Bohr – Einsteinin keskustelut - Bohr–Einstein debates

Niels Bohr jossa Albert Einstein at Paul Ehrenfest 's kotiin Leiden (joulukuu 1925)

Bohr-Einsteinin keskustelut olivat useita julkisia kiistat kvanttimekaniikan välillä Albert Einstein ja Niels Bohr . Heidän keskustelunsa muistetaan, koska ne ovat tärkeitä tiedefilosofialle , koska erimielisyydet ja Bohrin kvanttimekaniikan version tulos, josta tuli vallitseva näkemys, muodostavat nykyajan fysiikan ymmärryksen juuren. Suurin osa Bohrin versiosta Solvayssä vuonna 1927 ja muualla järjestetyistä tapahtumista kirjoitti Bohr ensimmäisen kerran vuosikymmeniä myöhemmin artikkelissa "Keskustelut Einsteinin kanssa epistemologisista ongelmista atomifysiikassa". Artikkelin perusteella keskustelun filosofinen kysymys oli, oliko Bohrin Kööpenhaminan tulkinta kvanttimekaniikasta, joka keskittyi hänen uskomukseensa täydentävyydestä , pätevä selittämään luontoa. Huolimatta eriävistä mielipiteistä ja menestyksekkäistä löydöistä, jotka auttoivat vahvistamaan kvanttimekaniikkaa, Bohr ja Einstein ylläpitivät keskinäistä ihailua, joka kesti loppuelämänsä.

Keskustelut ovat yksi korkeimmista tieteellisen tutkimuksen kohdista 1900-luvun ensimmäisellä puoliskolla, koska ne kiinnittivät huomiota kvanttiteorian elementtiin, kvanttiseen ei-paikallisuuteen , joka on keskeinen nykyajan ymmärryksemme fyysisestä maailmasta. Ammatillisten fyysikoiden yksimielisyys on ollut, että Bohr osoittautui voittajaksi puolustaessaan kvanttiteoriaa ja vahvisti lopullisesti kvanttimittauksen todennäköisyyden.

Vallankumoukselliset keskustelut

Einstein oli ensimmäinen fyysikko, joka sanoi, että Planckin löytämä kvantti ( h ) vaatisi fysiikan lakien uudelleenkirjoituksen . Väitteensä tueksi hän ehdotti vuonna 1905, että valo toimii joskus hiukkasena, jota hän kutsui valokvantiksi (ks. Fotoni ja aalto -hiukkasdualiteetti ). Bohr oli yksi äänekkäimmistä fotoni -idean vastustajista eikä omaksunut sitä avoimesti vasta vuonna 1925. Fotoni vetosi Einsteiniin, koska hän näki sen fyysisenä todellisuutena (vaikkakin hämmentävänä) Planckin matemaattisesti vuonna 1900 esittämien lukujen takana. Bohr ei pitänyt siitä, koska se teki matemaattisen ratkaisun valinnan mielivaltaiseksi. Bohr ei pitänyt siitä, että tutkija joutui valitsemaan yhtälöiden välillä. Tämä oli ehkä ensimmäinen todellinen Bohr-Einstein-keskustelu. Einstein oli ehdottanut fotonia vuonna 1905, ja Compton osoitti fotonin olemassaolon kokeellisesti vuonna 1922, mutta Bohr kieltäytyi uskomasta, että fotoni olisi olemassa jo silloin. Bohr taisteli valon kvantin (fotonin) olemassaoloa vastaan ​​kirjoittamalla BKS -teorian vuonna 1924. Einstein oli kuitenkin oikeassa ja Bohr osoittautui vääräksi valokvanttien suhteen.

Vaikka Bohr ja Einstein olivat eri mieltä, he olivat suuria ystäviä koko elämänsä ja nauttivat toistensa käyttämisestä kalvona.

Vuosi 1913 toi vetyatomin Bohr-mallin , joka käytti kvanttia atomispektrin selittämiseen, vaikka Bohr ei tuolloin pitänyt atomia aaltomaisena vaan aurinkokunnan kaltaisena, joten hänen käyttämänsä yhtälöt olivat planeettojen kaltaisten hiukkasten kiertoratoille, mutta Planckin vakio oli keksitty mustien kappaleiden valosäteilylle. Einstein oli aluksi skeptinen h: n käyttämisestä aurinkokuntatyyliseen atomiin, mutta muutti nopeasti mieltään ja myönsi ajattelutapansa muutoksen. Vuosina 1913–1919 Einstein opiskeli ja tarkisti Arnold Sommerfeldin Bohr -atomin laajennusta sisältämään Stark- ja Zeeman -vaikutuksen . Einsteinin tänä aikana luomat kertoimet ovat edelleen hänen nimensä ja edelleen käytössä.

