EPR-Paradoxon in der Physik

Das EPR-Paradoxon (oder das Einstein-Podolsky-Rosen-Paradoxon) ist ein Gedankenexperiment, das ein inhärentes Paradoxon in den frühen Formulierungen der Quantentheorie demonstrieren soll. Es gehört zu den bekanntesten Beispielen von Quantenverschränkung. Das Paradox beinhaltet zwei Teilchen die nach der Quantenmechanik miteinander verwickelt sind. Unter dem Kopenhagener Interpretation In der Quantenmechanik befindet sich jedes Teilchen einzeln in einem unsicheren Zustand, bis es gemessen wird. An diesem Punkt wird der Zustand dieses Teilchens sicher.

Genau im selben Moment wird auch der Zustand des anderen Teilchens sicher. Der Grund, warum dies als Paradox eingestuft wird, ist, dass es anscheinend um die Kommunikation zwischen den beiden Partikeln bei geht Geschwindigkeiten größer als die Lichtgeschwindigkeit, was ein Konflikt mit ist Albert Einstein's Relativitätstheorie.

Das Paradoxon stand im Mittelpunkt einer hitzigen Debatte zwischen Einstein und Niels Bohr

Einige Jahre später modifizierte der Physiker David Bohm das EPR-Paradoxon-Beispiel, um die Dinge etwas klarer zu machen. (Die ursprüngliche Art und Weise, wie das Paradox dargestellt wurde, war selbst für professionelle Physiker etwas verwirrend.) Im populäreren Böhm Formulierung, ein instabiles Spin-0-Teilchen zerfällt in zwei verschiedene Teilchen, Teilchen A und Teilchen B, in entgegengesetzter Richtung Richtungen. Da das ursprüngliche Partikel Spin 0 hatte, muss die Summe der beiden neuen Partikel-Spins gleich Null sein. Wenn Partikel A Spin +1/2 hat, muss Partikel B Spin -1/2 haben (und umgekehrt).

Wiederum hat nach der Kopenhagener Interpretation der Quantenmechanik bis zu einer Messung keines der Teilchen einen bestimmten Zustand. Sie befinden sich beide in einer Überlagerung möglicher Zustände mit der gleichen Wahrscheinlichkeit (in diesem Fall), einen positiven oder negativen Spin zu haben.

Hier gibt es zwei wichtige Punkte, die dies beunruhigend machen:

1. Die Quantenphysik sagt, dass bis zum Zeitpunkt der Messung die Teilchen unterlassen Sie haben eine bestimmter Quantenspin sondern sind in einer Überlagerung möglicher Zustände.
2. Sobald wir den Spin von Partikel A messen, wissen wir mit Sicherheit, welchen Wert wir durch Messen des Spins von Partikel B erhalten.

Wenn Sie Partikel A messen, scheint es, als würde der Quantenspin von Partikel A durch die Messung "gesetzt", aber irgendwie "weiß" Partikel B auch sofort, welchen Spin es annehmen soll. Für Einstein war dies ein klarer Verstoß gegen die Relativitätstheorie.

Niemand hat den zweiten Punkt jemals wirklich in Frage gestellt; Die Kontroverse lag ganz beim ersten Punkt. Bohm und Einstein unterstützten einen alternativen Ansatz namens Hidden-Variables-Theorie, der darauf hinwies, dass die Quantenmechanik unvollständig war. Unter diesem Gesichtspunkt musste es einen Aspekt der Quantenmechanik geben, der nicht sofort offensichtlich war, der jedoch in die Theorie aufgenommen werden musste, um diese Art von nicht lokalem Effekt zu erklären.

Stellen Sie sich als Analogie vor, Sie haben zwei Umschläge, die jeweils Geld enthalten. Ihnen wurde gesagt, dass einer von ihnen eine 5-Dollar-Rechnung und der andere eine 10-Dollar-Rechnung enthält. Wenn Sie einen Umschlag öffnen und er eine 5-Dollar-Rechnung enthält, wissen Sie sicher, dass der andere Umschlag die 10-Dollar-Rechnung enthält.

Das Problem bei dieser Analogie ist, dass die Quantenmechanik definitiv nicht so zu funktionieren scheint. Im Falle des Geldes enthält jeder Umschlag eine bestimmte Rechnung, auch wenn ich nie dazu komme, darin zu suchen.

Die Unsicherheit in der Quantenmechanik ist nicht nur ein Mangel an Wissen, sondern ein grundlegender Mangel an bestimmter Realität. Bis zur Messung befinden sich die Partikel nach der Kopenhagener Interpretation tatsächlich in einer Überlagerung aller möglichen Zustände (wie im Fall der toten / lebenden Katze in der Schrödingers Katze Gedankenexperiment). Während die meisten Physiker es vorgezogen hätten, ein Universum mit klareren Regeln zu haben, konnte niemand herausfinden genau das, was diese versteckten Variablen waren oder wie sie sinnvoll in die Theorie aufgenommen werden konnten Weg.

Bohr und andere verteidigten die Standardinterpretation der Quantenmechanik in Kopenhagen, die weiterhin durch experimentelle Beweise gestützt wurde. Die Erklärung ist, dass die Wellenfunktion, die die Überlagerung möglicher Quantenzustände beschreibt, an allen Punkten gleichzeitig existiert. Der Spin von Partikel A und der Spin von Partikel B sind keine unabhängigen Größen, sondern werden durch denselben Begriff innerhalb der dargestellt Quantenphysik Gleichungen. In dem Moment, in dem die Messung an Partikel A durchgeführt wird, wird die gesamte Wellenfunktion kollabiert in einen einzigen Zustand. Auf diese Weise findet keine entfernte Kommunikation statt.

Der Hauptnagel im Sarg der Theorie der versteckten Variablen kam vom Physiker John Stewart Bell, dem sogenannten Bell's Theorem. Er entwickelte eine Reihe von Ungleichungen (Bell-Ungleichungen genannt), die darstellen, wie sich Messungen des Spins von Partikel A und Partikel B verteilen würden, wenn sie nicht verwickelt wären. Experiment für Experiment werden die Bellschen Ungleichungen verletzt, was bedeutet, dass eine Quantenverschränkung zu erfolgen scheint.

Trotz dieser gegenteiligen Beweise gibt es immer noch einige Befürworter der Theorie der versteckten Variablen, obwohl dies eher unter Amateurphysikern als unter Fachleuten der Fall ist.

Bearbeitet von Anne Marie Helmenstine, Ph. D.