Bohr - Einstein -debatter - Bohr–Einstein debates

Niels Bohr med Albert Einstein hjemme hos Paul Ehrenfest i Leiden (desember 1925)

De Bohr-Einstein debattene var en rekke offentlige tvister om kvantemekanikk mellom Albert Einstein og Niels Bohr . Debattene deres huskes på grunn av deres betydning for vitenskapsfilosofien , siden uenighetene og utfallet av Bohrs versjon av kvantemekanikk som ble det utbredte synet, danner roten til den moderne fysikkforståelsen. De fleste av Bohrs versjoner av hendelsene som ble holdt i Solvay i 1927 og andre steder ble først skrevet av Bohr flere tiår senere i en artikkel med tittelen "Diskusjoner med Einstein om epistemologiske problemer i atomfysikk". Basert på artikkelen var det filosofiske spørsmålet om debatten om Bohrs København -tolkning av kvantemekanikk, som fokuserte på hans tro på komplementaritet , var gyldig for å forklare naturen. Til tross for deres meningsforskjeller og de påfølgende oppdagelsene som bidro til å befeste kvantemekanikken, opprettholdt Bohr og Einstein en gjensidig beundring som skulle vare resten av livet.

Debattene representerer et av de høyeste punktene i vitenskapelig forskning i første halvdel av det tjuende århundre fordi det henledet oppmerksomhet på et element i kvanteteorien, kvante-ikke-lokalitet , som er sentral i vår moderne forståelse av den fysiske verden. Konsensusoppfatningen til profesjonelle fysikere har vært at Bohr viste seg seirende i sitt forsvar for kvanteteorien, og definitivt etablerte den grunnleggende sannsynlighetspreget til kvantemåling.

Pre-revolusjonære debatter

Einstein var den første fysikeren som sa at Plancks oppdagelse av kvanten ( h ) ville kreve en omskriving av fysikkens lover . For å støtte poenget hans, foreslo han i 1905 at lys noen ganger fungerer som en partikkel som han kalte en lyskvant (se foton og bølge -partikkel dualitet ). Bohr var en av de mest vokale motstanderne av fotonideen og omfavnet den ikke åpent før i 1925. Fotonen appellerte til Einstein fordi han så det som en fysisk virkelighet (selv om den var forvirrende) bak tallene som Planck presenterte matematisk i 1900. Bohr mislikte det fordi det gjorde valget av matematisk løsning vilkårlig. Bohr likte ikke at en forsker måtte velge mellom ligninger. Dette var kanskje den første virkelige Bohr-Einstein-debatten. Einstein hadde foreslått fotonen i 1905, og Compton beviste at fotonen eksisterte eksperimentelt i 1922, men Bohr nektet å tro at fotonen eksisterte selv da. Bohr kjempet tilbake mot eksistensen av lysets kvantum (foton) ved å skrive BKS -teorien i 1924. Einstein hadde imidlertid rett og Bohr viste seg å ha feil om lyskvanta.

Selv om Bohr og Einstein var uenige, var de gode venner hele livet og likte å bruke hverandre som folie.

Året 1913 brakte Bohr-modellen av hydrogenatomet , som brukte kvanten til å forklare atomspekteret, selv om Bohr på den tiden ikke trodde atomet var bølgelignende, men som et solsystem slik at ligningene han brukte var for rotasjonsbaner av partikler som ligner på planeter, men Plancks konstant var blitt oppfunnet for lysstråling i svarte legemer. Einstein var først skeptisk til å bruke h til et atom i et solsystem, men ombestemte seg raskt og innrømmet at han tenkte. Fra 1913 til 1919 studerte og reviderte Einstein Arnold Sommerfelds forlengelse av Bohr -atomet til å omfatte Stark -effekten og Zeeman -effekten . Koeffisientene Einstein opprettet i løpet av denne tiden er fortsatt oppkalt etter ham og fortsatt i bruk i dag.

Kvanterevolusjonen

Kvantrevolusjonen på midten av 1920-tallet skjedde under ledelse av både Einstein og Bohr, og deres postrevolusjonære debatter handlet om å få mening om endringen. Sjokkene for Einstein begynte i 1925 da Werner Heisenberg introduserte matriksligninger som fjernet de newtonske elementene i rom og tid fra enhver underliggende virkelighet. Da Erwin Schrödinger imidlertid sendte en forhåndstrykk av sin nye ligning til Einstein, skrev Einstein tilbake hyllet sin ligning som et avgjørende fremskritt for "sant geni." Men det neste sjokket kom i 1926 da Max Born foreslo at mekanikk skulle forstås som en sannsynlighet uten noen årsakssammenheng.