Kvanttivallankumous

1920-luvun puolivälin kvanttivallankumous tapahtui sekä Einsteinin että Bohrin johdolla, ja heidän vallankumoukselliset keskustelunsa koskivat muutoksen ymmärtämistä. Einsteinin järkytykset alkoivat vuonna 1925, kun Werner Heisenberg esitteli matriisiyhtälöt, jotka poistivat Newtonin tilan ja ajan elementit mistä tahansa taustalla olevasta todellisuudesta. Kuitenkin, kun Erwin Schrödinger lähetti esipainon uudesta yhtälöstään Einsteinille, Einstein kirjoitti takaisin pitäen yhtälöä ratkaisevana "todellisen nerouden" edistysaskeleena. Mutta seuraava shokki tuli vuonna 1926, kun Max Born ehdotti, että mekaniikka olisi ymmärrettävä todennäköisyytenä ilman syy -seurausselitystä.

Sekä Einstein että Erwin Schrödinger hylkäsivät tämän tulkinnan luopumalla syy -yhteydestä, joka oli ollut kvanttimekaniikkaa edeltävä tieteen keskeinen piirre ja joka oli edelleen yleisen suhteellisuusteorian ominaisuus . Einstein kirjoitti Max Bornille vuonna 1926 lähettämässään kirjeessä : "Kvanttimekaniikka on varmasti vaikuttavaa. Mutta sisäinen ääni kertoo minulle, että se ei ole vielä todellinen asia. Teoria kertoo paljon, mutta ei todellakaan vie meitä lähemmäksi salaisuutta "vanhasta". Olen joka tapauksessa vakuuttunut siitä, että Hän [Jumala] ei pelaa noppaa. " Aluksi jopa Heisenberg kävi kiivaita kiistoja Bohrin kanssa siitä, että hänen matriisimekaniikkansa ei ollut yhteensopiva Schrödingerin yhtälön kanssa. Ja Bohr vastusti aluksi epävarmuuden periaatetta. Mutta lokakuussa 1927 pidetyssä viidennessä Solvay -konferenssissa Heisenberg ja Born päättivät, että vallankumous oli ohi eikä mitään muuta tarvittu. Viimeisessä vaiheessa Einsteinin skeptisyys muuttui kauhistuneeksi. Hän uskoi, että paljon oli saavutettu, mutta mekaniikan syyt oli vielä ymmärrettävä.

Einsteinin kieltäytyminen hyväksymästä vallankumous täydelliseksi heijasti hänen halukkuuttaan kehittää malli taustalla olevista syistä, joista nämä näennäiset satunnaiset tilastolliset menetelmät johtivat. Hän ei hylännyt ajatusta siitä, että paikkoja avaruusajassa ei voisi koskaan täysin tietää, mutta hän ei halunnut sallia, että epävarmuusperiaate edellyttää näennäisesti satunnaista, ei-determinististä mekanismia, jolla fysiikan lait toimivat. Einstein itse oli tilastollinen ajattelija, mutta oli eri mieltä siitä, että sitä ei enää tarvinnut löytää ja selventää. Einstein työskenteli loppuelämänsä löytääkseen uuden teorian, joka ymmärtäisi kvanttimekaniikan ja palauttaisi syy -yhteyden tieteelle, jota monet nyt kutsuvat, kaiken teoriaksi. Sillä välin Bohr ei ollut järkyttynyt yhdestäkään Einsteinia huolestuttavasta tekijästä. Hän rauhoittui ristiriitojen kanssa ehdottamalla täydentävyyden periaatetta, joka korosti tarkkailijan roolia havaitun suhteen.

Vallankumouksen jälkeinen: Ensimmäinen vaihe

Kuten edellä mainittiin, Einsteinin asema muuttui merkittävästi vuosien varrella. Ensimmäisessä vaiheessa Einstein kieltäytyi hyväksymästä kvantti -määrittämättömyyttä ja pyrki osoittamaan, että määrittelemättömyyden periaatetta voitaisiin rikkoa, ja ehdotti nerokkaita ajatuskokeita, joiden pitäisi mahdollistaa yhteensopimattomien muuttujien, kuten sijainnin ja nopeuden, tarkka määrittäminen tai paljastaa nimenomaisesti samanaikaisesti aalto ja saman prosessin hiukkasnäkökohdat. (Näiden ajatuskokeiden pääasiallinen lähde ja sisältö on yksinomaan Bohrin kertomuksesta kaksikymmentä vuotta myöhemmin.) Bohr myöntää: ”Mitä tulee keskusteluihin, olen tietysti tietoinen siitä, että luotan vain omaan muistiini, aivan kuten minäkin valmistautunut siihen mahdollisuuteen, että monet kvanttiteorian kehityksen piirteistä, joissa Einsteinilla on ollut niin suuri osa, voivat näyttää itselleen eri valossa. ”

Einsteinin argumentti

Ensimmäinen vakava hyökkäys Einstein on "oikeaoppinen" käsitys tapahtui viidennen Solvay kansainvälisessä päälle Elektronit ja fotonit vuonna 1927. Einstein korosti, miten on mahdollista hyödyntää (yleisesti hyväksyttyä) lakien säästö ja impulssi ( vauhti ) saadakseen tietoa hiukkasen tilasta häiriöprosessissa , jonka epävarmuuden tai täydentävyyden periaatteen mukaan ei pitäisi olla saatavilla.

