EPR-paradoksi ei horjuttanut Chicagon yliopiston dosentin Dan Hooperin Kööpenhaminan tulkintaa

havainnekuva EPR-paradoksin osoittamiseksi suoritetusta kokeesta.
havainnekuva EPR-paradoksin ajatuskokeesta, joka suoritetaan tässä käyttäen elektroni-positronipareja. (Kuva: Krishnavedala / Public domain)

mitä on tieteellinen realismi?

Einsteinia vaivasi Kööpenhaminan tulkinnan mukaan se, miten tietty hiukkanen saattoi olla useassa paikassa yhtä aikaa tai miten se saattoi liikkua usealla nopeudella, kaikki samanaikaisesti. Vuosien väittelyn ja harkinnan jälkeen Einstein päätyi lopulta ottamaan ja vaatimaan tieteellisenä realismina tunnettua filosofista kantaa tämän vastapainoksi.

kuten Einstein asian näki, ihminen on tieteellinen realisti, jos hän uskoo todellisen ja tarkoin määritellyn maailman tilan olemassaoloon ja siihen, että maailma on olemassa riippumatta siitä, mitä havaintoja siitä voi tehdä. Toisin sanoen maailma on todellinen ja hyvin määritelty asia, joka on olemassa meistä riippumatta. Havainnoimalla sitä voimme oppia asioita maailmasta, mutta havaintomme eivät tee maailmasta sellaista kuin se on.

Einsteinin vaatimus tieteellisestä realismista oli jyrkässä ristiriidassa Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinnan kanssa. Kööpenhaminan tulkinnan mukaan elektroni voisi olla useassa paikassa yhtä aikaa, mutta kun elektronista tehdään havainto, sen aaltofunktio romahtaa, ja se muuttuu siten, ettei se ole enää useassa paikassa vaan vain yhdessä. Tämä tulkinta ei ollut yhteensopiva Einsteinin ajatusten kanssa maailmasta tai hänen pitäytymisestään tieteellisessä realismissa.

Lue lisää Einsteinin mustien aukkojen hylkäämisestä.

onko kvanttimekaniikan teoria epätäydellinen?

vaikka Einstein ei ollut samaa mieltä Kööpenhaminan tulkinnasta, hänen oli hyväksyttävä, että kvanttimekaniikan yhtälöillä tehdyt ennustukset olivat yhtäpitäviä minkä tahansa laboratoriomittausten ja-testien kanssa. Kvanttimekaniikka ei tuntunut olevan yksinkertaisesti pielessä.

Albert Einsteinin muotokuva vuonna 1931.
Albert Einsteinin muotokuva vuodelta 1931, noin neljä vuotta ennen kuin hän julkaisi EPR-tutkielman Podolskyn ja Rosenin kanssa. (Kuva: Doris Ulmann / Library of Congress Prints and Photographs Division)

niinpä hän keskittyi yritykseensä osoittaa, että kvanttimekaniikan teoria oli jotenkin epätäydellinen. Einstein toivoi pystyvänsä löytämään kvanttimekaniikasta täydellisemmän version, joka olisi deterministinen ja sopusoinnussa tieteellisen realismin kanssa.

kuitenkin kaikki filosofiset vastaväitteet, joita Einstein onnistui esittämään Kööpenhaminan tulkintoja vastaan, olivat parhaimmillaankin subjektiivisia eikä onnistunut vakuuttamaan muita fyysikoita siitä, että kvanttiteorian konsensuskäsitys olisi virheellinen tai epätäydellinen.

Einsteinin täytyi paljastaa looginen epäjohdonmukaisuus tai tunnistaa Kööpenhaminan tulkinnassa suuri ongelma, joka voitiin tunnistaa kohtalokkaaksi virheeksi vakuuttaakseen kollegansa.

Lue lisää Kvanttisotkahduksesta.

