Алберт Айнщайн е изиграл ключова роля за създаването на квантовата механика с теорията си за фотоелектричния ефект, но философските изводи от нея силно са го разтревожили. Въпреки че повечето от нас още го свързват с извеждането на E=MC^2, последният му важен принос за физиката е една статия от 1935 г. в съавторство с младите му колеги Борис Подолски и Нейтън Розен. Приеман като странна философска подробност чак до 80-те години на 20 век, парадоксът Айнщайн-Подолски-Розен напоследък e централен за ново разбиране на квантовата физика с описанието на един странен феномен, известен като вплетени състояния. Трудът започва с представянето на източник, който изхвърля двойки частици, всяка от които с две измерими свойства. Всяко измерванe има два възможни резултата с еднаква вероятност. Да кажем нула или единица за първото свойство и А или Б за второто. Щом веднъж се направи измерване, следващите измервания на същото свойство при същата частица ще дават същия резултат. Странна последица от този сценарий е не само това, че състоянието на единична частица е неопределено, докато не бъде измерено, но и фактът, че тогава измерването определя състоянието. Нещо повече - измерванията си влияят едно на друго. Ако измерите състоянието на една частица като едно и продължите с втория тип измерване, ще има 50% вероятност да получите А или Б, но ако после повторите първото измерване, ще има 50% вероятност да получите нула, въпреки, че частицата вече е била измерена като единица. Т.е. превключването между свойствата за измерване обърква началния резултат, позволявайки нова случайна стойност. Нещата стават още по-странни, когато наблюдаваме и двете частици. Всяка от частиците ще даде случайни резултати, но ако ги сравним, ще открием, че те винаги са перфектно свързани. Например, ако и двете частици са измерени като нули, тази връзка винаги ще важи. Състоянията им са вплетени. Измерването на едната ще ви даде и другата с абсолютна сигурност. Но това вплитане сякаш не се подчинява на известната теория на относителността на Айнщайн, защото нищо не ограничава разстоянието между частиците. Ако измерите едната в Ню Йорк по обяд, а другата в Сан Франциско наносекунда по-късно, те пак дават съвсем същия резултат. Но ако наистина измерването определя стойността, това би изисквало едната частица да изпрати някакъв сигнал на другата със скорост 13,000,000 пъти по-голяма от скоростта на светлината, което, според относителността, е невъзможно. Затова Айнщайн отхвърлил вплитането като "spuckafte ferwirklung" или призрачно действие от разстояние. Той решил, че квантовата механика трябва да е непълна – просто приближение на една по-дълбока реалност, в която двете частици имат предопределени състояния, скрити от нас. Поддръжниците на общоприетата квантова теория начело с Нилс Бор твърдяли, че квантовите състояния наистина са фундаментално неопределени и вплитането позволява състоянието на една частица да зависи от това на далечната ѝ партньорка. 30 години физиката останала в задънена улица, докато Джон Бел не проумял, че ключът към тестването на доводите на АРП е да се разгледат случаи с различни измервания за двете частици. Теорията за скритите локални променливи с поддръжници Айнщайн, Подолски и Розен строго ограничавала честотата на получаване на резултати като 1А или Б0, защото резултатите би трябвало да се дефинират предварително. Бел показал, че чисто квантовият подход, при който състоянието е абсолютно неопределено, докато не се измери, има различни ограничения и предвижда объркани резултати от измерванията, които са невъзможни според предварителния сценарий. Веднага щом Бел разбрал как да провери доводите на АПР, физиците продължили и го направили. Започвайки с Джон Клаузър през 70-те и Ален Аспе в началото на 80-те, дузини експерименти проверили предвижданията на АПР и всички установили едно и също: квантовата механика е вярна. Връзките между неопределените състояния на вплетените частици са истински и не могат да се обяснят с никаква по-тайна променлива. Статията на АПР се оказала погрешна, но по един блестящ начин. Карайки изтъкнати физици да размишляват сериозно за основите на квантовата физика, тя довела до по-нататъшно разработване на теорията и помогнала да започнат проучвания на теми като квантовата информация – процъфтяваща област в момента с потенциал да развие компютри с несравнима мощ. За съжаление, произволно измерените резултати не позволяват научно-фантастични сценарии, в които вплетени частици се използват за предаване на съобщения, по-бързи от светлината. Засега относителността е в безопасност. Но квантовата вселена е далеч по-странна, отколкото Айнщайн е искал да вярва.