Kuva A. Yksivärinen säde (sellainen, jossa kaikilla hiukkasilla on sama impulssi) kohtaa ensimmäisen seulan, hajautuu ja hajaantunut aalto kohtaa toisen näytön, jossa on kaksi rakoa, jolloin taustalla F muodostuu häiriökuva  . Kuten aina, oletetaan, että vain yksi hiukkanen kerrallaan kykenee läpäisemään koko mekanismin. Einsteinin mukaan sihdin S ₁ takaisinkytkennän mittauksesta voidaan päätellä, mistä raosta hiukkanen on kulkenut tuhoamatta prosessin aalto -osia.

Kuva B.Einsteinin rako.

Hänen argumenttiensa seuraamiseksi ja Bohrin vastauksen arvioimiseksi on kätevää viitata kuviossa A. esitettyyn koelaitteeseen. X -akseliin nähden kohtisuora valonsäde etenee suuntaan z ja kohtaa kuvaruudun S _1, jossa on kapea ( suhteessa säteen aallonpituuteen) rako. Sen jälkeen kun se on kulkenut raon, aalto toiminto taivuttaa kulma-aukko, joka aiheuttaa sen kohdata toisen ruudun S ₂ , jossa on kaksi rakoa. Peräkkäisten eteneminen aallon seurauksena muodostuu häiriön kuvion lopullisen näytön  F .

Kulkiessa läpi kaksi rakoa toisen näytön S ₂ , aalto näkökohdat prosessin tullut välttämättömäksi. Itse asiassa juuri häiriö kvanttien superposition kahden ehdon välillä, jotka vastaavat tiloja, joissa hiukkanen on lokalisoitu johonkin kahdesta raosta, merkitsee sitä, että hiukkanen "ohjataan" mieluiten rakentavan häiriön vyöhykkeille eikä se voi päättyä ylöspäin kohdassa tuhoisien häiriöiden vyöhykkeillä (joissa aaltofunktio mitätöidään). On myös tärkeää huomata, että kaikki kokeet, joiden tarkoituksena on todistaa prosessin " kehon " näkökohdat näytön S ₂ kulkiessa (mikä tässä tapauksessa vähentää sen määrittämiseen, minkä raon partikkeli on kulkenut) tuhoaa väistämättä aallonäkökohdat merkitsevät häiriöhahmon katoamista ja kahden keskittyneen diffraktiokohdan syntymistä, jotka vahvistavat tietämyksemme hiukkasen jälkeisestä liikeradasta.

Tässä vaiheessa Einstein ottaa käyttöön myös ensimmäisen seulan ja väittää seuraavaa: koska tulevien hiukkasten nopeudet (käytännössä) ovat kohtisuorassa näyttöön S _{1 nähden} ja koska vain vuorovaikutus tämän näytön kanssa voi aiheuttaa taipuman alkuperäinen etenemissuunta, impulssin säilymisen lailla, joka merkitsee sitä, että kahden vuorovaikutuksessa olevan järjestelmän impulssien summa säilyy. Realistisissa olosuhteissa näytön massa on niin suuri, että se pysyy paikallaan, mutta periaatteessa on mahdollista mitata jopa äärettömän pieni takaisku. Jos kuvittelemme mittaavan näytön impulssin suuntaan X jokaisen yksittäisen hiukkasen ohituksen jälkeen, voimme tietää siitä, että seula löytyy taaksepäin ylhäältä (alhaalta), onko kyseessä oleva hiukkanen on ohi kohti pohja- tai, ja siksi jonka läpi raon S ₂ hiukkasen on kulunut. Mutta koska määrittämiseksi suuntaan rekyylin jälkeen näytölle hiukkasen on kulunut ei voi vaikuttaa peräkkäisten kehitykseen prosessin, meillä on vielä häiriön kuva näytöllä  F . Häiriö tapahtuu juuri siksi, että järjestelmän tila on kahden tilan superpositio , joiden aaltofunktiot ovat nollasta poikkeavia vain toisen raon lähellä. Toisaalta, jos jokainen hiukkanen kulkee vain raon b tai raon c läpi , järjestelmäjoukko on näiden kahden tilan tilastollinen seos, mikä tarkoittaa, että häiriöt eivät ole mahdollisia. Jos Einstein on oikeassa, epävarmuuden periaatetta rikotaan.

Tämä ajatuskoe aloitettiin yksinkertaisemmassa muodossa vuoden 1927 Solvay -konferenssin varsinaisen käsittelyn yleiskeskustelun aikana. Näissä virallisissa menettelyissä Bohrin vastaus kirjataan seuraavasti: ”Tunnen olevani erittäin vaikeassa tilanteessa, koska en ymmärrä tarkasti Einsteinin tarkoitusta. Einstein oli selittänyt, "voi tapahtua, että sama perusprosessi tuottaa toiminnon kahdessa tai useammassa paikassa näytöllä." Tästä on selvää, että Einstein viittasi erotettavuuteen, ei määrittelemättömyyteen. Itse asiassa Paul Ehrenfest kirjoitti Bohrille kirjeen, jossa todettiin, että Einsteinin vuoden 1927 ajatuskokeilla ei ollut mitään tekemistä epävarmuussuhteiden kanssa, koska Einstein oli jo hyväksynyt nämä "eikä pitkään aikaan koskaan epäillyt".

