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, com sua teoria do efeito fotoelétrico, porém permaneceu muito incomodado com as implicações filosóficas. E embora a maioria de nós ainda lembre dele pela fórmula E=MC^2, na verdade sua última grande contribuição à Física foi um artigo, de 1935, feito em parceria com seus jovens colegas Boris Podolsky e Nathan Rosen. Visto como uma estranha nota filosófica de rodapé até meados dos anos 80, esse artigo EPR se tornou essencial a um novo entendimento da física quântica, por sua descrição de um estranho fenômeno agora conhecido como "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 considerando uma fonte que emita pares de partículas, cada um com duas propriedades mensuráveis. Cada uma dessas medições tem dois possíveis resultados, de igual probabilidade. Digamos, 0 ou 1 para a primeira propriedade e A ou B para a segunda. Quando uma medição é realizada, as medições subsequentes da mesma propriedade na mesma partícula vão fornecer o mesmo resultado. A estranha implicação dessa situação não é que apenas o estado de uma partícula é indeterminado até que seja medido, mas também que a medição, por sua vez, 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, uma medição afeta a outra. Medindo-se que uma partícula se encontra no estado 1 e em seguida efetuando o segundo tipo de medição, haverá 50% de chance de se obter A ou B. Mas se em seguida você repetir a primeira medição, você terá 50% de chance de obter 0, embora a partícula já tenha sido medida como 1. Portanto, trocar a propriedade sendo medida embaralha o resultado original, permitindo obter 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.
Isso fica ainda mais estranho quando analisamos as duas partículas. Cada uma delas vai produzir resultados aleatórios, mas se você comparar os dois vai descobrir que eles são sempre perfeitamente correlatos. Por exemplo: se ambas as partículas forem medidas como 0, o relacionamento sempre se manterá. Os estados das duas são entrelaçados. Medindo uma delas se obtém a medição da outra com absoluta segurança.
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 esse entrelaçamento parece desafiar a famosa teoria da relatividade de Einstein, pois nada limita a distância entre as partículas. Se você medir uma delas em Nova Iorque, ao meio-dia, e a outra em São Francisco, um nanossegundo depois, você vai obter exatamente o mesmo resultado. Mas se a medição determina mesmo o valor, isso requer que uma partícula envie algum tipo de sinal para a outra 13 milhões de vezes mais rápido do que a velocidade da luz, o que, de acordo com a teoria da relatividade, é impossível. Por isso, Einstein descartou o entrelaçamento como "spukhafte fernwirkung", ou "ação fantasmagórica à distância". Concluiu que a mecânica quântica era incompleta, uma mera aproximação de uma realidade mais profunda, onde ambas as partículas possuem estados predeterminados, ocultos de nós. Os defensores da teoria quântica ortodoxa, liderados por Niels Bohr, afirmavam que os estados quânticos são mesmo, por natureza, indeterminados, e o entrelaçamento permite que o estado de uma partícula dependa do estado de 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.
Por trinta anos, a Física permaneceu num impasse, até que John Bell percebeu que a chave para testar o argumento do EPR era analisar casos envolvendo várias medições das duas partículas. As teorias das variáveis ocultas locais, apoiadas por Einstein, Podolsky e Rosen, limitavam estritamente a frequência de possíveis resultados como 1A ou B0 porque os resultados precisariam ser definidos de antemão. Bell mostrou que a abordagem puramente quântica, na qual o estado fica realmente indeterminado até que seja medido, possui limites diferentes e prevê resultados de medições mistos que são impossíveis na situação pré-determinada. Assim que Bell elaborou a forma de testar o argumento EPR, os físicos o colocaram 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 experimentos testaram a previsão EPR, e todos descobriram a mesma coisa: a mecânica quântica está certa. As correlações entre os estados indeterminados de partículas entrelaçadas são reais e não explicáveis por nenhuma variável mais profunda. [O QUE É O AMOR?] O artigo EPR acabou se mostrando equivocado, mas de forma brilhante. Ao levar os físicos a refletir profundamente sobre os fundamentos da física quântica, ele levou a maiores elaborações da teoria e ajudou a lançar as pesquisas sobre temas como informação quântica, hoje um campo próspero,
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.
com potencial de desenvolver computadores de poder inigualável. Infelizmente, a aleatoriedade dos resultados obtidos impede cenários de ficção científica como usar partículas entrelaçadas para enviar mensagens mais rápido do que a velocidade da luz. Portanto a relatividade está segura, por enquanto.