Paradoxul Einstein-Podolsky-Rosen sau paradoxul EPR din 1935 este un experiment gândit în mecanica cuantică, prin care Albert Einstein și colegii săi Boris Podolsky și Nathan Rosen (EPR) au pretins că demonstrează că funcția de undă nu oferă o descriere completă a realității și, prin urmare, interpretarea de la Copenhaga este nesatisfăcătoare; rezoluțiile paradoxului au implicații importante pentru interpretarea mecanicii cuantice.
Lucrarea a fost expusă la Institutul pentru Studii Avansate de la Universitatea Princeton din 1934, la care Einstein s-a alăturat după ce a fugit din Europa nazistă.
(Albert Einstein)
Esența paradoxului este că particulele pot interacționa în așa fel încât să se poată măsura atât poziția cât și impulsul lor mai precis decât principiul incertitudinii lui Heisenberg, dacă măsurarea unei particule nu afectează instantaneu cealaltă pentru a preveni această precizie, ceea ce ar implica informația ca fiind transmisă mai repede decât lumina, așa cum este interzis de teoria relativității („acțiunea înfricoșătoare la distanță”). Această consecință nu fusese observată anterior și părea nerezonabilă la vremea respectivă; fenomenul implicat este acum cunoscut sub numele de inseparabilitate cuantică.
Paradoxul EPR a demonstrat că teoria cuantică era incompletă și trebuia extinsă cu variabile ascunse. O rezoluție modernă este după cum urmează: pentru două particule „inseparate” create simultan (de exemplu, o pereche electron-pozitron din un foton), proprietățile măsurabile au un sens bine definit numai pentru sistemul ansamblului. Proprietățile subsistemelor constitutive (de exemplu electronul individual sau positronul), considerate individual, rămân nedefinite. Prin urmare, dacă se efectuează măsurători analoage pe cele două subsisteme inseparate, va exista întotdeauna o corelație între rezultate și un rezultat global bine definit pentru ansamblu. Cu toate acestea, rezultatele pentru fiecare subsistem, considerate separat, la fiecare repetare a experimentului, nu vor fi bine definite sau previzibile. Această corelație nu implică faptul că măsurătorile efectuate asupra unei particule influențează măsurătorile pe cealaltă. Această rezoluție modernă elimină nevoia de variații ascunse, acțiuni la distanță sau alte scheme introduse în timp, pentru a explica fenomenul.
Conform mecanicii cuantice, în anumite condiții, o pereche de sisteme cuantice poate fi descrisă printr-o singură funcție de undă, care codifică probabilitățile rezultatelor experimentelor care pot fi efectuate pe cele două sisteme, fie în comun, fie individual. În momentul în care articolul EPR discutat mai jos a fost scris, s-a constatat din experimente că rezultatul unui experiment uneori nu poate fi prezis în mod unic. Un exemplu de astfel de indeterminare poate fi văzut când un fascicul de lumină intră pe o oglindă jumătate argintată. O jumătate a fasciculului se va reflecta, iar cealaltă va trece. Dacă intensitatea fasciculului este redusă până când un singur foton se află în tranzit în orice moment, dacă fotonul se va reflecta sau se transmite nu poate fi prezis prin mecanica cuantică.
Explicația de rutină a acestui efect a fost, la acel moment, asigurată de principiul incertitudinii lui Heisenberg. Cantitățile fizice provin din perechi numite cantități conjugate. Exemple de astfel de perechi de conjugate sunt (Poziție, impuls), (Timp, energie) și (Poziție unghiulară, moment unghiular). Când a fost măsurată o cantitate și a devenit determinată, cantitatea conjugată a devenit nedeterminată. Heisenberg a explicat această incertitudine ca fiind datorată cuantificării perturbării de la măsurare.
Documentul EPR, scris în 1935, a fost destinat să ilustreze faptul că această explicație este inadecvată. El a considerat două particule inseparate, denumite A și B, și a subliniat că măsurarea unei cantități dintr-o particulă A va determina cantitatea conjugată a particulei B, chiar dacă nu există niciun contact, nicio perturbare clasică. Ideea de bază a fost că stările cuantice a două particule dintr-un sistem nu pot fi întotdeauna descompuse din starea comună a celor două, ca în cazul stării Bell, |Φ+› = 1/√2·(|00› + |11›).
Principiul lui Heisenberg a fost o încercare de a oferi o explicație clasică a unui efect cuantic numit uneori non-localitate. Potrivit EPR, au existat două explicații posibile. Fie a existat o anumită interacțiune între particule (chiar dacă au fost separate), fie informațiile despre rezultatul tuturor măsurătorilor posibile au fost deja prezente în ambele particule.