Bohrin vastaus

Bohrin vastaus oli havainnollistaa Einsteinin ajatusta selkeämmin käyttämällä kuvan C kaaviota (kuva C esittää kiinteää ruuvia S _1, joka on ruuvattu alas. Yritä sitten kuvitella sellaista, joka voi liukua ylös tai alas sauvaa pitkin kiinteän pultin sijasta. ) Bohr huomauttaa, että erittäin tarkka tieto kaikista (mahdollisista) näytön pystysuorista liikkeistä on olennainen edellytys Einsteinin väitteelle. Itse asiassa, jos sen nopeutta suunnassa X ennen hiukkasen kulkua ei tiedetä tarkkuudella, joka on huomattavasti suurempi kuin takaisinkytkennän aiheuttama (eli jos se liikkuisi jo pystysuunnassa tuntemattomalla ja suuremmalla nopeudella kuin se johtuu kosketuksesta hiukkasen kanssa), niin sen liikkeen määrittäminen hiukkasen kulun jälkeen ei antaisi etsimäämme tietoa. Kuitenkin, Bohrin jatkuu, erittäin tarkka nopeuden määrittäminen näytön, kun periaatetta sovelletaan epämääräisyyden, merkitsee väistämättä epätarkkuutta sen asento suunnassa  X . Ennen kuin prosessi edes alkaa, valkokankaalla olisi siten ainakin jossain määrin määrittelemätön asema (määritelty muodollisuudella). Ajatellaanpa nyt esimerkiksi kuvan A kohtaa d , jossa häiriö on tuhoisaa. Mikä tahansa ensimmäisen näytön siirtymä tekisi kahden polun, a – b – d ja a – c – d , pituuden erilaiseksi kuin kuvassa. Jos kahden polun välinen ero vaihtelee puolet aallonpituudesta, pisteessä d esiintyy rakentavaa eikä tuhoavaa häiriötä. Ihanteellisen kokeen on keskityttävä kaikkiin näytön S ₁ mahdollisiin asentoihin , ja jokaiselle sijainnille vastaa tiettyä kiinteää pistettä F erityyppinen häiriö täydellisestä tuhoavasta täydellisesti rakentavaan. Tämän keskiarvon laskemisen vaikutuksena on, että häiriökuvio näytöllä F on tasaisesti harmaa. Jälleen kerran yrityksemme todistaa S _2: n korpuskulaariset näkökohdat on tuhonnut mahdollisuuden häiritä F: tä , mikä riippuu ratkaisevasti aallonäkökohdista.

Kuva C. Einsteinin ehdotuksen toteuttamiseksi on tarpeen korvata kuvan A (S ₁ ) ensimmäinen näyttö kalvolla, joka voi liikkua pystysuunnassa, kuten Bohrin ehdotus.

Kuten Bohr tunnusti, tämän ilmiön ymmärtämiseksi "on ratkaisevaa, että toisin kuin todelliset mittauslaitteet, nämä kappaleet yhdessä hiukkasten kanssa muodostavat tarkasteltavana olevassa tapauksessa järjestelmän, johon kvanttimekaanista muodollisuutta on sovellettava. Mitä tulee olosuhteiden tarkkuuteen, joissa formalismia voidaan soveltaa oikein, on välttämätöntä sisällyttää koko kokeellinen laite. Itse asiassa minkä tahansa uuden laitteen, kuten peilin, tuominen hiukkasen polulle voi johtaa häiriöiden uudet vaikutukset, jotka vaikuttavat olennaisesti ennusteisiin tuloksista, jotka rekisteröidään lopussa. " Lisäksi Bohr yrittää ratkaista tämän epäselvyyden siitä, mitä järjestelmän osia tulisi pitää makroskooppisina ja mitä ei:

Erityisesti on oltava hyvin selvää, että - - avaruudellisten aikakäsitteiden yksiselitteinen käyttö atomien ilmiöiden kuvauksessa on rajoitettava sellaisten havaintojen rekisteröintiin, jotka viittaavat valokuvalinsseihin tai vastaaviin käytännöllisesti katsoen peruuttamattomiin vaikutuksiin, kuten vesipisaran muodostuminen ionin ympärille pimeässä huoneessa.

Bohrin väite siitä, että Einsteinin ehdottamaa laitetta ei voida käyttää epävarmuuden periaatteen rikkomiseen, riippuu ratkaisevasti siitä, että makroskooppinen järjestelmä (näyttö S ₁ ) noudattaa kvanttilakeja. Toisaalta Bohr katsoi johdonmukaisesti, että todellisuuden mikroskooppisten näkökohtien havainnollistamiseksi on tarpeen käynnistää monistusprosessi, johon kuuluu makroskooppisia laitteita, joiden perusominaisuus on klassisten lakien noudattaminen ja joita voidaan kuvata klassisella tavalla. Tämä epäselvyys tulee myöhemmin takaisin muodossa, jota edelleen kutsutaan mittaamisongelmaksi .

Epävarmuuden periaate sovellettiin aikaan ja energiaan

Kuva D. Aalto, joka on laajennettu pitkittäin, kulkee raon läpi, joka pysyy auki vain lyhyen ajan. Raon takana on etenemissuunnassa alueellisesti rajoitettu aalto.

