EPR-paradoxen misslyckades med att diskreditera Köpenhamns tolkning

av Dan Hooper, Ph. D., University of Chicago
en illustration av ett experiment som utförs för att demonstrera EPR-paradoxen.
en illustration av EPR paradox tankeexperiment, som utförs här med hjälp av par av elektron-positron. (Bild: Krishnavedala / Public domain)

Vad är vetenskaplig Realism?

Einstein var obekväm med hur en given partikel kunde vara på flera ställen samtidigt eller hur den kunde röra sig med flera hastigheter, alla samtidigt, enligt Köpenhamns tolkning. Efter år av debatt och övervägande kom Einstein slutligen att ta och insistera på en filosofisk position som kallas vetenskaplig realism för att motverka detta.

som Einstein såg det är man en vetenskaplig realist om de tror på existensen av ett verkligt och väldefinierat tillstånd i världen, och att världen existerar oberoende av eventuella observationer som du kan göra av den. Med andra ord är världen en verklig och väldefinierad sak som existerar oberoende av oss. Genom att observera det kan vi lära oss saker om världen men våra observationer gör inte världen till vad den är.

Einsteins insisterande på vetenskaplig realism föll i skarp kontrast till Köpenhamns tolkning av kvantmekanik. Enligt Köpenhamnstolkningen kan en elektron vara på flera ställen samtidigt men när en observation görs av en elektron kollapsar dess vågfunktion och den förvandlas till att inte längre vara på flera platser utan istället bara vara i en. Denna tolkning var inte förenlig med Einsteins tankar om världen eller hans anslutning till vetenskaplig realism.

Läs mer om Einsteins avslag på svarta hål.

är teorin om kvantmekanik ofullständig?

även om Einstein inte instämde i Köpenhamns tolkning, var han tvungen att acceptera att förutsägelserna som gjordes med kvantmekanikens ekvationer var i överensstämmelse med ett antal laboratoriemätningar och tester. Kvantmekaniken verkade inte helt enkelt vara fel.

porträtt av Albert Einstein 1931.
ett porträtt av Albert Einstein från 1931, ungefär fyra år innan han publicerade EPR-tidningen med Podolsky och Rosen. (Bild: Doris Ulmann/avdelningen för Kongressutskrifter och fotografier)

så han fokuserade sina ansträngningar på att försöka visa att teorin om kvantmekanik på något sätt var ofullständig. Einstein hoppades att han skulle kunna hitta en mer fullständig version av kvantmekanik som var deterministisk och som var kompatibel med vetenskaplig realism.

men alla filosofiska invändningar som Einstein lyckades ta upp mot Köpenhamns tolkningar var i bästa fall subjektiva och misslyckades med att övertyga andra fysiker om att konsensussyn på kvantteori var felaktig eller ofullständig.

Einstein behövde avslöja en logisk inkonsekvens eller identifiera ett stort problem i Köpenhamnstolkningen som kunde erkännas som en dödlig brist för att övertyga sina kollegor.

Läs mer om Quantum Entanglement.

Quantum Entanglement och EPR-paradoxen

New York Times rubrik som säger Einstein attacker kvantteori.
en rubrik i New York Times-numret daterad 4 maj 1935, efter publiceringen av EPR-tidningen. (Bild: New York Times / Public domain)

Under ett antal år hade Einstein tänkt på grupper av partiklar med vågfunktioner som är direkt beroende av varandra. Idag hänvisar vi till sådana vågfunktioner som ’intrasslad’, men denna terminologi hade ännu inte myntats i slutet av 1920-talet.

medan Einstein ännu inte helt hade utforskat eller förstått konsekvenserna av kvantförvirring, erkände han att kvantförvirring var en oundviklig följd av Köpenhamns tolkning av kvantmekanik. Han insåg också att något särskilt konstigt beteende kan bero på kvantförvirring.

