu sunt cantități independente, ci sunt reprezentate de același termen în cadrul fizică cuantică ecuații. Momentul în care se face măsurarea pe Particula A, întreaga funcție de val se prăbușește într-o singură stare. În acest fel, nu există o comunicare la distanță.

Unghia majoră în sicriul teoriei variabilelor ascunse a venit de la fizicianul John Stewart Bell, în ceea ce este cunoscut ca Teorema lui Bell. El a dezvoltat o serie de inegalități (numite inegalități Bell), care reprezintă modul în care măsurările spinului Particulei A și ale Particulei B s-ar distribui dacă nu erau încurcate. În experiment după experiment, inegalitățile Bell sunt încălcate, ceea ce înseamnă că înțelegerea cuantică pare să aibă loc.

În ciuda acestor dovezi, dimpotrivă, există încă unii susținători ai teoriei variabilelor ascunse, deși acest lucru este cel mai mult în rândul fizicienilor amatori și nu al profesioniștilor.

Editat de Anne Marie Helmenstine, Ph. D.