EPR Παράδοξο στη Φυσική

Το παράδοξο EPR (ή το παράδοξο Einstein-Podolsky-Rosen) είναι ένα πείραμα σκέψης που αποσκοπεί στο να επιδείξει ένα εγγενές παράδοξο στις πρώτες συνθέσεις της κβαντικής θεωρίας. Είναι από τα πιο γνωστά παραδείγματα του κβαντική εμπλοκή. Το παράδοξο συνεπάγεται δύο σωματίδια που εμπλέκονται μεταξύ τους σύμφωνα με την κβαντική μηχανική. Σύμφωνα με το Ερμηνεία της Κοπεγχάγης της κβαντικής μηχανικής, κάθε σωματίδιο είναι ξεχωριστά σε αβέβαιη κατάσταση μέχρι να μετρηθεί, οπότε η κατάσταση αυτού του σωματιδίου καθίσταται βέβαιη.

Την ίδια ακριβώς στιγμή, η κατάσταση του άλλου σωματιδίου γίνεται επίσης σίγουρη. Ο λόγος που αυτό κατατάσσεται ως παράδοξο είναι ότι φαινομενικά συνεπάγεται επικοινωνία μεταξύ των δύο σωματιδίων στο ταχύτητες μεγαλύτερες από την ταχύτητα του φωτός, η οποία είναι μια σύγκρουση με Albert Einstein'μικρό Θεωρία της σχετικότητας.

Το παράδοξο ήταν το επίκεντρο μιας έντονης συζήτησης μεταξύ του Αϊνστάιν και του Αϊνστάιν Niels Bohr. Ο Αϊνστάιν δεν ήταν ποτέ άνετος με την κβαντική μηχανική που αναπτύχθηκε από τον Bohr και τους συναδέλφους του (βασισμένος, ειρωνικά, στην εργασία που ξεκίνησε ο Αϊνστάιν). Μαζί με τους συναδέλφους του Boris Podolsky και Nathan Rosen, ο Αϊνστάιν ανέπτυξε το παράδοξο EPR ως έναν τρόπο να δείξει ότι η θεωρία ήταν ασυμβίβαστη με άλλους γνωστούς νόμους της φυσικής. Εκείνη την εποχή, δεν υπήρχε κανένας πραγματικός τρόπος για να πραγματοποιηθεί το πείραμα, έτσι ήταν απλώς ένα πείραμα σκέψης ή μια πραγματική εμπειρία.

Αρκετά χρόνια αργότερα, ο φυσικός David Bohm τροποποίησε το παράδοξο παραδείγμα EPR έτσι ώστε τα πράγματα να ήταν λίγο πιο σαφή. (Ο αρχικός τρόπος με τον οποίο παρουσιάστηκε το παράδοξο ήταν κάπως συγκεχυμένος, ακόμη και με τους επαγγελματίες φυσικούς.) Στο πιο δημοφιλές Bohm, ένα ασταθές σωματίδιο spin 0 διαλύεται σε δύο διαφορετικά σωματίδια, το σωματίδιο Α και το σωματίδιο Β, κατευθύνσεις. Επειδή το αρχικό σωματίδιο είχε περιστροφή 0, το άθροισμα των δύο νέων περιστροφών σωματιδίων πρέπει να είναι μηδέν. Εάν το σωματίδιο Α έχει περιστροφή +1/2, τότε το σωματίδιο B πρέπει να έχει περιστροφή -1/2 (και αντίστροφα).

Και πάλι, σύμφωνα με την ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής στην Κοπεγχάγη, μέχρι να γίνει μια μέτρηση, ούτε το σωματίδιο έχει ορισμένη κατάσταση. Είναι και οι δύο σε μια υπερβολή των πιθανών καταστάσεων, με την ίδια πιθανότητα (σε αυτή την περίπτωση) να έχουν θετική ή αρνητική στροφή.

Υπάρχουν δύο βασικά σημεία στην εργασία που κάνουν αυτό το πρόβλημα:

1. Η κβαντική φυσική λέει ότι, μέχρι τη στιγμή της μέτρησης, τα σωματίδια μην έχω ένα οριστική κβαντική περιστροφή αλλά βρίσκονται σε υπερβολή των πιθανών καταστάσεων.
2. Μόλις μετρήσουμε την περιστροφή του σωματιδίου Α, γνωρίζουμε σίγουρα την αξία που θα πάρουμε από τη μέτρηση της περιστροφής του σωματιδίου Β.

Εάν μετρήσετε το σωματίδιο Α, φαίνεται ότι η κβαντική περιστροφή του σωματιδίου Α παίρνει "καθορισμένη" από τη μέτρηση, αλλά με κάποιο τρόπο το σωματίδιο Β επίσης άμεσα "ξέρει" ποια περιστροφή πρέπει να αναλάβει. Για τον Αϊνστάιν, αυτή ήταν μια σαφής παραβίαση της θεωρίας της σχετικότητας.

