EPR-paradoxon: Einstein–Podolsky–Rosen magyarázata és kvantumösszefonódás
EPR-paradoxon: Einstein–Podolsky–Rosen magyarázata a kvantumösszefonódásról, a lokalitás és a valóság problémáiról – történelmi és elméleti áttekintés a kvantumfizika alapjaihoz.
EPR-paradoxon az 1935-ben megfogalmazott, a kvantummechanika egyik leghíresebb gondolatkísérlete és kritikája. A vitát Albert Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen indította azzal az állítással, hogy a kvantumelmélet nem ad teljes leírást a valóságról: vannak szerinte „rejtett változók”, amelyek hiányoznak a kvantummechanika formalizmusából, és amelyek ismeretében a fizika determinisztikusabb és „teljesebb” lenne.
Az EPR-érv lényegének egyszerűsített változata
Einstein és munkatársai a bizonytalanságot (Heisenberg-féle határozatlansági reláció) támadták. Heisenberg azt állította, hogy egy mikrorészecske helyzetét és lendületét (vagy sebességét) soha nem lehet tetszőleges pontossággal egyszerre ismerni: a mérés egyik mennyiségre gyakorolt hatása rontja a másikat. Az EPR-eljárásban feltételeznek két, előzetesen kölcsönhatásban állt részecskét, amelyek azután távolra repülnek. Mivel a kölcsönhatáskor bizonyos mennyiségek (például impulzus, lendület vagy spinösszeg) megmaradnak, a két részecske tulajdonságai összefüggenek: ha az egyik helyzetét vagy lendületét mérjük, akkor a mérés eredményéből egyértelmű következtetést vonhatunk le a másik részecske ugyanezen mennyiségére.
Einsteinék érvelése szerint ha a mérés a másik részecskére hatna (vagyis megváltoztatná annak tényleges tulajdonságait), akkor ez valamilyen „kísérteties távoli cselekvést” feltételezne — egy azonnali beavatkozást a másik részecskén, amely úgy tűnhet, hogy a fénysebességnél gyorsabban terjed. Ez ellentmondana a lokalitás elvének, amely szerint a hatások nem terjedhetnek gyorsabban a fénysebességnél.
Összefonódás — Schrödinger fogalma
Erwin Schrödinger a két részecske közötti ilyenfajta kapcsolatot összefonódásnak (németül: Verschränkung) nevezte. Az összefonódás azt jelenti, hogy a rendszer teljes kvantumállapota oly módon írja le a részecskéket, hogy az egyes részecskék tulajdonságai nem határozhatók meg önállóan — csak a teljes rendszerre értelmezett állapotból. Az összefonódott részecskék között megjelenő korrelációk erősebbek lehetnek, mint amit egy klasszikus, független (“helyi reális”) leírás engedne.
Bell-tétel és a kísérleti vizsgálatok
A vita sokáig elméleti maradt, mígnem John Stewart Bell 1964-ben bebizonyította, hogy az olyan elméletek, amelyek egyszerre helyiek (nincs túlvilági beavatkozás) és reálisak (léteznek előre meghatározott, mérhető tulajdonságok — azaz rejtett változók), bizonyos statisztikai összefüggéseket (Bell-egyenlőtlenségeket) teljesítenek. A kvantummechanika előrejelzései azonban sértik ezeket az egyenlőtlenségeket. Későbbi laboratóriumi kísérletek (például Clauser, Aspect és mások vizsgálatai) megmutatták, hogy a valóságban a Bell-egyenlőtlenségek valóban sérülnek — tehát a helyi reális modellek nem tudják leírni az összefonódott rendszerek statisztikáját.
Mit jelent ez a relativitás és a kommunikáció szempontjából?
