EPR-paradokset undlod at miskreditere Københavns fortolkning

af Dan Hooper, Ph. D., University of Chicago
en illustration af et eksperiment, der udføres for at demonstrere EPR-paradokset.
en illustration af EPR paradoks tankeeksperiment, som udføres her ved hjælp af par af elektron-positron. (Billede: Krishnavedala / Public domain)

Hvad er videnskabelig realisme?

Einstein var ubehagelig med den måde, en given partikel kunne være flere steder på en gang, eller hvordan den kunne bevæge sig med flere hastigheder, alt sammen samtidigt, ifølge Københavns fortolkning. Efter mange års debat og overvejelse kom Einstein i sidste ende til at indtage og insistere på en filosofisk holdning kendt som videnskabelig realisme for at imødegå dette.

som Einstein så det, er man en videnskabelig realist, hvis de tror på eksistensen af en reel og veldefineret tilstand i verden, og at verden eksisterer uafhængigt af eventuelle observationer, som du måtte gøre af den. Med andre ord er verden en reel og veldefineret ting, der eksisterer uafhængigt af os. Ved at observere det kan vi lære ting om verden, men vores observationer gør ikke verden til, hvad den er.

Einsteins insisteren på videnskabelig realisme faldt i skarp kontrast til Københavns fortolkning af kvantemekanik. Ifølge Københavns fortolkning kunne en elektron være flere steder ad gangen, men når en observation foretages af en elektron, kollapser dens bølgefunktion, og den omdannes til ikke længere at være flere steder, men i stedet kun at være i en. Denne fortolkning var ikke kompatibel med Einsteins ideer om verden eller hans overholdelse af videnskabelig realisme.

Lær mere om Einsteins afvisning af sorte huller.

er teorien om kvantemekanik ufuldstændig?

selvom Einstein ikke var enig i Københavns fortolkning, måtte han acceptere, at forudsigelserne, der blev lavet med kvantemekanikens ligninger, var i overensstemmelse med et hvilket som helst antal laboratoriemålinger og tests. Kvantemekanik syntes ikke at være simpelthen forkert.

portræt af Albert Einstein i 1931.
et portræt af Albert Einstein fra 1931, cirka fire år før han udgav EPR-papiret med Podolsky og Rosen. (Billede: Doris Ulmann / Kongresbiblioteket udskriver og fotografier Division)

så han fokuserede sin indsats på at forsøge at demonstrere, at teorien om kvantemekanik på en eller anden måde var ufuldstændig. Einstein håbede, at han ville være i stand til at finde en mere komplet version af kvantemekanik, der var deterministisk, og som var Kompatibel med videnskabelig realisme.

imidlertid var alle de filosofiske indvendinger, som Einstein formåede at rejse mod Københavns fortolkninger, i bedste fald subjektive og undlod at overbevise andre fysikere om, at konsensussynet om kvanteteori var forkert eller ufuldstændigt.

Einstein havde brug for at afsløre en logisk inkonsekvens eller identificere et stort problem i Københavns fortolkning, der kunne anerkendes som en dødelig fejl for at overbevise sine kolleger.

Lær mere om Kvanteindviklingen.

Kvanteindvikling og EPR-paradokset

Ny York Times overskrift, der siger, at Einstein angriber kvanteteori.
en overskrift i Ny York Times-udgaven af 4.maj 1935 efter offentliggørelsen af EPR-papiret. (Billede: Ny York Times/Public domain)

i en årrække havde Einstein tænkt på grupper af partikler med bølgefunktioner, der er direkte afhængige af hinanden. I dag henviser vi til sådanne bølgefunktioner som ‘indviklet’, men denne terminologi var endnu ikke blevet opfundet i slutningen af 1920 ‘ erne.

mens Einstein endnu ikke fuldt ud havde udforsket eller forstået konsekvenserne af kvanteindvikling, erkendte han, at kvanteindvikling var en uundgåelig konsekvens af Københavns fortolkning af kvantemekanik. Han erkendte også, at en særlig mærkelig opførsel kunne skyldes kvanteforvikling.

i 1933 indtog Einstein en stilling ved Princeton ‘ s Institute for Advanced Study efter at have flygtet fra Tyskland. Der arbejdede han sammen med to andre fysikere, Boris Podolsky og Nathan Rosen. I løbet af de næste to år skrev de en indflydelsesrig artikel med titlen “kan en kvantemekanisk beskrivelse af den fysiske virkelighed betragtes som komplet?”Dette papir indeholdt den første beskrivelse af, hvad der ville blive kendt som EPR-paradokset eller Einstein-Podolsky-Rosen-paradokset.

dette er en udskrift fra videoserien, hvad Einstein fik forkert. Se det nu, på de store kurser Plus.