Autorii EPR au preferat a doua explicație conform căreia această informație a fost codificată în câțiva „parametri ascunși”. Prima explicație a unui efect care se propagă instantaneu pe o distanță este în conflict cu teoria relativității. Apoi au ajuns la concluzia că mecanica cuantică a fost incompletă, deoarece formalismul nu permite parametrii ascunși.
În general, încălcarea concluziilor teoremei lui Bell a demonstrat că ipotezele teoremei Bell, asumate de Einstein, Podolsky și Rosen, nu se aplică în lumea noastră. Majoritatea fizicienilor care au examinat problema sunt de acord că experimentele, cum ar fi cele ale lui Alain Aspect și ale grupului său, au confirmat că probabilitățile fizice, așa cum sunt prezise de teoria cuantică, prezintă fenomenul încălcărilor inegalității Bell considerate a invalida tipul de explicație preferat EPR prin „variabile locale ascunse” pentru corelațiile la care EPR a atras atenția.
Istoria evoluțiilor EPR
Articolul care a prezentat pentru prima oară aceste chestiuni, Poate descrierea mecanicii cuantice a realității fizice să fie considerată completă?, a fost publicată în 1935. Lucrarea a determinat un răspuns al lui Bohr, pe care l-a publicat în același jurnal, în același an, folosind același titlu. A urmat o dezbatere între Bohr și Einstein cu privire la natura fundamentală a realității. Einstein fusese sceptic cu privire la principiul incertitudinii lui Heisenberg și la rolul șansei în teoria cuantică. Dar esența acestei dezbateri nu se referea la șansă, ci la ceva mai profund: există o realitate fizică obiectivă, pe care fiecare observator o vede prin propria sa viziune? (Viziunea lui Einstein) Sau observatorul co-crează realitatea fizică prin întrebările pe care le pune cu experimentele? (Viziunea lui Bohr)
Einstein a luptat până la sfârșitul vieții sale pentru o teorie care ar putea să se conformeze mai bine ideii sale de cauzalitate, protestând împotriva ideii că nu există nicio realitate fizică obiectivă decât cea care este revelată prin măsurări interpretate în termeni de formalism mecanic cuantic. Cu toate acestea, de la moartea lui Einstein, au fost efectuate experimente analoage cu cele descrise în documentul EPR, începând din 1976 de către oamenii de știință francezi Lamehi-Rachti și Mittig la Centrul de Cercetări Nucleare Saclay. Aceste experimente par să demonstreze că ideea realismului local este falsă, justificând conceptul lui Bohr.
Mecanica cuantică și interpretarea ei
De la începutul secolului al XX-lea, teoria cuantică s-a dovedit a reuși în descrierea cu exactitate a realității fizice a lumii mesoscopice și microscopice, în mai multe experimente fizice reproductibile.
Mecanica cuantică a fost dezvoltată cu scopul de a descrie atomii și de a explica liniile spectrale observate într-un aparat de măsurare. Deși disputată mai ales la începutul secolului al XX-lea, nu a fost încă serios contestată. Interpretările filosofice ale fenomenelor cuantice sunt, totuși, o altă chestiune: întrebarea cu privire la modul de interpretare a formulei matematice a mecanicii cuantice a dat naștere unei varietăți de răspunsuri diferite de la oameni de convingeri filosofice diferite.
Teoria cuantică și mecanica cuantică nu oferă rezultate unice de măsurare într-un mod determinist. Conform înțelegerii mecanicii cuantice cunoscută sub numele de interpretarea de la Copenhaga, măsurarea determină o colapsare instantanee a funcției de undă care descrie sistemul cuantic într-o stare proprie a observabilei care a fost măsurată. Einstein a caracterizat acest colaps imaginat la Conferința de la Solvay din 1927. El a prezentat un experiment gândit în care electronii sunt introduși printr-o mică gaură într-o sferă a cărei suprafață interioară servește drept ecran de detectare. Electronii vor ajunge pe ecranul de detecție sferică într-o manieră foarte dispersată. Acești electroni, totuși, sunt descriși individual de către fronturile de undă care se extind în toate direcțiile de la punctul de intrare. O undă, așa cum este înțeleasă în viața de zi cu zi, ar ajunge pe o suprafață mare a ecranului de detectare, dar electronii ar putea fi afectați de ecran în un singur punct și ar forma în cele din urmă un model în conformitate cu probabilitățile descrise de funcțiile lor de undă identice. Einstein se întreabă ce face ca frontul de undă al fiecărui electron să se prăbușească la locul său. De ce apar electronii ca niște scintilații luminoase, mai degrabă decât ca niște zone de energie pe suprafață? De ce ar apare vreun electron singur într-un punct, mai degrabă decât un alt punct alternativ? Comportamentul electronilor dă impresia că un anumit semnal a fost trimis tuturor punctelor de contact posibil, care le-ar fi anulat pe toate cu excepția unuia dintre ele, sau, cu alte cuvinte, ar fi preferat să selecteze un singur punct excluzând pe toate celelalte.