Kvanttisotkeuma ja EPR-paradoksi

New York Times otsikoi, että Einstein hyökkää kvanttiteoriaa vastaan.
New York Timesin numerossa 4.toukokuuta 1935 EPR: n julkaisun jälkeen julkaistu otsikko. (Kuva: New York Times / Public domain)

Einstein oli jo useita vuosia miettinyt hiukkasryhmiä, joiden aaltofunktiot riippuvat suoraan toisistaan. Tänään viittaamme tällaisiin aaltofunktioihin ”sotkeutuneina”, mutta tätä terminologiaa ei ollut vielä keksitty 1920-luvun lopulla.

vaikka Einstein ei ollut vielä täysin tutkinut tai ymmärtänyt kvanttisidonnaisuuden vaikutuksia, hän kuitenkin ymmärsi, että kvanttisidonnaisuus oli Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinnan väistämätön seuraus. Hän myös ymmärsi, että jokin erityisen outo käytös voi johtua kvanttisotkusta.

vuonna 1933 Einstein asettui Princetonin Institute for Advanced Studyyn paettuaan natsi-Saksasta. Siellä hän työskenteli kahden muun fyysikon, Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin kanssa. Seuraavien kahden vuoden aikana he kirjoittivat vaikutusvaltaisen artikkelin nimeltä ” Can A Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”Tämä paperi sisälsi ensimmäisen kuvauksen siitä, mitä tultaisiin tuntemaan EPR-paradoksina tai Einsteinin-Podolskin-Rosenin paradoksina.

tämä on transkriptio videosarjasta What Einstein Got Wrong. Katso se nyt, Great Courses Plus.

EPR-paperi kuvasi hypoteettisen kokeen, jonka tarkoituksena oli osoittaa, mitä Einstein piti Kööpenhaminan tulkinnan paradoksaalisina seurauksina. EPR-koe oli yksi Einsteinin tunnetuimmista ajatuskokeista.

EPR-ajatuskokeesta on vuosien varrella keskusteltu ja ehdotettu useita eri versioita. Niillä kaikilla on samat peruselementit, mukaan lukien hiukkaspari, jotka alkavat lähietäisyydeltä ja vuorovaikuttavat, ja kulkevat sitten kaukana toisistaan eri suuntiin.

yksi paremmista myöhemmistä versioista kuvaa atomia, joka on hajoamaisillaan. Se tuottaa kaksi hiukkasta, joilla on sama massa. Koska systeemi alkaa ilman liikemomenttia, liikemäärän säilymislaki sanoo, että näiden kahden hiukkasen yhteenlaskun on oltava nolla. Tämä tarkoittaa sitä, että näiden kahden hiukkasen on kuljettava poispäin atomista vastakkaisiin suuntiin ja yhtä suurilla nopeuksilla.

nämä ovat kuitenkin kvanttihiukkasia, joiden nopeuksille ei ole yksikäsitteisesti määriteltyjä arvoja. Sen sijaan niitä kuvataan aaltofunktiolla, jonka avulla voidaan laskea todennäköisyys sille, että niillä havaitaan mitattaessa olevan tietty nopeus. Lisäksi ennen minkään mittauksen suorittamista näiden hiukkasten nopeuksilla on useita arvoja, ja kaikki samaan aikaan.

Kuvittele, että nämä hiukkaset kulkevat jonkin merkittävän matkan päässä atomista, ja samalla ne etääntyvät yhä enemmän toisistaan. Kun ne on erotettu, mittaat yhden hiukkasen nopeuden. Oletetaan esimerkiksi, että mitataan hiukkasen kulkevan 100 kilometrin tuntivauhtia.