1933 tillträdde Einstein en position vid Princetons institut för avancerad studie, efter att ha flytt Nazityskland. Där arbetade han med två andra fysiker, Boris Podolsky och Nathan Rosen. Under de kommande två åren skrev de en inflytelserik artikel med titeln ” kan en kvantmekanisk beskrivning av fysisk verklighet betraktas som fullständig?”Detta dokument innehöll den första beskrivningen av vad som skulle bli känt som EPR-paradoxen eller Einstein-Podolsky-Rosen-paradoxen.

Detta är ett transkript från videoserien What Einstein Got Wrong. Titta på det nu, på de stora kurserna Plus.

EPR-dokumentet beskrev ett hypotetiskt experiment, avsett att visa vad Einstein såg som de paradoxala konsekvenserna av Köpenhamnstolkningen. EPR-experimentet var ett av Einsteins mest kända tankeexperiment.

ett antal olika versioner av EPR-tankeexperimentet har diskuterats och föreslagits genom åren. De har alla samma grundläggande element, inklusive ett par partiklar som börjar nära varandra och interagerar och sedan reser långt ifrån varandra i olika riktningar.

en av de bättre senare versionerna beskriver en atom som håller på att förfalla. Det producerar två partiklar med samma massa. Eftersom systemet börjar utan momentum, säger lagen om bevarande av momentum att de två partiklarnas totala momentum måste lägga till noll. Detta innebär att dessa två partiklar måste resa bort från atomen i motsatta riktningar och med lika hastigheter.

dessa är emellertid kvantpartiklar utan unikt definierade värden på deras hastigheter. Istället beskrivs de av en vågfunktion som kan användas för att beräkna sannolikheten för att de kommer att visa sig ha en viss hastighet när de mäts. Dessutom, innan någon mätning utförs, har hastigheterna hos dessa partiklar flera värden och alla samtidigt.

Föreställ dig att dessa partiklar färdas ett betydande avstånd från atomen, och när de gör det blir de alltmer separerade från varandra. När de är separerade mäter du hastigheten på en av partiklarna. Låt oss till exempel säga att du mäter partikeln för att resa med en hastighet av 100 miles per timme.

enligt Köpenhamnstolkningen kollapsar du partikelns vågfunktion genom att göra denna mätning. Men enligt EPR-experimentet verkar du ha gjort något annat också. Och detta är huvudpunkten i EPR-experimentet.

eftersom momentum alltid bevaras, genom att mäta hastigheten på en av partiklarna lär du dig också hastigheten på den andra partikeln. När allt kommer omkring måste de två partiklarna röra sig med lika hastigheter. Så, genom att mäta hastigheten på en av partiklarna, orsakar du inte bara att partikelns vågfunktion kollapsar, du kollapsar också den andra partikelns vågfunktion. Utan att komma någonstans nära den andra partikeln har du på något sätt tvingat sin vågfunktion att kollapsa.

Einstein trodde att denna typ av beteende var uppenbart omöjligt. Han hävdade att det inte finns något som man kan göra för en partikel på en plats som eventuellt kan påverka en annan partikel på en annan plats. EPR-experimentet visar att den här typen av saker måste hända enligt Köpenhamns syn på kvantmekanik. Denna invändning är kärnan i EPR-paradoxen. Einstein trodde att han äntligen hade visat varför Köpenhamns uppfattning måste vara ofullständig. Eller kanske till och med fel.

Läs mer om varför Einstein avvisade begreppet svarta hål.

Niels Bohrs svar på EPR-paradoxen

den danska fysikern Niels Bohr, som var en av de främsta förespråkarna för Köpenhamns tolkning av kvantmekanik, ansåg att det var hans ansvar att svara på Einsteins attack och att klargöra och kanske korrigera situationen.