Monissa oppikirjaesimerkeissä ja kvanttimekaniikkaa koskevissa suosituissa keskusteluissa määrittelemättömyyden periaate selitetään viittaamalla muuttujien sijaintiin ja nopeuteen (tai vauhtiin). On tärkeää huomata, että fyysisten prosessien aalto luonne edellyttää, että on oltava olemassa toinen epävarmuussuhde: ajan ja energian välinen suhde. Tämän suhteen ymmärtämiseksi on kätevää viitata kuviossa D havainnollistettuun kokeeseen, joka johtaa aallon etenemiseen, jonka laajuus on rajallinen. Oletetaan, että kuten kuviossa on esitetty, äärimmäisen pitkittäin pitkittynyt säde etenee kohti seulaa, jossa on rako, jossa on suljin, joka pysyy auki vain hyvin lyhyen ajan . Raon jälkeen tulee rajoitetun tilalaajenemisen aalto, joka etenee edelleen oikealle. ${\ displaystyle \ Delta t}$

Täysin yksivärinen aalto (kuten nuotti, jota ei voida jakaa harmonisiin) on äärettömän tilallinen. Saadakseen aallon, jonka tilalaajeneminen on rajallinen (jota kutsutaan teknisesti aaltopaketiksi ), useiden eri taajuuksien aaltojen on oltava päällekkäin ja jaettava jatkuvasti tietyn taajuusalueen sisällä keskimääräisen arvon ympärillä, kuten . Sitten tapahtuu, että tiettynä hetkenä on olemassa tila -alue (joka liikkuu ajan myötä), jossa superposition eri kenttien panokset kasvavat rakentavasti. Kuitenkin tarkan matemaattisen lauseen mukaan, kun siirrymme kauas tältä alueelta, eri kenttien vaiheet missä tahansa määritellyssä kohdassa jakautuvat kausaalisesti ja tuhoisaa häiriötä syntyy. Alue, jolla aallolla on nollasta poikkeava amplitudi, on siten alueellisesti rajoitettu. On helppo osoittaa, että jos aallon avaruuslaajennus on yhtä suuri (mikä tarkoittaa esimerkissämme, että suljin on pysynyt auki jonkin aikaa, jolloin v on aallon nopeus), aalto sisältää (tai on eri monokromaattisten aaltojen superpositio, joiden taajuudet kattavat aikavälin, joka täyttää suhteen: ${\ displaystyle \ nu _ {0}}$${\ displaystyle \ Delta x}$${\ displaystyle \ Delta t = \ Delta x/v}$${\ displaystyle \ Delta \ nu}$

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

Muista, että Planckin yleismaailmallisessa suhteessa taajuus ja energia ovat verrannollisia:

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

tästä seuraa välittömästi edellisestä eriarvoisuudesta, että aaltoon liittyvän hiukkasen pitäisi saada energiaa, joka ei ole täysin määritelty (koska eri taajuudet ovat osallisina päällekkäin), ja näin ollen energiassa on epämääräisyyttä:

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

Tästä seuraa heti, että:

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

joka on määrittelemättömyyden suhde ajan ja energian välillä.

Einsteinin toinen kritiikki

Boinsin suunnittelema Einsteinin ajatuskokemus vuonna 1930. Einsteinin laatikon oli tarkoitus osoittaa ajan ja energian välisen määrittämättömyyssuhteen rikkominen.

Solvayn kuudennessa kongressissa vuonna 1930 juuri keskusteltu epämääräisyyssuhde oli Einsteinin kritiikkikohde. Hänen ajatuksensa mukaan on olemassa kokeellinen laite, jonka Bohr myöhemmin suunnitteli siten, että se korostaa olennaisia ​​elementtejä ja keskeisiä kohtia, joita hän käyttäisi vastauksessaan.

Einstein harkitsee laatikkoa (nimeltään Einsteinin laatikko ; katso kuva), joka sisältää sähkömagneettista säteilyä ja kelloa, joka ohjaa ikkunaluukun avaamista, joka peittää laatikon toiseen seinään tehdyn reiän. Suljin paljastaa reiän ajaksi, joka voidaan valita mielivaltaisesti. Avaamisen aikana oletamme, että fotoni pakkauslaatikon sisällä olevista henkilöistä karkaa reiän läpi. Tällä tavalla on luotu rajoitetun tilalaajenemisen aalto edellä annetun selityksen mukaisesti. Ajan ja energian välisen epävarmuussuhteen kyseenalaistamiseksi on löydettävä tapa määrittää riittävän tarkasti fotonin mukanaan tuoma energia. Tässä vaiheessa, Einstein kääntyy ylistetyn suhde massan ja energian suhteellisuusteorian: . Tästä seuraa, että tieto esineen massasta antaa tarkan osoitteen sen energiasta. Väite on siksi hyvin yksinkertainen: jos punnitset laatikon ennen ja jälkeen ikkunaluukun avaamisen ja jos tietty määrä energiaa on poistunut laatikosta, laatikko on kevyempi. Massan vaihtelu kerrottuna antaa tarkan tiedon päästetystä energiasta. Lisäksi kello näyttää tarkan ajan, jolloin hiukkaspäästö tapahtui. Koska periaatteessa laatikon massa voidaan määrittää mielivaltaisesti, päästettävä energia voidaan määrittää niin tarkasti kuin halutaan. Siksi tuote voidaan tehdä vähemmän kuin mitä määrittelemättömyysperiaate edellyttää. ${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle E = mc^{2}}$${\ displaystyle c^{2}}$${\ displaystyle \ Delta E}$${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t}$

George Gamov n teeskentely koelaitteisto validoida ajatuskokeen on Niels Bohr instituutin vuonna Kööpenhaminassa .