Opoziția lui Einstein
Einstein a fost cel mai proeminent adversar al interpretării de la Copenhaga. În opinia sa, mecanica cuantică a fost incompletă. Comentând acest lucru, alți scriitori (precum John von Neumann și David Bohm) au emis ipoteza că, în consecință, ar trebui să existe variabile „ascunse” responsabile de rezultatele măsurătorilor aleatorii, ceea ce nu a fost explicit menționat în lucrarea inițială.
Documentul EPR din 1935 a condensat discuția filosofică într-un argument fizic. Autorii susțin că, dat fiind un experiment specific, în care rezultatul măsurătorii este cunoscut înainte de măsurare, trebuie să existe ceva în lumea reală, un „element al realității”, care determină rezultatul măsurătorii. Ei postulează că aceste elemente ale realității sunt locale, în sensul că fiecare aparține unui anumit punct în spațiu. Fiecare element poate fi influențat numai de evenimente care sunt localizate în conul luminii inverse din punctul său în spațiu (adică trecutul). Aceste afirmații se întemeiază pe ipoteze despre natură care constituie ceea ce este acum cunoscut ca realism local.
Deși lucrarea EPR a fost adesea luată ca o expresie exactă a vederilor lui Einstein, a fost în primul rând scrisă de Podolsky, bazată pe discuții la Institutul de Studii Avansate cu Einstein și Rosen. Einstein i-a mai spus lui Erwin Schrödinger că „nu a ieșit așa cum am vrut inițial, mai degrabă, lucru esențial a fost, ca să spunem așa, sufocat de formalism”. În 1936, Einstein a prezentat o relatare individuală a ideilor sale realiste locale.
Descrierea paradoxului
(Experimentul de gândire EPR, realizat cu perechi electron-poztron. O sursă (centru) trimite particule către doi observatori, electroni către Alice (stânga) și pozitroni către Bob (dreapta), care pot efectua măsuratori de spin.
Paradoxul original EPR contestă predicția mecanicii cuantice că este imposibil să se cunoască atât poziția cât și impulsul unei particule cuantice. Această provocare poate fi extinsă la alte perechi de proprietăți fizice.
Articolul EPR
Lucrarea originală se referă la ceea ce trebuie să se întâmple cu „două sisteme I și II, cărora le permitem să interacționeze …” și, după un timp, „presupunem că nu mai există nicio interacțiune între cele două părți”. După cum explică Manjit Kumar (2009), descrierea EPR implică „două particule, A și B, care interacționează scurt și apoi se îndepărtează în direcții opuse”. Conform principiului incertitudinii lui Heisenberg, este imposibil să se măsoare atât impulsul cât și poziția particulei B exact. Cu toate acestea, este posibil să se măsoare poziția exactă a particulei A. Prin calcul, prin urmare, cu poziția exactă a particulei A cunoscută, poziția exactă a particulei B poate fi cunoscută. În mod alternativ, poate fi măsurat impulsul exact al particulei A, astfel încât impulsul exact al particulei B poate fi calculat. Kumar scrie: „EPR a susținut că au demonstrat că … [particula] B poate avea simultan valori precise ale poziției și ale impulsului … Particula B are o poziție reală și un impuls real.”
EPR pare să fi inventat un mijloc de a stabili valorile exacte ale impulsului sau poziției lui B prin măsurătorile făcute pe particula A, fără nici cea mai mică posibilitate ca particula B să fie perturbată fizic.
EPR a încercat să propună un paradox pentru a pune la îndoială domeniul aplicării adevărate a mecanicii cuantice: Teoria cuantică prezice că ambele valori nu pot fi cunoscute pentru o particulă și totuși experimentul de gândire a EPR intenționează să demonstreze că toate acestea trebuie să aibă cu toate valori determinate. Documentul EPR spune: „Suntem deci forțați să concluzionăm că descrierea mecanicii cuantice a realității fizice dată de funcțiile de undă nu este completă”.
Lucrarea EPR se încheie spunând:
Deși am arătat astfel că funcția de undă nu oferă o descriere completă a realității fizice, am lăsat deschisă întrebarea dacă există sau nu o astfel de descriere. Noi credem, totuși, că o astfel de teorie este posibilă.
Lasă un răspuns