Albert Einstein played a key role in launching quantum mechanics through his theory of the photoelectric effect but remained deeply bothered by its philosophical implications. And though most of us still remember him for deriving E=MC^2, his last great contribution to physics was actually a 1935 paper, coauthored with his young colleagues Boris Podolsky and Nathan Rosen. Regarded as an odd philosophical footnote well into the 1980s, this EPR paper has recently become central to a new understanding of quantum physics, with its description of a strange phenomenon now known as entangled states. The paper begins by considering a source that spits out pairs of particles, each with two measurable properties. Each of these measurements has two possible results of equal probability. Let's say zero or one for the first property, and A or B for the second. Once a measurement is performed, subsequent measurements of the same property in the same particle will yield the same result. The strange implication of this scenario is not only that the state of a single particle is indeterminate until it's measured, but that the measurement then determines the state. What's more, the measurements affect each other. If you measure a particle as being in state 1, and follow it up with the second type of measurement, you'll have a 50% chance of getting either A or B, but if you then repeat the first measurement, you'll have a a 50% chance of getting zero even though the particle had already been measured at one. So switching the property being measured scrambles the original result, allowing for a new, random value. Things get even stranger when you look at both particles. Each of the particles will produce random results, but if you compare the two, you will find that they are always perfectly correlated. For example, if both particles are measured at zero, the relationship will always hold. The states of the two are entangled. Measuring one will tell you the other with absolute certainty. But this entanglement seems to defy Einstein's famous theory of relativity because there is nothing to limit the distance between particles. If you measure one in New York at noon, and the other in San Francisco a nanosecond later, they still give exactly the same result. But if the measurement does determine the value, then this would require one particle sending some sort of signal to the other at 13,000,000 times the speed of light, which according to relativity, is impossible. For this reason, Einstein dismissed entanglement as "spuckafte ferwirklung," or spooky action at a distance. He decided that quantum mechanics must be incomplete, a mere approximation of a deeper reality in which both particles have predetermined states that are hidden from us. Supporters of orthodox quantum theory lead by Niels Bohr maintained that quantum states really are fundamentally indeterminate, and entanglement allows the state of one particle to depend on that of its distant partner. For 30 years, physics remained at an impasse, until John Bell figured out that the key to testing the EPR argument was to look at cases involving different measurements on the two particles. The local hidden variable theories favored by Einstein, Podolsky and Rosen, strictly limited how often you could get results like 1A or B0 because the outcomes would have to be defined in advance. Bell showed that the purely quantum approach, where the state is truly indeterminate until measured, has different limits and predicts mixed measurement results that are impossible in the predetermined scenario. Once Bell had worked out how to test the EPR argument, physicists went out and did it. Beginning with John Clauster in the 70s and Alain Aspect in the early 80s, dozens of experiments have tested the EPR prediction, and all have found the same thing: quantum mechanics is correct. The correlations between the indeterminate states of entangled particles are real and cannot be explained by any deeper variable. The EPR paper turned out to be wrong but brilliantly so. By leading physicists to think deeply about the foundations of quantum physics, it led to further elaboration of the theory and helped launch research into subjects like quantum information, now a thriving field with the potential to develop computers of unparalleled power. Unfortunately, the randomness of the measured results prevents science fiction scenarios, like using entangled particles to send messages faster than light. So relativity is safe, for now. But the quantum universe is far stranger than Einstein wanted to believe.