Κανείς δεν αμφισβήτησε ποτέ το δεύτερο σημείο. η διαμάχη ήταν εξ ολοκλήρου με το πρώτο σημείο. Ο Bohm και ο Αϊνστάιν υποστήριξαν μια εναλλακτική προσέγγιση που ονομάζεται θεωρία κρυφών μεταβλητών, η οποία πρότεινε ότι η κβαντική μηχανική ήταν ατελής. Από αυτή την άποψη, έπρεπε να υπάρξει κάποια πτυχή της κβαντικής μηχανικής που δεν ήταν αμέσως προφανής αλλά έπρεπε να προστεθεί στη θεωρία για να εξηγήσει αυτό το είδος μη τοπικού αποτελέσματος.

Ως αναλογία, θεωρήστε ότι έχετε δύο φακέλους που περιέχουν το καθένα χρήματα. Έχετε ενημερωθεί ότι ένα από αυτά περιέχει ένα λογαριασμό 5 $ και το άλλο περιέχει ένα λογαριασμό 10 $. Αν ανοίξετε ένα φάκελο και περιέχει ένα λογαριασμό αξίας $ 5, τότε γνωρίζετε σίγουρα ότι ο άλλος φάκελος περιέχει το λογαριασμό των 10 $.

Το πρόβλημα με αυτή την αναλογία είναι ότι η κβαντική μηχανική σίγουρα δεν φαίνεται να λειτουργεί με αυτόν τον τρόπο. Στην περίπτωση των χρημάτων, κάθε φάκελος περιέχει ένα συγκεκριμένο νομοσχέδιο, ακόμα κι αν δεν φτάσω ποτέ να τα κοιτάω.

Η αβεβαιότητα στην κβαντική μηχανική δεν αντιπροσωπεύει απλώς μια έλλειψη γνώσεων, αλλά μια θεμελιώδη έλλειψη συγκεκριμένης πραγματικότητας. Μέχρι να γίνει η μέτρηση, σύμφωνα με την ερμηνεία της Κοπεγχάγης, τα σωματίδια είναι πραγματικά σε υπέρθεση όλων των πιθανών καταστάσεων (όπως στην περίπτωση της νεκράς / ζωντανής γάτας στην Η γάτα του Schroedinger σκέψη πείραμα). Ενώ οι περισσότεροι φυσικοί θα προτιμούσαν να έχουν ένα σύμπαν με σαφέστερους κανόνες, κανείς δεν θα μπορούσε να καταλάβει ακριβώς τι αυτές οι κρυφές μεταβλητές ήταν ή πώς θα μπορούσαν να ενσωματωθούν στη θεωρία σε μια ουσιαστική τρόπος.

Ο Bohr και άλλοι υπερασπίστηκαν την κλασική ερμηνεία της κβαντικής μηχανικής στην Κοπεγχάγη, η οποία συνέχισε να υποστηρίζεται από τα πειραματικά στοιχεία. Η εξήγηση είναι ότι η συνάρτηση κύματος, η οποία περιγράφει την υπέρθεση πιθανών κβαντικών καταστάσεων, υπάρχει σε όλα τα σημεία ταυτόχρονα. Η περιστροφή του σωματιδίου Α και η περιστροφή του σωματιδίου Β δεν είναι ανεξάρτητες ποσότητες, αλλά αντιπροσωπεύονται από τον ίδιο όρο εντός του κβαντική φυσική εξισώσεις. Τη στιγμή που γίνεται η μέτρηση στο σωματίδιο Α, το ολόκληρη λειτουργία κύματος καταρρέει σε μία κατάσταση. Με αυτόν τον τρόπο, δεν λαμβάνει χώρα μακρινή επικοινωνία.

Το κύριο καρφί στο φέρετρο της θεωρίας κρυφών μεταβλητών προήλθε από τον φυσικό John Stewart Bell, σε αυτό που είναι γνωστό ως Το Θεώρημα του Bell. Έχει αναπτύξει μια σειρά ανισοτήτων (αποκαλούμενες ανισότητες Bell), οι οποίες αντιπροσωπεύουν τον τρόπο με τον οποίο οι μετρήσεις της περιστροφής του σωματιδίου Α και του σωματιδίου Β θα διανεμηθούν αν δεν είχαν εμπλακεί. Στο πείραμα μετά το πείραμα παραβιάζονται οι ανισότητες Bell, πράγμα που σημαίνει ότι η κβαντική εμπλοκή φαίνεται να συμβαίνει.

Παρά αυτά τα αποδεικτικά στοιχεία για το αντίθετο, υπάρχουν ακόμη ορισμένοι υποστηρικτές της θεωρίας των κρυμμένων μεταβλητών, αν και αυτό είναι κυρίως μεταξύ ερασιτεχνών φυσικών παρά επαγγελματιών.

Επεξεργάστηκε από Anne Marie Helmenstine, Ph. D.