Både Einstein og Erwin Schrödinger avviste denne tolkningen med å gi avkall på årsakssammenheng som hadde vært et sentralt trekk ved vitenskapen før kvantemekanikk og fremdeles var et trekk ved generell relativitet . I et brev til Max Born fra 1926 skrev Einstein: "Kvantemekanikk er absolutt imponerende. Men en indre stemme forteller meg at det ikke er den virkelige tingen ennå. Teorien sier mye, men bringer oss egentlig ikke nærmere hemmeligheten av den "gamle". Jeg er i alle fall overbevist om at han [Gud] ikke spiller på terninger. " Til å begynne med hadde selv Heisenberg heftige tvister med Bohr om at matrisemekanikken hans ikke var kompatibel med Schrödinger -ligningen. Og Bohr var først imot Usikkerhetsprinsippet. Men ved den femte Solvay -konferansen som ble holdt i oktober 1927 konkluderte Heisenberg og Born med at revolusjonen var over og at det ikke var behov for noe videre. Det var på det siste stadiet at Einsteins skepsis ble til forferdelse. Han trodde at mye hadde blitt oppnådd, men årsakene til mekanikken måtte fortsatt forstås.

Einsteins avslag på å akseptere revolusjonen som fullstendig reflekterte hans ønske om å se utviklet en modell for de underliggende årsakene som disse tilsynelatende tilfeldige statistiske metodene resulterte i. Han avviste ikke tanken på at posisjoner i rom-tid aldri kunne være fullstendig kjent, men ønsket ikke å la usikkerhetsprinsippet nødvendiggjøre en tilsynelatende tilfeldig, ikke-deterministisk mekanisme som fysikklovene opererte med. Einstein selv var en statistisk tenker, men var uenig i at det ikke var nødvendig å oppdage og avklare mer. Einstein jobbet resten av livet med å oppdage en ny teori som ville gi mening om kvantemekanikk og gi kausalitet tilbake til vitenskapen, det mange nå kaller, Theory of Everything. Bohr ble i mellomtiden forferdet over ingen av elementene som plaget Einstein. Han sluttet sin egen fred med motsetningene ved å foreslå et prinsipp om komplementaritet som understreket observatørens rolle fremfor det observerte.

Etterrevolusjon: Første etappe

Som nevnt ovenfor gjennomgikk Einsteins posisjon betydelige modifikasjoner i løpet av årene. I den første fasen nektet Einstein å godta kvanteindeterminisme og søkte å demonstrere at prinsippet om ubestemmelighet kunne krenkes, noe som antydet geniale tankeeksperimenter som skulle tillate nøyaktig bestemmelse av inkompatible variabler, for eksempel posisjon og hastighet, eller å eksplisitt avsløre samtidig bølge og partikkelaspektene ved den samme prosessen. (Hovedkilden og substansen for disse tankeeksperimentene er utelukkende fra Bohrs beretning tjue år senere.) Bohr innrømmer: «Når det gjelder samtalen, er jeg selvfølgelig klar over at jeg bare stoler på mitt eget minne, akkurat som jeg er forberedt på muligheten for at mange trekk ved utviklingen av kvanteteorien, der Einstein har spilt en så stor rolle, kan vises for seg selv i et annet lys. ”

Einsteins argument

Det første alvorlige angrepet av Einstein på den "ortodokse" forestillingen fant sted under den femte Solvay internasjonale konferansen om elektroner og fotoner i 1927. Einstein påpekte hvordan det var mulig å dra fordel av (universelt aksepterte) lover om bevaring av energi og impuls ( momentum ) for å få informasjon om tilstanden til en partikkel i en interferensprosess som ifølge prinsippet om ubestemmelighet eller komplementaritet ikke bør være tilgjengelig.

Figur A. en monokromatisk stråle (en for hvor alle partiklene har samme impuls) møter en første skjerm, diffrakterer, og den avbøyde bølgen møter en andre sikt med to slisser, noe som resulterer i dannelsen av et interferensmønsteret på bakgrunn  F . Som alltid antas det at bare en partikkel om gangen er i stand til å passere hele mekanismen. Fra målingen av rekylen til skjermen S ₁ , ifølge Einstein, kan man utlede fra hvilken spalte partikkelen har passert uten å ødelegge bølgeaspektene ved prosessen.

Figur B. Einsteins spalte.

