Einšteina–Podoļska–Rozena (EPR) paradokss: skaidrojums un nozīme kvantu mehānikā
EPR paradokss: skaidrojums par Einšteina–Podoļska–Rozena kritiku kvantu mehānikai, savijuumu, nenoteiktību un to nozīmi mūsdienu fizikas interpretācijās.
EPR paradokss ir agrīna un spēcīga kvantu mehānikas kritika, kas liek pārdomāt, ko nozīmē mērījums, realitāte un attālinātas sakarības kvantu pasaulē. Alberts Einšteins, Boriss Podoļskis un Nātans Rozens apgalvoja, ka kvantu mehānika nav pilnīga teorija — ka tajā pietrūkst kādu "slēpto mainīgo", kuri precīzi noteiktu daļiņu īpašības, ja vien teorija būtu papildināta. Viņu arguments vērās pret Kopenhāgenas interpretāciju, kuru pārstāvēja tādi fiziķi kā Nilss Bors un Verners Heizenbergs, un pret īpašo principu — nenoteiktību — kas apgalvoja, ka nevar vienlaikus precīzi zināt gan daļiņas pozīciju, gan impulsu.
Paradoxa būtība — vienkāršs piemērs
Einšteins un viņa kolēģi domāja šādi. Iedomājieties divas ļoti mazas daļiņas, kuras sākotnēji savienotas kopā, tad atdalītas tā, ka to kopējais stāvoklis (piemēram, kopējais impulss vai kopējā pozīcija) saglabājas. Ja pēc sadalīšanas jūs ar ļoti precīzu mēri varat noteikt vienas daļiņas pozīciju, tad, pēc Einšteina domām, otrai daļiņai jau bija konkrēta ātruma (impulss) neatkarīgi no tā, vai jūs to mērījāt vai nē, jo sākotnējie nosacījumi to saistīja. Tātad kvantu mehānikas izpratnē — ja mērījums "pārkārto" stāvokli — tas nozīmētu, ka mērījums vienas daļiņas uzreiz ietekmē otras daļiņas īpašības, pat ja tās atrodas ļoti attālinātas viena no otras.
Savijums (entanglement) un "spokainā iedarbība"
Ervins Šrēdingers ierosināja, ka šāda saikne starp daļiņām nav nejauša un nosauca to par savijumu (entanglement). Savijums nozīmē, ka sistēmas kopējais kvantstāvoklis nevar tikt aprakstīts kā atsevišķu daļiņu stāvokļu produkts — daļiņas ir kvantā saistītas. Lai aprakstītu to, kā Einšteins to raksturoja, bieži izmanto frāzi "spokainā iedarbība no attāluma" — ja mērījums uz vienas daļiņas it kā tūlītēji ietekmē otra daļiņas mērījumu rezultātu.
Einšteina iebildumi un slēpto mainīgo ideja
Einšteins uzskatīja, ka kvantu mehānika varētu būt nepilnīga: ja būtu papildus slēpti mainīgie, kas nosaka daļiņu īpašības, tad nebūtu nepieciešama nekāda "tūlītēja iedarbība". Viņa argumenta būtība — ja jūs vispirms izmērāt vienas daļiņas pozīciju un pēc tam otras daļiņas ātrumu, tad, ņemot vērā sākotnējās saites, jūs varat izsecināt pretējās daļiņas sākotnējo ātrumu bez nekādas mistiskas sakarības. Einšteinu īpaši traucēja doma, ka informācijai vai ietekmei būtu jāceļo ātrāk par gaismu, lai skaidrotu tūlītējo korelāciju starp tālu izvietotām daļiņām.
Bells un neiespēja glābt lokālo realitāti
Vienkārša slēpto mainīgo ideja izklausījās vilinoši, taču Džons Stjuarts Bells savā 1964. gada theoremā parādīja, ka nekādi lokāli slēptie mainīgie nevar reproducēt visus kvantu mehānikas paredzējumus. Bells izdarīja precīzu matemātisku secinājumu — Bells nevienādība — kas dod eksperimentāli pārbaudāmu atšķirību starp lokālām reālistiskām teorijām un kvantu mehāniku. Ja novērojumi pārkāpj Bells nevienādību, tas nozīmē, ka nekāda lokāla slēpto mainīgo teorija nevar pilnībā skaidrot kvantu korelācijas.
