פרדוקס EPR (הפרדוקס של איינשטיין-פודולסקי-רוזן) סתירת תורת הקוונטים באמצעות תורת היחסות
ניסוי מחשבתי ע"י אינשטיין פודולסקי ורוזן,במאמר משנת 1935, המוכיח לכאורה שתורת הקוונטים אינה שלמה באשר היא מכילה סתירה לעיקרון המקומיות (מגבלה להעברת מידע מעל מהירות האור) בתורת היחסות. ניסוי זה ממשיך את קו המחשבה של אינשטיין שדחה את עקרון האקראיות בתורת הקונטים באמירה "אלוהים אינו משחק בקוביה".
על פי מכניקת הקוונטים מאורעות המתרחשים במרחק זה מזה יכולים להיות מתואמים מיידית זה עם זה למרות המרחק המפריד ביניהם, וזאת בסתירה לכאורה עם עקרון המקומיות לפיו שינוי במערכת מסוימת לא יכול להשפיע מיידית על מערכת אחרת המרוחקת ממנה וזאת עקב מגבלת מהירות התנועה של חלקיקים ושל העברת אינפורמציה המוגבלות למהירות האור.
ניסוי למדידת הקוטביות של 2 פוטונים הנפלטים בכיוונים נגדיים
משיקולים תאורטים טהורים, אטום בעל סימטריה כדורית הפולט של שני פוטונים לכיוונים נגדיים, משיקולים של שימור התנע הזוויתי שני הפוטונים חייבים להיות בעלי ספין הפוך וקוטביות זהה.
על פי תורת הקוונטים הפוטונים הנפלטים מכילים באמצעות פונקצית הגל את כל כיווני הקוטביות האפשריים, ורק ברגע המדידה מתבצעת קריסה של פונקצית הגל המכילה את כל המצבים האפשריים (דהיינו כל כיווני הקוטביות האפשריים) למצב קוונטי בודד דהיינו לקוטביות בעלת זוית אחת מוגדרת הזהה לשני הפוטונים הרחוקים זה מזה.
מבנה הניסוי - נעמיד שני גלאים עם מקטבים בשני הצדדים המנוגדים של ריכוז אטומים סימטריים הפולטים זוגות של פוטונים לכיוונים מנוגדים. אם אחד משני הפוטונים יעבור דרך מקטב המיוצב בכיוון קוטביות מוגדר (זווית מוגדרת) אזי משיקולים של סימטריה גם הפוטון השני חייב להיות בעל אותה קוטביות ולכן יעבור בהכרח דרך מקטב בעל אותה קוטביות (אותה זוית במרחב), מאידך אם הפוטון הראשון לא יעבור דרך המקטב הראשון אזי גם הפוטון השני לא יעבור דרך המקטב השני המכוון באותה זוית.
הפרת עיקרון המקומיות הנובע מתורת היחסות הפרטית - כלומר על פי תורת הקוונטים המדידה בגלאי ומקטב אחד מביא ברגע המדידה (ולא רגע אחד קודם) לקריסת כל המצבים הקוונטים (סופרפוזיצה של מצבים) למצב קוונטי יחיד דהיינו לכיוון קיטוב יחיד עבור פוטון אחד. משיקולים של סימטריה המצב הסופי של הפוטון האחד קובע את כיוון הקיטוב הסופי של הפוטון השני (שהיה עד לרגע המדידה בסופרפוזיציה של כיוונים) המצוי במרחק מהפוטון הראשון, תוך הפרת עיקרון המקומיות הנובע מתורת היחסות.
הניסוי שהפריך את הפרדוקס והוכיח שתורת הקוונטים תקפה
ניסוי (בוצע באונ' אורסיי, בדרום פריז) הוכיח שהקורלציה בתוצאות המדידה בין שני הגלאים והנובעת מתורת הקוונטים מתקיימת.
התשובה לפרדוקס - לא ניתן להפריד בין הפוטונים ומערכת המדידה כולה (הכוללת את מקור הפוטונים הפוטונים עצמם שני הגלאים ושני המקטבים) כיחידה אחת.
תורת הקוונטים אינה מבדילה בין חלקיקים הנמדדים והמערכת המודדת - ורואה בהם יחידה אחת.
רקע - איינשטיין ותורת הקוונטים
התנגדותו של אינשטיין למרכיב האקראי בתורת הקוונטים, מעניינת שכן אינשטיין היה ממניחי היסודות לתורת הקונטים באמצעות העקרון הפוטואלקטרי עליו זכה בפרס נובל לפיזיקה, והמיחס לגלי האור תכונות של חלקיק, וליתר דיוק מנה קצובה (קוונט) של אנרגיה, תכונה שאינה אופייינית לגלים בכלל הכוללים בתוכם גלי אור.
ומילה נוספת על תורת הקוונטים. אינשטיין במאמרו ב-1905 על האפקט הפוטואלקטרי (אחד משלושת המאמרים החשובים הכוללים גם את תורת היחסות הפרטית ואת תנועת בראון) עליו זכה ב-1921 בפרס נובל לפיזיקה, הסתמך על השערה של פלנק (משנת 1900) ועל פיה האנרגיה האלקטרומגנטית E מקיימת את הקשר E = hν, ויכולה להיפלט אך ורק במכפלות של היחידה הבסיסית h, כאשר h הוא קבוע פלאנק ו-ν היא תדירות הקרינה.
