EPR paradoksas: kas yra kvantinis susietumas ir Einšteino kritika
Sužinokite EPR paradokso esmę: kvantinis susietumas, Einšteino kritika ir istorija nuo Šrėdingerio iki šiuolaikinių eksperimentų.
EPR paradoksas yra ankstyva ir ryški kvantinės mechanikos kritika. Albertas Einšteinas kartu su Borisu Podolskiu ir Natanu Rozenu teigė, kad Kopenhagos interpretacija, kurią gynė tokie mokslininkai kaip Nielsas Boras ir Verneris Heizenbergas, nėra pilna — ji palieka nepaaikštintus „realius“ kvantinių sistemų parametrus ir klaidina dėl to, ką reiškia žinoti dalelės padėtį ir judesio kiekį (momentą). Einšteinas ir jo kolegos manydami, kad kvantinė mechanika yra neišsami, parodė mintinį (gedinį) pavyzdį, kuriame, pasak jų, galima nustatyti vienos dalelės savybes nenaudojant kvantinių matavimų tiesiogiai ant tos dalelės.
EPR minties eksperimentas
EPR straipsnyje buvo nagrinėjamas paprastas scenarijus: paruošiamos dvi dalelės, kurios sąveikauja, o po to nutolsta viena nuo kitos. Dėl sąveikos jų fizikiniai dydžiai (pvz., bendra padėtis ir bendras momentas) susiję, todėl iš vienos dalelės matavimo galima nuspėti kitos dalelės atitinkamą dydį. EPR daugiausia diskutavo padėties ir momento ryšį: jei išmatuosite vienos dalelės padėtį, matematiškai galite nuspėti kitos dalelės padėtį; jei vietoje to išmatuosite pirmosios dalelės momentą, galėsite nuspėti antrosios momentą. Iš čia jie padarė išvadą: arba kvantinė mechanika neužfiksuoja kai kurių „realių“ dalykų (t. y. yra neišsami), arba egzistuoja kažkokie paslėpti kintamieji, kurie leistų aprašyti dalelių savybes vienareikšmiškai.
Susietumas ir Einšteino kritika
Fizikai, įskaitant Erviną Šrėdingerį (Erwin Schrödinger), pabrėžė, kad po sąveikos dalelės gali tapti stipriai susietos — jos sudaro vieną bendrą kvantinę būseną, kurią Šrėdingeris pavadino susipynimu (angl. entanglement). Einšteinas toks reiškinį apibūdino kaip „stebuklingą veikimą per atstumą“ („spooky action at a distance“) ir manė, kad tai neturi būti fizikos realybė: jei matavimo rezultatas, atliktas vienoje vietoje, akimirksniu paveiktų kitą objektą už didelio atstumo, tai reikštų informacijos perdavimą greičiau už šviesos greitį, kas prieštarauja specialiajai reliatyvumo teorijai.
EPR argumentas teigė: jei matuodami pirmos dalelės padėtį galite tiksliai žinoti antros dalelės momentą (ar atvirkščiai), tai antroji dalelė privalo turėti tą dydį prieš bet kokį matavimą — kitaip matavimas turėtų „pakeisti“ ją iš toli. Einšteinas ir bendraautoriai tai laikė nepriimtina prielaida, todėl siūlė, kad kvantinės mechanikos aprašymas yra neišsamus ir turi būti papildytas paslėptais (local) kintamaisiais.
Belio teorema ir eksperimentai
Vėliau Džonas Stiuartas Belas (John Stewart Bell) parodė matematiškai, kad jokie lokalaus pobūdžio paslėpti kintamieji negali atkartoti visų kvantinės mechanikos prognozių — jis išvedė vadinamuosius Belio netolygumus (Bell inequalities). Jeigu pasaulis būtų apibūdinamas lokaliais paslėptais kintamaisiais, tam tikri statistiniai matavimų dėsningumai turėtų būti riboti. Eksperimentai, pradėti 1970–1980 m. ir ypač Alaino Aspekto (Alain Aspect) eksperimentai, parodė, kad kvantinės sistemos pažeidžia Belio ribas — tai reiškia, kad kvantinės koreliacijos negali būti paaiškintos vien tik lokaliais paslėptais kintamaisiais.