Ajatus on erityisen akuutti ja väite näytti hyökkäämättömältä. On tärkeää ottaa huomioon kaikkien näiden vaihtojen vaikutus tuolloin mukana oleviin ihmisiin. Kongressiin osallistunut tiedemies Leon Rosenfeld kuvasi tapahtumaa useita vuosia myöhemmin:

Se oli todellinen järkytys Bohrille ... joka aluksi ei kyennyt keksimään ratkaisua. Koko illan hän oli erittäin levoton ja jatkoi siirtymistään tiedemiehen toiselta, yrittäen saada heidät vakuuttuneiksi siitä, että näin ei voi olla, että se olisi ollut fysiikan loppu, jos Einstein olisi oikeassa; mutta hän ei keksinyt mitään keinoa ratkaista paradoksi. En koskaan unohda kuvaa kahdesta vastustajasta heidän lähtiessään klubista: Einstein, hänen pitkä ja hallitseva hahmonsa, joka käveli rauhallisesti, lievästi ironisella hymyllä, ja Bohr, joka juoksi hänen vieressään täynnä jännitystä ... aamulla näki Bohrin voiton.

Bohrin voitto

"Bohrin riemuvoitto" koostui siitä, että hän osoitti jälleen kerran, että Einsteinin hienovarainen väite ei ollut ratkaiseva, vaan vielä enemmän sillä tavalla, että hän päätyi tähän johtopäätökseen vetoamalla tarkasti yhteen Einsteinin suurista ajatuksista: gravitaatiomassan ja hitausmassan välinen vastaavuus yhdessä erikoissuhteellisuuden aikadilataation kanssa ja niiden seuraus - painovoiman punasiirtymä . Bohr osoitti, että jotta Einsteinin koe toimisi, laatikko olisi ripustettava jousiin keskelle painovoimakenttää. Laatikon painon mittaamiseksi laatikkoon on kiinnitettävä osoitin, joka vastasi asteikon indeksiä. Fotonin vapautumisen jälkeen laatikkoon voitaisiin lisätä massa sen alkuperäisen aseman palauttamiseksi, jolloin voimme määrittää energian, joka menetettiin fotonin lähtiessä. Laatikko on upotettu painovoimaiseen voimakenttään, ja painovoiman punainen siirtymä vaikuttaa kellon nopeuteen aiheuttaen epävarmuutta ajassa , jonka osoitin palaa alkuperäiseen asentoonsa. Bohr antoi seuraavan laskelman epävarmuussuhteen vahvistamiseksi . ${\ displaystyle m}$${\ displaystyle E = mc^{2}}$${\ displaystyle g}$${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle t}$${\ displaystyle \ Delta E \ Delta t \ geq h}$

Merkitään massan epävarmuutta merkillä . Olkoon virhe osoittimen asennossa . Kuorman lisääminen laatikkoon antaa vauhdin, jonka voimme mitata tarkasti , missä ≈ . Selvästi ja siksi . Punaisen siirtymän kaavalla (joka seuraa vastaavuusperiaatteesta ja ajan laajenemisesta) ajan epävarmuus on , ja , ja niin . Olemme siis todistaneet väitetyn . ${\ 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}$

Vallankumouksen jälkeinen: Toinen vaihe

Toiselle vaiheelle Ehinteinin "keskustelussa" Bohrin ja ortodoksisen tulkinnan kanssa on tunnusomaista sen hyväksyminen, että käytännössä on mahdotonta määrittää samanaikaisesti tiettyjen yhteensopimattomien määrien arvoja, mutta hylkääminen, että tämä merkitsee sitä, että nämä määrillä ei oikeastaan ​​ole tarkkoja arvoja. Einstein torjuu Bornin todennäköisyysperusteisen tulkinnan ja vaatii, että kvanttitodennäköisyydet ovat luonteeltaan episteemisiä eivätkä ontologisia . Tämän seurauksena teorian on oltava jollain tavalla epätäydellinen. Hän tunnustaa teorian suuren arvon, mutta ehdottaa, että se "ei kerro koko tarinaa", ja vaikka se tarjoaa asianmukaisen kuvauksen tietyllä tasolla, se ei anna tietoja perustavanlaatuisemmasta perustason tasosta:

Arvostan eniten tavoitteita, joita viimeisimmän sukupolven fyysikot pyrkivät kvanttimekaniikan nimellä, ja uskon, että tämä teoria edustaa syvää totuuden tasoa, mutta uskon myös, että rajoitukset tilastollinen luonne osoittautuu väliaikaiseksi .... Epäilemättä kvanttimekaniikka on käsittänyt tärkeän fragmentin totuudesta ja on vertauskuva kaikille tuleville perustoteorioille, koska se on pääteltävä rajoittavana tapauksena sellaisista perustukset, aivan kuten sähköstaattisuus voidaan päätellä Maxwellin sähkömagneettisen kentän yhtälöistä tai kuten termodynamiikka voidaan päätellä tilastollisesta mekaniikasta.