עם זאת ראוי להעיר כי פלנק לא היה הראשון שיחס מנות קצובות של אנרגיה לקרינה אלקטרומגנטית. בולצמן העלה את הרעיון כי מצבי האנרגיה של מערכת פיזיקלית בדידים במאמר משנת 1877.
ניסוי למדידת הקוטביות של 2 פוטונים הנפלטים בכיוונים נגדיים
משיקולים תאורטים טהורים, אטום בעל סימטריה כדורית הפולט של שני פוטונים לכיוונים נגדיים, משיקולים של שימור התנע הזוויתי שני הפוטונים חייבים להיות בעלי ספין הפוך וקוטביות זהה.
על פי תורת הקוונטים הפוטונים הנפלטים מכילים באמצעות פונקצית הגל את כל כיווני הקוטביות האפשריים, ורק ברגע המדידה מתבצעת קריסה של פונקצית הגל המכילה את כל המצבים האפשריים (דהיינו כל כיווני הקוטביות האפשריים) למצב קוונטי בודד דהיינו לקוטביות בעלת זוית אחת מוגדרת הזהה לשני הפוטונים הרחוקים זה מזה.
מבנה הניסוי - נעמיד שני גלאים עם מקטבים בשני הצדדים המנוגדים של ריכוז אטומים סימטריים הפולטים זוגות של פוטונים לכיוונים מנוגדים. אם אחד משני הפוטונים יעבור דרך מקטב המיוצב בכיוון קוטביות מוגדר (זווית מוגדרת) אזי משיקולים של סימטריה גם הפוטון השני חייב להיות בעל אותה קוטביות ולכן יעבור בהכרח דרך מקטב בעל אותה קוטביות (אותה זוית במרחב), מאידך אם הפוטון הראשון לא יעבור דרך המקטב הראשון אזי גם הפוטון השני לא יעבור דרך המקטב השני המכוון באותה זוית.
הפרת עיקרון המקומיות הנובע מתורת היחסות הפרטית - כלומר על פי תורת הקוונטים המדידה בגלאי ומקטב אחד מביא ברגע המדידה (ולא רגע אחד קודם) לקריסת כל המצבים הקוונטים (סופרפוזיצה של מצבים) למצב קוונטי יחיד דהיינו לכיוון קיטוב יחיד עבור פוטון אחד. משיקולים של סימטריה המצב הסופי של הפוטון האחד קובע את כיוון הקיטוב הסופי של הפוטון השני (שהיה עד לרגע המדידה בסופרפוזיציה של כיוונים) המצוי במרחק מהפוטון הראשון, תוך הפרת עיקרון המקומיות הנובע מתורת היחסות.
הניסוי שהפריך את הפרדוקס והוכיח שתורת הקוונטים תקפה
ניסוי (בוצע באונ' אורסיי, בדרום פריז) הוכיח שהקורלציה בתוצאות המדידה בין שני הגלאים והנובעת מתורת הקוונטים מתקיימת.
התשובה לפרדוקס - לא ניתן להפריד בין הפוטונים ומערכת המדידה כולה (הכוללת את מקור הפוטונים הפוטונים עצמם שני הגלאים ושני המקטבים) כיחידה אחת.
תורת הקוונטים אינה מבדילה בין חלקיקים הנמדדים והמערכת המודדת - ורואה בהם יחידה אחת.
רקע - איינשטיין ותורת הקוונטים
התנגדותו של אינשטיין למרכיב האקראי בתורת הקוונטים, מעניינת שכן אינשטיין היה ממניחי היסודות לתורת הקונטים באמצעות העקרון הפוטואלקטרי עליו זכה בפרס נובל לפיזיקה, והמיחס לגלי האור תכונות של חלקיק, וליתר דיוק מנה קצובה (קוונט) של אנרגיה, תכונה שאינה אופייינית לגלים בכלל הכוללים בתוכם גלי אור.
ומילה נוספת על תורת הקוונטים. אינשטיין במאמרו ב-1905 על האפקט הפוטואלקטרי (אחד משלושת המאמרים החשובים הכוללים גם את תורת היחסות הפרטית ואת תנועת בראון) עליו זכה ב-1921 בפרס נובל לפיזיקה, הסתמך על השערה של פלנק (משנת 1900) ועל פיה האנרגיה האלקטרומגנטית E מקיימת את הקשר E = hν, ויכולה להיפלט אך ורק במכפלות של היחידה הבסיסית h, כאשר h הוא קבוע פלאנק ו-ν היא תדירות הקרינה.
עם זאת ראוי להעיר כי פלנק לא היה הראשון שיחס מנות קצובות של אנרגיה לקרינה אלקטרומגנטית. בולצמן העלה את הרעיון כי מצבי האנרגיה של מערכת פיזיקלית בדידים במאמר משנת 1877.
הוספת תגובה