Fontos megkülönböztetni a kvantumkorrelációk „nemlokális” jellegét és a tényleges információátvitelt. Bár az összefonódott részecskék mérései korrelálnak, ezek a korrelációk önmagukban nem teszik lehetővé a gyorsabb‑mint‑fény kommunikációt: a mérési eredmények véletlenszerűek maradnak, és az egymástól távoli megfigyelők csak az adataik összevetésével (klasszikus, fénysebességnél nem gyorsabb csatornán) vehetik észre a korrelációt. Így a speciális relativitáselmélet okozati korlátozásai nem sérülnek.
Értelmezések és ma alkalmazások
- Értelmezések: A kísérleti eredmények miatt a fizikusok több különböző módon értelmezik a kvantumelméletet: a Kopenhagen‑féle feladja a klasszikus realizmust, a de Broglie–Bohm‑féle rejtett változós elmélet nemlokális, a sokvilág‑értelmezés pedig a hullámfüggvény széttöredezését tagadja és így kerüli a „kísérteties” beavatkozást. Mindegyik megoldásnak vannak filozófiai és technikai előnyei, hátrányai.
- Gyakorlati jelentőség: Az összefonódás nemcsak elméleti kuriózum: ma már kulcsfontosságú az olyan területeken, mint a kvantumkriptográfia (kvantumbiztos kommunikáció), a kvantumteleportáció (állapotok átvitele összefonódott csatornán keresztül) és a kvantumszámítógépek – ahol az összefonódás erős számítási és kommunikációs erőforrás.
Összefoglalva: az EPR-paradoxon rávilágított a kvantummechanika mély ontológiai és okozati kérdéseire, Schrödinger bevezette az „összefonódás” fogalmát, Bell pedig matematikailag kimutatta, hogy a helyi rejtett változók nem magyarázzák a kísérleti eredményeket. A modern kísérleti és technológiai fejlemények ma már az összefonódást nem csupán paradoxonként, hanem hasznos erőforrásként kezelik.
Kérdések és válaszok
K: Mi az az EPR-paradoxon?
V: Az EPR-paradoxon a kvantummechanika korai és erős kritikája, amelyet Albert Einstein, Boris Podolsky és Nathan Rosen fogalmazott meg. Azt állították, hogy Niels Bohr, Werner Heisenberg és más koppenhágai tudósok tévedtek a bizonytalanságot illetően.
K: Mit állított Heisenberg?
V: Heisenberg azt állította, hogy soha nem lehet tudni egy időben bármely atom méretű vagy kisebb részecske helyzetét és lendületét (vagy sebességét vagy pályáját). Úgy gondolta, hogy az egyik mérése változást okozna a másikban, ezért nem lehetett őket egyszerre mérni.
K: Hogyan reagált Einstein erre az állításra?
V: Einstein azt mondta, hogy ha két nagyon kicsi részecskét összeragasztanak, miután megmérték a súlyukat, majd egy lökést adnak nekik, mielőtt újra szétválasztják őket, akkor a helyzetüknek és sebességüknek egymáshoz kell viszonyulniuk. Ezért ha megmérjük az egyik részecske helyzetét, még ha közben el is rontja a sebességét, akkor is meghatározott sebességgel kellett rendelkeznie a mérés előtt.
K: Milyen magyarázatot javasolt Erwin Schrödinger erre a paradoxonra?
V: Erwin Schrödinger azt javasolta, hogy talán a pozíció és a sebesség közötti kapcsolat valahogyan fokozatosan megszűnik; ezt a kapcsolatot két részecske között "összefonódásnak" nevezte. Ezt a jelenséget Einstein "kísérteties távoli cselekvésnek" nevezte.
Kérdés: Einstein hitt abban, hogy létezik az összefonódás?
V: Nem, Einstein nem tudhatta, hogy a jövőbeni kísérletek ki fogják mutatni az összefonódás létezését.
K: Ki bizonyította be matematikailag az összefonódás létezését?
V: John Stewart Bell matematikailag kimutatta, hogy a rejtett változók semmiképpen sem magyarázhatják az összefonódást kimutató kísérleti eredményeket.
Keres