EPR-paradoks: Einstein–Podolsky–Rosen ja kvantpõimumise seletus

EPR-paradoks: selge ja kaasahaarav ülevaade Einstein–Podolsky–Roseni kriitikast ja kvantpõimumisest — miks see raputas kvantmehaanikat ja mida see tähendas.

EPR-paradoks on varajane ja tugev kriitika kvantmehaanika suhtes. Albert Einstein ja tema kolleegid Boris Podolsky ja Nathan Rosen väitsid, et Niels Bohr, Werner Heisenberg ja teised teadlased Kopenhaagenis eksisid määramatuse osas. Heisenberg väitis, et kunagi ei saa teada ühegi aatomi suuruses või väiksema osakese nii asukohta kui ka impulssi (või kiirust või trajektoori) täpselt samaaegselt: nende suuruste korraga mõõtmine on piiratud. Idee oli, et neid kahte ei saa mõõta korraga ja et niipea, kui üks neist on mõõdetud, toimub süsteemis muutus ning seetõttu ei pruugi teist suurust olla samas määras võimalik määrata nagu enne mõõtmist. Einstein ja tema rühm ütlesid, et Heisenberg peaks uuesti järele mõtlema. Oletame, et teil on kaks väga väikest osakest. Te mõõtsite kummagi kaalu ja siis kleepisite need kokku. Sa andsid neile väikese tõuke. Siis purustas midagi need lahku. Neil peaks olema nii asendid kui ka kiirused, mis olid omavahel seotud. Seega, kui te mõõtsite ühe neist asukohta, siis isegi kui te eeldasite, et Heisenbergil oli õigus ja te ei saanud mõõtmise käigus segi ajada selle kiirust, ei tähenda see kindlasti, et sellel ei olnud kunagi kindlat kiirust. Selle tõestuseks ütles Einstein, et te võiksite järgmisena mõõta teise osakese kiirust ja kuna kõik on matemaatiliselt seotud, siis teaksite ka esimese osakese kiiruse.

Mõttekatset ja "kummituslikku kaugtegu"

Einsteini, Podolsky ja Roseni (EPR) mõttekatses kasutati algselt positsiooni ja impulssi, kuid hiljem on sama mõte lihtsustatult esitatud näiteks kahe keeratud spinniga osakese puhul (kui üks on üles, teine on all). EPR argument oli suunatud kahe põhimõtte vastu: lokalism (et mõjutused ei levi kiiremini kui valgus) ja reaalsus (et füüsikalised suurused olemasolevad sõltumatult sellest, kas me neid mõõdame). Kui ühe osakese mõõtmine määrab kohe teise omaduse, tundus see Einsteinile olevat "kummituslik kaugtegevus" — nagu mingisugune võlujõud, mis mõjutaks teisest osakesest kaugel asuvat partnerit koheselt.

Schrödinger ja põimumine

Erwin Schrödinger rõhutas, et two-body seosed, mida EPR kirjeldas, on kvantmehaanikas fundamentaalsed ja nimetas seda nähtust põimumiseks (entanglement). Põimumise korral ei saa süsteemi kahte osa isoleeritult kirjeldada omaenda lainfunktsiooniga — nende olek on ühtselt määratud ainult koos. Schrödinger tõi ka välja, et see pole lihtsalt teaduslik essee, vaid helge probleem, mis nõuab selgitust teooria tõlgenduse tasandil.

Varjatud muutujad ja Belli teoreem

Üks võimalus EPR-mure lahendamiseks oli oletada, et kvantmehaanika on mittetäielik ja et reaalsust määravad varjatud muutujad — parameetrid, mida praegune teooria ei sisalda. Kuid John Stewart Bell tõestas 1964. aastal matemaatiliselt, et kõik nii-öelda lokalsed varjatud muutujad annavad prognoose, mis rahuldavad teatud >Bell'i võrratuse< sarnaseid piiranguid. Kui katseandmed neid piiranguid rikuvad, ei saa lokaalseid varjatud muutujad seletada eksperimentaalseid tulemusi. Seega, kui looduses esinevad kvantkorrelatsioonid rikuvad Bell'i võrratusi (mida eksperimendid hiljem näitasid), tähendab see, et kas peame loobuma lokalismist või realistlikust ettekujutusest varjatud muutujatest.

Katsed ja eksperimendid

Aastakümneid pärast Bell'i tööd viidi läbi reaalsed katsed, mis mõõtsid põimunud osakeste korrelatsioone. 1980. ja 1990. aastate ning hiljem tehtud katsed (nt Alain Aspecti katsed 1980ndatel) näitasid Bell'i tingimuste rikkumist — kvantmehaaniline prognoos pidas vastu ja lokaalsed varjatud muutujad ei seletanud tulemusi. 2015. aastal tehti mitmeid "lõpplõpuks" kirjeldatavaid katseid (nt Hensen et al., Delft), mis sulgesid olulised eksperimentaalsed lüngad (nt valguskiiruse ja mõõtmise-paari asukoha vaheline kohakinnituse lünka) ning kinnitasid veelgi Bell'i teoreemi kehtivust reaalses maailmas.

Mida põimumine tegelikult tähendab?

• Instantaanseid korrelatsioone: Põimunud osakeste mõõtmised võivad olla üksteisega väga tugevalt korreleeritud, isegi kui osakesed on kaugel üksteisest.
• Ei ole kiiremat kui valguse teavet: Kuigi korrelatsioonid näivad toimuvat koheselt, ei saa nendega saata informatsiooni kiiremini kui valguse kiirus — seega ei riku põimumine relativistlikku põhiseadust põhjustest ja tagajärgedest.
• Valiku tõlgenduse küsimus: Kuidas neid tulemusi tõlgendada, sõltub kvantteooria tõlgendusest — näiteks Kopenhaageni tõlgendus räägib lainefunktsiooni kokkukukkumisest, paljuntarvikute (many-worlds) tõlgendus väidab, et kõik tulemused realiseeruvad eri harudes jne.

Praktilised rakendused

Põimumisest tulenevad kvantkorrelatsioonid ei ole ainult teoreetiline müsteerium — need on aluseks mitmetele tehnoloogiatele:

• Kvantkryptograafia (nt kvantvõtmeraheline krüptograafia) kasutab põimumist turvalise võtmejaotuse tagamiseks.
• Kvantteleportatsioon võimaldab kvantoleku edastamist ühest kohast teise, kasutades põimumist ja klassikalist informatsiooni.
• Kvantarvutid kasutavad põimumist ja superpositsiooni, et saavutada teatud ülesannetes klassikalistest arvutitest parem jõudlus.

Kokkuvõte

EPR-paradoks tõstis põhiküsimuse: kas kvantmehaanika kirjeldus on täiuslik ja kas looduse põhitasand on "lokalne" ja "realistlik". Schrödingeri poolt nimetatud põimumine osutus reaalseks nähtuseks ning Bell'i teoreem koos paljude eksperimentidega näitas, et lokaalseid varjatud muutujad ei suuda seletada kvantkorrelatsioone. Samas jääb avatud küsimus, kuidas parim viis kvantreaalsust mõista — see on nii teoreetiline kui filosoofiline arutelu, millel on ka praktilisi tagajärgi ja tehnoloogilisi rakendusi.

Küsimused ja vastused

K: Mis on EPR-paradoks?

K: Mida väitis Heisenberg?

K: Kuidas Einstein sellele väitele vastas?

K: Millise seletuse pakkus Erwin Schrödinger sellele paradoksile?

Küsimus: Kas Einstein uskus, et põimumine on olemas?

K: Kes tõestas matemaatiliselt, et põimumine on olemas?

Otsing