Svarbu pabrėžti: nors eksperimentai rodo „nevietinio“ pobūdžio koreliacijas (angl. nonlocal correlations), tai nereiškia, kad galima perduoti informaciją greičiau už šviesą. Kvantinis susietumas leidžia stebėti stiprias koreliacijas tarp rezultatų, bet nekuria valdomos komunikacijos kanalo, kuriuo būtų galima siųsti pranešimus akimirksniu.
Reikšmė ir panaudojimai
EPR paradoksas ir vėlesni Belio teoremos rezultatai pakeitė supratimą apie tai, ką reiškia „tikrovė“ kvantiniame lygmenyje. Susietumas dabar laikomas centruo taškų kvantinės informatikos sričiai ir turi praktinių panaudojimų:
- kvantinė kriptografija (saugūs raktų mainai),
- kvantinis teleportavimas (informacijos kvantinė būklė perduodama naudojant susietas daleles ir klasikinį kanalą),
- kvantiniai kompiuteriai, kuriuose susietumas naudojamas skaičiavimo pranašumui pasiekti.
Apibendrinant: EPR paradoksas ne tik uždavė klausimus apie kvantinės mechanikos filosofiją ir „tikrovės“ prigimtį, bet ir paskatino kritinius eksperimentus bei naujas technologijas. Nors Einšteinas nepritarė „stebuklingam veikimui per atstumą“, eksperimentai parodė, kad kvantinis susietumas yra realus reiškinys — su savo paradoksais, bet ir su aiškiai matomais praktiniais padariniais.
Klausimai ir atsakymai
K: Kas yra EPR paradoksas?
A: EPR paradoksas yra ankstyva ir stipri kvantinės mechanikos kritika, kurią pateikė Albertas Einšteinas, Borisas Podolskis ir Natanas Rosenas. Jie įrodinėjo, kad Nielsas Boras, Werneris Heisenbergas ir kiti Kopenhagos mokslininkai klydo dėl neapibrėžtumo.
K: Ką teigė Heizenbergas?
A: Heizenbergas teigė, kad niekada negalima žinoti bet kurios atomo dydžio ar mažesnės dalelės padėties ir momento (arba greičio, arba trajektorijos). Buvo manoma, kad, matuojant vieną iš jų, pasikeistų kita, todėl jų negalima matuoti vienu metu.
K: Kaip Einšteinas atsakė į šį teiginį?
A: Einšteinas teigė, kad jei dvi labai mažos dalelės, išmatavus jų svorį, būtų sukibusios viena prie kitos, o po to, prieš vėl jas išskaidant, būtų stumtelėtos, jų padėtys ir greičiai turėtų būti tarpusavyje susiję. Todėl jei išmatuosite vienos dalelės padėtį, net jei tai darydama ji iškreipia savo greitį, ji vis tiek turėjo turėti tam tikrą greitį prieš matavimą.
K: Kokį paaiškinimą šiam paradoksui pasiūlė Erwinas Schrödingeris?
A: Ervinas Šrėdingeris (Erwin Schrödinger) pasiūlė, kad galbūt ryšys tarp padėties ir greičio kažkaip pamažu išnyksta; šį ryšį tarp dviejų dalelių jis pavadino "susipynimu". Einšteinas šį reiškinį pavadino "bauginančiu veiksmu per atstumą".
Klausimas: Ar Einšteinas tikėjo, kad susietumas egzistuoja?
Atsakymas: Ne, Einšteinas negalėjo žinoti, kad būsimi eksperimentai parodys, jog susietumas egzistuoja.
Klausimas: Kas matematiškai įrodė, kad susietumas egzistuoja?
A.: Džonas Stiuartas Belas (John Stewart Bell) matematiškai įrodė, kad paslėpti kintamieji niekaip negali paaiškinti eksperimentų rezultatų, rodančių, kad susietumas egzistuoja.
Ieškoti