EPR-papiret beskrev et hypotetisk eksperiment, der skulle demonstrere, hvad Einstein så som de paradoksale konsekvenser af Københavns fortolkning. EPR-eksperimentet var et af Einsteins mest berømte tankeeksperimenter.

en række forskellige versioner af EPR-tankeeksperimentet er blevet drøftet og foreslået gennem årene. De har alle de samme grundlæggende elementer, herunder et par partikler, der starter tæt på hinanden og interagerer og derefter rejser langt væk fra hinanden i forskellige retninger.

en af de bedre senere versioner beskriver et atom, der er ved at henfalde. Det producerer to partikler med samme masse. Da systemet starter uden momentum, siger loven om bevarelse af momentum, at det samlede momentum for de to partikler bliver nødt til at tilføje op til nul. Dette betyder, at disse to partikler skal bevæge sig væk fra atomet i modsatte retninger og med lige hastigheder.

disse er imidlertid kvantepartikler uden entydigt definerede værdier af deres hastigheder. I stedet beskrives de af en bølgefunktion, der kan bruges til at beregne sandsynligheden for, at de vil blive fundet at have en bestemt hastighed, når de måles. Derudover har hastighederne af disse partikler, inden der foretages en måling, flere værdier og alle på samme tid.

Forestil dig, at disse partikler bevæger sig en betydelig afstand væk fra atomet, og når de gør det, bliver de mere og mere adskilt fra hinanden. Når de er adskilt, tager du en måling af hastigheden af en af partiklerne. Lad os for eksempel sige, at du måler partiklen til at rejse med en hastighed på 100 miles i timen.

ifølge Københavns fortolkning kollapser du ved at foretage denne måling partiklens bølgefunktion. Men ifølge EPR-eksperimentet synes du også at have gjort noget andet. Og dette er hovedpunktet i EPR-eksperimentet.

da momentum altid bevares, ved at måle hastigheden af en af partiklerne lærer du også hastigheden af den anden partikel. Når alt kommer til alt skal de to partikler bevæge sig med lige hastigheder. Så ved at måle hastigheden af en af partiklerne får du ikke kun partiklens bølgefunktion til at kollapse, du kollapser også den anden partikels bølgefunktion. Uden at komme nogen steder i nærheden af den anden partikel, har du på en eller anden måde tvunget dens bølgefunktion til at kollapse.

Einstein mente, at denne form for adfærd var åbenlyst umulig. Han hævdede, at der ikke er noget, man kan gøre for en partikel på et sted, der muligvis kan påvirke en anden partikel på et andet sted. Mens EPR-eksperimentet viser, at denne slags ting skal ske i henhold til Københavns syn på kvantemekanik. Denne indvending er essensen af EPR-paradokset. Einstein troede, at han endelig havde vist, hvorfor Københavns opfattelse skulle være ufuldstændig. Eller måske endda forkert.

Lær mere om, hvorfor Einstein afviste begrebet sorte huller.

Niels Bohrs svar på EPR-paradokset

den danske fysiker Niels Bohr, der var en af de primære fortalere for Københavns fortolkning af kvantemekanik, følte, at det var hans ansvar at reagere på Einsteins angreb og at afklare og måske rette op på situationen.

Bohr var overbevist om, at kvantemekanik var en gyldig teori, og han frygtede, at Einsteins angreb uretfærdigt ville mindske dens troværdighed. Så Bohr lagde alt andet til side og tilbragte seks intense uger med at formulere og skrive et svar på EPR-papiret og dets kritik af Københavns fortolkning af kvantemekanik.

i sin artikel som svar på EPR-papiret forsøgte Bohr ikke at udfordre konklusionen om, at Københavns fortolkning fører til sammenfiltring af bølgefunktioner. Det var klart, at det gør. Bohr hævdede, at der ikke var noget logisk uforeneligt med sammenfiltring. Entanglement er underligt, men det betyder ikke, at det ikke også er rigtigt.