For å følge hans argumentasjon og evaluere Bohrs svar, er det praktisk å referere til eksperimentelle apparatet illustrert i figur A. En lysstråle vinkelrett på X -aksen forplanter seg i retning z og møter en skjerm S ₁ med en smal ( i forhold til strålens bølgelengde). Etter å ha passert gjennom spalten, bølgefunksjonen diffrakterer med en vinkelformet åpning som får den til å støte på en annen skjerm S ₂ med to slisser. Den suksessive bølgens forplantnings resulterer i dannelse av interferensmønsteret på det endelige skjermen  F .

Ved passasjen gjennom de to spaltene på den andre skjermen S ₂ , blir bølgeaspektene ved prosessen essensielle. Faktisk er det nettopp interferensen mellom de to begrepene i kvantesuperposisjonen som tilsvarer tilstander der partikkelen er lokalisert i en av de to spaltene, noe som innebærer at partikkelen fortrinnsvis blir "guidet" inn i sonene med konstruktiv interferens og ikke kan ende opp i et punkt i sonene med destruktiv interferens (der bølgefunksjonen blir opphevet). Det er også viktig å merke seg at ethvert eksperiment designet for å bevise de " korpuskulære " aspektene ved prosessen ved passering av skjermen S ₂ (som i dette tilfellet reduserer til bestemmelsen av hvilken spalte partikkelen har passert) uunngåelig ødelegger. bølgeaspektene, innebærer at interferensfiguren forsvinner og fremveksten av to konsentrerte flekker av diffraksjon som bekrefter vår kunnskap om banen fulgt av partikkelen.

På dette tidspunktet bringer Einstein også den første skjermen i spill og argumenterer som følger: siden hendelsespartiklene har hastigheter (praktisk talt) vinkelrett på skjermen S ₁ , og siden det bare er interaksjonen med denne skjermen som kan forårsake en avbøyning fra opprinnelig forplantningsretning, ved lov om bevaring av impuls som innebærer at summen av impulsene til to systemer som interagerer blir bevart, hvis den innfallende partikkelen avviker mot toppen, vil skjermen rekylere mot bunnen og omvendt. Under realistiske forhold er massen på skjermen så stor at den forblir stasjonær, men i prinsippet er det mulig å måle selv en uendelig rekyl. Hvis vi tenker oss å ta målingen av skjermens impuls i retning X etter at hver eneste partikkel har passert, kan vi vite fra det faktum at skjermen blir funnet tilbaketrukket mot toppen (bunnen), om den aktuelle partikkelen har blitt avviket mot bunnen eller toppen, og derfor gjennom hvilken spalte i S ₂ partikkelen har passert. Men ettersom bestemmelsen av retningen av rekylen av skjermen etter at partikkelen har passert kan ikke påvirke den etterfølgende utvikling av fremgangsmåten, vil det fremdeles et interferensmønsteret på skjermen  F . Forstyrrelsen skjer nettopp fordi systemets tilstand er superposisjonen til to tilstander hvis bølgefunksjoner ikke er null bare i nærheten av en av de to spaltene. På den annen side, hvis hver partikkel bare passerer gjennom spalten b eller spalten c , er settet av systemer den statistiske blandingen av de to tilstandene, noe som betyr at interferens ikke er mulig. Hvis Einstein har rett, er det et brudd på prinsippet om ubestemmelighet.

Dette tankeeksperimentet ble påbegynt i en enklere form under den generelle diskusjonsdelen av selve forhandlingene under Solvay -konferansen i 1927. I den offisielle saken ble Bohrs svar registrert som: "Jeg føler meg i en veldig vanskelig posisjon fordi jeg ikke forstår nøyaktig poenget Einstein prøver å komme med." Einstein hadde forklart, "det kan skje at den samme elementære prosessen produserer en handling to eller flere steder på skjermen." Det er klart av dette at Einstein refererte til separasjon, ikke ubestemmelighet. Faktisk skrev Paul Ehrenfest et brev til Bohr om at eksperimentene fra Einstein fra 1927 ikke hadde noe å gjøre med usikkerhetsforholdene, ettersom Einstein allerede hadde akseptert disse "og lenge ikke har tvilt."

