Paradoks EPR Nie zdyskredytował interpretacji kopenhaskiej

autorstwa Dana Hoopera, Ph. D., University of Chicago
ilustracja eksperymentu przeprowadzonego w celu wykazania paradoksu EPR.
ilustracja eksperymentu myślowego paradoksu EPR, który jest tu przeprowadzany przy użyciu par elektron-pozyton. (Image: Krishnavedala / Public domain)

czym jest realizm naukowy?

Einstein czuł się nieswojo ze sposobem, w jaki dana cząstka może znajdować się w wielu miejscach naraz lub w jaki sposób może poruszać się z wieloma prędkościami, wszystkie jednocześnie, zgodnie z interpretacją kopenhaską. Po latach dyskusji i rozważań, Einstein ostatecznie przyszedł do podjęcia i nalegać na stanowisko filozoficzne znane jako realizm naukowy, aby temu przeciwdziałać.

jak widział to Einstein, jeden jest realistą naukowym, jeśli wierzy w istnienie prawdziwego i dobrze zdefiniowanego stanu świata, i że świat istnieje niezależnie od jakichkolwiek obserwacji, które można z niego zrobić. Innymi słowy, świat jest rzeczywistą i dobrze zdefiniowaną rzeczą, która istnieje niezależnie od nas. Obserwując to, możemy dowiedzieć się czegoś o świecie, ale nasze obserwacje nie sprawiają, że świat jest tym, czym jest.

naleganie Einsteina na realizm naukowy kontrastowało z kopenhaską interpretacją mechaniki kwantowej. Zgodnie z interpretacją kopenhaską elektron może znajdować się w wielu miejscach jednocześnie, ale gdy obserwacja elektronu jest wykonywana, jego funkcja falowa załamuje się i przekształca się już nie w wielu miejscach, ale zamiast tego jest tylko w jednym. Interpretacja ta nie była zgodna z ideami Einsteina dotyczącymi świata ani jego przywiązaniem do realizmu naukowego.

dowiedz się więcej o odrzuceniu przez Einsteina czarnych dziur.

czy teoria mechaniki kwantowej jest niepełna?

chociaż Einstein nie zgadzał się z interpretacją kopenhaską, musiał zaakceptować, że przewidywania dokonywane za pomocą równań mechaniki kwantowej są zgodne z dowolną liczbą pomiarów i testów laboratoryjnych. Mechanika kwantowa nie wydawała się po prostu błędna.

Portret Alberta Einsteina z 1931 roku.
portret Alberta Einsteina z 1931 roku, około cztery lata przed opublikowaniem pracy EPR z Podolskim i Rosenem. (Obraz: Doris Ulmann / Dział druków i fotografii Biblioteki Kongresu)

skupił się więc na próbie wykazania, że teoria mechaniki kwantowej jest w jakiś sposób niekompletna. Einstein miał nadzieję, że będzie w stanie znaleźć bardziej kompletną wersję mechaniki kwantowej, która była deterministyczna, a to było zgodne z realizmem naukowym.

jednak wszystkie filozoficzne obiekcje, jakie Einstein zdołał wysunąć przeciwko Kopenhaskim interpretacjom, były w najlepszym razie subiektywne i nie udało się przekonać innych fizyków, że konsensusowy pogląd na teorię kwantową jest nieprawidłowy lub niekompletny.

Einstein musiał ujawnić logiczną niespójność lub zidentyfikować poważny problem w interpretacji kopenhaskiej, który można uznać za fatalną wadę, aby przekonać swoich kolegów.

dowiedz się więcej o splątaniu kwantowym.

splątanie kwantowe i paradoks EPR

nagłówek New York Timesa, który mówi, że Einstein atakuje teorię kwantową.
a headline in the New York Times issue dated 4 May, 1935, after the publication of the EPR paper. (Image: New York Times / Public domain)

przez wiele lat Einstein myślał o grupach cząstek o funkcjach falowych, które zależą bezpośrednio od siebie. Dzisiaj takie funkcje falowe nazywamy „splątanymi”, ale terminologia ta nie została jeszcze wymyślona pod koniec lat 20.

podczas gdy Einstein nie zbadał jeszcze w pełni ani nie zrozumiał implikacji splątania kwantowego, uznał, że splątanie kwantowe było nieuniknioną konsekwencją kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej. Uznał również, że niektóre szczególnie dziwne zachowania mogą wynikać z splątania kwantowego.

