Video-kvanteskole del 3: Den ene partikel ved, hvad den anden gør
more_vert
close
close

Vores nyhedsbreve

close
Ved at tilmelde dig accepterer du vores Brugerbetingelser, og at Mediehuset Ingeniøren og IDA-gruppen lejlighedsvis kan kontakte dig om arrangementer, analyser, nyheder, tilbud mm via telefon, SMS og email. I nyhedsbreve og mails fra Mediehuset Ingeniøren kan findes markedsføring fra samarbejdspartnere.

Video-kvanteskole del 3: Den ene partikel ved, hvad den anden gør

Fra midten af 1920'erne fik Erwin Schrödinger, Werner Heisenberg m.fl. efterhånden sat skik på kvantefysikken, mens Albert Einstein og Niels Bohr i disse år havde gevaldige diskussioner ikke mindst på den femte Solvay-konference i 1927.

Her udtænkte Albert Einstein det ene snedige tankeeksperiment efter det andet for at skyde kvantemekanikken ned. Men Niels Bohr kunne på elegant vis parere hvert eneste angreb.

Albert Einstein var i 1933 flygtet til USA på grund af de tyske love rettet mod jøder. Det var her ved Institute for Advanced Study ved Princeton University, han sammen med sine assistenter Boris Podolsky og Nathan Rosen i en artikel i Physical Review den 15. maj satte et voldsomt angreb ind på kvantemekanikken.

Einstein troede ikke på spøgelser

Det skete i et tankeeksperiment, hvor en måling på en kvantepartikel samtidig gav information om tilstanden fra en anden kvantepartikel.

Når to fotoner fødes på samme tid, vil deres kvantetilstande være sammenfiltrede. Hvis den ene har spin op, har den anden spin ned. Men nu er det jo således, at begge kvantepartikler kan være i superposition af spin op og ned, som vi konstaterede i kvanteskolens anden del.

Det er først, når vi foretager en måling af en kvantepartikel, at bølgefunktionen kollapser, og man kan konstatere, at partiklen enten har spin op eller spin ned - og aldrig begge dele.

Men måler man kun den ene partikel, er det som om, den anden kvantepartikel øjeblikkeligt ved, at dens makker er blevet udsat for en måling.

Det sker også, selv om de to partikler er adskilt over så store afstande, at de ikke kan kommunikere med hinanden ifølge Einsteins egen specielle relativitetsteori. Derfor kan kvantemekanikken ikke være en komplet teori, argumenterede Einstein.

Niels Bohr gav sit svar på angrebet i en artikel i samme tidsskrift 15. oktober, hvor han afviste Einsteins argumenter.

Men Einstein var langtfra overbevist. I et brev til sin ven Max Born flere år efter, i 1947, skrev han, at han ikke brød sig om denne ‘spukhafte Fernwirkung’. Dette udtryk oversættes normalt til ‘spooky action at a distance’ på engelsk og til ‘spøgelsesagtig vekselvirkning over store afstande’ på dansk.

Einstein mente, at der måtte findes en mere fundamental teori med en form for skjulte variable, som kunne forklare fænomenet. Det var en interessant diskussion blandt to af de klogeste fysikere, men det var alligevel ikke sådan at afgøre, hvem der havde ret.

Mange valgte derfor at følge den gode parole: Hold kæft og beregn! - som er et yndlingsudtryk blandt kvantefysikere, når de filosofiske betragtninger begynder at gå over gevind.

Fra tankeeksperiment til rigtige eksperimenter

I 1965 omsatte den nordirske fysiker John Stewart Bell dog filosofiske diskussion til et spørgsmål om eksperimentalfysik. Han satte uenigheden på matematisk formel.

Bell viste, at for eksperimenter med entanglede partikler, ville korrelationen mellem målinger overholde en bestemt ulighed, hvis der fandtes skjulte variable. Uligheden ville være overtrådt, hvis kvantemekanikkens forudsigelser var korrekte.

Bells teorem udtrykkes ofte på denne måde: 'Ingen fysisk teori baseret på lokale skjulte variable kan reproducere alle kvantemekanikkens forudsigelser' - enten er kvantemekanikken forkert, eller også er lokal realisme i modsætning til de fleste menneskers intuitive opfattelse ikke et gældende fysisk princip.

Fire år senere blev Bells ulighed omformuleret til en form, der var mere velegnet til eksperimentel test. Og så var det blot at vente på, at eksperimentalfysikerne blev dygtige nok til at udføre eksperimenterne.

Det tog sid tid, og lykkedes først i begyndelsen af 1980'erne for Alain Aspect fra Université Paris-Sud.

Hans eksperimenterne viste en overtrædelse af Bells ulighed og bekræftede, at kvantemekanikkens forudsigelser var korrekte.

Siden har andre forskere gentaget eksperimenterne og efterhånden udelukket alle tænkelige smuthuller, som fandtes i Aspects oprindelige forsøg, og som kunne man givet Einstein ret. I dag ved vi med fuldstændig sikkerhed, at Niels Bohr havde ret, og Albert Einstein tog fejl. Der findes ingen skjulte variable, kvantemekanikken er den rigtige teori.

Schrödinger fandt på navnet

Hverken Einstein eller Bohr brugte dog ordet entanglement, for det var slet ikke kendt i en kvantemæssig betydning på dette tidspunkt.