Bohrs svar

Bohrs svar var å illustrere Einsteins idé tydeligere ved å bruke diagrammet i figur C. (Figur C viser en fast skjerm S ₁ som er boltet ned. Prøv deretter å forestille deg en som kan gli opp eller ned langs en stang i stedet for en fast bolt. ) Bohr observerer at ekstremt presis kunnskap om enhver (potensiell) vertikal bevegelse av skjermen er en vesentlig forutsetning i Einsteins argument. Faktisk hvis hastigheten i retningen X før partikkelen ikke er kjent med en presisjon som er vesentlig større enn den som forårsakes av rekylen (det vil si hvis den allerede beveget seg vertikalt med en ukjent og større hastighet enn den som den kommer som en konsekvens av kontakten med partikkelen), så ville ikke bestemmelsen av bevegelsen etter partikkels passasje gi den informasjonen vi søker. Imidlertid Bohr fortsetter, en ytterst nøyaktig bestemmelse av hastigheten av skjermen, når man legger til grunn av ubestemthet, innebærer en uunngåelig unøyaktigheten til sin stilling i den retning  X . Før prosessen begynner, ville skjermen derfor innta en ubestemt posisjon i det minste til en viss grad (definert av formalismen). Tenk for eksempel på punktet d i figur A, der interferensen er ødeleggende. Enhver forskyvning av den første skjermen vil gjøre lengden på de to banene, a – b – d og a – c – d , forskjellig fra de som er angitt i figuren. Hvis forskjellen mellom de to banene varierer med en halv bølgelengde, vil det ved punkt d være konstruktiv snarere enn destruktiv interferens. Det ideelle eksperimentet må gjennomsnittlig over alle mulige posisjoner på skjermen S ₁ , og for hver posisjon tilsvarer det for et bestemt fast punkt F en annen type interferens, fra det perfekt destruktive til det perfekt konstruktive. Effekten av dette gjennomsnittet er at interferensmønsteret på skjermen F vil være jevnt grått. Nok en gang har vårt forsøk på å bevise de korpuskulære aspektene i S ₂ ødelagt muligheten for interferens i F , som avgjørende avhenger av bølgeaspektene.

Figur C. For å realisere Einsteins forslag, er det nødvendig å erstatte den første skjermen i figur A (S ₁ ) med en membran som kan bevege seg vertikalt, slik som dette foreslått av Bohr.

Som Bohr innså, for forståelsen av dette fenomenet "er det avgjørende at, i motsetning til ekte måleinstrumenter, ville disse legemene sammen med partiklene i det undersøkte tilfellet utgjøre systemet som den kvantemekaniske formalismen må gjelde. Når det gjelder presisjonen av betingelsene for korrekt bruk av formalismen, er det viktig å inkludere hele eksperimentelle apparatet. Faktisk kan introduksjonen av et nytt apparat, for eksempel et speil, i banen til en partikkel nye effekter av interferens som i hovedsak påvirker spådommene om resultatene som vil bli registrert på slutten. " Videre prøver Bohr å løse denne uklarheten om hvilke deler av systemet som bør betraktes som makroskopiske og hvilke ikke:

Spesielt må det være veldig klart at ... den utvetydige bruken av romtidsbegreper i beskrivelsen av atomfenomener må begrenses til registrering av observasjoner som refererer til bilder på et fotografisk objektiv eller til analoge praktisk talt irreversible effekter av forsterkning som f.eks. dannelsen av en dråpe vann rundt et ion i et mørkt rom.

Bohrs argument om umuligheten av å bruke apparatet som Einstein foreslår for å krenke prinsippet om ubestemmelighet, avhenger avgjørende på at et makroskopisk system (skjermen S ₁ ) følger kvantelover. På den annen side mente Bohr konsekvent at for å illustrere de mikroskopiske aspektene ved virkeligheten er det nødvendig å sette i gang en forsterkningsprosess, som involverer makroskopiske apparater, hvis grunnleggende egenskap er å adlyde klassiske lover og som kan beskrives i klassiske termer. Denne tvetydigheten ville senere komme tilbake i form av det som fremdeles kalles i dag måleproblemet .

Prinsippet om ubestemmelighet gjaldt tid og energi

Figur D. En bølge som strekker seg i lengderetningen passerer gjennom en spalte som bare er åpen i et kort tidsrom. Utover spalten er det en romlig begrenset bølge i forplantningsretningen.

I mange lærebokeksempler og populære diskusjoner om kvantemekanikk forklares prinsippet om ubestemmelighet ved å referere til paret av variabler posisjon og hastighet (eller momentum). Det er viktig å merke seg at bølgenaturen til fysiske prosesser innebærer at det må eksistere et annet ubestemmelsesforhold: det mellom tid og energi. For å forstå dette forholdet er det praktisk å referere til eksperimentet illustrert i figur D, som resulterer i forplantning av en bølge som er begrenset i romlig forlengelse. Anta at, som vist på figuren, forplantes en stråle som er ekstremt forlenget i lengderetningen mot en skjerm med en spalte utstyrt med en lukker som bare er åpen i et veldig kort tidsintervall . Utover spalten vil det være en bølge av begrenset romlig forlengelse som fortsetter å spre seg mot høyre. ${\ displaystyle \ Delta t}$

