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 teve um papel fundamental no lançamento da mecânica quântica, através da sua teoria do efeito fotoelétrico mas manteve-se profundamente preocupado com as suas implicações filosóficas. Apesar de muitos de nós ainda se lembrar dele pela fórmula E=MC^2, a sua última grande contribuição para a Física foi um artigo de 1935, feito em colaboração com os seus jovens colegas Boris Podolsky e Nathan Rosen. Considerada como uma estranha e filosófica nota de rodapé até meados dos anos 80, este artigo EPR foi recentemente considerado essencial para um novo entendimento da mecânica quântica, com a sua descrição de um estranho fenómeno agora conhecido por "estados entrelaçados".
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.
O artigo começa por considerar uma fonte que emite pares de partículas, cada uma delas com duas propriedades mensuráveis. Cada uma dessas medições tem dois resultados possíveis, de igual probabilidade. Consideremos 0 ou 1 para a primeira propriedade e A ou B para a segunda. Quando se realiza uma medição, as medições subsequentes da mesma propriedade na mesma partícula vão obter o mesmo resultado. A estranha implicação desta situação não é apenas que o estado de uma partícula é indeterminado até ser medido, mas também que, assim sendo, é a medição que determina o estado.
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.
E, além disso, que as medições se afetam uma à outra. Se medirmos uma partícula como estando no estado 1, e de seguida fizermos um segundo tipo de medição, haverá uma probabilidade de 50% de obter A ou B, mas, se a seguir, repetirmos a primeira medição, teremos 50% de probabilidade de obter 0 mesmo que a partícula já tenha sido medida como 1. Assim, mudar a propriedade a ser medida baralha o resultado inicial, permitindo a obtenção de um valor novo e aleatório.
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.
Fica tudo ainda mais estranho quando olhamos para ambas as partículas. Cada uma das partículas gerará um resultado aleatório mas, se compararmos os dois, vemos que ambos estão perfeitamente correlacionados. Por exemplo, se ambas as partículas são medidas como zero, esta relação irá manter-se sempre. Os estados das duas partículas estão "entrelaçados". A medição de uma irá dar-nos a da outra, sem margem para erro.
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.
Mas este entrelaçamento parece desafiar a famosa teoria da relatividade de Einstein porque não há nada que limite a distância entre as partículas. Se medirmos uma em Nova Iorque ao meio-dia e outra em São Francisco um nanossegundo depois, iremos obter exatamente o mesmo valor. Mas se a medição determina o valor isso implica que uma partícula envia uma espécie de sinal à outra a uma velocidade 13 milhões de vezes superior à velocidade da luz, o que é impossível, de acordo com a teoria da relatividade. Por isso, Einstein rejeitou esse entrelaçamento como sendo"spuckafte ferwirklung" ou "ação fantasmagórica à distância". Ele concluiu que a mecânica quântica devia estar incompleta, uma mera aproximação de uma realidade mais profunda, em que ambas as partículas possuem estados predeterminados que estão ocultos para nós. Os defensores da teoria quântica ortodoxa, liderados por Niels Bohr, mantiveram que os estados quânticos são, por definição, indeterminados, e o entrelaçamento permite que o estado de uma partícula dependa do estado da sua parceira distante.
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.
Durante 30 anos, a Física permaneceu num impasse, até que John Bell percebeu que a chave para testar o argumento EPR era analisar casos envolvendo diferentes medições das duas partículas. As teorias das variáveis locais ocultas, apoiadas por Einstein, Podolsky e Rosen, limitavam estritamente a frequência de possíveis resultados como 1A ou B0 porque os resultados tinham de ser predeterminados. Bell mostrou que uma abordagem meramente quântica, na qual o estado é realmente indeterminado até ser medido, possui limites diferentes e prevê resultados de medições mistos que são impossíveis numa situação predeterminada. Assim que Bell conseguiu arranjar uma forma de testar o argumento EPR, os físicos colocaram-na em prática.
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.
Começando com John Clauser nos anos 70 e com Alain Aspect no início dos anos 80, dezenas de experiências testaram a previsão EPR, e todos descobriram o mesmo: a mecânica quântica estava correta. As correlações entre os estados entrelaçados indeterminados das partículas são reais e não podem ser explicadas por uma variável mais profunda O artigo EPR acabou por estar errado, mas de forma brilhante. O facto de levar os físicos a refletirem profundamente sobre os fundamentos da física quântica, levou a elaborações mais profundas da teoria e ajudou a iniciar as pesquisas sobre temas como a informação quântica, agora um campo próspero com o potencial de desenvolver computadores de poder inigualável.
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.
Infelizmente, a aleatoriedade dos resultados impede cenários de ficção científica, como usar partículas entrelaçadas para enviar mensagens mais rapidamente do que a luz. Por isso, a teoria da relatividade está segura, por agora.