Kööpenhaminan tulkinnan mukaan tekemällä tämän mittauksen romahdat hiukkasen aaltofunktion. EPR-kokeen perusteella näyttää kuitenkin siltä, että olet tehnyt myös jotain muuta. Tämä on EPR-kokeen pääasia.

koska liikemäärä säilyy aina, toisen hiukkasen nopeutta mittaamalla oppii myös toisen hiukkasen nopeuden. Loppujen lopuksi näiden kahden hiukkasen on liikuttava yhtä nopeasti. Mittaamalla yhden hiukkasen nopeutta-ei ainoastaan aiheuteta hiukkasen aaltofunktion romahtamista, – vaan myös toisen hiukkasen aaltofunktion romahtamista. Pääsemättä lähellekään toista hiukkasta, – olet jotenkin pakottanut sen aaltofunktion romahtamaan.

Einstein uskoi, että tällainen käyttäytyminen oli ilmeisen mahdotonta. Hän väitti, että ei ole mitään, että yksi voi tehdä hiukkasen yhdessä paikassa, joka voisi mahdollisesti vaikuttaa eri hiukkanen eri paikassa. EPR-koe taas osoittaa, että tällaista on tapahduttava Kööpenhaminan kvanttimekaniikan näkemyksen mukaan. Tämä vastaväite on EPR-paradoksin ydin. Einstein ajatteli vihdoin osoittaneensa, miksi Kööpenhaminan näkemyksen piti olla epätäydellinen. Tai ehkä jopa väärässä.

Lue lisää siitä, miksi Einstein hylkäsi mustien aukkojen käsitteen.

Niels Bohrin vastaus EPR-paradoksiin

tanskalainen fyysikko Niels Bohr, joka oli yksi Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkinnan ensisijaisista puolestapuhujista, katsoi velvollisuudekseen vastata Einsteinin hyökkäykseen ja selventää ja ehkä korjata tilannetta.

Bohr oli vakuuttunut, että kvanttimekaniikka oli pätevä teoria, ja hän pelkäsi Einsteinin hyökkäysten heikentävän sen uskottavuutta epäoikeudenmukaisesti. Niin, Bohr laittaa kaiken muun syrjään ja vietti kuusi intensiivistä viikkoa muotoilemalla ja kirjallisesti vastaus EPR paperin ja sen kritiikkiä Kööpenhamina tulkinta kvanttimekaniikka.

EPR-tutkielmaan vastanneessa artikkelissaan Bohr ei pyrkinyt kyseenalaistamaan johtopäätöstä, jonka mukaan Kööpenhaminan tulkinta johtaa aaltofunktioiden sekoittumiseen. Oli selvää, että on. Bohrin mukaan mikään ei ollut loogisesti ristiriidassa sotkeutumisen kanssa. Kietoutuminen on outoa, mutta se ei tarkoita, etteikö se olisi myös todellista.

yksi peruste, jolla kvanttisotkahdusta voidaan vastustaa, on se, että siihen näyttää liittyvän valoa nopeampi matka. Suhteellisuusteorian mukaan mikään ei voi liikkua avaruudessa valonnopeutta nopeammin.

tämä ilmeinen ongelma tulee siitä, että kun mitataan EPR-kokeessa toisen hiukkasen nopeutta, se romahduttaa välittömästi molempien hiukkasten aaltofunktiot. Koska nämä kaksi hiukkasta erottaa toisistaan merkittävä etäisyys, tämä näyttää vaativan välitöntä matkustamista avaruudessa.

Einstein kutsui tätä ”aavemaiseksi toiminnaksi etäältä”, ja se näytti rikkovan suhteellisuusteorian keskeistä opinkappaletta.

lähemmässä tarkastelussa käy ilmi, että kvanttisidonnaisuus saattaa näyttää rikkovan suhteellisuusteoriaa, mutta todellisuudessa se ei. tarkemmin sanottuna se ei salli minkään hiukkasen tai minkään muunkaan informaation liikkua kahden paikan välillä valoa nopeammalla nopeudella. Kaksi hiukkasta voi liittyä toisiinsa kietoutumisensa kautta, mutta tätä ei koskaan voitu käyttää signaalin tai kohteen lähettämiseen paikasta toiseen valonnopeutta nopeammalla nopeudella.