En perfekt monokromatisk bølge (for eksempel en musikknote som ikke kan deles i harmoniske) har uendelig romlig omfang. For å ha en bølge som er begrenset i romlig forlengelse (som teknisk kalles en bølgepakke ), må flere bølger med forskjellige frekvenser overlagres og distribueres kontinuerlig innenfor et bestemt frekvensintervall rundt en gjennomsnittlig verdi, som f.eks . Det skjer da at det på et bestemt tidspunkt eksisterer en romlig region (som beveger seg over tid) der bidragene fra de forskjellige feltene i superposisjonen legger seg konstruktivt opp. Ikke desto mindre, i henhold til en presis matematisk teorem, når vi beveger oss langt unna denne regionen, fordeles fasene til de forskjellige feltene, på et bestemt punkt, kausalt og destruktiv interferens produseres. Området der bølgen har amplitude uten null er derfor romlig begrenset. Det er lett å demonstrere at hvis bølgen har en romlig forlengelse lik (som i vårt eksempel betyr at lukkeren har vært åpen i en tid der v er bølgens hastighet), så inneholder bølgen (eller er en superposisjon av) forskjellige monokromatiske bølger hvis frekvenser dekker et intervall som tilfredsstiller forholdet: ${\ displaystyle \ nu _ {0}}$${\ displaystyle \ Delta x}$${\ displaystyle \ Delta t = \ Delta x/v}$${\ displaystyle \ Delta \ nu}$

${\ displaystyle \ Delta \ nu \ geq {\ frac {1} {\ Delta t}}.}$

Husk at i den universelle relasjonen til Planck er frekvens og energi proporsjonale:

${\ displaystyle E = h \ nu \,}$

det følger umiddelbart av den foregående ulikheten at partikkelen knyttet til bølgen skal ha en energi som ikke er fullstendig definert (siden forskjellige frekvenser er involvert i superposisjonen) og følgelig er det ubestemmelighet i energi:

${\ displaystyle \ Delta E = h \, \ Delta \ nu \ geq {\ frac {h} {\ Delta t}}.}$

Av dette følger det umiddelbart at:

${\ displaystyle \ Delta E \, \ Delta t \ geq h}$

som er forholdet mellom ubestemmelighet mellom tid og energi.

Einsteins andre kritikk

Einsteins tankeeksperiment fra 1930 som designet av Bohr. Einsteins boks skulle bevise bruddet på ubestemmelighetsforholdet mellom tid og energi.

På den sjette kongressen i Solvay i 1930 var det ubestemte forholdet som nettopp ble diskutert, Einsteins mål for kritikk. Ideen hans overveier eksistensen av et eksperimentelt apparat som senere ble designet av Bohr på en måte som understreker de essensielle elementene og de viktigste punktene han ville bruke i sitt svar.

Einstein betrakter en boks (kalt Einsteins boks ; se figur) som inneholder elektromagnetisk stråling og en klokke som styrer åpningen av en lukker som dekker et hull i en av boksens vegger. Lukkeren avdekker hullet for en tid som kan velges vilkårlig. Under åpningen skal vi anta at et foton, blant dem i esken, slipper ut gjennom hullet. På denne måten er det opprettet en bølge av begrenset romlig forlengelse, etter forklaringen gitt ovenfor. For å utfordre ubestemmelighetsforholdet mellom tid og energi, er det nødvendig å finne en måte å bestemme energien som fotonet har tatt med seg med tilstrekkelig presisjon. På dette punktet, slår Einstein til hans berømte forholdet mellom masse og energi spesielle relativitets: . Fra dette følger det at kunnskap om massen til et objekt gir en presis indikasjon på energien. Argumentet er derfor veldig enkelt: hvis en veier boksen før og etter åpningen av lukkeren og hvis en viss mengde energi har rømt fra esken, blir boksen lettere. Variasjonen i masse multiplisert med vil gi presis kunnskap om energien som slippes ut. Videre vil klokken indikere det nøyaktige tidspunktet da hendelsen for partikkelutslipp fant sted. Siden boksens masse i prinsippet kan bestemmes til en vilkårlig grad av nøyaktighet, kan energien som sendes ut bestemmes med en presisjon som er så nøyaktig som man ønsker. Derfor kan produktet gjengis mindre enn det som er antydet av prinsippet om ubestemmelighet. ${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle E = mc^{2}}$${\ displaystyle c^{2}}$${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t}$

George Gamows eksperimentelle apparat for tro for validering av tankeeksperimentet ved Niels Bohr Institute i København .

