Opi, miten Nicolas Gisinin ryhmä pani Einstein-Podolsky-Rosen-paradoksin koetukselle Geneven yliopistossa Sveitsissä.
© Open University (a Britannica Publishing Partner)Katso kaikki tämän artikkelin videot
vuonna 1935 Einstein ja kaksi muuta yhdysvaltalaista fyysikkoa, Boris Podolsky ja Nathan Rosen, analysoivat ajatuskoetta, jolla mitattiin asemaa ja liikemäärää parin vuorovaikuttavan järjestelmän välillä. Käyttämällä tavanomaista kvanttimekaniikkaa he saivat joitakin hätkähdyttäviä tuloksia, jotka saivat heidät päättelemään, että teoria ei anna täydellistä kuvausta fyysisestä todellisuudesta. Niiden tulokset, jotka ovat niin erikoisia, että vaikuttavat paradoksaalisilta, perustuvat moitteettomaan päättelyyn, mutta niiden johtopäätös, että teoria on epätäydellinen, ei välttämättä seuraa perässä. Bohm yksinkertaisti heidän kokeiluaan säilyttäen kuitenkin heidän päättelynsä keskeisen kohdan; tämä keskustelu seuraa hänen kertomustaan.
protonilla on elektronin tavoin spin 1/2; näin ollen riippumatta siitä, mihin suuntaan sen spin −kulmamomentin komponenttia mitataan, arvot ovat aina +ℏ/2 tai-ℏ/2. (Nykyinen keskustelu koskee vain spin – kulmamomenttia, ja sana spin on jätetty tästä eteenpäin pois.) On mahdollista saada systeemi, joka koostuu lähekkäin olevasta protoniparista ja jonka kokonaiskulmamomentti on nolla. Näin ollen, jos yhden protonin kulmamomentin komponentin arvo on + ℏ/2 missä tahansa valitussa suunnassa, toisen hiukkasen samassa suunnassa olevan komponentin arvon on oltava −ℏ / 2. Oletetaan, että kaksi protonia liikkuvat vastakkaisiin suuntiin, kunnes ne ovat kaukana toisistaan. Systeemin kokonaiskulmamomentti pysyy nollana, ja jos mitataan kummallekin hiukkaselle samaan suuntaan kulkeva kulmamomentin komponentti, saadaan tulokseksi pari yhtä ja vastakkaista arvoa. Näin ollen, kun Suure on mitattu yhdelle protoneista, se voidaan ennustaa toiselle protonille; toinen mittaus on tarpeeton. Kuten aiemmin todettiin, suureen mittaaminen muuttaa järjestelmän tilaa. Näin ollen jos mittaamalla SX (kulmamomentin x-komponentti) protoni 1: lle saadaan arvo +ℏ/2, protonin 1 tila mittauksen jälkeen vastaa arvoa SX = +ℏ/2 ja protonin 2 tila vastaa arvoa Sx = −ℏ/2. Kulmamomentin komponentin mittaamiseen voidaan kuitenkin valita mikä tahansa suunta. Riippumatta siitä, kumpi suunta on valittu, protonin 1 tila mittauksen jälkeen vastaa tiettyä kulmamomentin komponenttia kyseisen suunnan suhteen. Lisäksi koska protoni 2: lla on oltava saman komponentin vastakkainen arvo, tästä seuraa, että mittaamalla protoni 1: stä saadaan Proton 2: lle määräinen tila valittuun suuntaan nähden, vaikka nämä kaksi hiukkasta saattavat olla miljoonien kilometrien päässä toisistaan eivätkä ne sillä hetkellä ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Einstein ja hänen kaksi avustajaansa ajattelivat, että tämä johtopäätös oli niin ilmeisen väärä, että kvanttimekaaninen teoria, johon se perustui, on epätäydellinen. He päättelivät, että oikea teoria sisältäisi jonkin piilomuuttujan ominaisuuden, joka palauttaisi klassisen fysiikan determinismin.
