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 đóng vai trò quan trọng trong việc khởi xướng cơ học lượng tử từ lý thuyết của ông về hiệu ứng quang điện nhưng vẫn rất phiền não về ý nghĩa triết học của nó. Và dù hầu hết chúng ta vẫn nhớ đến ông qua công thức E=MC^2, đóng góp lớn cuối cùng của ông với Vật Lý là từ bản báo cáo năm 1935, đồng tác giả với đồng nghiệp trẻ Boris Podolsky và Nathan Rosen. Được coi là một ghi chú kỳ cục đầy tính triết học vào thập niên 80, Bản báo cáo EPR này trở thành trung tâm hiểu biết mới của vật lý lượng tử, với sự mô tả về một hiện tượng kỳ lạ được biết đến với tên gọi "trạng thái buộc chéo".
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.
Bản báo cáo bắt đầu bằng việc xét một nguồn có thể tách ra các cặp hạt, mỗi hạt có 2 đặc tính có thể đo đạc được. Mỗi đo đạc có 2 kết quả khả dĩ với cùng xác suất. Gán 0 hoặc 1 cho đặc tính thứ nhất, và A hoặc B cho đặc tính thứ hai. Một khi thực hiện đo đạc, những lần đo đạc tiếp theo của cùng đặc tính trong cùng hạt sẽ cho ra cùng kết quả. Ý nghĩa kỳ lạ của diễn biến này là không chỉ trạng thái của hạt đơn lẻ là vô xác định cho tới khi được đo đạc, mà chính đo đạc đó xác định trạng thái.
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.
Thêm nữa, các đo đạc ảnh hưởng lẫn nhau. Nếu bạn đo một hạt được trạng thái 1, và sau đó đo đạc loại thứ hai, bạn có 50% khả năng đo được A hoặc B, nhưng nếu bạn lặp lại phép đo đầu tiền, bạn có 50% khả năng đo được 0 cho dù hạt đã được đo ra kết quả 1. Như vậy, chuyển đặc tính được đo đạc làm hỏng kết quả ban đầu, cho phép ra giá trị mới ngẫu nhiên.
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.
Sự việc trở nên kỳ lạ hơn khi bạn quan sát cả hai hạt. Mỗi hạt cho ra kết quả ngẫu nhiên, nhưng nếu so sánh cả hai, bạn sẽ thấy chúng luôn hoàn toàn tương đồng. Ví dụ: nếu cả hai hạt được đo ra 0, mối quan hệ luôn giữ nguyên. Trạng thái của cả hai bị ràng buộc. Đo một hạt sẽ cho biết hạt kia với xác suất tuyệt đối.
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.
Nhưng sự buộc chéo có vẻ phản bác lại thuyết tương đối nổi tiếng của Einstein vì không có giới hạn cho khoảng cách giữa hai hạt. Nếu đo một hạt ở New York vào giữa trưa, và hạt kia ở San Francisco một phần tỷ giây sau, chúng vẫn hoàn toàn cho ra kết quả như nhau. Nhưng nếu sự đo đạc quyết định giá trị, thì sẽ đòi hỏi một hạt gửi tín hiệu nào đó tới hạt kia 13,000,000 lần nhanh hơn tốc độ ánh sáng, điều mà theo thuyết tương đối là không thể. Vì lý do đó, Einstein đã loại bỏ sự buộc chéo và gọi nó là "spuckafte ferwirklung", hay "hành động ma quái từ xa". Ông cho rằng cơ học lượng tử không hoàn thiện, một sự ước lượng của thực tế sâu xa hơn mà ở đó cả hai hạt có trạng thái được định trước, đang lẩn trốn chúng ta. Những người ủng hộ lý thuyết lượng tử chính thống, dẫn đầu bởi Niels Bohr giữ quan điểm rằng trạng thái lượng tử cơ bản là vô xác định, và sự buộc chéo cho phép trạng thái của một hạt phụ thuộc vào đối tác xa xôi của nó.
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.
Trong 30 năm, Vật Lý vẫn ở ngõ cụt, cho tới khi John Bell phát hiện ra rằng chìa khóa để kiểm tra lập luận EPR là nhìn vào trường hợp liên quan đến phép đo đạc khác nhau trong hai hạt. Lý thuyết về biến số ẩn địa phương dẫn dắt bởi Einstein, Podolsky và Rosen, giới hạn gắt gao mức độ thường xuyên ta có thể ra kết quả 1A hay B0 bởi vì kết quả lẽ ra phải được xác định trước. Bell chỉ ra rằng cách tiếp cận thuần lượng tử, nơi mà trạng thái thực sự không xác định cho đến khi đo đạc, có giới hạn khác nhau và dự đoán kết quả đo lường lẫn lộn điều mà trong kịch bản được định trước không thể làm được. Trong khi Bell đang tìm cách kiểm tra lập luận EPR, các nhà Vật Lý đã tìm ra và thực hiện nó.
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.
Bắt đầu từ John Clauster thập niên 70 và Alain Aspect đầu thập niên 80, hàng tá thí nghiệm kiểm tra dự đoán EPR, và tất cả cùng phát hiện một điều: cơ học lượng tử là đúng. Sự tương đồng giữa trạng thái bất định của các hạt buộc chéo là thật và không thể giải thích bằng biến số sâu xa nào khác. Bản báo cáo EPR trở thành sai lầm nhưng vậy lại tuyệt. Bằng việc dẫn dắt các nhà Vật Lý nghĩ sâu hơn về nền tảng của vật lý lượng tử, nó dẫn tới việc xây dựng lý thuyết xa hơn và giúp khởi xướng nghiên cứu về các vấn đề như thông tin lượng tử, ngày nay là lĩnh vực mạnh với tiềm lực để phát triển máy tính với sức mạnh chưa từng có.
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.
Đáng tiếc rằng, sự ngẫu nhiên của kết quả đo đạc ngăn cản kịch bản khoa học viễn tưởng, như sử dụng các hạt buộc chéo để gửi tin nhắn nhanh hơn ánh sáng. Như vậy, thuyết tương đối vẫn an toàn, cho đến giờ. Nhưng vũ trụ lượng tử thì kỳ lạ hơn nhiều