Paradosso EPR in fisica

Il paradosso EPR (o il paradosso di Einstein-Podolsky-Rosen) è un esperimento mentale inteso a dimostrare un paradosso intrinseco nelle prime formulazioni della teoria quantistica. È tra gli esempi più noti di entanglement quantico. Il paradosso comporta due particelle che si intrecciano tra loro secondo la meccanica quantistica. Sotto il Interpretazione di Copenaghen della meccanica quantistica, ogni particella è individualmente in uno stato incerto fino a quando non viene misurata, a quel punto lo stato di quella particella diventa certo.

Nello stesso preciso istante, anche lo stato dell'altra particella diventa certo. La ragione per cui questo è classificato come un paradosso è che apparentemente comporta la comunicazione tra le due particelle velocità maggiore della velocità della luce, che è in conflitto con Albert Einstein'S teoria della relatività.

Il paradosso è stato il punto focale di un acceso dibattito tra Einstein e Niels Bohr. Einstein non si è mai sentito a suo agio con la meccanica quantistica sviluppata da Bohr e dai suoi colleghi (basata, ironicamente, sul lavoro iniziato da Einstein). Insieme ai suoi colleghi Boris Podolsky e Nathan Rosen, Einstein sviluppò il paradosso dell'EPR come un modo per dimostrare che la teoria era incompatibile con altre leggi conosciute della fisica. All'epoca non esisteva un vero modo di eseguire l'esperimento, quindi era solo un esperimento mentale o un esperimento di gedankene.

Diversi anni dopo, il fisico David Bohm ha modificato l'esempio del paradosso EPR in modo che le cose fossero un po 'più chiare. (Il modo originale in cui è stato presentato il paradosso è stato un po 'confuso, anche per i fisici professionisti.) Nel più popolare Bohm la formulazione, una particella di rotazione instabile 0 decade in due diverse particelle, la particella A e la particella B, in direzione opposta indicazioni. Poiché la particella iniziale aveva uno spin 0, la somma dei due nuovi giri di particelle deve essere uguale a zero. Se la particella A ha una rotazione +1/2, allora la particella B deve avere una rotazione -1/2 (e viceversa).

Ancora una volta, secondo l'interpretazione di Copenhagen della meccanica quantistica, fino a quando non viene effettuata una misurazione, nessuna delle particelle ha uno stato definito. Sono entrambi in una sovrapposizione di stati possibili, con una pari probabilità (in questo caso) di avere una rotazione positiva o negativa.

Ci sono due punti chiave al lavoro qui che rendono questo preoccupante:

1. La fisica quantistica afferma che, fino al momento della misurazione, le particelle non avere un spin quantico definito ma sono in una sovrapposizione di stati possibili.
2. Non appena misuriamo lo spin della particella A, sappiamo con certezza il valore che otterremo dalla misurazione dello spin della particella B.

Se si misura la particella A, sembra che lo spin quantico della particella A venga "impostato" dalla misurazione, ma in qualche modo anche la particella B "sa" istantaneamente quale spin dovrebbe assumere. Per Einstein, questa era una chiara violazione della teoria della relatività.

Nessuno ha mai veramente messo in discussione il secondo punto; la polemica risiede interamente nel primo punto. Bohm ed Einstein sostenevano un approccio alternativo chiamato teoria delle variabili nascoste, che suggeriva che la meccanica quantistica era incompleta. In questo punto di vista, ci doveva essere un aspetto della meccanica quantistica che non era immediatamente ovvio ma che doveva essere aggiunto alla teoria per spiegare questo tipo di effetto non locale.

Per analogia, considera che hai due buste che contengono denaro. Ti è stato detto che uno di essi contiene una fattura di $ 5 e l'altro contiene una fattura di $ 10. Se apri una busta e contiene una fattura da $ 5, allora sai per certo che l'altra busta contiene la fattura da $ 10.

Il problema con questa analogia è che la meccanica quantistica sicuramente non sembra funzionare in questo modo. Nel caso dei soldi, ogni busta contiene un conto specifico, anche se non riesco mai a guardarli.

L'incertezza nella meccanica quantistica non rappresenta solo una mancanza della nostra conoscenza ma una mancanza fondamentale di realtà definita. Fino a quando non viene effettuata la misurazione, secondo l'interpretazione di Copenaghen, le particelle sono davvero in una sovrapposizione di tutti gli stati possibili (come nel caso del gatto morto / vivo nel Il gatto di Schroedinger esperimento mentale). Mentre la maggior parte dei fisici avrebbe preferito avere un universo con regole più chiare, nessuno poteva capirlo esattamente quali fossero queste variabili nascoste o come potessero essere incorporate nella teoria in modo significativo modo.

Bohr e altri hanno difeso l'interpretazione standard di Copenhagen della meccanica quantistica, che ha continuato a essere supportata dalle prove sperimentali. La spiegazione è che la funzione d'onda, che descrive la sovrapposizione di possibili stati quantistici, esiste simultaneamente in tutti i punti. La rotazione della particella A e la rotazione della particella B non sono quantità indipendenti ma sono rappresentate dallo stesso termine all'interno di fisica quantistica equazioni. Nell'istante in cui viene effettuata la misurazione sulla particella A, il intera funzione d'onda collassa in un unico stato. In questo modo, non è in atto alcuna comunicazione distante.

Il principale chiodo nella bara della teoria delle variabili nascoste venne dal fisico John Stewart Bell, in quello che è noto come Teorema di Bell. Ha sviluppato una serie di disuguaglianze (chiamate disuguaglianze di Bell), che rappresentano il modo in cui le misurazioni della rotazione della particella A e della particella B si distribuirebbero se non fossero intrecciate. In esperimenti dopo esperimenti, le disuguaglianze di Bell vengono violate, il che significa che sembra che avvenga un entanglement quantistico.

Nonostante queste prove contrarie, ci sono ancora alcuni sostenitori della teoria delle variabili nascoste, sebbene ciò sia principalmente tra i fisici dilettanti piuttosto che i professionisti.

A cura di Anne Marie Helmenstine, Ph. D.