vertailu siitä, miten kvanttiteoria ja klassinen teoria kuvaavat hiukkasparien kulmamomenttia, havainnollistaa oleellista eroa näiden kahden näkymän välillä. Molemmissa teorioissa, jos kahden hiukkasen systeemillä on yhteensä kulmamomentti nolla, niin kahden hiukkasen kulmamomentti on yhtä suuri ja vastakkainen. Jos kulmamomentin komponentit mitataan samaan suuntaan, kaksi arvoa ovat numeerisesti yhtä suuret, toinen positiivinen ja toinen negatiivinen. Näin ollen, jos yksi komponentti mitataan, toinen voidaan ennustaa. Ratkaiseva ero näiden kahden teorian välillä on se, että klassisessa fysiikassa tutkittavan systeemin oletetaan omistaneen etukäteen mitattavan suureen. Mittaus ei häiritse järjestelmää, se vain paljastaa olemassa olevan tilan. Voidaan todeta, että jos hiukkasella todella olisi ennen mittausta kulmamomentin osia, tällaiset suureet muodostaisivat piilomuuttujia.
miten kvanttimekaniikka tekee fotoniteleportaation mahdolliseksi.
© World Science Festival (Britannica Publishing Partner)Katso kaikki tämän artikkelin videot
käyttäytyykö luonto niin kuin kvanttimekaniikka ennustaa? Vastaus tulee mittaamalla kulmamomentan komponentit kahdelle protonille eri suuntiin niiden välisellä kulmalla θ. Yhden protonin mitta voi antaa vain tuloksen + ℏ / 2 tai-ℏ/2. Kokeessa mitataan plus-ja miinus-arvojen korrelaatioita protonipareille, joiden kiinteä arvo on θ, ja toistetaan sitten mittaukset eri arvoille θ, kuten kuvassa 6. Tulosten tulkinta perustuu Irlantilaissyntyisen fyysikon John Stewart Bellin tärkeään teoreemaan. Bell aloitti olettamalla, että on olemassa jonkinlainen piilomuuttuja, jonka arvo määrittäisi, antaako mitattu kulmamomentti plus-vai miinustuloksen. Hän edelleen oletetaan paikkakunta-nimittäin, että mittaus yhden protonin (ts., mittaussuunnan valinta) ei voi vaikuttaa mittaustulokseen toisella protonilla. Molemmat oletukset ovat yhtäpitäviä klassisten, järkevien ajatusten kanssa. Sitten hän osoitti varsin yleisesti, että nämä kaksi oletusta johtavat tiettyyn suhteeseen, joka tunnetaan nyt nimellä Bellin epäyhtälö, edellä mainittujen korrelaatioarvojen osalta. Useissa laboratorioissa on tehty kokeita fotoneilla protonien sijaan (analyysi on samankaltainen), ja tulokset osoittavat melko kiistattomasti, että Bellin epäyhtälö on rikottu. Toisin sanoen havaitut tulokset ovat yhtäpitäviä kvanttimekaniikan tulosten kanssa, eikä niitä voida selittää piilomuuttujan (tai deterministisen) teorian avulla, joka perustuu lokaalisuuden käsitteeseen. On pakko päätellä, että kaksi protonia ovat korreloiva pari ja että yhden mittaus vaikuttaa molempien tilaan riippumatta siitä, kuinka kaukana ne ovat toisistaan. Tämä voi tuntua hyvin omituiselta, mutta tällaiselta luonto näyttää.
kuva 6: Kokeessa määritetään mitattujen kulmamomentin arvojen korrelaatio protoniparille, jonka kokonaismomentti on nolla. Kaksi protonia ovat aluksi pisteessä 0 ja liikkuvat vastakkaisiin suuntiin kohti kahta magneettia.
Encyclopædia Britannica, Inc.
voidaan todeta, että protoni 1: llä tehdyn mittauksen vaikutuksen protoni 2: n tilaan uskotaan olevan hetkellinen; vaikutus tapahtuu ennen kuin mittaustapahtuman protoni 1: ssä käynnistämä valosignaali saavuttaa protoni 2: n. Alain Aspect ja hänen työtovereiden Pariisissa osoitti tämän tuloksen vuonna 1982 nerokas kokeilu, jossa korrelaatio kahden kulmikas momenta oli mitattu, hyvin lyhyen ajan kuluessa, jonka korkean taajuuden kytkentä laite. Väli oli pienempi kuin aika, joka valosignaalin kulkemiseen hiukkaselta toiselle kahdessa mittauspisteessä kului. Einsteinin erityisen suhteellisuusteorian mukaan mikään viesti ei voi kulkea valoa suuremmalla nopeudella. Näin ollen ei ole mahdollista, että tieto ensimmäisen protonin mittaussuunnasta ehtisi toiselle protonille ennen kuin mittaus tehtiin sille.
