EPR-paradoksi: kvanttikietoutuminen ja Einsteinin 'aavemainen etätoiminta'
EPR-paradoksi selitetty: kvanttikietoutuminen, Einsteinin "aavemainen etätoiminta" ja kiista Heisenbergin kanssa — syvä ja selkeä katsaus kvanttimekaniikan mysteereihin.
EPR-paradoksi on kvanttimekaniikan varhainen ja merkittävä kritiikki kokeellisen kvanttifysiikan tulkinnoista. Vuonna 1935 Albert Einstein yhdessä Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin kanssa julkaisi ajatuksen, jossa he kyseenalaistivat Werner Heisenbergin ja muiden Kööpenhaminan koulukunnan fyysikoiden näkemyksen epävarmuuden merkityksestä kvanttitasolla. Heisenbergin epävarmuusperiaatteen mukaan hiukkasen tarkka sijainti ja liike-impulssi (liikemäärä) eivät voi olla samanaikaisesti täydellisesti tunnettuja: mittaus toisesta suureesta muuttaa järjestelmän tilaa niin, että toista suuretta ei voi samanaikaisesti saada yhtä täsmällisesti.
EPR-ajatuskoe
Einstein, Podolsky ja Rosen esittivät ajatuskokeen, jossa kaksi hyvin pientä hiukkasta altistetaan yhteiselle vuorovaikutukselle ja erotetaan sen jälkeen kauas toisistaan. Tästä yhteisestä historiasta seuraa, että hiukkasten ominaisuudet (kuten paikka ja nopeus tai spinit) ovat matemaattisesti sidoksissa toisiinsa — ne ovat kietoutuneet eli "entangled". EPR:n mukaan, jos mittaat toisen hiukkasen esimerkiksi paikan, voit teoreettisesti päätellä toisen hiukkasen paikkaan liittyvän tiedon ilman, että kosket siihen. Vastaavasti voi mitata toisen hiukkasen nopeuden ja päätellä ensimmäisen nopeuden. EPR:n johtopäätös oli, että kvanttimekaniikka joko ei anna täydellistä kuvausta todellisuudesta tai se sallii jonkinlaisen ei-lokaalin vaikutuksen.
Realismi vs. lokaalisuus
Einstein vierasti ajatusta, että yksittäisen hiukkasen mittaus voisi välittömästi muuttaa toisen kaukana olevan hiukkasen tilaa. Hän kutsui tällaista "aavemaiseksi etätoiminnaksi" (engl. "spooky action at a distance"). Hänen mielestään fysiikassa tulisi säilyä kaksi intuitiivista periaatetta: realismi (fyysisten suureiden on olemassa jo ennen mittausta) ja lokaalisuus (vaikutusten ei pitäisi kulkea nopeammin kuin valo). Erwin Schrödinger puolestaan popularisoi käsitteen "kietoutuminen" (entanglement) kuvatakseen kahden järjestelmän välistä voimakasta korrelaatiota.
Bellin teoreema ja kokeelliset testit
Vielä vuosikymmeniä EPR-argumentti jäi osittain filosofiseksi. Tilanne muuttui, kun John Stewart Bell osoitti vuonna 1964 matemaattisesti, että paikallisia piilomuuttujateorioita vastaan voidaan laatia yksinkertaisia epätasa-arvoisuuksia (Bellin epäyhtälöt), joita kvanttimekaniikka voi rikkoa. Bellin tulos tarkoitti, että kokeelliset mittaukset voivat päättää, voidaanko EPR:n oletuksille (paikallisuus + realismi) pitää kiinni.
Käytännön kokeet, erityisesti Alain Aspectin 1980-luvun kokeet ja myöhemmät "loophole-free" kokeet (esim. 2015 Hensen ym.), ovat toistuvasti osoittaneet, että Bellin epäyhtälöitä rikotaan. Näin paikallisten piilomuuttujien selitys ei voi selittää kvanttikietoutumisen tuloksia. .
Mitä kietoutuminen ei tee
On tärkeää korostaa, että kvanttikietoutuminen ei salli informaation tai signaalien lähettämistä valoa nopeammin. Vaikka mittaus yhdellä hiukkasella vaikuttaa matemaattisesti toisen korreloivaan tilaan, yksittäiset mittaustulokset ovat satunnaisia, ja niistä syntyvät korrelaatiot paljastuvat vasta kun kummankin osapuolen mittaustulokset yhdistetään ja verrataan. Tämän vuoksi erityinen relativistisen syy-seurauslokalismin vaatimus (ei superluminaalista tiedonsiirtoa) säilyy.