Ideen er spesielt akutt og argumentet virket utilgjengelig. Det er viktig å vurdere virkningen av alle disse utvekslingene på de involverte på den tiden. Leon Rosenfeld , en forsker som hadde deltatt på kongressen, beskrev hendelsen flere år senere:

Det var et skikkelig sjokk for Bohr ... som først ikke kunne tenke seg en løsning. Hele kvelden var han ekstremt opphisset, og han fortsatte å gå fra en forsker til en annen og prøvde å overtale dem til at det ikke kunne være tilfelle, at det ville ha vært slutten på fysikken hvis Einstein hadde rett; men han kunne ikke finne noen måte å løse paradokset på. Jeg vil aldri glemme bildet av de to antagonistene da de forlot klubben: Einstein, med sin høye og kommanderende skikkelse, som gikk rolig, med et mildt ironisk smil, og Bohr som travet sammen ved siden av ham, full av spenning ... morgen etter så Bohrs triumf.

Bohrs triumf

"Bohrs triumf" besto i at han nok en gang demonstrerte at Einsteins subtile argument ikke var avgjørende, men enda mer på den måten at han kom til denne konklusjonen ved å appellere nettopp til en av Einsteins store ideer: prinsippet om ekvivalens mellom gravitasjonsmasse og treghetsmasse, sammen med tidsutvidelsen av spesiell relativitet, og en konsekvens av disse - gravitasjonsrødskiftet . Bohr viste at for at Einsteins eksperiment skulle fungere, måtte boksen henges på en fjær midt i et gravitasjonsfelt. For å få en måling av boksens vekt, må det festes en peker til boksen som samsvarer med indeksen på en skala. Etter frigjøring av et foton, kunne en masse legges til boksen for å gjenopprette den til sin opprinnelige posisjon, og dette ville tillate oss å bestemme energien som gikk tapt da fotonen gikk. Boksen er nedsenket i et gravitasjonsfelt av styrke , og gravitasjonsrødskiftet påvirker klokkens hastighet, noe som gir usikkerhet i tiden som kreves for at pekeren skal gå tilbake til sin opprinnelige posisjon. Bohr ga følgende beregning som etablerte usikkerhetsforholdet . ${\ displaystyle m}$${\ displaystyle E = mc^{2}}$${\ displaystyle g}$${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t \ geq h}$

La usikkerheten i massen betegnes med . La feilen i posisjonen til pekeren være . Å legge belastningen til esken gir et momentum som vi kan måle med en nøyaktighet , der ≈ . Klart , og derfor . Ved den redshift formel (som følger av prinsippet av ekvivalens og Tidsdilatasjon), usikkerheten i den tid er , og , og så . Vi har derfor bevist påstanden . ${\ displaystyle m}$${\ displaystyle \ Delta m}$${\ displaystyle \ Delta q}$${\ displaystyle m}$${\ displaystyle p}$${\ displaystyle \ Delta p}$${\ displaystyle \ Delta p \ Delta q}$${\ displaystyle h}$${\ displaystyle \ Delta p \ leq tg \ Delta m}$${\ displaystyle tg \ Delta m \ Delta q \ geq h}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle \ Delta t = c^{-2} gt \ Delta q}$${\ displaystyle \ Delta E = c^{2} \ Delta m}$${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t = c^{2} \ Delta m \ Delta t \ geq h}$${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t \ geq h}$

Etterrevolusjon: Andre etappe

Den andre fasen av Einsteins "debatt" med Bohr og den ortodokse tolkningen er preget av en aksept av det faktum at det praktisk talt er umulig å samtidig bestemme verdiene til visse inkompatible størrelser, men avvisningen om at dette innebærer at disse mengder har faktisk ikke presise verdier. Einstein avviser den sannsynlige tolkningen av Born og insisterer på at kvantesannsynligheter er epistemiske og ikke ontologiske . Som en konsekvens må teorien være ufullstendig på en eller annen måte. Han anerkjenner teoriens store verdi, men antyder at den "ikke forteller hele historien", og mens den gir en passende beskrivelse på et bestemt nivå, gir den ingen informasjon om det mer grunnleggende underliggende nivået:

Jeg har størst omtanke for målene som forfølges av fysikerne i den siste generasjonen som går under navnet kvantemekanikk, og jeg tror at denne teorien representerer et dypt sannhetsnivå, men jeg tror også at begrensningen til lovene i en statistisk karakter vil vise seg å være forbigående .... Uten tvil har kvantemekanikken forstått et viktig fragment av sannheten og vil være en paragon for alle fremtidige grunnleggende teorier, for det må kunne utledes som en begrensende sak fra slike grunnlag, akkurat som elektrostatikk kan utledes av Maxwells ligninger for det elektromagnetiske feltet eller som termodynamikk kan utledes av statistisk mekanikk.