Bohr var övertygad om att kvantmekanik var en giltig teori, och han fruktade att Einsteins attacker orättvist skulle minska dess trovärdighet. Så Bohr lade allt annat åt sidan och tillbringade sex intensiva veckor med att formulera och skriva ett svar på EPR-papperet och dess kritik av Köpenhamns tolkning av kvantmekanik.

i sin artikel som svar på EPR-papperet försökte Bohr inte utmana slutsatsen att Köpenhamnstolkningen leder till entanglement av vågfunktioner. Det var tydligt att det gör det. Bohr hävdade att det inte fanns något logiskt oförenligt med entanglement. Entanglement är konstigt, men det betyder inte att det inte också är verkligt.

en av de grunder som man kan invända mot kvantförvirring är att det verkar innebära snabbare än ljusresor. Enligt relativitet kan ingenting röra sig genom rymden snabbare än ljusets hastighet.

detta uppenbara problem kommer från det faktum att när man mäter hastigheten hos en av partiklarna i EPR-experimentet, kollapsar det omedelbart vågfunktionerna hos båda partiklarna. Med tanke på att ett betydande avstånd skiljer dessa två partiklar, verkar detta kräva omedelbar resa genom rymden.

Einstein hänvisade till detta som” spöklik handling på avstånd”, och det verkade bryta mot en central relativitetsteori.

vid närmare granskning visar det sig att kvantförvirring kan tyckas bryta mot relativiteten, men i verkligheten gör det inte. mer specifikt tillåter det inte någon partikel eller någon annan form av information att flytta mellan två platser med en hastighet snabbare än ljus. Två partiklar kan kopplas genom deras intrassling, men detta kan aldrig användas för att skicka en signal eller ett objekt, från en plats till en annan med en hastighet snabbare än ljusets hastighet.

Bohr hade visat att en närmare titt på EPR-paradoxen avslöjade att det verkligen inte finns någon paradox där alls. Även om Bohrs svar gjorde lite för att ändra Einsteins sinne, verkar de flesta fysiker ha funnit att hans motsättning är övertygande. Idag ses EPR-papperet allmänt som ett felsteg av Einstein.

EPR-dokumentet uppmärksammade fenomenen kvantförvirring, men det gav inte i slutändan ett giltigt fall mot Köpenhamns tolkning av kvantmekanik. Einstein hade hoppats att EPR-papperet skulle ge ett dödligt slag mot kvantmekanikens konsensussyn, men teorin överlevde och blev starkare än någonsin tidigare.

Vanliga frågor om EPR-paradoxen

f: varför är EPR-paradoxen fel?

Einstein hade hoppats att EPR-paradoxen, som tycktes föreslå att teorin om kvantmekanik var ofullständig, äntligen skulle tömma konsensus kring Köpenhamns tolkning. EPR-paradoxen föreslog att partiklar reste i hastigheter snabbare än ljusets, vilket kränkte allmänna relativitetsbarriärer. Detta visade sig dock senare vara felaktigt. Därför är EPR-paradoxen fel.

F: Vad är entanglementteorin?

intrasslingsteorin säger att kvantpartiklar som är intrasslade förblir intrasslade, och varje åtgärd som utförs på en av partiklarna påverkar lika de andra partiklarna, även om de nämnda partiklarna är långt ifrån varandra.

Q: är kvantförvirring snabbare än ljus?

Nej, quantum entanglement följer relativitetsreglerna och tillåter inte att resa snabbare än ljusets hastighet. Intrasslade föremål beter sig på samma sätt, vilket skapar intrycket av att resa snabbare än ljus, men ingen verklig resa eller kommunikation snabbare än ljus äger rum.

F: Vad är superposition och intrassling?

i enkla ord hänvisar kvantförvirring till fram och tillbaka överföring av information mellan ett par kvantpartiklar. Å andra sidan hänvisar kvantöverlagring till teorin som antyder att kvantpartiklar samtidigt finns i flera tillstånd.

av Dan Hooper, Ph. D., University of Chicago en illustration av EPR paradox tankeexperiment, som utförs här med hjälp av par av elektron-positron. (Bild: Krishnavedala / Public domain) Vad är vetenskaplig Realism? Einstein var obekväm med hur en given partikel kunde vara på flera ställen samtidigt eller hur den kunde röra sig med flera hastigheter,…

av Dan Hooper, Ph. D., University of Chicago en illustration av EPR paradox tankeexperiment, som utförs här med hjälp av par av elektron-positron. (Bild: Krishnavedala / Public domain) Vad är vetenskaplig Realism? Einstein var obekväm med hur en given partikel kunde vara på flera ställen samtidigt eller hur den kunde röra sig med flera hastigheter,…

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.