EPR Paradox in Physics

De EPR-paradox (of de Einstein-Podolsky-Rosen-paradox) is een gedachte-experiment dat bedoeld is om een ​​inherente paradox te demonstreren in de vroege formuleringen van de kwantumtheorie. Het is een van de bekendste voorbeelden van kwantumverstrengeling. De paradox houdt in twee deeltjes die met elkaar verweven zijn volgens de kwantummechanica. Onder de Kopenhagen interpretatie van de kwantummechanica bevindt elk deeltje zich in een onzekere toestand totdat het wordt gemeten, waarna de toestand van dat deeltje zeker wordt.

Op dat precies hetzelfde ogenblik, staat de ander deeltje wordt ook bepaald. De reden dat dit als een paradox wordt geclassificeerd, is dat het schijnbaar om communicatie tussen de twee deeltjes gaat snelheden groter dan de lichtsnelheid, wat een conflict is met Albert Einstein's relativiteitstheorie.

De paradox was het brandpunt van een verhit debat tussen Einstein en Niels Bohr. Einstein voelde zich nooit op zijn gemak bij de kwantummechanica die Bohr en zijn collega's ontwikkelden (ironisch genoeg gebaseerd op werk dat door Einstein was begonnen). Samen met zijn collega's Boris Podolsky en Nathan Rosen ontwikkelde Einstein de EPR-paradox om te laten zien dat de theorie niet in overeenstemming was met andere bekende natuurkundige wetten. Destijds was er geen echte manier om het experiment uit te voeren, dus het was gewoon een gedachte-experiment of gedankenexperiment.

Enkele jaren later paste de natuurkundige David Bohm het voorbeeld van de EPR-paradox aan, zodat de zaken wat duidelijker werden. (De oorspronkelijke manier waarop de paradox werd gepresenteerd was enigszins verwarrend, zelfs voor professionele natuurkundigen.) In de meer populaire Bohm formulering vervalt een onstabiel spin-0-deeltje in twee verschillende deeltjes, deeltje A en deeltje B, in tegengestelde richting routebeschrijving. Omdat het oorspronkelijke deeltje spin 0 had, moet de som van de twee nieuwe deeltjesspins gelijk zijn aan nul. Als Particle A heeft rotatie +1/2, dan Particle B moet draaien -1/2 (en vice versa) hebben.

Nogmaals, volgens de interpretatie van Kopenhagen van quantumwerktuigkundigen, totdat een meting uitgevoerd, noch deeltje een bepaalde toestand. Ze bevinden zich beide in een superpositie van mogelijke toestanden, met een gelijke kans (in dit geval) op een positieve of negatieve spin.

Er zijn hier twee belangrijke punten die dit verontrustend maken:

1. Kwantumfysica zegt dat, tot het moment van de meting worden de deeltjes Niet doen heb een duidelijke kwantumspin maar bevinden zich in een superpositie van mogelijke toestanden.
2. Zodra we de spin van Particle A meten, weten we zeker de waarde die we krijgen als we de spin van Particle B meten.

Als je deeltje A meet, lijkt het alsof de kwantumspin van deeltje A door de meting wordt 'ingesteld', maar op de een of andere manier 'weet' deeltje B ook meteen welke spin het zou moeten aannemen. Voor Einstein was dit een duidelijke schending van de relativiteitstheorie.

Niemand heeft ooit echt vraagtekens bij het tweede punt; de controverse lag geheel bij het eerste punt. Bohm en Einstein steunde een alternatieve benadering genaamd de verborgen-variabelen theorie, die suggereerde dat de kwantummechanica incompleet was. In dit opzicht moest er een aspect van de kwantummechanica zijn dat niet meteen duidelijk was, maar dat moest worden toegevoegd aan de theorie om dit soort niet-lokale effect te verklaren.

Overweeg als analogie dat u twee enveloppen heeft die elk geld bevatten. Er is u verteld dat een van hen een rekening van $ 5 bevat en de andere een rekening van $ 10. Als u één envelop opent en deze een rekening van $ 5 bevat, weet u zeker dat de andere envelop de rekening van $ 10 bevat.

Het probleem met deze analogie is dat de kwantummechanica absoluut niet op deze manier lijkt te werken. In het geval van het geld, elke enveloppe bevat een specifieke factuur, zelfs als ik nooit rond om te kijken in hen.

De onzekerheid in de kwantummechanica vertegenwoordigt niet alleen een gebrek aan kennis, maar een fundamenteel gebrek aan een definitieve realiteit. Totdat de meting is uitgevoerd, bevinden de deeltjes zich volgens de interpretatie van Kopenhagen echt in een superpositie van alle mogelijke toestanden (zoals in het geval van de dode / levende kat in de Schroedinger's Cat gedachte experiment). Hoewel de meeste natuurkundigen liever een universum hadden met duidelijkere regels, kon niemand erachter komen wat deze verborgen variabelen precies waren of hoe ze betekenisvol in de theorie konden worden verwerkt manier.

Bohr en anderen verdedigde de standaard Kopenhagen interpretatie van de kwantummechanica, die nog steeds worden ondersteund door het experimentele bewijs. De verklaring is dat de golffunctie, die de superpositie van mogelijke kwantumtoestanden beschrijft, op alle punten tegelijk bestaat. De spin van Particle A en spin van Particle B zijn geen onafhankelijke grootheden, maar worden binnen de kwantumfysica vergelijkingen. Op het moment dat de meting aan Particle A gemaakt, de hele golffunctie stort in een enkele staat in. Op deze manier vindt er geen communicatie op afstand plaats.

De belangrijkste spijker in de kist van de theorie van verborgen variabelen kwam van de natuurkundige John Stewart Bell, in wat bekend staat als Stelling van Bell. Hij ontwikkelde een reeks ongelijkheden (Bell-ongelijkheden genoemd), die aangeven hoe metingen van de spin van Particle A en Particle B zich zouden verspreiden als ze niet verstrikt zouden raken. In experiment na experiment worden de Bell-ongelijkheden geschonden, wat betekent dat kwantumverstrengeling lijkt te plaatsvinden.

Ondanks dit tegendeel, zijn er nog steeds enkele voorstanders van de theorie van verborgen variabelen, hoewel dit vooral bij amateurfysici is in plaats van bij professionals.

Bewerkt door Anne Marie Helmenstine, Ph.D.