Disse tankene til Einstein ville sette i gang en undersøkelse av skjulte variable teorier , for eksempel Bohm -tolkningen , i et forsøk på å fullføre bygningen til kvanteteorien. Hvis kvantemekanikk kan gjøres komplett i Einsteins forstand, kan det ikke gjøres lokalt ; dette faktum ble demonstrert av John Stewart Bell med formuleringen av Bells ulikhet i 1964. Selv om Bell -ulikheten utelukket lokale skjulte variabelteorier, ble Bohms teori ikke utelukket. Et eksperiment fra 2007 utelukket en stor klasse av ikke-bohmske ikke-lokale skjulte variabelteorier, men ikke selve bohmsk mekanikk.

Etterrevolusjon: Tredje trinn

Argumentet til EPR

Tittel deler av historiske artikler om EPR.

I 1935 utviklet Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen et argument, publisert i magasinet Physical Review med tittelen Can Quantum-Mechanical Description of Physical Reality Be anses Complete? , basert på en sammenfiltret tilstand av to systemer. Før vi kommer til dette argumentet, er det nødvendig å formulere en annen hypotese som kommer ut av Einsteins arbeid i relativitet: prinsippet om lokalitet . Elementene i den fysiske virkeligheten som er objektivt besatt, kan ikke umiddelbart påvirkes på avstand.

David Bohm tok opp EPR -argumentet i 1951. I læreboken Quantum Theory omformulerte han det i form av en sammenfiltret tilstand av to partikler , som kan oppsummeres som følger:

1) Tenk på et system med to fotoner som på tidspunktet t er lokalisert i henholdsvis de geografisk fjerne områdene A og B og som også er i sammenfiltret polariseringstilstand beskrevet nedenfor: ${\ displaystyle \ left | \ Psi \ right \ rangle}$

${\ displaystyle \ left | \ Psi, t \ right \ rangle = {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} \ left | 1, V \ right \ rangle \ left | 2, V \ right \ rangle + {\ frac {1} {\ sqrt {2}}} \ venstre | 1, H \ høyre \ rangle \ venstre | 2, H \ høyre \ rangle.}$

2) På tid t blir fotonet i område A testet for vertikal polarisering. Anta at resultatet av målingen er at fotonet passerer gjennom filteret. I henhold til reduksjonen av bølgepakken er resultatet at systemet til tider t + dt blir

${\ displaystyle \ left | \ Psi, t+dt \ right \ rangle = \ left | 1, V \ right \ rangle \ left | 2, V \ right \ rangle.}$

3) På dette tidspunktet kan observatøren i A som utførte den første målingen på foton 1 , uten å gjøre noe annet som kan forstyrre systemet eller det andre fotonet ("antagelse (R)", nedenfor), med sikkerhet forutsi at foton 2 vil bestå en test av vertikal polarisering. Det følger at foton 2 besitter et element av fysisk virkelighet: det å ha en vertikal polarisering.

4) I følge antagelsen om lokalitet kan det ikke ha vært handlingen utført i A som skapte dette virkelighetselementet for foton 2 . Derfor må vi konkludere med at fotonet hadde egenskapen til å kunne passere den vertikale polarisasjonstesten før og uavhengig av målingen av foton 1 .

5) På tidspunktet t kunne observatøren i A ha bestemt seg for å utføre en polarisasjonstest ved 45 °, for å oppnå et visst resultat, for eksempel at fotonet består testen. I så fall kunne han ha konkludert med at foton 2 viste seg å være polarisert ved 45 °. Alternativt, hvis fotonet ikke besto testen, kunne han ha konkludert med at foton 2 viste seg å være polarisert ved 135 °. Ved å kombinere et av disse alternativene med konklusjonen i 4, ser det ut til at foton 2 , før målingen fant sted, både hadde egenskapen til å kunne bestå en test av vertikal polarisering og egenskapen å kunne passere med sikkerhet en polarisasjonstest ved enten 45 ° eller 135 °. Disse egenskapene er uforenlige i henhold til formalismen.

6) Siden naturlige og åpenbare krav har tvunget til den konklusjon at foton 2 samtidig har inkompatible egenskaper, betyr dette at selv om det ikke er mulig å bestemme disse egenskapene samtidig og med vilkårlig presisjon, er de likevel objektivt besatt av systemet. Men kvantemekanikken nekter denne muligheten, og det er derfor en ufullstendig teori.