Erwin Schrödinger - ophavsmand til kvantemekanikkens mest berømt ligning - var den første til at bruge ordet i en artikel, som blev fremlagt i Cambridge Philosophical Society 28. oktober samme år.

Schrödinger forklarede, at efter to systemer (som atomer eller fotoner) har været i fysisk kontakt, kan de ikke længere beskrives som værende uafhængige størrelser.

Deres repræsentationer eller bølgefunktioner er blevet entangled eller sammenfiltret. Schrödinger fandt også på den tyske betegnelse, som han kaldte Verschränkung, som han brugte i en artikel i Naturwissenschaften 6. december 1935.

Ingen modstrid med relativitetsteorien

Da egenskaberne for de to dele med sammenfiltrede tilstande blev defineret, da de var i fysisk kontakt med hinanden, er det ikke muligt at bruge denne teknik til at sende information fra et sted til et andet.

Der er altså ingen modstrid med den specielle relativitetsteori og dens postulat at lyshastigheden i vakuum er den øvre hastighedsgrænse i universet - også for information.

Man kan kun i forsøgene observere, hvad der allerede blev fastlagt, da partiklerne var i fysisk kontakt.

Nu er det rutine

I betragtning af, at de senere eksperimenter viste, at Einsteins kritik var helt forkert, fik EPR alligevel enorm betydning for den anden kvanterevolution.

De tankeeksperimenter, som Einstein i sin artikel beskrev som eksempler på, hvor kvantemekanikken ville spille fallit, er præcis de eksperimenter, som forskere nu udfører rutinemæssigt i kvantelaboratorier verden over og udgangspunktet kvantecomputere og kvantekryptering.


Det sker også, selv om de to partikler er adskilt over så store afstande, at de ikke kan kommunikere med hinanden ifølge Einsteins egen specielle relativitetsteori. Derfor kan kvantemekanikken ikke være en komplet teori, argumenterede Einstein.

Beviser relativitetsteorien, at der ikke kan ske kommunikation med større hastighed end lysets? Eller, er der "et hul" der tillader kvantemekanikkens måde at gøre det?

Jeg kan ikke se, at det er andet end en formodning i relativitetsteorien, at det ikke er muligt at sende information med større hastighed end lysets. Der er intet ordentligt bevis. Med andre ord, så mener jeg ikke, at relativitetsteorien falder til jorden - selvom det viser sig, at kvantemekanikken kan sende informationer med større hastighed end lysets.

Jeg mener at relativitetsteorien udelukker at information sendes med en hastighed større end lysets, såfremt den bevæger sig fra A til B. Men, det er netop ikke det som sker i kvantemekanikken. Man kan bedre sige, at informationen i kvantemekanik ikke bevæger sig fra A til B, fordi den sendes globalt ud i hele universet samtidigt. Og man kan ikke tale om en "vej" da tiden er 0. Og dermed er intet bevis imod, at information kan overføres med uendelig hastighed i relativitetsteorien. Der er ingen "vej" og man kan ikke sige, at informationen er nået f.eks. halvvejen på halvdelen af tiden.

  • 0
  • 0

Det tog sid tid, og lykkedes først i begyndelsen af 1980'erne for Alain Aspect fra Université Paris-Sud.

Hans eksperimenterne viste en overtrædelse af Bells ulighed og bekræftede, at kvantemekanikkens forudsigelser var korrekte.

Så vidt jeg ved, så har der i langt de fleste kvantefysiske eksperimenter været så stor støj, at man ikke har kunnet konkludere noget sikkert. Hvis forsøget ikke havde været til kvantemekanikkens fordel, så havde kvantemekanikken dog været modbevist. Det interessante i forsøget, var at det ikke modbeviste kvantemekanikken. Jeg mener ikke, at man kan sige, at det var et bevis for kvantemekanikken.

Først i 2015 har man lavet loop-hole free eksperimenter, og vi kan tale om et bevis til kvantemekanikkens fordel.

Jeg er dog ikke helt sikker på, at man har bevist at der ikke findes ukendte og uopdagede loopholes i Bell's test eksperiment. Og, det skal jo egentligt bevises, før man kan sige, at vi er kommet til en konklusion.

På nuværende tidspunkt, har ingen eksperimenter afgjort resultatet til lokale variable teoriernes fordel. Men, jeg har svært ved at se, at der er et 100% skudsikker bevis mod skjulte variable. Alle eksperimenter har haft udfald til kvantemekanikkens fordel. Men, det er ikke nødvendigvis det samme, som at det er 100% bevist.

  • 1
  • 0

Jeg vil godt citere lidt af det som står på Wikipedia omkring loopholes:

Though the series of increasingly sophisticated Bell test experiments has convinced the physics community in general that local realism is untenable, local realism can never be excluded entirely.[26] For example, the hypothesis of superdeterminism in which all experiments and outcomes (and everything else) are predetermined cannot be tested (it is unfalsifiable). Brunner, N. (2014-04-18). "Bell nonlocality". Rev Mod. Phys. 86: 419–478. arXiv:1303.2849Freely accessible. Bibcode:2014RvMP...86..419B. doi:10.1103/RevModPhys.86.419.

Jeg tror desuden local realism teorier vil være mere komplicerede end kvantemekanikken, og derfor vil kvantemekanikken aldrig blive helt forkastet.

  • 0
  • 0