Tulkinnat ja nykymerkitys
EPR-paradoksi ja Bellin teoreema ovat syventäneet keskustelua kvanttimekaniikan tulkinnoista. Useita tulkintoja on tarjolla, esimerkiksi:
- Bohmin mekaniikka (piilomuuttujat, ei-lokaali),
- Kööpenhaminan tulkinta (mittauksen rooli korostuu, ei realistinen kuva kvanttitasolla),
- Monien maailmojen tulkinta (mittaukset haarauttavat maailman useisiin vaihtoehtoihin),
- Ja muita variaatioita, jotka yrittävät säilyttää joko lokaliteetin tai realismin jossain muodossa.
Nykyään kietoutuminen ei ole vain perustavanlaatuinen paradigman koetus, vaan myös voimakas teknologinen resurssi. Kvantti-informaatiotiede hyödyntää kietoutumista esimerkiksi:
- kvanttisalauksessa (Quantum Key Distribution, QKD),
- kvanttitilojen teleportaatiossa,
- ja kvanttitietokoneiden logiikkaa rakentavissa protokollissa.
Päätelmä
EPR-paradoksi oli tärkeä käännekohta kvanttimekaniikan filosofisissa ja kokeellisissa keskusteluissa. Se nosti esiin kysymyksen siitä, onko kvanttimekaniikka täydellinen kuvaus todellisuudesta ja miten käsittää korrelaatiot etäällä olevien järjestelmien välillä. Bellin teoreema ja sitä seuranneet kokeet ovat osoittaneet, että kvanttimaailman korrelaatiot ovat syvällisesti erilaisia kuin klassiset odotuksemme — ja samalla avanneet tien uusille kvanttisovelluksille.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on EPR-paradoksi?
V: EPR-paradoksi on Albert Einsteinin, Boris Podolskyn ja Nathan Rosenin esittämä varhainen ja voimakas kritiikki kvanttimekaniikkaa kohtaan. He väittivät, että Niels Bohr, Werner Heisenberg ja muut tutkijat Kööpenhaminassa olivat väärässä epävarmuuden suhteen.
K: Mitä Heisenberg väitti?
A: Heisenberg väitti, että minkään atomin kokoisen tai sitä pienemmän hiukkasen sijaintia ja liikemäärää (tai nopeutta tai liikerataa) ei voi koskaan tietää. Ajateltiin, että toisen mittaaminen aiheuttaisi muutoksen toisessa, joten niitä ei voitaisi mitata samanaikaisesti.
Kysymys: Miten Einstein vastasi tähän väitteeseen?
V: Einstein sanoi, että jos kaksi hyvin pientä hiukkasta olisi kiinni toisissaan sen jälkeen, kun niiden paino on mitattu, ja jos niitä sitten työnnettäisiin, ennen kuin ne hajotettaisiin jälleen toisistaan, niiden sijainnin ja nopeuden pitäisi olla suhteessa toisiinsa. Jos siis mitataan yhden hiukkasen sijainti, vaikka se sekoittaisi samalla nopeutensa, sillä on silti täytynyt olla tietty nopeus ennen mittausta.
K: Mitä selitystä Erwin Schrödinger ehdotti tälle paradoksille?
V: Erwin Schrödinger ehdotti, että ehkä sijainnin ja nopeuden välinen yhteys katoaisi vähitellen jotenkin; hän kutsui tätä kahden hiukkasen välistä yhteyttä "kietoutumiseksi". Einstein kutsui tätä ilmiötä "aavemaiseksi etävaikutukseksi".
Kysymys: Uskoiko Einstein, että kietoutuminen oli olemassa?
V: Ei, Einstein ei voinut tietää, että tulevat kokeet osoittaisivat kietoutumisen olemassaolon.
K: Kuka osoitti matemaattisesti, että kietoutuminen on olemassa?
V: John Stewart Bell osoitti matemaattisesti, että piilomuuttujat eivät voi mitenkään selittää kokeellisia tuloksia, jotka osoittavat, että kietoutuminen on olemassa.
Etsiä