EPR Paradox in Physics

De EPR-paradox (of de Einstein-Podolsky-Rosen-paradox) is een gedachte-experiment bedoeld om een ​​inherente paradox in de vroege formuleringen van de kwantumtheorie aan te tonen. Het is een van de bekendste voorbeelden van kwantumverstrengeling. De paradox omvat twee deeltjes die volgens de kwantummechanica met elkaar verward zijn. Volgens de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica bevindt elk deeltje zich individueel in een onzekere toestand totdat het wordt gemeten, op welk punt de toestand van dat deeltje zeker wordt.

Op precies hetzelfde moment wordt ook de toestand van het andere deeltje zeker. De reden dat dit als een paradox wordt geclassificeerd, is dat het schijnbaar betrekking heeft op communicatie tussen de twee deeltjes met snelheden hoger dan de snelheid van het licht, wat een conflict is met de relativiteitstheorie van Albert Einstein.

De oorsprong van de paradox

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

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

Nogmaals, volgens de Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica heeft geen van beide deeltjes een definitieve toestand totdat er een meting is gedaan. Ze bevinden zich beide in een superpositie van mogelijke toestanden, met een gelijke kans (in dit geval) op een positieve of negatieve spin.

De betekenis van de paradox

Er zijn hier twee belangrijke punten aan het werk die dit verontrustend maken:

1. De kwantumfysica zegt dat, tot het moment van de meting, de deeltjes Niet doen hebben een duidelijke kwantumspin maar bevinden zich in een superpositie van mogelijke toestanden.
2. Zodra we de spin van deeltje A meten, weten we zeker welke waarde we krijgen van het meten van de spin van deeltje B.

Als je deeltje A meet, lijkt het alsof de kwantumspin van deeltje A door de meting wordt "gezet", 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.

Verborgen variabelen theorie

Niemand heeft ooit het tweede punt in twijfel getrokken; de controverse lag volledig bij het eerste punt. Bohm en Einstein steunden een alternatieve benadering, de theorie van verborgen variabelen, die suggereerde dat de kwantummechanica onvolledig was. Vanuit dit oogpunt moest er een aspect van de kwantummechanica zijn dat niet meteen duidelijk was, maar dat aan de theorie moest worden toegevoegd om dit soort niet-lokale effecten te verklaren.

Ter analogie, bedenk dat je twee enveloppen hebt die elk geld bevatten. Er is u verteld dat een van hen een factuur van $ 5 bevat en de andere een factuur 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 kwantummechanica absoluut niet zo lijkt te werken. In het geval van het geld bevat elke envelop een specifieke rekening, zelfs als ik er nooit in kom om ze te bekijken.

Onzekerheid in kwantummechanica

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

Bohr en anderen verdedigden de standaard Kopenhagen-interpretatie van de kwantummechanica, die nog steeds werd ondersteund door het experimentele bewijs. De verklaring is dat de golffunctie, die de superpositie van mogelijke kwantumtoestanden beschrijft, op alle punten tegelijkertijd bestaat. De spin van deeltje A en spin van deeltje B zijn geen onafhankelijke grootheden maar worden binnen de kwantumfysische vergelijkingen door dezelfde term weergegeven. Op het moment dat de meting op deeltje A wordt uitgevoerd, stort de gehele golffunctie in een enkele toestand in. Op deze manier vindt er geen communicatie op afstand plaats.

Stelling van Bell

De belangrijkste nagel in de kist van de theorie van de verborgen variabelen kwam van de fysicus John Stewart Bell, in wat bekend staat als de stelling van Bell. Hij ontwikkelde een reeks ongelijkheden (Bell-ongelijkheden genoemd), die weergeven hoe metingen van de spin van Deeltje A en Deeltje B zouden verdelen als ze niet verstrikt waren. In experiment na experiment worden de Bell-ongelijkheden geschonden, wat betekent dat kwantumverstrengeling lijkt plaats te vinden.