EPR paradoks: Einstein, prepletanje in 'strašljivo delovanje na daljavo'

Paradoks EPR je zgodnja in pomembna kritika kvantne mehanike, ki so jo leta 1935 predstavili Albert Einstein, Boris Podolsky in Nathan Rosen. Avtorji so trdili, da opis kvantne mehanike, kakor ga zagovarja Københavnska šola (med drugim Niels Bohr in Werner Heisenberg), morda ni popoln. Ključni argument EPR temelji na pojmu negotovosti (Heisenbergovi relaciji negotovosti): po kvantni mehaniki ni mogoče hkrati natančno poznati nekaterih parov lastnosti (npr. položaja in gibalne količine) istega delca. EPR so pokazali miselni poskus, s katerim naj bi izkazali, da lahko kvantna mehanika da nepopolno sliko realnosti oziroma da so morda potrebne dodatne, skrite spremenljivke.

Kaj je miselni poskus?

EPR predpostavijo par delcev, ki sta sprva v medsebojni povezani (korrelirani) državi — na primer sta bila skupaj in sta se nato razšla. Zaradi ohranitvenih zakonov so njune lastnosti povezane: če izmerimo položaj enega delca, lahko na podlagi povezanosti sklepamo o položaju drugega; če izmerimo hitrost (gibalno količino) enega, lahko sklepamo o hitrosti drugega. Einstein in sodelavci so trdili, da lahko na ta način pridobimo oboje — informacije o položaju in gibalni količini prvega delca — ne da bi neposredno merili oba, kar pomeni, da mora obstajati "nekaj", kar določa te vrednosti že pred meritvijo. Po njihovi oceni tako kvantna mehanika ne opisuje vsega, kar je v naravi (ni "kompletna").

Heisenberg, "čarovnija" in Schrödingerjev »prepletanje«

Heisenbergov odgovor je temeljil na ideji, da meritve same posegajo v sistem in spreminjajo lastnosti, ki jih želimo opazovati. Einstein pa je opozoril na drugačen pomislek: če bi bilo merjenje prvega delca sposobno takoj spremeniti lastnosti drugega — tudi če sta delca zelo daleč narazen — bi to pomenilo kakršenkoli vpliv, ki bi moral potovati hitreje od svetlobe, kar nasprotuje posebni teoriji relativnosti. Einstein je to pojavno lastnost opisal kot "strašljivo delovanje na daljavo". Erwin Schrödinger je temu pojavu dal ime prepletanje (entanglement) in opozoril, da je med subjekti obstaja močna kvantna povezanost.

Bellov izrek in poskusi

Vprašanje, ali lahko kakršne koli lokalne skrite spremenljivke (torej razlage, ki ohranjajo lokalnost in realizem) pojasnijo kvantne korelacije, je leta 1964 matematično strnil John Stewart Bell. Bell je pokazal, da obstajajo kvantne napovedi, ki vodijo do kršitev določljivih neenakosti (Bellovih neenakosti), ki jih morajo spoštovati vse lokalne teorije s skritimi spremenljivkami. Eksperimentalna preverjanja (med najbolj znanimi so poskusi Alberta Assaifa Aspecta v osemdesetih letih in kasnejši "brezluknjevni" poskusi v letu 2015 ter po njih) so dosledno potrdila kršitev Bellovih neenakosti in skladnost s kvantnimi napovedmi. To je dalo močan eksperimentalni dokaz, da prepletanje dejansko obstaja in da ga lokalne skrite spremenljivke ne morejo pojasniti.

Pomen in sodobni pogled

Pomembno je razumeti dve pogosto zmedeni dejstvi:

• Kvantno prepletanje prinaša močne korelacije med izmerjenimi rezultati na oddaljenih delcih, vendar te korelacije same po sebi ne omogočajo prenosa uporabne informacije hitreje od svetlobe. Zato s kvantnim prepletanjem ne moremo kršiti relativistične zakonitosti o vzročnosti.
• Rezultati eksperimentov kažejo, da moramo opustiti vsaj eno izmed dveh intuitivnih predpostavk: lokalnost (da se dogodki lahko vplivajo le z lokalno interakcijo) ali realizem (da imajo fizikalne lastnosti določene, neodvisno od opazovanja). Kvantna teorija zahteva drugačno razumevanje teh pojmov, kar mnoge vodi k sprejetju, da svet ni zgrajen iz lokalnih determinističnih lastnosti tako, kot smo si nekoč predstavljali.

Uporabe

Prepletanje danes ni le filozofsko vprašanje, ampak tudi praktično orodje v kvantnem informacijski tehnologijah. Uporablja se v kvantni teleportaciji, kvantni kriptografiji (varna komunikacija) in v kvantnih računalnikih, kjer omogoča vrste računskih in komunikacijskih procesov, ki nimajo klasičnih analogij.

Na kratko: EPR paradoks je sprožil temeljito preispitivanje interpretacije kvantne mehanike. Sodobni teoretični in eksperimentalni razvoj je potrdil obstoj prepletanja in pokazal, da klasične ideje o lokalnem realizmu niso združljive z vsemi kvantnimi napovedmi — vendar pri tem ohranja temeljno fizikalno načelo, da informacije ne morejo potovati hitreje od svetlobe.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je paradoks EPR?

V: Kaj je trdil Heisenberg?

V: Kako se je Einstein odzval na to trditev?

V: Kakšno razlago za ta paradoks je predlagal Erwin Schrödinger?

V: Ali je Einstein verjel v obstoj prepletenosti?

V: Kdo je matematično dokazal obstoj prepletanja?

Išči po črki