Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена. Объяснение

futuraptor
16-01-2016
Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена. Объяснение
161

Фотон и еще один фотон

Как ни странно, квантовую механику опровергают значительно реже, чем теорию относительности. Вероятно, это связано с тем, что ее тяжелее понять, требуется больше знаний, чтобы освоить материал, связанный с квантовой механикой, или что парадоксы формулируются сложнее, чем для теории относительности.

В свое время между Нильсом Бором и Эйнштейном шел интенсивный спор по поводу основ квантовой теории. В качестве опровержения квантовой механики Эйнштейн вместе с Подольским и Розеном придумали парадокс, противоречащий здравому смыслу. Парадокс заключается в следующем. Представьте себе, что у вас рождаются два фотона, это две электромагнитных волны с нулевой поляризацией, то есть у вас рождаются две световых волны, электромагнитных, с общей нулевой поляризацией. Это значит, что они движутся в противоположных направлениях, а поляризация у них общая нулевая, так что они компенсируют друг друга. При этом мы не знаем отдельно поляризацию первого фотона и поляризацию второго фотона, но общую поляризацию мы знаем. Представьте себе, что один фотон улетел, скажем, на Марс, а второй — на Венеру, на Марсе кто-то с прибором взял и измерил поляризацию отдельного фотона. В тот момент, когда он измерил поляризацию этого фотона, мгновенно определилась поляризация второго фотона, который находится на огромном расстоянии от него, в сотне миллионов километров. Это в случае если они не потеряли когерентность, то есть если эти два фотона оставались замкнутой системой на протяжении всего времени разлета.

Мысленный эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена с фотонами (подобие схемы, взятой из работы Алена Аспекта). Два фотона v1 и v2, испускаемые источником S, проанализированы линейными поляризаторами в направлениях a и b. Источник: http://scorcher.ru/theory_publisher/show_art.php?id=356

Получается парадокс, что, измеряя этот фотон, вы мгновенно влияете на тот фотон. Это совершенно противоречит здравому смыслу. Сразу следует оговориться, что никакой передачи информации при помощи такой операции проделать нельзя по следующей причине: оба фотона, вообще говоря, не имеют до момента измерения никакой определенной поляризации. Определенную поляризацию имеют они только вдвоем, вместе взятые, как вот эта замкнутая система. Каждый из них при этом может иметь любую поляризацию, а второй — компенсирующую ее до тривиальной поляризации. Когда вы измеряете поляризацию фотона на Марсе, вы на нее повлиять не можете — в том смысле, что вы не можете заставить фотон быть поляризованным вдоль конкретного направления. Вы можете только померить, и он с какой-то вероятностью окажется поляризованным тем или иным образом. Это значит, что второй фотон с такой же вероятностью окажется противоположно поляризованным. Но при этом вы не можете заставить этот фотон оказаться поляризованным определенным образом. Если бы вы могли это сделать, это было бы передачей информации. Но именно из-за вероятностной причины, вероятностной физической основы того, что происходит, вы не можете передавать информацию. Вы можете только померить, с какой вероятностью поляризован этот фотон, и с такой же вероятностью будет поляризован второй фотон противоположным образом.

Существует множество экспериментов, которые подтверждают, что действительно так происходит: на расстоянии вы меняете волновую функцию — другими словами это называется волновая функция фотона, вы меняете волновую функцию фотона.

Генерация запутанных фотонов в результате спонтанного параметрического рассеяния (СПР) лазерного потока в нелинейном кристалле.И квантовая механика именно так и устроена, несмотря на то что Эйнштейн считал это противоречащим здравому смыслу. Еще раз повторюсь, в чем парадокс. Если бы у вас была коробка с двумя шарами — один черный, другой белый — и вы взяли бы эту коробку, пополам поделили и развели бы — одну отвезли на Марс, а другую на Венеру, — а потом открыли и увидели, что на Марсе шар белый, а на Венере шар черный, — тут вообще никакого парадокса нет. Вы не влияете. В тот момент, когда вы их поделили и развели, у вас две коробки разделенные, у вас уже в одной коробке белый, а в другой черный шар. Они никак друг на друга не влияют. У вас уже система разомкнулась — один шар черный, другой белый. Другое дело с фотонами, что каждый из них не имеет определенной поляризации. Определенную поляризацию имеет вся система в целом, замкнутая система. До момента измерения замкнутой системой являются два фотона, вместе связанные.

