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Das EPR-Paradoxon ist ein Gedankenexperiment dass ein offensichtlicher Widerspruch zwischen den Quantenmechanik und spezielle Relativitätstheorie ergibt. Dies stellte Physiker seit langem vor Probleme, erwies sich jedoch schließlich als teilweise gelöst. Für den verbleibenden Teil musste jedoch auf die Lokalität verzichtet werden, indem die Quantenverschränkung. "EPR" steht für Einstein, Podolsky und Rosen die das Gedankenexperiment betreten 1935 zu behaupten, dass die Quantenmechanik keine vollständige Theorie ist.[1] Es wird manchmal als EPRB bezeichnetParadox benannt nach Böhm, der das ursprüngliche Gedankenexperiment in ein experimentell überprüfbares Experiment übersetzte.
Das Prinzip
Nach Einstein gab es einen Konflikt zwischen den folgenden Theoremen der Quantenmechanik:
- In einem Experiment können sich auch nach längerer Zeit zwei Partikel mit identischen Eigenschaften bilden.
- Das Ergebnis einer Messung an einem Teilchen hat eine statistische Unsicherheit, die im Prinzip nicht vorhersehbar ist (dies führte Einstein zu der Aussage, dass Gott nicht würfelt).
- Die Position und die Position eines Teilchens können niemals gleichzeitig sein Impuls (Masse x Geschwindigkeit) genau gemessen werden kann, die Heisenbergsche Unschärferelation. Bei einer genauen Positionsbestimmung ist der Impuls ungenau und umgekehrt.
Einstein stellte sich zwei Teilchen vor ein und B vorne, die jeweils in unterschiedliche Richtungen fliegen, bis sie weit voneinander entfernt sind. Wenn dann von ein die Geschwindigkeit gemessen wird ist auch die Geschwindigkeit von "Zwillingen" B bekannt. Messen Sie sich an B die Position, dann weißt du was B sowohl die Geschwindigkeit (über ein) als Ort, was quantenmechanisch nicht möglich ist. Die Alternative ist das ein Auf B lassen Sie (auf unbekannte Weise) wissen, dass seine Geschwindigkeit gemessen wurde, damit auch B die Position ausblenden. Aber wenn du ein und B gleichzeitig, dann muss diese Information gehen an go B, und das ist nach der Relativitätstheorie nicht möglich. Einstein sprach spöttisch über a "spukhafte Fernwirkung", eine "gruselige Fernwirkung".
Das Experiment
David Bohm hat aus diesem Gedankenexperiment eine praktisch machbare Messung gemacht. Eine vereinfachte Beschreibung hierfür lautet:
Es gibt eine Quelle, die a Elektronenpaar emittiert beide Elektronen ein und B immer einen gegenläufigen Spin haben. Spin kann als Drehung nach links oder rechts dargestellt werden, die als "oben" oder "unten" bezeichnet wird. So ist ein auf, dann B runter und umgekehrt. Beide Elektronen schießen in unterschiedliche Richtungen zu zwei äquidistanten Messaufbauten von der Quelle.
Von ein jetzt wird der Spin gemessen. Nach der Quantenmechanik (in Übereinstimmung mit dem Kopenhagen-Interpretation) wird erst dann völlig willkürlich bestimmt, wie hoch der Spin ist, zum Beispiel oben. Gleichzeitig wird B gemessen und laut Quantenmechanik ist sein Spin nun mit 100%iger Sicherheit unten. wenn ein nicht gemessen worden wäre, dann ist das Ergebnis von B zufällig nach oben oder unten. Eine Alternative besteht darin, die Rotation eines Elektrons zu ändern, indem es durch ein Magnetfeld geleitet wird, das andere Elektron hätte immer noch eine entgegengesetzte Rotation.
Dies wurde gemessen und scheint tatsächlich der Fall zu sein. B "kenne" dieses Elektron ein wenn oben gemessen wird.
Schlussfolgerungen
Das Ergebnis der Messung lässt sich auch durch Einsteins Ansicht erklären, dass oben/unten nicht während der Messung bestimmt wird, sondern bei der Erzeugung der Elektronen. Sie würden diese Informationen dann auf unbekannte Weise mit sich führen, mit einer "versteckten Variablen". jedoch John Bello hat theoretisch gezeigt, dass dies nicht der Fall ist, was durch Messungen bestätigt wurde. Die Schlussfolgerung ist daher (vorerst), dass die drei obigen Sätze der Quantenmechanik völlig richtig sind.
Dies widersprach Einstein zufolge der Relativitätstheorie, da sich Informationen mit unendlicher Geschwindigkeit von Elektron A nach B bewegen. Gelöst wurde dieses Paradoxon durch die Erkenntnis, dass die Messstationen sich untereinander keine Informationen schneller als das Licht zusenden können. Jede Station sieht zufällig in den Messungen nach oben und unten, und erst wenn sie die Ergebnisse später vergleichen, erscheinen sie immer gegensätzlich.
