פרדוקס EPR בפיזיקה

פרדוקס ה- EPR (או פרדוקס איינשטיין-פודולסקי-רוזן) הוא ניסוי מחשבה שנועד להפגין פרדוקס מובנה בניסוחים המוקדמים של תורת הקוונטים. זה בין הדוגמאות הידועות ביותר של הסתבכות קוונטית. הפרדוקס כרוך שני חלקיקים שמסתבכים זה עם זה על פי מכניקת הקוונטים. תחת פרשנות של קופנהגן של מכניקת הקוונטים, כל חלקיק נמצא באופן אינדיבידואלי במצב לא בטוח עד שנמדד, ובשלב זה המצב של אותו חלקיק הופך להיות בטוח.

באותו הרגע בדיוק, גם המצב של החלקיק האחר נעשה בטוח. הסיבה שזה מסווג כפרדוקס היא שלכאורה מדובר בתקשורת בין שני החלקיקים בבית מהירויות גדולות יותר ממהירות האור, שזה עימות עם אלברט איינשטייןזה תורת היחסות.

הפרדוקס היה מוקד הדיון הסוער בין איינשטיין ל נילס בוהר. איינשטיין מעולם לא היה בנוח עם מכניקת הקוונטים שפיתח בוהר ועמיתיו (בהתבסס, באופן אירוני, על עבודה שהקים אינשטיין). יחד עם עמיתיו בוריס פודולסקי ונתן רוזן, איינשטיין פיתח את פרדוקס ה- EPR כדרך להראות כי התיאוריה אינה מתיישבת עם חוקי פיזיקה ידועים אחרים. באותה תקופה לא הייתה דרך אמיתית לבצע את הניסוי, כך שזה היה רק ​​ניסוי מחשבה או ניסוי gedankenexperiment.

כמה שנים אחר כך, הפיזיקאי דייוויד בוהם שינה את דוגמת הפרדוקס של ה- EPR כך שהדברים היו מעט יותר ברורים. (האופן המקורי שהוצג הפרדוקס היה מעט מבלבל, אפילו לפיזיקאים מקצועיים.) בבוהם הפופולרי יותר ניסוח, חלקיק ספין 0 לא יציב מתפורר לשני חלקיקים שונים, חלקיק A וחלקיק B, בכיוון ההפוך הוראות. מכיוון שלחלקיק הראשוני היה ספין 0, סכום שני הסיבובים החדיקים החדשים חייב להיות שווה לאפס. אם בחלקיקים A יש ספין +1/2, אז חלקיק B חייב להסתובב -1/2 (ולהיפך).

ושוב, על פי הפרשנות של קופנהגן למכניקת הקוונטים, עד לבדיקה של מדידה, לאף אחד מהחלקיקים אין מצב מוגדר. שניהם מצויים בסופרפוזיציה של מצבים אפשריים, עם סבירות שווה (במקרה זה) לסיבוב חיובי או שלילי.

ישנן שתי נקודות מפתח בעבודה שהופכות את זה למטריד:

1. פיזיקת הקוונטים אומרת שעד לרגע המדידה, החלקיקים אל שיהיה לך ספין קוונטי מוגדר אך הם נמצאים בסופרפוזיציה של מצבים אפשריים.
2. ברגע שאנחנו מודדים את הסיבוב של חלקיק A, אנו יודעים בוודאות את הערך שנקבל ממדידת הסיבוב של חלקיק B.

אם מודדים חלקיק A, נראה כי הסיבוב הקוונטי של חלקיק A מקבל "סט" על ידי המדידה, אבל איכשהו חלקיק B גם מייד "יודע" איזה ספין הוא אמור לקחת. בעיני אינשטיין זו הייתה הפרה ברורה של תורת היחסות.

איש מעולם לא הטיל ספק בנקודה השנייה; המחלוקת הייתה לגמרי עם הנקודה הראשונה. בוהם ואינשטיין תמכו בגישה אלטרנטיבית המכונה תיאוריית המשתנים הנסתרים, שהציעה כי מכניקת הקוונטים אינה שלמה. מנקודת מבט זו, היה צריך להיות היבט כלשהו של מכניקת הקוונטים שלא היה ברור מאליו אלא שהיה צורך להוסיף לתאוריה כדי להסביר סוג זה של השפעה לא מקומית.

כאנלוגיה, קחו בחשבון שיש לכם שתי מעטפות שכל אחת מהן מכילה כסף. נאמר לך שאחד מהם מכיל שטר של $ 5 והשני כולל שטר של $ 10. אם אתה פותח מעטפה אחת והיא מכילה שטר של $ 5, אתה יודע בוודאות כי המעטפה השנייה מכילה את השטר של $ 10.

הבעיה באנלוגיה הזו היא שמכניקת הקוונטים בהחלט לא נראית ככה. במקרה של הכסף, כל מעטפה מכילה שטר ספציפי, גם אם לעולם לא אסתובב להביט בהם.

אי הוודאות במכניקת הקוונטים אינה מייצגת רק חוסר ידיעתנו אלא חוסר מהותי במציאות מוגדרת. עד שהמדידה מתבצעת, על פי הפרשנות של קופנהגן, החלקיקים נמצאים באמת בסופרפוזיציה של כל המצבים האפשריים (כמו במקרה של החתול המת / חי שב חתול של שרדינגר ניסוי מחשבתי). בעוד שרוב הפיזיקאים היו מעדיפים שיהיה יקום עם חוקים ברורים יותר, איש לא יכול היה להבין זאת מה היו המשתנים הסמויים האלה או כיצד ניתן לשלבם בתיאוריה באופן משמעותי דרך.

בוהר ואחרים הגן על הפרשנות הרגילה של קופנהגן למכניקת הקוונטים, שהמשיכה להיות נתמכת בראיות הניסיוניות. ההסבר הוא שפונקציית הגל, המתארת ​​את מצג העל של מצבים קוונטיים אפשריים, קיימת בכל הנקודות בו זמנית. הסיבוב של חלקיק A וספין של חלקיק B אינם כמויות עצמאיות אלא מיוצגים על ידי אותו מונח בתוך ה- פיזיקה קוונטית משוואות. הרגע בו מתבצעת המדידה בחלקיק A, ה- פונקצית גל שלמה מתמוטטת למדינה יחידה. בדרך זו, אין שום תקשורת רחוקה שמתרחשת.

המסמר העיקרי בארון הקבורה של תיאוריית המשתנים הנסתרים הגיע מהפיזיקאי ג'ון סטיוארט בל, במה שמכונה משפט בל. הוא פיתח סדרה של אי-שוויון (נקרא אי-שוויון פעמון), המייצגים כיצד מדידות הסיבוב של חלקיק A וחלקיק B היו מתפשטות אם הן לא היו מסתבכות. בניסוי לאחר ניסוי מופרדים אי השוויון של הפעמון, כלומר נראה כי ההסתבכות הקוונטית מתרחשת.

למרות ההוכחות ההפוכות, ישנם עדיין כמה תומכי תורת המשתנים הנסתרים, אם כי זה בעיקר בקרב פיסיקאים חובבים ולא אנשי מקצוע.

נערך על ידי אן מארי הלמנסטין, ד.