paradoks af Einstein, Podolsky og Rosen

Kirsten Open University (en Britannica Publishing Partner)se alle videoer til denne artikel

i 1935 analyserede Einstein og to andre fysikere i USA, Boris Podolsky og Nathan Rosen, et tankeeksperiment for at måle position og momentum i et par interagerende systemer. Ved at anvende konventionel kvantemekanik opnåede de nogle overraskende resultater, hvilket førte dem til at konkludere, at teorien ikke giver en komplet beskrivelse af den fysiske virkelighed. Deres resultater, som er så ejendommelige, at de virker paradoksale, er baseret på upåklagelig ræsonnement, men deres konklusion om, at teorien er ufuldstændig, følger ikke nødvendigvis. Bohm forenklet deres eksperiment samtidig bevare det centrale punkt i deres ræsonnement; denne diskussion følger hans konto.

protonen, som elektronen, har spin 1/2; uanset hvilken retning der vælges til måling af komponenten af dens spinvinkelmoment, er værdierne altid +LR/2 eller −LRR/2. (Den nuværende diskussion vedrører kun spin vinkelmoment, og ordet spin er udeladt fra nu af.) Det er muligt at opnå et system bestående af et par protoner i umiddelbar nærhed og med total vinkelmoment lig med nul. Således, hvis værdien af en af komponenterne i vinkelmomentet for en af protonerne er +kr/2 langs en hvilken som helst valgt retning, skal værdien for komponenten i samme retning for den anden partikel være −kr/2. Antag, at de to protoner bevæger sig i modsatte retninger, indtil de er langt fra hinanden. Systemets samlede vinkelmoment forbliver nul, og hvis komponenten af vinkelmoment i samme retning for hver af de to partikler måles, er resultatet et par lige og modsatte værdier. Derfor, efter at mængden er målt for en af protonerne, kan den forudsiges for den anden proton; den anden måling er unødvendig. Som tidligere nævnt ændrer måling af en mængde systemets tilstand. Hvis måling af vinkelmomentet for proton 1 således frembringer værdien + kr / 2, svarer tilstanden af proton 1 efter måling til kr = +kr/2, og tilstanden af proton 2 svarer til kr = −kr/2. Enhver retning kan dog vælges til måling af komponenten af vinkelmoment. Uanset hvilken retning der vælges, svarer tilstanden af proton 1 efter måling til en bestemt komponent af vinkelmoment omkring den retning. Da proton 2 endvidere skal have den modsatte værdi for den samme komponent, følger det heraf, at målingen på proton 1 resulterer i en bestemt tilstand for proton 2 i forhold til den valgte retning, uanset at de to partikler kan være millioner af kilometer fra hinanden og ikke interagerer med hinanden på det tidspunkt. Einstein og hans to samarbejdspartnere mente, at denne konklusion var så åbenlyst falsk, at den kvantemekaniske teori, som den var baseret på, skal være ufuldstændig. De konkluderede, at den korrekte teori ville indeholde nogle skjulte variable træk, der ville genoprette determinismen i klassisk fysik.

en sammenligning af hvordan kvanteteori og klassisk teori beskriver vinkelmoment for partikelpar illustrerer den væsentlige forskel mellem de to udsigter. I begge teorier, hvis et system med to partikler har en total vinkelmoment på nul, så er vinkelmomentet for de to partikler lige og modsat. Hvis komponenterne i vinkelmoment måles i samme retning, er de to værdier numerisk ens, den ene positive og den anden negative. Således, Hvis en komponent måles, kan den anden forudsiges. Den afgørende forskel mellem de to teorier er, at det undersøgte system i klassisk fysik antages at have haft den mængde, der måles på forhånd. Målingen forstyrrer ikke systemet; det afslører blot den allerede eksisterende tilstand. Det kan bemærkes, at hvis en partikel faktisk skulle besidde komponenter af vinkelmoment før måling, ville sådanne mængder udgøre skjulte variabler.

opfører naturen sig som kvantemekanik forudsiger? Svaret kommer fra at måle komponenterne i vinkelmoment for de to protoner langs forskellige retninger med en vinkel, der er mellem dem. En måling på en proton kan kun give resultatet +kr/2 eller −kr/2. Eksperimentet består i at måle korrelationer mellem plus-og minusværdierne for par af protoner med en fast værdi af KRP, og derefter gentage målingerne for forskellige værdier af KRP, som i figur 6. Fortolkningen af resultaterne hviler på en vigtig sætning af den Irskfødte fysiker John Stuart Bell. Bell begyndte med at antage eksistensen af en eller anden form for skjult variabel med en værdi, der ville afgøre, om det målte vinkelmoment giver et plus-eller minus-resultat. Han antog yderligere lokalitet-nemlig den måling på en proton (dvs., valget af måleretningen) kan ikke påvirke resultatet af målingen på den anden proton. Begge disse antagelser er enige med klassiske, fornuftige ideer. Han viste derefter ganske generelt, at disse to antagelser fører til et bestemt forhold, nu kendt som Bells ulighed, for de ovennævnte korrelationsværdier. Eksperimenter er blevet udført på flere laboratorier med fotoner i stedet for protoner (analysen er ens), og resultaterne viser ret endeligt, at Bells ulighed er overtrådt. Det vil sige, de observerede resultater stemmer overens med kvantemekanikens og kan ikke redegøres for en skjult variabel (eller deterministisk) teori baseret på begrebet lokalitet. Man er tvunget til at konkludere, at de to protoner er et korreleret par, og at en måling på en påvirker tilstanden af begge, uanset hvor langt fra hinanden de er. Dette kan slå en som meget ejendommelig, men Sådan ser naturen ud til at være.

det kan bemærkes, at virkningen på tilstanden af proton 2 efter en måling på proton 1 menes at være øjeblikkelig; effekten sker, før et lyssignal initieret af målehændelsen ved proton 1 når proton 2. Alain Aspect og hans kolleger i Paris demonstrerede dette resultat i 1982 med et genialt eksperiment, hvor sammenhængen mellem de to vinkelmomenta blev målt inden for et meget kort tidsinterval ved hjælp af en højfrekvent skifteanordning. Intervallet var mindre end den tid, det tog for et lyssignal at bevæge sig fra den ene partikel til den anden ved de to målepositioner. Einsteins specielle relativitetsteori siger, at intet budskab kan rejse med en hastighed, der er større end lysets. Der er således ingen måde, at informationen om målingsretningen på den første proton kunne nå den anden proton, før målingen blev foretaget på den.