w 1933 roku Einstein objął stanowisko w Princeton ’ s Institute for Advanced Study, po ucieczce z nazistowskich Niemiec. Tam pracował z dwoma innymi fizykami, Borysem Podolskim i Nathanem Rosenem. W ciągu następnych dwóch lat napisali wpływowy artykuł zatytułowany ” Can a Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be Considered Complete?”Ten artykuł zawierał pierwszy opis tego, co stało się znane jako paradoks EPR lub paradoks Einsteina-Podolskiego-Rosena.

to jest zapis z serii filmów co Einstein się pomylił. Obejrzyj teraz, na wielkich kursach Plus.

w artykule EPR opisano hipotetyczny eksperyment, mający na celu wykazanie tego, co Einstein widział jako paradoksalne konsekwencje interpretacji kopenhaskiej. Eksperyment EPR był jednym z najsłynniejszych eksperymentów myślowych Einsteina.

wiele różnych wersji eksperymentu myślowego EPR zostało omówionych i zaproponowanych przez lata. Wszystkie mają te same podstawowe elementy, w tym parę cząstek, które zaczynają się blisko siebie i oddziałują, a następnie podróżują daleko od siebie w różnych kierunkach.

jedna z lepszych późniejszych wersji opisuje atom, który ma się rozpadać. Wytwarza dwie cząstki o tej samej masie. Ponieważ układ zaczyna się bez pędu, prawo zachowania pędu mówi, że całkowity pęd dwóch cząstek będzie musiał zsumować się do zera. Oznacza to, że te dwie cząstki muszą oddalać się od atomu w przeciwnych kierunkach i z jednakową prędkością.

są to jednak cząstki kwantowe bez ściśle określonych wartości ich prędkości. Zamiast tego są one opisane przez funkcję falową, która może być użyta do obliczenia prawdopodobieństwa, że będą miały określoną prędkość podczas pomiaru. Ponadto, przed przeprowadzeniem jakiegokolwiek pomiaru, prędkości tych cząstek mają wiele wartości i wszystkie w tym samym czasie.

wyobraźcie sobie, że cząstki te przemieszczają się w pewnej znacznej odległości od atomu, a gdy to robią, stają się coraz bardziej oddzielone od siebie. Po ich rozdzieleniu dokonujemy pomiaru prędkości jednej z cząstek. Powiedzmy na przykład, że mierzysz, że cząstka porusza się z prędkością 100 mil na godzinę.

zgodnie z interpretacją kopenhaską, dokonując tego pomiaru załamujesz funkcję falową cząstki. Jednak zgodnie z eksperymentem EPR, wydaje się, że zrobiłeś również coś innego. I to jest główny punkt eksperymentu EPR.

ponieważ pęd jest zawsze zachowany, mierząc prędkość jednej z cząstek, poznajesz również prędkość drugiej cząstki. W końcu te dwie cząstki muszą poruszać się z jednakową prędkością. Tak więc, mierząc prędkość jednej z cząstek, nie tylko powodujesz załamanie funkcji falowej tej cząstki, ale także załamanie funkcji falowej drugiej cząstki. Nie zbliżając się do drugiej cząstki, w jakiś sposób zmusiłeś jej funkcję falową do upadku.

Einstein wierzył, że tego rodzaju zachowanie jest ewidentnie niemożliwe. Twierdził, że nie ma nic, co można zrobić z cząstką w jednym miejscu, które mogłyby mieć wpływ na inną cząstkę w innym miejscu. Natomiast eksperyment EPR pokazuje, że tego rodzaju rzeczy muszą się wydarzyć zgodnie z Kopenhaskim poglądem mechaniki kwantowej. Ten sprzeciw jest istotą paradoksu EPR. Einstein myślał, że w końcu pokazał, dlaczego pogląd Kopenhaski musiał być niekompletny. A może nawet źle.

dowiedz się więcej o tym, dlaczego Einstein odrzucił koncepcję czarnych dziur.

odpowiedź Nielsa Bohra na paradoks EPR

duński fizyk Niels Bohr, który był jednym z głównych zwolenników interpretacji kopenhaskiej mechaniki kwantowej, czuł, że to jego odpowiedzialność, aby odpowiedzieć na atak Einsteina i wyjaśnić i być może poprawić sytuację.