Eksperimenti un to rezultāti
Sešdesmitajos un septiņdesmitajos gados tika veikti daudzi eksperimentālie testi; ievērojami bija vēlākie precīzāki pētījumi (piemēram, Alēna Aspekta eksperimenti 1980. gados un vēlākie "loophole-free" testi), kas konsekventi parādīja, ka kvantu mehānika prognozētās korelācijas patiešām pastāv un ka Bells nevienādība tiek pārkāpta. Tas noveda pie secinājuma: vai nu jānoraida lokālā realizma ideja (t.i., ka īpašības vienmēr pastāv neatkarīgi no mērījuma un ietekmes nevar pārvietoties ātrāk par gaismu), vai jāpiekopj kāda nelineāra vai neparasta teorija. Svarīgi ir saprast, ka, lai gan savijums rada spēcīgas korelācijas, tas neļauj pārraidīt informāciju ātrāk par gaismu (no-signaling teorēma saglabā relativitātes prasības).
Interpretācijas un filozofiskās sekas
- Kopenhāgenas interpretācija: atteikšanās no klasiskās "realitātes" — kvantu stāvoklis ir apraksts par iespējām, un mērījums "izraisa" rezultātu.
- Daudzpasaules interpretācija: izvairās no kollapsa, pieņemot, ka visi iespējamie rezultāti realizējas dažādos pasaules zaros.
- Bohma (pilotviļņu) teorija: deterministisks modelis ar slēptiem mainīgajiem, kas tomēr ir ne-lokāls — tas nozīmē, ka tā pieņem tūlītējus sakarus tālu izvietotām daļiņām, tātad saglabā determinismu, bet zaudē lokalitāti.
Mūsdienu nozīme un tehnoloģijas
EPR paradokss un savijums nav tikai filozofisks strīds — tie tagad ir centrāli kvantu informātikas jomā. Savijums ir izejas punkts kvantu teleportācijai, kvantu kriptogrāfijai un daudziem kvantkomunikāciju protokoliem. Tā kā savijums rada stipras, nekonvencionālas korelācijas, tas ļauj veidot jaunas tehnoloģijas, kas izmanto kvantu īpašības, nevis klasisku datu kodēšanu.
Kopsavilkums
EPR paradokss izaicināja kvantu mehānikas interpretācijas un uzdeva fundamentālus jautājumus par realitāti, lokalitāti un mērījumu dabu. Pateicoties Bellam un eksperimentiem, mēs tagad saprotam, ka kvantu pasaulē pastāv spēcīgas nekadie lokālas korelācijas, kuras nav izskaidrojamas ar vienkāršu klasiski reālistisku modeli. Tomēr šīs korelācijas nenodrošina ātru informācijas pārraidi, un paradokss ir radījis bagātu diskusiju un praktiskas tehnoloģijas, kuras turpina attīstīties.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir EPR paradokss?
A: EPR paradokss ir agrīna un spēcīga kvantu mehānikas kritika, ko izvirzīja Alberts Einšteins, Boriss Podoļskis un Nātans Rozens. Viņi apgalvoja, ka Nilss Bors, Verners Heizenbergs un citi Kopenhāgenas zinātnieki kļūdījās par nenoteiktību.
J: Ko apgalvoja Heizenbergs?
A: Heizenbergs apgalvoja, ka nevienā brīdī nav iespējams zināt nevienas atoma lieluma vai mazākas daļiņas pozīciju un impulsu (vai ātrumu, vai trajektoriju). Tika uzskatīts, ka, izmērot vienu no tām, notiktu izmaiņas otrā, tāpēc tās nevar izmērīt vienlaikus.
J: Kā Einšteins atbildēja uz šo apgalvojumu?
A: Einšteins apgalvoja, ka, ja divas ļoti mazas daļiņas pēc to svara mērīšanas salīmē kopā un pēc tam, pirms tās atkal izjauc, pirms atkal izjauc, tām vajadzētu būt savstarpēji saistītām pozīcijām un ātrumiem. Tāpēc, ja mēra vienas daļiņas pozīciju, pat ja tā, to darot, izjauc ātrumu, tai joprojām jābūt ar noteiktu ātrumu pirms mērījuma.
J: Kādu skaidrojumu šim paradoksam piedāvāja Ervins Šrēdingers?
A: Ervins Šrēdingers ierosināja, ka, iespējams, sakarība starp pozīciju un ātrumu kaut kādā veidā pakāpeniski izzudīs; šo sakarību starp divām daļiņām viņš nosauca par "savijumu". Einšteins šo parādību nosauca par "spooky action at a distance".
Vai Einšteins uzskatīja, ka savijums eksistē?
Atbilde: Nē, Einšteins nevarēja zināt, ka turpmākie eksperimenti parādīs, ka entanglācija eksistē.
Jautājums: Kas matemātiski pierādīja, ka entanglācija eksistē?
A: Džons Stjuarts Bells matemātiski pierādīja, ka slēptie mainīgie nekādi nevar izskaidrot eksperimentālos rezultātus, kas liecina, ka savijums pastāv.
Meklēt