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.
Albert Einstein kulcsszerepet játszott a kvantummechanika megalapozásában a fotoelektromos hatás elméletével, viszont filozófiai következményei végig nyugtalanították. Bár legtöbben mint az E = mc² egyenlet szerzőjére emlékszünk rá, utolsó nagy hozzájárulása a fizikához valójában egy 1935-ös cikk volt, amit fiatal munkatársaival, Boris Podolskyval és Nathan Rosennel írt. Az 1980-as évekig furcsa filozófiai lábjegyzetnek tekintett EPR-cikk, amely a kvantumösszefonódás néven ismert furcsa jelenséget írja le, fontos szerepet játszik a kvantumfizika új értelmezésében,
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.
A cikk felteszi, hogy van egy forrás, ami olyan részecskepárokat bocsát ki, melyek mindegyike két mérhető tulajdonsággal rendelkezik. Mindenik mérésnek két, azonos valószínűségű lehetséges eredménye van. Az első tulajdonságnál ez legyen <i>0</i> és <i>1</i>, a másodiknál <i>A</i> és <i>B</i>. A mérés elvégzése után ugyanazon részecske ugyanazon tulajdonságának ismételt mérései ugyanazt az eredményt mutatják. A forgatókönyv különös következménye nemcsak az, hogy a részecske állapota meghatározatlan, amíg meg nem mérik, hanem az is, hogy a mérés határozza meg az állapotát.
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.
Ráadásul, a mérések hatással vannak egymásra. Ha a mérés szerint a részecske <i>1</i> állapotban van, a második méréstípusnál 50% az esély arra, hogy <i>A</i> vagy <i>B</i> legyen az eredmény. De ha megismételjük az első mérést, 50% az esélye, hogy <i>0</i>-t kapunk, még akkor is, ha a részecskén egyszer már <i>1</i>-et mértük. A mért tulajdonság változtatása összezavarja az eredeti eredményt, a tulajdonság új, véletlenszerű értékét téve lehetővé.
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.
A dolgok még furcsábbak, ha mindkét részecskét mérjük. Mindkét részecske véletlenszerű eredményt mutat, de ha összehasonlítjuk őket, rájövünk, hogy mindig tökéletesen korrelálnak egymással. Pl. ha mindkét részecskét nullának mérjük, a kapcsolat mindig fönnmarad. Kettejük állapota összefonódik. Az egyik mérése teljes bizonyossággal megadja a másikat.
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.
De az összefonódás, úgy tűnik, szembemegy Einstein relativitáselméletével, mivel semmi sem korlátozza a részecskék közötti távolságot. Ha megmérjük az egyiket délben New Yorkban, a másikat pedig egy nanoszekundummal később San Franciscóban, mindig pontosan ugyanazt az eredményt kapjuk. De ha a mérés meghatározza az értéket, akkor ez azt igényli, hogy egy részecske valamilyen jelet küldjön a másiknak a fénysebesség 13 milliószorosával, ami a relativitáselmélet szerint nem lehetséges. Einstein ezért az elméletet "spukhafte Fernwirkung"-nak, "kísérteties távhatás"-nak minősítve elutasította. Kimondta, hogy a kvantummechanika nem teljes, csupán közelítése egy másik valóságnak, amelyben mindkét részecske előlünk rejtett, előre meghatározott állapotokban van. A Niels Bohr által vallott ortodox kvantumelmélet támogatói fenntartják, hogy a kvantumállapotok alapvetően meghatározatlanok, és az összefonódás lehetővé teszi, hogy egy részecske állapota függjön a távoli társáétól.
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.
30 évig a fizika zsákutcában maradt, amíg John Bell rá nem jött, hogy az EPR-vita eldöntésének kulcsa a két részecske különböző mérési eseteinek vizsgálata. Az Einstein, Podolsky és Rosen által kedvelt lokális rejtettváltozó-elméletek szigorúan korlátozták az <i>1A</i> vagy a <i>B0</i> eredmény gyakoriságát, mert az eredményeknek előre meghatározottnak kéne lenniük. Bell kimutatta, hogy a tiszta kvantummegközelítésnek, ahol az állapot a mérésig valóban határozatlan, korlátai vannak, és vegyes mérési eredményeket jelez előre, melyek előre meghatározottság esetén lehetetlenek. Miután Bell kidolgozta, hogyan kell tesztelni az EPR-paradoxont, a fizikusoknak sikerült el is végezniük.
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.
Kezdve John Clausterral a 70-es években és Alain Aspect-al a 80-as évek elején, több tucatnyian tesztelték az EPR-paradoxont, és mind ugyanazt fedezték fel: a kvantummechanika helyes. A korreláció az összefonódott részecskék határozatlan állapotai között valóságos, és nem magyarázható semmilyen mélyebb változóval. Az EPR-paradoxon hibás, viszont brilliáns módon. Hatására a fizikusok mélyebben ástak a kvantumfizika alapjaiban, ami az elmélet további kidolgozásához vezetett. Így beindította a kutatást pl. a kvantuminformatika területén, amely ma már virágzik, és a számítógépek példátlan fejlődéséhez vezethet.
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.
Sajnos, a mért eredmények véletlenszerűsége nem kedvez az olyan sci-fi forgatókönyveknek, mint pl. üzenetküldés fénynél gyorsabban, fonódott részecskék segítségével. A relativitáselmélet tehát egyelőre tartja magát. De a kvantumuniverzum sokkal furcsább, mintsem Einstein hinni akarta.