Парадоксально звучит то, что вы можете, измерив один фотон, мгновенно повлиять на другой. В том смысле, что до момента измерения у этого фотона может быть любая поляризация, неизвестно какая, а у второго — компенсирующая ее до тривиальной. Потом, когда вы измерили, у этого фотона стала совершенно определенная поляризация, и на расстоянии сотен миллионов километров у второго фотона мгновенно стала тоже совершенно определенная поляризация, компенсирующая это. В этом и заключается парадокс, что вы можете влиять на тот фотон на расстоянии. Это казалось Эйнштейну невозможным, противоречащим здравому смыслу. Но опять же, возможно, он имел в виду, что это противоречит тому, что информацию можно передавать так на расстоянии. Но хочу подчеркнуть, что таким способом информацию передать невозможно. Потому что вы не заставляете этот фотон иметь определенную поляризацию, а можете померить, что он имеет ту или иную поляризацию, тогда тот фотон с какой-то вероятностью приобретет противоположную поляризацию. Если бы вы хотели передавать информацию, вы должны были заставить этот фотон иметь определенную поляризацию, тогда тот имел бы противоположную, компенсирующую. Так вы смогли бы передавать сигнал, заставили бы его таким поляризованным быть, этот бы оказался противоположно поляризованным, и человек бы на том конце знал бы: «О, значит, я должен делать то-то». Передали ему информацию, что нужно предпринимать. В данном случае у него просто появился фотон на Венере с какой-то поляризацией. Он не знает, что вы ему хотели передать, вы же просто померили его с какой-то вероятностью.

Хочу подчеркнуть, что в данном случае ситуация следующая. У вас есть новая теория — квантовая механика, есть человек, религиозно верящий в эту теорию, — Нильс Бор, который считает, что фундаментальной основой всех явлений природы является эта вероятностная интерпретация. Он просто религиозно в это верит. Он пытается убедить весь остальной мир, что он прав. Вместе с Гейзенбергом они предпринимают массу усилий, чтобы это доказать. Но люди ранга Эйнштейна, тоже приложившие руку к созданию этой теории, с ними не согласны. Через такие тернии проходит та или иная наука, прежде чем она становится общепризнанной, общепринятой и общедоступной. На начальном этапе люди друг с другом спорят, не соглашаются. И она должна проходить через эти этапы, иначе это не было бы научным познанием.

Парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена(из Википедии):

ЭПР-парадокс — попытка указания на неполноту квантовой механики с помощью мысленного эксперимента, заключающегося в измерении параметров микрообъекта косвенным образом, не оказывая на этот объект непосредственного воздействия. Целью такого косвенного измерения является попытка извлечь больше информации о состоянии микрообъекта, чем даёт квантовомеханическое описание его состояния.

Изначально споры вокруг парадокса носили скорее философский характер, связанный с тем, что следует считать элементами физической реальности — считать ли физической реальностью лишь результаты опытов и может ли Вселенная быть разложена на отдельно существующие «элементы реальности» так, что каждый из этих элементов имеет своё математическое описание.

