EPR парадокс (Айнщайн–Подолски–Розен): заплитане в квантовата механика
Парадоксът на EPR (Ейнщайн–Подолски–Розен) е класическа критика от 1935 г. към квантовата механика, поставена от Алберт Айнщайн, Борис Подолски и Нейтън Розен. В статията си те твърдят, че описанието на природата от страна на тогавашната квантова теория е непълно — или трябва да се допуснат допълнителни (скрити) променливи, които определят резултатите, или теорията допуска нелокален ефект, който Айнщайн нарича „призрачно действие на разстояние“.
Какво оспориха авторите
Основният аргумент на EPR се опира на известния принцип на Вернер Хайзенберг за неопределеността, подкрепян от представители на копенхагенската интерпретация като Нилс Бор. По този принцип е невъзможно да се определи едновременно с произволна точност и позицията, и импулса (или скоростта) на една частица. EPR обаче предлагат мислен експеримент с две частици, които са създадени в състояние с корелирани позиции и импулси: ако измерите позицията на първата, можете да изведете позицията на втората без да я докосвате; ако вместо това измерите импулса на първата, ще знаете импулса на втората. Оттук те заключават, че или (a) резултатите съществуват като „елементи на реалността“ независимо от измерването (което предполага непълнотата на квантовата теория), или (b) измерването на едната частица фактически променя състоянието на другата незабавно, т.е. има нелокално влияние.
Заплитане и „призрачно действие на разстояние“
Ервин Шрьодингер въвежда термина заплитане (entanglement) за да опише това явление, при което състоянията на две или повече частици не могат да бъдат изброени независимо — техните свойства са взаимосвързани дори когато частиците са разделени на големи разстояния. Това води до парадоксалното впечатление, че измерване върху една частица „определя“ резултата за другата отдалечено, затова Айнщайн го нарича "призрачно действие на разстояние".
Бел и тестовете на локалната реалистичност
Един от важните напредъци след EPR е трудът на Джон Стюарт Бел (1964), който показва, че ако света се управлява от локални скрити променливи (тоест от предварително зададени стойности и без нелокални влияния), тогава корелациите между измерванията трябва да удовлетворяват определени неравенства (наречени Бел неравенства). Квантовата механика предсказва, че при заплетени състояния тези неравенства могат да бъдат нарушени. Последвалите експерименти (например работите на Аспект през 1980-те и по-късните „loophole-free“ тестове от 2015 г. нататък) потвърдиха нарушения на Бел неравенствата и значително ограничиха възможността за локални скрити променливи.
Какво не означава заплитането
- Не позволява предаване на информация по-бързо от светлината. Въпреки че измерването на едната частица веднага влияе върху корелацията с други, статистическите резултати на локалните измервания не могат да се използват за предаване на контролирана информация моментално (т.нар. „no-signaling“ теорема).
- Не противоречи директно на специалната теория на относителността. Заплитането показва нелокални корелации, но не дава възможност за сигнали със свръхсветлинна скорост.
Декохеренция и макросвят
В реалния свят заплитането често се разрушава чрез взаимодействие с околната среда — процес, наречен декохеренция. Това обяснява защо в макроскопичния свят не наблюдаваме явни квантови заплетени състояния: взаимодействията бързо „изтриват“ фази и корелации между компонентите.
Съвременни приложения и значение
Днес заплитането е централно в квантовата информатика и има редица практични приложения:
- Квантова телепортация — пренасяне на квантово състояние от едно място на друго, използвайки заплетени двойки и класическа комуникация.
- Квантова криптография — сигурни протоколи (напр. QKD), които се възползват от квантовите корелации и невъзможността за неоткрито подслушване.
- Квантови изчисления — заплитането е ресурс за ускорения в определени квантови алгоритми.
Заключение
Парадоксът на EPR повдига фундаментални въпроси за природата на реалността, локалността и пълнотата на физическите теории. Днес, благодарение на теоретични резултати (като теоремата на Бел) и многобройни експерименти, знаем, че заплитането е реален и измерим феномен. Това не отмени критичното мислене на Айнщайн — напротив, неговите съмнения предизвикаха дълбоко осмисляне и развитие на квантовата физика, довели до нови теоретични прозрения и практични технологии.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява парадоксът на EPR?
О: Парадоксът на EPR е ранна и силна критика на квантовата механика, представена от Алберт Айнщайн, Борис Подолски и Нейтън Розен. Те твърдят, че Нилс Бор, Вернер Хайзенберг и други учени в Копенхаген грешат по отношение на неопределеността.
Въпрос: Какво твърди Хайзенберг?
О: Хайзенберг твърдеше, че никога не може да се знае за всеки един момент както позицията, така и импулса (или скоростта, или траекторията) на която и да е частица с размер на атом или по-малка. Смяташе, че измерването на едната ще доведе до промяна в другата, така че те не могат да бъдат измерени едновременно.
Въпрос: Как Айнщайн отговори на това твърдение?
О: Айнщайн каза, че ако две много малки частици се залепят една за друга, след като се измерят теглата им, и след това се натиснат, преди да бъдат отново разделени, те трябва да имат позиции и скорости, свързани помежду си. Следователно, ако измерите положението на една частица, дори ако тя обърка скоростта си при това, тя все пак трябва да е имала определена скорост преди измерването.
Въпрос: Какво обяснение предлага Ервин Шрьодингер за този парадокс?
О: Ервин Шрьодингер предположи, че може би връзката между позиция и скорост постепенно ще изчезне по някакъв начин; той нарече тази връзка между две частици "заплитане". Това явление е наречено от Айнщайн "призрачно действие на разстояние".
Въпрос: Вярвал ли е Айнщайн, че заплитането съществува?
О: Не, Айнщайн не е могъл да знае, че бъдещите експерименти ще покажат, че заплитането съществува.
Въпрос: Кой математически доказа, че заплитането съществува?
О: Джон Стюарт Бел показа математически, че няма как скритите променливи да обяснят експерименталните резултати, показващи съществуването на заплитане.