Nämä Einsteinin ajatukset käynnistäisivät tutkimuksen piilotetuista muuttujateorioista , kuten Bohm -tulkinnasta , yrittääkseen täydentää kvanttiteorian rakennetta. Jos kvanttimekaniikka voidaan tehdä täydelliseksi Einsteinin mielessä, sitä ei voida tehdä paikallisesti ; Tämän tosiasian osoitti John Stewart Bell muotoillen Bellin eriarvoisuuden vuonna 1964. Vaikka Bellin eriarvoisuus sulki pois paikalliset piilotetut muuttujateoriat, Bohmin teoriaa ei suljettu pois. Vuoden 2007 kokeilu sulki pois suuren luokan ei-Bohmin ei-paikallisia piilotettuja muuttujateorioita, vaikkakaan ei itse Bohmin mekaniikkaa.

Vallankumouksen jälkeinen: Kolmas vaihe

EPR: n argumentti

Otsikko osia EPR: stä.

Vuonna 1935 Einstein, Boris Podolsky ja Nathan Rosen kehittelivät väitteen, joka julkaistiin Physical Review -lehdessä otsikolla Voidaanko kvanttimekaaninen kuvaus fyysisestä todellisuudesta pitää täydellisenä? , joka perustuu kahden järjestelmän sekavaan tilaan. Ennen kuin pääsen väitteeseen, on tarpeen muotoilla toinen hypoteesi, joka tulee Einsteinin suhteellisuusteoksesta: paikallisperiaate . Fyysisen todellisuuden elementteihin, jotka ovat objektiivisesti hallussaan, ei voida vaikuttaa hetkessä kaukaa.

David Bohm otti EPR -argumentin esille vuonna 1951. Oppikirjassaan Quantum Theory hän muotoili sen uudelleen kahden hiukkasen sotkeutuneen tilan perusteella , mikä voidaan tiivistää seuraavasti:

1) Tarkastellaan kahta fotonijärjestelmää, jotka t hetkellä sijaitsevat vastaavasti avaruudellisesti kaukaisilla alueilla A ja B ja jotka ovat myös alla kuvatussa polarisoituneessa tilassa : ${\ displaystyle \ left | \ Psi \ right \ rangle}$

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

2) Aikana t alueen A fotoni testataan pystysuoran polarisaation suhteen. Oletetaan, että mittauksen tuloksena fotoni kulkee suodattimen läpi. Aaltopaketin pienennyksen mukaan tuloksena on, että ajanhetkellä t + dt järjestelmä muuttuu

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

3) Tässä vaiheessa tarkkailija A: ssa, joka suoritti ensimmäisen fotonin 1 mittauksen tekemättä mitään muuta, joka voisi häiritä järjestelmää tai toista fotonia ("oletus (R)", alla), voi varmasti ennustaa, että fotoni 2 läpäisee pystysuoran polarisaation testin. Tästä seuraa, että fotonilla 2 on fyysisen todellisuuden elementti: pystysuora polarisaatio.

4) Paikallisuusolettaman mukaan A: ssa suoritettu toiminta ei voinut luoda tätä todellisuuden elementtiä fotonille 2 . Siksi meidän on pääteltävä, että fotonilla oli ominaisuus pystyä läpäisemään pystysuora polarisaatiotesti ennen fotonin 1 mittausta ja riippumatta siitä .

5) Ajankohtana t tarkkailija kohdassa A olisi voinut päättää suorittaa polarisaatiotestin 45 °: ssa saadakseen tietyn tuloksen, esimerkiksi sen, että fotoni läpäisee testin. Siinä tapauksessa hän olisi voinut päätellä, että fotoni 2 osoittautui polarisoituneeksi 45 °: ssa. Vaihtoehtoisesti, jos fotoni ei läpäissyt testiä, hän olisi voinut päätellä, että fotoni 2 osoittautui polarisoituneeksi 135 °: ssa. Yhdistämällä yksi näistä vaihtoehdoista 4: ssä tehtyyn johtopäätökseen näyttää siltä, ​​että fotonilla 2 oli ennen mittausta sekä ominaisuus pystyä läpäisemään varmasti pystysuoran polarisaation testi että ominaisuus, että se läpäisee varmasti. polarisaatiotesti joko 45 ° tai 135 °. Nämä ominaisuudet ovat yhteensopimattomia formalismin mukaan.

6) Koska luonnolliset ja ilmeiset vaatimukset ovat pakottaneet johtopäätöksen, että fotonilla 2 on samanaikaisesti yhteensopimattomia ominaisuuksia, tämä tarkoittaa, että vaikka näitä ominaisuuksia ei ole mahdollista määrittää samanaikaisesti ja mielivaltaisen tarkasti, järjestelmä omistaa ne kuitenkin objektiivisesti. Mutta kvanttimekaniikka kiistää tämän mahdollisuuden ja on siksi epätäydellinen teoria.

