EPJ-paradoks i fysikk

EPJ-paradokset (eller Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset) er et tankeeksperiment ment for å demonstrere et iboende paradoks i de tidlige formuleringene av kvanteteori. Det er blant de mest kjente eksemplene på kvanteforviklinger. Paradokset innebærer to partikler som er viklet sammen med kvantemekanikken. Under København-tolkning for kvantemekanikk, er hver partikkel individuelt i en usikker tilstand inntil den måles, på hvilket tidspunkt tilstanden til den partikkelen blir sikker.

I akkurat det samme øyeblikket blir også den andre partikkels tilstand sikker. Årsaken til at dette er klassifisert som et paradoks er at det tilsynelatende innebærer kommunikasjon mellom de to partiklene kl hastigheter større enn lysets hastighet, som er en konflikt med Albert Einstein's relativitetsteorien.

Paradokset var midtpunktet i en opphetet debatt mellom Einstein og Niels Bohr. Einstein var aldri komfortabel med kvantemekanikken som ble utviklet av Bohr og hans kolleger (ironisk nok basert på arbeid startet av Einstein). Sammen med kollegene Boris Podolsky og Nathan Rosen utviklet Einstein EPR-paradokset som en måte å vise at teorien var i strid med andre kjente fysikklover. På den tiden var det ingen reell måte å gjennomføre eksperimentet, så det var bare et tankeeksperiment eller gedankenexperiment.

Flere år senere modifiserte fysikeren David Bohm EPR-paradokseksemplet slik at ting ble litt tydeligere. (Den originale måten paradokset ble presentert på, var litt forvirrende, selv for profesjonelle fysikere.) I den mer populære Bohm formulering, en ustabil spin 0-partikkel avtar i to forskjellige partikler, partikkel A og partikkel B, med retning motsatt retninger. Fordi den innledende partikkelen hadde spinn 0, må summen av de to nye partikkelsnurrene være lik null. Hvis partikkel A har spinn +1/2, må partikkel B ha spinn -1/2 (og omvendt).

Igjen, i følge Københavns tolkning av kvantemekanikk, har ingen av partikklene en bestemt tilstand inntil en måling er utført. De er begge i en superposisjon av mulige tilstander, med lik sannsynlighet (i dette tilfellet) for å ha en positiv eller negativ spinn.

Det er to viktige punkter på jobb her som gjør dette plagsomt:

1. Kvantefysikk sier at inntil målingens øyeblikk, partiklene ikke ha en bestemt kvantespinn men er i en superposisjon av mulige tilstander.
2. Så snart vi måler spinnet til partikkel A, vet vi med sikkerhet verdien vi får ved å måle spinnet til partikkel B.

Hvis du måler partikkel A, virker det som om partikkel As kvantespinn blir "satt" av målingen, men på en eller annen måte vet også partikkel B øyeblikkelig hvilken spinn den skal ta på seg. For Einstein var dette et klart brudd på relativitetsteorien.

Ingen har noen gang stilt spørsmål ved det andre poenget; kontroversen lå helt med det første poenget. Bohm og Einstein støttet en alternativ tilnærming kalt the Hidden-Variables Teorien, som antydet at kvantemekanikk var ufullstendig. I dette synspunktet måtte det være et aspekt av kvantemekanikken som ikke umiddelbart var åpenbar, men som måtte tillegges teorien for å forklare denne typen ikke-lokal effekt.

Som en analogi, bør du vurdere at du har to konvolutter som hver inneholder penger. Du har blitt fortalt at en av dem inneholder en $ 5-regning og den andre inneholder en $ 10-regning. Hvis du åpner den ene konvolutten og den inneholder en $ 5-regning, vet du med sikkerhet at den andre konvolutten inneholder $ 10-regningen.

Problemet med denne analogien er at kvantemekanikk definitivt ikke ser ut til å fungere på denne måten. Når det gjelder pengene, inneholder hver konvolutt en spesiell regning, selv om jeg aldri kommer meg rundt for å se på dem.

Usikkerheten i kvantemekanikk representerer ikke bare en mangel på kunnskapen vår, men en grunnleggende mangel på en klar virkelighet. Inntil målingen er utført, ifølge København-tolkningen, er partiklene virkelig i en superposisjon av alle mulige tilstander (som for den døde / levende katten i Schroedinger's Cat tankeeksperiment). Mens de fleste fysikere ville foretrukket å ha et univers med klarere regler, var det ingen som kunne finne ut av det nøyaktig hva disse skjulte variablene var, eller hvordan de kunne integreres i teorien i en meningsfull måte vei.

Bohr og andre forsvarte den vanlige København-tolkningen av kvantemekanikk, som fortsatt ble støttet av det eksperimentelle beviset. Forklaringen er at bølgefunksjonen, som beskriver superposisjonen av mulige kvantetilstander, eksisterer på alle punkter samtidig. Spinnet til partikkel A og spinnet til partikkel B er ikke uavhengige mengder, men er representert med samme begrep innen kvantefysikk ligninger. Øyeblikket som målingen på partikkel A er gjort, er hele bølgefunksjonen kollapser til en enkelt tilstand. På denne måten foregår det ingen fjern kommunikasjon.

Den største spikeren i kisten til den skjulte variabelen teorien kom fra fysikeren John Stewart Bell, i det som er kjent som Bells teorem. Han utviklet en serie ulikheter (kalt Bell-ulikheter), som representerer hvordan målinger av spinnet til partikkel A og partikkel B ville fordele seg hvis de ikke var innfiltrert. I eksperiment etter eksperiment krenkes Bell-ulikhetene, noe som betyr at kvanteforviklinger ser ut til å finne sted.

Til tross for dette beviset for det motsatte, er det fortsatt noen talsmenn for den skjulte variabelen teorien, selv om dette er mest blant amatørfysikere i stedet for fagpersoner.

Redigert av Anne Marie Helmenstine, ph.d.