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 ผู้มีบทบาท ในการริเริ่มกลศาสตร์ควอนตัม ผ่านทฤษฏีปรากฏการโฟโตอิเล็กทริกของเขา แต่ยังคงขัดแย้งกันอยู่อย่างลึกๆ กับหลักปรัชญา และกระทั่งสิ่งที่พวกเราจำกันได้มากที่สุด โดยที่เขาเป็นผู้ให้กำเนิด E=MC^2 สิ่งสุดท้ายที่ยิ่งใหญ่ที่เขาอุทิศ ให้วงการฟิสิกส์คือบทความในปี 1935 ร่วมด้วยผู้ร่วมงานอายุน้อยของเขา Boris Podolsky และ Nathan Rosen เป็นบทความที่แปลกประหลาดในเชิงปรัชญา จนย่างเข้าสู่ในช่วงทศวรรษ 80 กระดาษ EPR แผ่นนี้ ได้กลายมาเป็นศูนย์กลาง สำหรับการเข้าใจสิ่งใหม่ๆในควอนตัมฟิสิกส์ ด้วยการอธิบายถึงปรากฏการณ์แปลกประหลาด ซึ่ง ณ ตอนนี้รู้จักกันในนาม สถานะเกี่ยวพัน (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.
เริ่มด้วยการพิจารณาถึงจุดกำเนิด ที่แยกอนุภาคออกเป็น 2 ส่วน โดยทั้ง 2 สามารถวัดคุณสมบัติได้ ซึ่งแต่ละส่วน วัดได้ค่าที่เป็นไปได้ ในความน่าจะเป็นที่เท่ากัน สมมติ 1 กับ 0 สำหรับคุณสมบัติแรก และ A กับ B สำหรับอันที่สอง เมื่อเริ่มต้นการวัด ภายหลังจากการวัดของคุณสมบัติ ที่เหมือนกัน ของอนุภาคเดียวกัน จะต้องให้ผลลัพธ์ที่เหมือนกัน ความแปลกในการเกี่ยวพันในแบบแผนนี้ ไม่ใช่แค่สถานะของอนุภาคเพียงอย่างเดียว ที่ไม่สามารถรู้ได้จนกว่าจะได้รับการวัด แต่รวมถึงสถานะภายหลังการวัด
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.
ที่จะส่งผลต่ออีกอนุภาค ถ้าสถานะของอนุภาคแรก คือ 1 และวัดเหมือนเดิมด้วยวิธีแบบที่ 2 คุณก็จะมีโอกาศ 50/50 ที่จะได้ผล A หรือ B แต่ถ้าวัดย้อนกลับไปยังการวัดแบบที่ 1 คุณก็จะมีโอกาศ 50/50 ที่จะได้ 0 แม้ว่าอนุภาคนั้นจะได้รับ การวัดแบบที่ 1 ไปแล้วก็ตาม ดังนั้นการเปลี่ยนการวัด คุณสมบัติกลับไปกลับมา ทำให้เกิดการสุ่มค่าใหม่
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.
สิ่งที่แปลกไปยิ่งกว่านั้นคือ เมื่อสังเกตอนุภาคทั้งสอง มันจะให้ผลลัพธ์สุ่มออกมา แต่ถ้าเอาทั้งสองอนุภาคมาเทียบกัน คุณจะพบว่ามันสัมพันธ์กันอย่างสมบูรณ์ ยกตัวอย่างเช่น ถ้าคุณสมบัติ ของอนุภาคทั้งคู่เป็น 0 ความสัมพันธ์นั้นจะยังคงอยู่ โดยสถานะของทั้งคู่ นั้นเกี่ยวพันกัน(entangled) ถ้ารู้ค่าของอีกตัว ก็จะสามารถรู้ค่าของอีกตัวได้ทันที
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.