Bohr był przekonany, że mechanika kwantowa była poprawną teorią i obawiał się, że ataki Einsteina niesprawiedliwie zmniejszą jego wiarygodność. Tak, Bohr odłożyć wszystko na bok i spędził sześć intensywnych tygodni formułowania i pisania odpowiedzi na papier EPR i jego krytykę interpretacji kopenhaskiej mechaniki kwantowej.

w swoim artykule odpowiadając na papier EPR, Bohr nie próbował podważać wniosku, że interpretacja kopenhaska prowadzi do splątania funkcji falowych. Było jasne, że tak. Bohr twierdził, że nie było nic logicznie niezgodne z uwikłania. Splątanie jest dziwne, ale to nie znaczy, że nie jest również prawdziwe.

jednym z powodów, dla których można sprzeciwić się splątaniu kwantowemu, jest to, że wydaje się, że wiąże się to z podróżami szybszymi niż światło. Według teorii względności nic nie może poruszać się w przestrzeni szybciej niż prędkość światła.

ten pozorny problem wynika z faktu, że gdy mierzy się prędkość jednej z cząstek w eksperymencie EPR, natychmiast załamuje funkcje falowe obu cząstek. Biorąc pod uwagę, że znaczna odległość dzieli te dwie cząstki, wydaje się, że wymaga to natychmiastowej podróży w przestrzeni.

Einstein nazwał to „strasznym działaniem na odległość” i wydawało się, że narusza to centralną zasadę względności.

po bliższym przyjrzeniu się, okazuje się, że splątanie kwantowe może wydawać się naruszeniem teorii względności, ale w rzeczywistości tak nie jest. dokładniej mówiąc, nie pozwala żadnej cząstce ani żadnej innej formie informacji przemieszczać się między dwoma lokalizacjami z prędkością szybszą niż światło. Dwie cząstki mogą być połączone przez ich splątanie, ale nigdy nie można tego użyć do wysłania sygnału lub obiektu z jednego miejsca do drugiego z prędkością większą niż prędkość światła.

Bohr wykazał, że bliższe spojrzenie na paradoks EPR ujawniło, że naprawdę nie ma paradoksu tam w ogóle. Chociaż odpowiedź Bohra Nie niewiele, aby zmienić zdanie Einsteina, większość fizyków wydaje się znaleźć jego obalenie być przekonujące. Dziś papier EPR jest powszechnie postrzegany jako błąd Einsteina.

artykuł EPR zwrócił uwagę na zjawisko splątania kwantowego, ale ostatecznie nie dostarczył uzasadnionego argumentu przeciwko kopenhaskiej interpretacji mechaniki kwantowej. Einstein miał nadzieję, że dokument EPR dostarczy śmiertelny cios dla konsensusu mechaniki kwantowej, ale teoria przetrwała i stała się silniejsza niż kiedykolwiek wcześniej.

Częste pytania dotyczące paradoksu EPR

P: Dlaczego paradoks EPR jest zły?

Einstein miał nadzieję, że paradoks EPR, który zdawał się sugerować, że teoria mechaniki kwantowej jest niekompletna, ostatecznie osłabi konsensus wokół interpretacji kopenhaskiej. Paradoks EPR sugerował, że cząstki poruszały się z prędkością większą niż światło, co naruszyło ogólne bariery względności. Jednak później okazało się to nieprawidłowe. Stąd paradoks EPR jest błędny.

P: czym jest teoria splątania?

teoria splątania mówi, że splątane cząstki kwantowe pozostają splątane, a każde działanie wykonywane na jednej z cząstek w równym stopniu wpływa na inne cząstki, nawet jeśli wspomniane cząstki są daleko od siebie.

P: czy splątanie kwantowe jest szybsze od światła?

nie, splątanie kwantowe postępuje zgodnie z zasadami teorii względności i nie pozwala na podróż z prędkością większą niż prędkość światła. Splątane obiekty zachowują się podobnie, co stwarza wrażenie podróży szybszej niż światło, ale nie ma rzeczywistej podróży ani komunikacji szybszej niż światło.

P: Co to jest superpozycja i splątanie?

w prostych słowach splątanie kwantowe odnosi się do transferu informacji pomiędzy parą cząstek kwantowych. Z drugiej strony, superpozycja kwantowa odnosi się do teorii, która sugeruje, że cząstki kwantowe istnieją jednocześnie w wielu stanach.

autorstwa Dana Hoopera, Ph. D., University of Chicago ilustracja eksperymentu myślowego paradoksu EPR, który jest tu przeprowadzany przy użyciu par elektron-pozyton. (Image: Krishnavedala / Public domain) czym jest realizm naukowy? Einstein czuł się nieswojo ze sposobem, w jaki dana cząstka może znajdować się w wielu miejscach naraz lub w jaki sposób może poruszać się z…

autorstwa Dana Hoopera, Ph. D., University of Chicago ilustracja eksperymentu myślowego paradoksu EPR, który jest tu przeprowadzany przy użyciu par elektron-pozyton. (Image: Krishnavedala / Public domain) czym jest realizm naukowy? Einstein czuł się nieswojo ze sposobem, w jaki dana cząstka może znajdować się w wielu miejscach naraz lub w jaki sposób może poruszać się z…

Dodaj komentarz

Twój adres e-mail nie zostanie opublikowany.