Bohrs svar

Bohrs svar på dette argumentet ble publisert, fem måneder senere enn den opprinnelige publikasjonen av EPR, i samme magasin Physical Review og med nøyaktig samme tittel som originalen. Det avgjørende punktet i Bohrs svar er destillert i en passasje som han senere hadde publisert på nytt i Paul Arthur Schilpps bok Albert Einstein, forsker-filosof til ære for Einsteins syttiårsdag. Bohr angriper antagelse (R) av EPR ved å si:

Uttalelsen om det aktuelle kriteriet er tvetydig med hensyn til uttrykket "uten å forstyrre systemet på noen måte". Naturligvis kan i dette tilfellet ingen mekanisk forstyrrelse av systemet som undersøkes finne sted i det avgjørende stadiet av måleprosessen. Men selv på dette stadiet oppstår det essensielle problemet med innflytelse på de presise forholdene som definerer de mulige typer forutsigelser som angår systemets påfølgende oppførsel ... deres argumenter begrunner ikke deres konklusjon om at kvantebeskrivelsen viser seg å være i hovedsak ufullstendig ... Denne beskrivelsen kan karakteriseres som en rasjonell bruk av mulighetene for en entydig tolkning av måleprosessen som er forenlig med det endelige og ukontrollerbare samspillet mellom objektet og måleinstrumentet i sammenheng med kvanteteorien .

Bekreftende eksperimenter

Chien-Shiung Wu

År etter utstillingen av Einstein via hans EPR -eksperiment, begynte mange fysikere å utføre eksperimenter for å vise at Einsteins syn på en skummel handling på avstand faktisk er i samsvar med fysikkens lover. Det første eksperimentet som definitivt beviste at dette var tilfellet var i 1949, da fysikere Chien-Shiung Wu og hennes kollega Irving Shaknov viste frem denne teorien i sanntid ved hjelp av fotoner. Arbeidet deres ble utgitt på nyåret i det påfølgende tiåret.

Senere i 1975, Alain Aspect foreslo i en artikkel av et eksperiment grundig nok til å være ugjendrivelige: Forslag til eksperiment for å teste ikke-separability av kvantemekanikken ,. Dette førte til at Aspect sammen med fysikerne Philippe Grangier, Gérard Roger og Jean Dalibard ) satte opp flere og mer komplekse eksperimenter mellom 1980 og 1982 som ytterligere etablerte kvanteforvikling. Til slutt i 1998 testet Genève -eksperimentet korrelasjonen mellom to detektorer satt 30 kilometer fra hverandre, praktisk talt over hele byen, ved hjelp av det sveitsiske optiske fibertelekommunikasjonsnettet. Avstanden ga nødvendig tid til å pendle vinklene til polarisatorene. Det var derfor mulig å ha en helt tilfeldig elektrisk rangering. Videre var de to fjerne polarisatorene helt uavhengige. Målingene ble registrert på hver side, og sammenlignet etter hvert eksperiment ved å datere hver måling ved hjelp av en atomur. Eksperimentet bekreftet nok en gang sammenfiltring under de strengeste og mest ideelle forhold som er mulig. Hvis Aspects eksperiment antydet at et hypotetisk koordinasjonssignal reiser dobbelt så raskt som c , nådde Genèves 10 millioner ganger c .

Etterrevolusjon: Fjerde etappe

I sitt siste forfatterskap om emnet forfinet Einstein sin posisjon ytterligere, og gjorde det helt klart at det som virkelig forstyrret ham om kvanteteorien var problemet med total avståelse av alle minimale standarder for realisme, selv på mikroskopisk nivå, at aksept av teoriens fullstendighet. Selv om flertallet av ekspertene på området er enige om at Einstein tok feil, er den nåværende forståelsen fortsatt ikke fullstendig (se Tolkning av kvantemekanikk ).

Se også

Referanser

Videre lesning

• Boniolo, G., (1997) Filosofia della Fisica , Mondadori, Milano.
• Bolles, Edmund Blair (2004) Einstein Defiant , Joseph Henry Press, Washington, DC
• Born, M. (1973) The Born Einstein Letters , Walker and Company, New York, 1971.
• Ghirardi, Giancarlo, (1997) Un'Occhiata alle Carte di Dio , Il Saggiatore, Milano.
• Pais, A., (1986) Subtile is the Lord ... The Science and Life of Albert Einstein , Oxford University Press, Oxford, 1982.
• Shilpp, PA, (1958) Albert Einstein: Philosopher-Scientist , Northwestern University og Southern Illinois University, Open Court, 1951.