แต่การเกี่ยวพันกันนี้ดูเหมือนจะขัดกับ ทฤษฏีสัมพันธภาพที่มีชื่อเสียงของ Einstein เพราะไม่มีอะไรกำหนดขีดจำกัด ของระยะทางระหว่างอนุภาค ถ้าคุณวัดคุณสมบัติของอนุภาคหนึ่ง ที่นิวยอร์กตอนบ่ายโมง และอีกอนุภาคหนึ่งที่ซานฟรานซิสโก ในอีกนาโนวินาทีต่อมา มันก็ยังคงให้ผลที่เหมือนกัน ยิ่งถ้าคุณสมบัติของอนุภาค ถูกวัดเป็นค่า โดยที่อนุภาคตัวหนึ่งจะส่งสัญญาณ ไปยังอีกอนุภาค มันจะเร็วถึง 13ล้านเท่าของความเร็วแสง ซึ่งตามทฤษฏีสัมพันธภาพแล้ว มันเป็นไปไปไม่ได้ ด้วยเหตุนี้ Einstein จึงไม่ยอมรับการเกี่ยวพัน ราวกับเป็น "spuckafte ferwirklung," หรือ ระยะทางผี เขาตัดสินใจว่ากลศาสตร์ควอนตัม นั้นไม่สมบูรณ์ เพียงใกล้เคียงกับความเป็นจริง ในอนุภาคทั้งสอง มีคุณสมบัตืในตัวมันเองอยู่แล้ว เพียงแต่เรามองไม่เห็น ผู้สนับสนุนดั้งเดิมของกลศาสตร์ควอนตัม นำโดย Niels Bohr ยึดมั่นว่ากลศาสตร์ควอนตัมนั้น ตั้งอยู่บนพื้นฐานความไม่แน่นอนอยู่แล้ว และการเกี่ยวพันนี้กำหนดให้ คุณสมบัติของอนุภาคตัวหนึ่ง ขึ้นกับอนุภาคอีกตัวหนึ่งที่อยู่ไกลออกไป
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.
กว่า 30 ปีที่วงการฟิสิกส์ยังคงอยู่ แต่หยุดชะงัก จนกระทั่ง John Bell ค้นพบกุญแจ ที่จะใช้ทดสอบข้อเท็จจริงของ EPR จะต้องดูการเกี่ยวพันคุณสมบัติ ความแตกต่างของทั้ง 2 อนุภาค ทฤษฏีค่าที่ถูกซ่อน โดย Einstein Podolsky และ Rosen จำกัดอยู่แค่ว่าบ่อยแค่ไหนที่ได้ค่า 1 A หรือ B 0 ซึ่งผลของมันก็ได้ถูกกำหนดเอาไว้แล้ว Bell แสดงให้เห็นการเข้าใกล้ ควอนตัมอย่างแท้จริง ณ ตำแหน่งที่คุณสมบัติไม่ได้ถูก กำหนดออกมาจนกว่าจะได้วัด ในข้อจำกัดที่ต่าง และ การทำนาย ผสมกันกับผลการวัด ซึ่งมันเป็นไปไม่ได้ กับการกำหนดผลเอาไว้ก่อน เมื่อ Bell ค้นพบวิธีทดสอบ ข้อเท็จจริงของ EPR นักฟิสิกส์ก็ต่างเริ่มต้นทดลอง
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.
เริ่มด้วย John Clauster ในทศวรรษ 70 และ Alain Aspect ในก่อน 80 มีผลการทดลองมากมาย เกี่ยวกับการทำนาย EPR และทั้งหมดต่างมีสิ่งที่เหมือนกันคือ กลศาสตร์ควอนตัมนั้นถูกต้อง ความสัมพันธ์ระหว่างคุณสมบัติที่ไม่ได้ ถูกกำหนดเอาไว้ กับการเกี่ยวพันนั้นเป็นจริง และไม่สามารถอธิบาย หรือแตกแขนงลงลึกไปกว่านี้ได้อีก บทความ EPR นั้นไม่ถูกต้อง แต่กลับยอดเยี่ยม สามารถนำทางให้นักฟิสิกส์คิดลึกลงไป เกี่ยวกับรากฐานของกลศาสตร์ควอนตัม มันนำไปสู่ทฤษฏีที่ซับซ้อนมากขึ้น และช่วยทำให้เกิดงานวิจัย เช่น quantum information ซึ่งตอนนี้เข้าข่ายประสบความสำเร็จ พัฒนาคอมพิวเตอร์ที่มีพลังเกินจินตนาการ
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.
โชคร้ายที่การสุ่มของคุณสมบัตินี้ ได้เข้าขัดขวางนิยายวิทยาศาสตร์ อย่างใช้การเกี่ยวพันของอนุภาค ส่งข้อความด้วยความเร็วมากกว่าแสง ทฤษฏีสัมพันธภาพจึงยังคงปลอดภัยในตอนนี้ แต่ในจักรวาลของควอนตัมยังคงแปลกประหลาด เกินกว่าที่ Einstein จะเข้าใจ