Paradoxe de l'EPR en physique

Le paradoxe EPR (ou le paradoxe Einstein-Podolsky-Rosen) est une expérience de pensée destinée à démontrer un paradoxe inhérent aux premières formulations de la théorie quantique. Il fait partie des exemples les plus connus de enchevêtrement quantique. Le paradoxe implique deux particules qui sont entremêlés les uns aux autres selon la mécanique quantique. Sous le Interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, chaque particule est individuellement dans un état incertain jusqu'à ce qu'elle soit mesurée, à quel point l'état de cette particule devient certain.

Au même moment exact, l'état de l'autre particule devient également certain. La raison pour laquelle cela est classé comme un paradoxe est qu'il implique apparemment une communication entre les deux particules à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière, qui est en conflit avec Albert Einsteinc'est théorie de la relativité.

Le paradoxe a été au centre d'un débat houleux entre Einstein et Niels Bohr

Plusieurs années plus tard, le physicien David Bohm a modifié l'exemple du paradoxe EPR pour que les choses soient un peu plus claires. (La façon originale dont le paradoxe a été présenté était quelque peu déroutante, même pour les physiciens professionnels.) Dans le Bohm plus populaire formulation, une particule de spin 0 instable se désintègre en deux particules différentes, la particule A et la particule B, se dirigeant en face directions. Étant donné que la particule initiale avait un spin 0, la somme des deux nouveaux spins de particules doit être égale à zéro. Si la particule A a un spin +1/2, alors la particule B doit avoir un spin -1/2 (et vice versa).

Encore une fois, selon l'interprétation de Copenhague de la mécanique quantique, jusqu'à ce qu'une mesure soit effectuée, aucune particule n'a un état défini. Ils sont tous les deux dans une superposition d'états possibles, avec une probabilité égale (dans ce cas) d'avoir un spin positif ou négatif.

Il y a deux points clés à l'œuvre ici qui rendent cela troublant:

1. La physique quantique dit que jusqu'au moment de la mesure, les particules ne pas avoir un rotation quantique définie mais sont dans une superposition d'états possibles.
2. Dès que nous mesurons le spin de la particule A, nous savons avec certitude la valeur que nous obtiendrons de la mesure du spin de la particule B.

Si vous mesurez la particule A, il semble que le spin quantique de la particule A soit "défini" par la mesure, mais d'une certaine manière, la particule B "sait" instantanément quel spin elle est censée prendre. Pour Einstein, c'était une violation claire de la théorie de la relativité.

Personne n'a jamais vraiment remis en question le deuxième point; la controverse réside entièrement dans le premier point. Bohm et Einstein ont soutenu une approche alternative appelée la théorie des variables cachées, qui a suggéré que la mécanique quantique était incomplète. Dans ce point de vue, il devait y avoir un aspect de la mécanique quantique qui n'était pas immédiatement évident mais qui devait être ajouté à la théorie pour expliquer ce genre d'effet non local.

Par analogie, considérez que vous avez deux enveloppes contenant chacune de l'argent. On vous a dit que l'un d'entre eux contient un billet de 5 $ et l'autre un billet de 10 $. Si vous ouvrez une enveloppe et qu'elle contient un billet de 5 $, alors vous savez avec certitude que l'autre enveloppe contient le billet de 10 $.

Le problème avec cette analogie est que la mécanique quantique ne semble certainement pas fonctionner de cette façon. Dans le cas de l'argent, chaque enveloppe contient une facture spécifique, même si je ne me déplace jamais pour les chercher.

L'incertitude de la mécanique quantique ne représente pas seulement un manque de connaissances mais un manque fondamental de réalité définie. Jusqu'à ce que la mesure soit faite, selon l'interprétation de Copenhague, les particules sont vraiment dans une superposition de tous les états possibles (comme dans le cas du chat mort / vivant dans le Chat de Schroedinger expérience de pensée). Alors que la plupart des physiciens auraient préféré avoir un univers avec des règles plus claires, personne ne pouvait comprendre exactement quelles étaient ces variables cachées ou comment elles pourraient être incorporées dans la théorie de manière significative façon.

Bohr et d'autres ont défendu l'interprétation standard de Copenhague de la mécanique quantique, qui a continué d'être soutenue par les preuves expérimentales. L'explication est que la fonction d'onde, qui décrit la superposition d'états quantiques possibles, existe simultanément en tous points. Le spin de la particule A et le spin de la particule B ne sont pas des quantités indépendantes mais sont représentés par le même terme dans le la physique quantique équations. Au moment où la mesure sur la particule A est effectuée, le fonction d'onde entière s'effondre dans un seul état. De cette façon, aucune communication à distance n'a lieu.

Le clou majeur dans le cercueil de la théorie des variables cachées est venu du physicien John Stewart Bell, dans ce qu'on appelle Théorème de Bell. Il a développé une série d'inégalités (appelées inégalités de Bell), qui représentent la façon dont les mesures du spin des particules A et B se répartiraient si elles n'étaient pas enchevêtrées. Expérience après expérience, les inégalités de Bell sont violées, ce qui signifie que l'intrication quantique semble avoir lieu.

Malgré cette preuve du contraire, il y a encore quelques partisans de la théorie des variables cachées, bien que cela concerne principalement les physiciens amateurs plutôt que les professionnels.

Édité par Anne Marie Helmenstine, Ph. D.