Ein Problem bleibt jedoch, dass sich Informationen scheinbar mit unendlicher Geschwindigkeit von A nach B bewegen. Dies lässt sich nur dadurch lösen, dass man annimmt, dass die Elektronen A und B in unserer Welt weit voneinander entfernt sind, aber „woanders“ nah beieinander oder sogar zusammen ein Teilchen bilden. Betrachten Sie beispielsweise einen zweidimensionalen Raum in Form eines Papierstreifens. Biegen Sie es um und stecken Sie beide Enden mit einer Stecknadel zusammen. Die im Papier lebenden zweidimensionalen Wesen sehen dann zwei Metallscheiben im Abstand voneinander, aber in der dritten Dimension stellt sich heraus, dass es sich um zwei Abschnitte einer Nadel handelt.
Tatsächlich ist keine Theorie über die Verbindung der Elektronen A und B bekannt. Aber das Prinzip der Nichtlokalität folgt aus der Quantenmechanik. Das heißt, wir können zwei Teilchen an zwei verschiedenen Orten sehen, aber "anderswo" sind diese Teilchen nahe/auf/ineinander verschränkt, dh die Quantenverschränkung.
Das Experiment, erweitert
Eine vollständigere Beschreibung der Messung lautet: Wir haben eine Quelle, die ein Elektronenpaar emittiert. Nach der Quantenmechanik können wir unsere Quelle dazu bringen, die Elektronen so zu emittieren, dass jedes Elektronenpaar a Quantenzustand besetze das SpinneSinglet wird genannt. Dies kann als Quantenüberlagerung von zwei Staaten, die wir I und II nennen werden. Im Zustand I hat Elektron A einen Aufwärtsspin entlang der z-Achse und Elektron B einen Abwärtsspin entlang der z-Achse. Im Zustand II ist es umgekehrt. Es ist unmöglich, beiden Elektronen den gleichen Spin zu geben. Deshalb werden sie als verschränkt bezeichnet.
Der Spin des Elektrons A wird nun gemessen. Er kann eines von zwei möglichen Ergebnissen erzielen: nach oben oder nach unten. Angenommen, er findet einen nach oben gerichteten Spin entlang der z-Achse. Nach der Quantenmechanik kollabiert der Quantenzustand des Systems dann in den Zustand I. (Different Interpretationen der Quantenmechanik haben unterschiedliche Beschreibungen, aber das Ergebnis ist überall gleich.) Der Quantenzustand bestimmt die Wahrscheinlichkeit des Ergebnisses einer Messung am System. Wenn dann der Spin des Elektrons B gemessen wird, stellt sich mit 100%iger Sicherheit heraus, dass es einen Spin nach unten entlang der z-Achse hat. Und umgekehrt, wenn A eine Abwärtsdrehung entlang der Z-Achse hat, wird B eine Aufwärtsdrehung entlang der Z-Achse haben.
An der Wahl unserer Z-Achse ist übrigens nichts Besonderes. Angenommen, die Elektronen A und B werden um die x-Achse gemessen. Nach der Quantenmechanik lässt sich der Spin-Singulett-Zustand ebenso gut ausdrücken wie eine Überlagerung von in x-Richtung weisenden Spinzuständen. Wir nennen diese Zustände Ia und IIa. A wird mit einem Spin nach oben und B nach unten entlang der x-Achse in Ia gemessen. A hat Spin nach unten und B nach oben entlang der x-Achse im Zustand IIa. Wenn nun der Spin von A entlang der x-Achse nach oben gemessen wird, kollabiert die Wellenfunktion des Systems und B dreht sich nach unten und wenn A Spin nach unten hat, wird B nach oben entlang der x-Achse drehen.
In der Quantenmechanik sind der x-Spin und der z-Spin nicht kompatibel beobachten. Das heißt, es gibt ein Heisenbergsche Unschärferelation zwischen den beiden Observablen: Ein Quantenzustand kann für beide Variablen keinen bestimmten Wert haben. Angenommen, A bringt den Z-Spin hoch, sodass der Quantenzustand in den Zustand I kollabiert. Nun ist B nicht der Z-Spin, sondern der X-Spin. Laut Quantenmechanik hat B eine 50%ige Chance, einen Spin entlang der x-Achse zu bekommen und eine 50%-Chance, einen Spin entlang der x-Achse zu bekommen. Es ist unmöglich vorherzusagen, welches Ergebnis B liefern wird, bevor das Experiment tatsächlich durchgeführt wird.
Obwohl der Spin als Beispiel verwendet wurde, gibt es viele physikalische Größen (in der Quantenphysik "Observable" genannt), die verwendet werden können, um eine Quantenverschränkung zu erzeugen. Für die experimentelle Durchführung des EPR-Experiments wird häufig von der Polarisation von Photonen, weil polarisierte Photonen leicht präpariert und gemessen werden können.
Siehe auch
Quellen, Anmerkungen und/oder Verweise
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