Объяснение парадокса

Эксперимент ЭПР, с точки зрения его авторов, позволяет одновременно точно измерить координату и импульс частицы. В то же время — в квантовой механике утверждается, что таковое невозможно. На основании этого Эйнштейн, Подольский и Розен сделали вывод о неполноте квантовой теории. На самом деле эксперимент, описанный ЭПР, не противоречит квантовой механике и легко анализируется с её помощью. Кажущееся противоречие возникает потому, что термин «измерение» имеет несколько различный смысл в классической и квантовой теории.
Нелокальность
Необычность эксперимента ЭПР, с точки зрения классической физики, состоит в том, что в результате измерения импульса первой частицы, изменяется состояние у второй, когда частицы находятся сколь угодно далеко друг от друга. В этом проявляется нелокальный характер квантовой теории. Система, состоящая из двух частиц, состояние которых описывается единой волновой функцией, не является простой «суммой» этих частиц, даже если между ними нет взаимодействия. При проведении измерения состояние такой составной системы может измениться. С этой точки зрения является некорректной исходная посылка ЭПР касательно того, что «так как во время измерения эти две системы уже не взаимодействуют, то в результате каких бы то ни было операций над первой системой во второй системе уже не может получиться никаких реальных изменений» . Волновая функция — это нелокальная величина, и большое расстояние между частицами при измерении, которое её изменяет, существенной роли не играет.

Мысленный эксперимент ЭПР и связанная с ним нелокальность квантовой механики, в настоящее время привлекает широкое внимание в связи с экспериментами по квантовой телепортации. В историческом плане парадокс Эйнштейна — Подольского — Розена и последовавшая затем дискуссия между Бором и Эйнштейном сыграли важную роль для прояснения таких ключевых физических понятий, как «измерение», «полнота теории», «физическая реальность» и «состояние системы».

Принцип тождественности

В соответствии с принципом тождественности все частицы для нас являются неразличимыми, одинаковыми. Таким образом, при попытке косвенного определения точных значений одновременно импульса и координаты электрона в случае рождения электрон-позитронной пары, измерив точно импульс позитрона, при измерении «точной» координаты электрона мы не сможем сказать, тот ли это электрон или «другой» электрон измерительного прибора, что внесёт в наш эксперимент неопределённость в соответствии с принципом неопределённости. Также вместо точного измерения параметра «нужной» нам частицы мы можем измерить параметр одной из тождественных виртуальных частиц, существование которых было подтверждено экспериментально благодаря эффекту Казимира, что также может внести в наш эксперимент ошибку-неопределённость.

futuraptor.com - интернет-журнал, публикующий новости науки и технологий,  об их влиянии на различные сферы жизни человека.

Человек построил вокруг себя собственный мир - мир в котором даже его творцу теперь непросто ориентироваться. Проявления технологий различно - это и IT, и робототехника, био- и генная инженерия, огромное культурологическое влияние - в музыке, кино, книгах, телевидение. Поток информации просто ошеломляет - достаточно лишь подписаться на десяток околонаучных твиттеров и новостная лента будет обновляться быстрее, чем вы ее сможете прочесть. Столько всего нового и так мало времени. Наша скромная миссия - предоставить на нашем сайте возможность прочесть самое интересное, а иногда и полезное, что может появиться в сети. Вместо множества источников - выберите один, наш сайт(у нас есть твиттер @futuraptorr, а также страницы в социальных сетях) и обеспечьте себя интересным чтением в минуты досуга. 

Современные достижения науки и техники, новые технологии, электроника, компьютеры, роботы, гаджеты, мобильные устройства, интересные разработки известных корпораций, средства коммуникаций, футуристические концепты, космические исследования, интересное и полезное в сети, изобретения - все это и многое другое в новостях и обзорах на этом сайте. А также о вещах смежных(скорее субъективно, нежели объективно). 

Мы всегда готовы поведать о чем-то новом, о том что на самом краю. И если у вас есть идея для нас, просто оставьте комментарий к статье. Мы всегда читаем комментарии. Или напишите нам на story@futuraptor.com

Остались вопросы? Отправьте форму на странице обратной связи

Новые статьи

Квадрокоптер Walkera Voyager 4 позволяет делать снимки с километра

Данная модель является одной из первых в потребительском сегменте, которая может быть укомплектована камерой с оптическим 16X зумом.

Walkera F210 3D – гоночный квадрокоптер для состязаний и не только

Сравнительно недорогой FPV-беспилотник с хорошей управляемостью и прочной конструкцией.