Bohr oli osoittanut, että EPR-paradoksin lähempi tarkastelu paljasti, ettei siellä todellisuudessa ole paradoksia lainkaan. Vaikka Bohrin vastaus ei juuri muuttanut Einsteinin mieltä, useimmat fyysikot näyttävät pitäneen hänen vastaväitteitään vakuuttavina. Nykyään EPR-paperia pidetään yleisesti Einsteinin harha-askeleena.

EPR-paperi kiinnitti huomiota kvanttisidonnaisuuden ilmiöihin, mutta se ei lopulta tarjonnut pätevää todistetta Kööpenhaminan kvanttimekaniikan tulkintaa vastaan. Einstein oli toivonut EPR-paperin antavan kohtalokkaan iskun kvanttimekaniikan konsensusnäkemykselle, mutta teoria säilyi ja siitä tuli vahvempi kuin koskaan aiemmin.

Yleisiä kysymyksiä EPR-paradoksista

K: Miksi EPR-paradoksi on väärä?

Einstein oli toivonut, että EPR-paradoksi, joka näytti viittaavan siihen, että kvanttimekaniikan teoria olisi epätäydellinen, lopulta tyhjentäisi Kööpenhaminan tulkinnan ympärillä vallinneen konsensuksen. EPR-paradoksin mukaan hiukkaset kulkivat valoa nopeammin, mikä rikkoi yleisiä suhteellisuusteorian esteitä. Tämä osoittautui kuitenkin myöhemmin virheelliseksi. EPR-paradoksi on siis väärä.

K: Mikä on kietoutumisteoria?

sotkeutumisteorian mukaan toisiinsa kietoutuneet kvanttihiukkaset pysyvät kiinni, ja kaikki yhteen hiukkaseen kohdistuva toiminta vaikuttaa yhtä lailla toisiin hiukkasiin, vaikka mainitut hiukkaset olisivat kaukana toisistaan.

K: Onko kvanttitähystys valoa nopeampaa?

ei, kvanttikontanglaatio noudattaa suhteellisuusteorian sääntöjä eikä salli kulkemista valonnopeutta nopeammin. Sotkeutuneet kappaleet käyttäytyvät samalla tavalla, mikä luo vaikutelman valoa nopeammasta matkasta, mutta varsinaista matkaa tai viestintää valoa nopeammin ei tapahdu.

K: Mitä on superpositio ja sekaantuminen?

yksinkertaisissa sanoissa kvanttihiukkasten sekoittumisella tarkoitetaan informaation edestakaista siirtämistä kvanttihiukkasparin välillä. Toisaalta kvanttisuperpositiolla tarkoitetaan teoriaa, jonka mukaan kvanttihiukkasia on samanaikaisesti useita tiloja.

havainnekuva EPR-paradoksin ajatuskokeesta, joka suoritetaan tässä käyttäen elektroni-positronipareja. (Kuva: Krishnavedala / Public domain) mitä on tieteellinen realismi? Einsteinia vaivasi Kööpenhaminan tulkinnan mukaan se, miten tietty hiukkanen saattoi olla useassa paikassa yhtä aikaa tai miten se saattoi liikkua usealla nopeudella, kaikki samanaikaisesti. Vuosien väittelyn ja harkinnan jälkeen Einstein päätyi lopulta ottamaan ja vaatimaan tieteellisenä realismina tunnettua…

havainnekuva EPR-paradoksin ajatuskokeesta, joka suoritetaan tässä käyttäen elektroni-positronipareja. (Kuva: Krishnavedala / Public domain) mitä on tieteellinen realismi? Einsteinia vaivasi Kööpenhaminan tulkinnan mukaan se, miten tietty hiukkanen saattoi olla useassa paikassa yhtä aikaa tai miten se saattoi liikkua usealla nopeudella, kaikki samanaikaisesti. Vuosien väittelyn ja harkinnan jälkeen Einstein päätyi lopulta ottamaan ja vaatimaan tieteellisenä realismina tunnettua…

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.