Bohrin vastaus

Bohrin vastaus tähän väitteeseen julkaistiin viisi kuukautta myöhemmin kuin EPR: n alkuperäinen julkaisu samassa Physical Review -lehdessä ja täsmälleen samalla nimellä kuin alkuperäinen. Bohrin vastauksen ratkaiseva kohta on tislattu katkelmassa, jonka hän oli myöhemmin julkaissut uudelleen Paul Arthur Schilppin kirjassa Albert Einstein, tiedemies-filosofi Einsteinin seitsemänkymmenen syntymäpäivän kunniaksi. Bohr hyökkää EPR: n oletusta (R) toteamalla:

Lausunto kyseisestä kriteeristä on epäselvä ilmauksen "häiritsemättä järjestelmää millään tavalla" suhteen. Luonnollisesti tässä tapauksessa mitattavan järjestelmän mekaanisia häiriöitä ei voi tapahtua mittausprosessin ratkaisevassa vaiheessa. Mutta tässäkin vaiheessa syntyy olennainen ongelma, joka vaikuttaa tarkkoihin olosuhteisiin, jotka määrittävät mahdolliset ennustetyypit, jotka koskevat järjestelmän myöhempää käyttäytymistä ... olennaisesti epätäydellinen ... Tätä kuvausta voidaan luonnehtia järkeväksi mahdollisuudeksi käyttää mittausprosessin yksiselitteistä tulkintaa, joka on yhteensopiva kohteen ja mittauslaitteen rajallisen ja hallitsemattoman vuorovaikutuksen kanssa kvanttiteorian yhteydessä .

Vahvistavia kokeita

Chien-Shiung Wu

Vuosia Einsteinin esittelyn jälkeen EPR -kokeilunsa kautta monet fyysikot alkoivat suorittaa kokeita osoittaakseen, että Einsteinin näkemys kauhistuttavasta toiminnasta etäisyydellä on todellakin fysiikan lakien mukainen. Ensimmäinen kokeilu, joka todisti lopullisesti tämän, oli vuonna 1949, kun fyysikot Chien-Shiung Wu ja hänen kollegansa Irving Shaknov esittivät tämän teorian reaaliajassa fotoneilla. Heidän työnsä julkaistiin seuraavan vuosikymmenen uutena vuonna.

Myöhemmin vuonna 1975 Alain Aspect ehdotti kokeilun artikkelissa riittävän huolellista ollakseen kiistämätön: Ehdotettu koe kvanttimekaniikan erottamattomuuden testaamiseksi . Tämä johti siihen, että Aspect ryhtyi yhdessä fyysikkojen Philippe Grangierin, Gérard Rogerin ja Jean Dalibardin kanssa tekemään useita yhä monimutkaisempia kokeita vuosien 1980 ja 1982 välillä, jotka vahvistivat edelleen kvanttien sotkeutumista. Lopulta vuonna 1998 Geneven kokeessa testattiin kahden 30 kilometrin päässä toisistaan ​​sijaitsevan ilmaisimen välinen korrelaatio käytännöllisesti katsoen koko kaupungissa käyttäen sveitsiläistä optisen kuidun tietoliikenneverkkoa. Etäisyys antoi tarvittavan ajan polarisaattoreiden kulmien muuttamiseksi. Siksi oli mahdollista suorittaa täysin satunnainen sähköinen siirto. Lisäksi kaksi etäistä polarisaattoria olivat täysin riippumattomia. Mittaukset kirjattiin kummallekin puolelle ja verrattiin jokaisen kokeen jälkeen laskemalla jokainen mittaus atomikellon avulla. Kokeilu vahvisti jälleen kerran sotkeutumisen mahdollisimman tiukoissa ja ihanteellisissa olosuhteissa. Jos Aspektin kokeilu merkitsi, että hypoteettinen koordinaatiosignaali kulkee kaksi kertaa nopeammin kuin c , Geneven koe saavutti 10 miljoonaa kertaa c .

Vallankumouksen jälkeinen: neljäs vaihe

Viimeisessä aihetta käsittelevässä kirjoituksessaan Einstein tarkensi edelleen kantaansa ja teki täysin selväksi, että se, mikä häntä todella häiritsi kvanttiteoriassa, oli ongelma, joka koski luopumista kaikista realismin vähimmäisstandardeista, jopa mikroskooppisella tasolla, että hyväksyminen oletetun teorian täydellisyydestä. Vaikka suurin osa alan asiantuntijoista on samaa mieltä siitä, että Einstein oli väärässä, nykyinen käsitys ei ole vielä täydellinen (katso Kvanttimekaniikan tulkinta ).

Katso myös

Viitteet

Lue lisää

• 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) Hieno on Herra ... The Science and Life of Albert Einstein , Oxford University Press, Oxford, 1982.
• Shilpp, PA, (1958) Albert Einstein: Filosofi-tutkija , Northwestern University and Southern Illinois University, Open Court, 1951.