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 ebbe un ruolo chiave nel promuovere la meccanica quantistica attraverso la teoria dell'effetto fotoelettrico ma continuò a preoccuparsi per le sue implicazioni filosofiche. E nonostante sia ricordato per aver ricavato E=MC^2, il suo ultimo grande contributo alla fisica fu un saggio del 1935, in collaborazione con i colleghi Boris Podolski e Nathan Rosen. Considerato come un'insolita postilla filosofica fino agli anni '80, ora il saggio EPR è diventato fulcro di una reinterpretazione della quantistica, grazie alla descrizione di uno strano fenomeno conosciuto come stato di entanglement.
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.
Il saggio inizia con l'analisi di una fonte che emette coppie di particelle, ognuna con due proprietà misurabili. Entrambe le misurazioni hanno due risultati possibili di eguale probabilità. Diciamo zero o uno per la prima proprietà, e A o B per la seconda. Una volta effettuata la misurazione le misurazioni successive di quella proprietà nella stessa particella daranno lo stesso risultato. La strana implicazione di questo scenario non è solo che lo stato di una singola particella è indeterminato finché non viene misurato, ma che la misurazione ne determini allora lo stato.
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.
C'è di più: le misurazioni influiscono l'una sull'altra. Misurando una particella che vi risulta nello stato 1 e proseguendo con il secondo tipo di misurazione avrete il 50% di probabilità di ottenere A o B, ma se ripetete la prima misurazione avrete un 50% di possibilità di ottenere 0 anche se la particella era già stata misurata a 1. Quindi il cambio di proprietà da misurare altera il risultato originale, permettendo un nuovo valore casuale.
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.
Le cose si fanno ancora più strane se esaminate entrambe le particelle. Ognuna produce risultati casuali, ma se le paragonate scoprirete che sono sempre perfettamente correlate. Ad esempio, se entrambe le particelle sono misurate a zero ci sarà sempre una relazione tra loro. I loro stati sono entangled. Misurandone uno si saprà l'altro con certezza assoluta.
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.
Ma l'entanglement contrasta la teoria della relatività di Einstein poiché nulla limita la distanza tra particelle. Se ne misurate una a New York alle 12, e l'altra a San Francisco un nanosecondo più tardi, daranno comunque lo stesso risultato. Ma se è la misurazione a determinarne il valore, ciò richiederebbe che una particella mandi una sorta di segnale all'altra 13 milioni di volte più veloce della luce, che, secondo la relatività, è impossibile. Per questo, Einstein considerava l'entanglement una "spuckafte ferwirklung" cioè una azione spettrale a distanza. Pensava che la quantistica dovesse essere incompleta, un'approssimazione di una realtà più complessa in cui entrambe le particelle hanno stati predeterminati che non possiamo conoscere. I sostenitori ortodossi della teoria quantistica capitanati da Niels Bohr affermavano che gli stati quantistici sono davvero sostanzialmente indeterminati e che l'entanglement permette allo stato di una particella
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.
di dipendere da quello della sua partner. Per 30 anni la fisica restò in un'impasse, fino a che John Bell capì che la chiave per provare le tesi dell'EPR è esaminare i casi che coinvolgono diverse misurazioni nelle due particelle. Le teorie delle variabili nascoste locali promosse da Einstein, Podolsky e Rosen, limitavano strettamente quanto spesso si possono ottenere risultati come 1A o B0 dal momento che i risultati dovrebbero essere definiti in anticipo. Bell dimostrò che il mero approccio quantistico, in cui lo stato è davvero indeterminato finché non viene misurato, ha molti limiti e predice risultati di misurazione misti che sono impossibili nello scenario predeterminato. Una volta che Bell sviluppò come testare le teorie EPR, i fisici iniziarono a provarci.
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.
A partire da John Clauster e Alain Aspect tra gli anni '70 e '80 dozzine di esperimenti hanno testato il pronostico dell'EPR e tutte hanno provato la stessa cosa: la meccanica quantistica è corretta. Le correlazioni tra gli stati entangled indeterminati delle particelle sono reali e non possono essere spiegate da nessuna variabile più complessa. Il saggio EPR si rivelò errato ma in una maniera brillante. Spingere i fisici a pensare a fondo ai fondamenti della fisica quantistica, li portò a elaborazioni successive della teoria e aiutò a promuovere ricerche in ambiti come l'informatica quantistica, un campo in crescita, con il potenziale
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.
di creare computer con potenze incomparabili. Purtroppo la casualità dei risultati calcolati impedisce scenari fantascientifici, come l'utilizzo di particelle entangled per mandare messaggi più veloci della luce. Quindi la relatività è al sicuro, per ora.