en af grundene til, at man kan gøre indsigelse mod kvanteindvikling, er, at det ser ud til at involvere hurtigere end lys rejse. Ifølge relativitet kan intet bevæge sig gennem rummet hurtigere end lysets hastighed.

dette tilsyneladende problem kommer fra det faktum, at når man måler hastigheden af en af partiklerne i EPR-eksperimentet, kollapser det øjeblikkeligt bølgefunktionerne for begge partikler. I betragtning af at en betydelig afstand adskiller disse to partikler, synes dette at kræve øjeblikkelig rejse gennem rummet.

Einstein omtalte dette som “uhyggelig handling på afstand”, og det syntes at krænke et centralt relativitetsprincip.

ved nærmere undersøgelse viser det sig, at kvanteindvikling kan synes at krænke relativitet, men i virkeligheden gør det ikke. mere specifikt gør det det ikke muligt for nogen partikel eller nogen anden form for information at bevæge sig mellem to steder med en hastighed hurtigere end lys. To partikler kan være forbundet gennem deres sammenfiltring, men dette kunne aldrig bruges til at sende et signal eller et objekt fra et sted til et andet med en hastighed hurtigere end lysets hastighed.

Bohr havde vist, at et nærmere kig på EPR-paradokset afslørede, at der virkelig ikke er noget paradoks der overhovedet. Selvom Bohrs svar ikke gjorde meget for at ændre Einsteins sind, synes de fleste fysikere at have fundet hans tilbagevisning overbevisende. I dag betragtes EPR-papiret bredt som et Fejltrin af Einstein.

EPR-papiret gjorde opmærksom på fænomenerne kvanteindvikling, men det gav i sidste ende ikke en gyldig sag mod Københavns fortolkning af kvantemekanik. Einstein havde håbet, at EPR-papiret ville give et fatalt slag for konsensussynet om kvantemekanik, men teorien overlevede og blev stærkere end nogensinde før.

almindelige spørgsmål om EPR-paradokset

spørgsmål: Hvorfor er EPR-paradokset forkert?

Einstein havde håbet, at EPR-paradokset, som syntes at antyde, at teorien om kvantemekanik var ufuldstændig, endelig ville tømme konsensus omkring Københavns fortolkning. EPR-paradokset antydede, at partikler rejste hurtigere end lysets, hvilket overtrådte generelle relativitetsbarrierer. Dette blev dog senere påvist at være forkert. Derfor er EPR-paradokset forkert.

spørgsmål: Hvad er sammenfiltringsteorien?

sammenfiltringsteorien siger, at kvantepartikler, der er sammenfiltret, forbliver sammenfiltrede, og enhver handling, der udføres på en af partiklerne, påvirker ligeledes de andre partikler, selvom de nævnte partikler er langt fra hinanden.

spørgsmål: er kvanteindvikling hurtigere end lys?

Nej, kvanteindvikling følger relativitetsreglerne og tillader ikke rejse hurtigere end lysets hastighed. Sammenfiltrede objekter opfører sig på samme måde, hvilket skaber indtryk af at rejse hurtigere end lys, men ingen faktisk rejse eller kommunikation hurtigere end lys finder sted.

spørgsmål: Hvad er superposition og sammenfiltring?

i enkle ord henviser kvanteindvikling til frem og tilbage overførsel af information mellem et par kvantepartikler. På den anden side henviser kvantesuperposition til teorien, der antyder, at kvantepartikler samtidig findes i flere tilstande.

af Dan Hooper, Ph. D., University of Chicago en illustration af EPR paradoks tankeeksperiment, som udføres her ved hjælp af par af elektron-positron. (Billede: Krishnavedala / Public domain) Hvad er videnskabelig realisme? Einstein var ubehagelig med den måde, en given partikel kunne være flere steder på en gang, eller hvordan den kunne bevæge sig med…

af Dan Hooper, Ph. D., University of Chicago en illustration af EPR paradoks tankeeksperiment, som udføres her ved hjælp af par af elektron-positron. (Billede: Krishnavedala / Public domain) Hvad er videnskabelig realisme? Einstein var ubehagelig med den måde, en given partikel kunne være flere steder på en gang, eller hvordan den kunne bevæge sig med…

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret.