Lag Einstein falsch? Einstein vs. Bohr: Das EPR-Experiment

Um die seltsamen Eigenschaften der Quantenphysik zu erklären, entwickelte Bohr als Erster das „Unschärfeprinzip“, doch Einstein war von dieser Theorie überhaupt nicht angetan. Um Bohrs Unschärferelation zu widerlegen, grübelte Einstein viele Jahre lang. Schließlich entwickelten er und zwei andere Wissenschaftler im Mai 1935 ein Gedankenexperiment, das Bohrs Theorie widerlegen konnte. Dies ist das berühmte „EPR-Experiment“.

Um was für ein Experiment handelt es sich? Um es zu verstehen, sind gewisse Vorkenntnisse erforderlich. Zunächst entdeckten Wissenschaftler durch Experimente, dass Elektronen die Eigenschaft des „Spins“ besitzen (bitte beachten Sie jedoch, dass der sogenannte „Spin“ nicht bedeutet, dass Elektronen tatsächlich wie ein Gyroskop rotieren, sondern dass es sich lediglich um eine Eigenschaft der Quantenmechanik handelt) und dass der Spin von Elektronen eine besonders merkwürdige Eigenschaft besitzt: Er verfügt nur über zwei Freiheitsgrade. Wenn wir beispielsweise ein Elektron von oben beobachten, hat das Elektron entweder einen Spin-up- oder einen Spin-down-Effekt. Wenn wir das Elektron jedoch stattdessen von der Seite beobachten, wird es entweder einen Links- oder einen Rechtsspin haben.

Als nächstes erfanden die Physiker ein Gerät namens Polarisator, das Elektronen filtern kann, indem es beispielsweise nur Elektronen mit nach oben zeigendem Spin oder nur Elektronen mit nach links zeigendem Spin durchlässt. Als Wissenschaftler Polarisatoren für Experimente mit Elektronen verwendeten, erhielten sie ein äußerst überraschendes Ergebnis:

Zuerst lassen wir ein Elektron in Richtung des Polarisators fliegen. Wenn es hindurchgeht, bedeutet das, dass der Spin des Elektrons nach oben zeigt. Dann wurde hinter diesem Polarisator ein weiterer identischer Polarisator platziert. Zu diesem Zeitpunkt passierten 100 % der Elektronen den nächsten identischen Polarisator, was genau den Erwartungen der Menschen entspricht. Wenn wir den zweiten Polarisator durch einen nach rechts zeigenden Polarisator ersetzen, besteht für das Elektron eine 50-prozentige Chance, durch den Polarisator Nr. 2 zu gelangen (weil die Hälfte der Elektronen mit nach oben zeigendem Spin nach links und die andere Hälfte nach rechts zeigt). Das Experiment wurde 100 Mal durchgeführt, wobei etwa 50 Mal ein Überflug stattfand. Je öfter Sie es tun, desto genauer wird es.

Als nächstes werden wir Zeuge eines entscheidenden und äußerst seltsamen Experiments. Einen weiteren Polarisator Nr. 3 haben wir hinten mit der Vorderseite nach oben angebracht. Der normalen Logik zufolge sollte das Elektron eine 100-prozentige Chance haben, den Polarisator Nr. 3 zu passieren. Die Physiker waren jedoch überrascht, dass das experimentelle Ergebnis zeigte, dass das Elektron nur eine 50-prozentige Wahrscheinlichkeit hatte, den Polarisator Nr. 3 zu passieren, obwohl sowohl Nr. 3 als auch Nr. 1 obere Polarisatoren waren.

Das bedeutet: Es ist unmöglich, den Spinzustand eines Elektrons gleichzeitig in zwei verschiedenen Richtungen genau zu messen!

Angesichts dieser experimentellen Ergebnisse war die von Bohr geleitete Kopenhagener Schule sehr glücklich. Bohr glaubte, dass dies der beste Beweis für das Unschärfeprinzip des Elektrons sei und dass Elektronen selbst keinen bestimmten Spinzustand haben. Vor der Messung befindet sich das Elektron in einer Überlagerung aller Spinzustände. Zu fragen, in welchem ​​Zustand es sich befindet, tut mir leid, diese Frage ist sinnlos!

In diesem Zusammenhang schlug Einstein das EPR-Experiment vor:

Zunächst haben wir im Labor ein Elektronenpaar mit einem Gesamtspin von Null hergestellt (das war theoretisch möglich, technisch war es damals jedoch nicht umsetzbar).

Dann lassen wir dieses Elektronenpaar sich trennen, das blaue Elektron fliegt nach links und das rote Elektron nach rechts, und lassen sie weit genug voneinander weg, sodass beispielsweise eines nach Shanghai und das andere nach Peking fliegt. Wir platzieren jeweils einen Polarisator in Peking und Shanghai. Nehmen wir nun an, dass beide Elektronen den Polarisator passieren. Unter der Annahme, dass der Spin des roten Elektrons nach oben zeigt, können wir, da der Gesamtspin Null ist, schlussfolgern, dass der Spin des blauen Elektrons nach unten zeigen muss. Angenommen, das blaue Elektron passiert einen rechtsdrehenden Polarisator, das heißt, das blaue Elektron dreht sich nach rechts, dann muss das rote Elektron nach links drehen. Auf diese Weise haben wir die Spinzustände der roten und blauen Elektronen in zwei Richtungen bestimmt.

Es ist ersichtlich, dass es sich nicht um einen magischen Überlagerungszustand der Elektronen handelt. Das Unschärfeprinzip beruht im Wesentlichen darauf, dass das Messverhalten den Spinzustand der Elektronen beeinflusst. Solange wir ihn nicht messen, bleibt ihr Spinzustand sicher!

Dieser ultimative Zug ist so kraftvoll! Es fühlt sich tadellos an. Im Jahr 1935 verfolgte die gesamte Physikergemeinde aufmerksam das EPR-Experiment. Natürlich wollte Bohr nicht tatenlos zusehen und wehrte sich später: Eine zentrale Annahme im EPR-Experiment sei falsch, und zwar, dass die Messung des Verhaltens roter Elektronen keine Auswirkungen auf blaue Elektronen habe und die Messung blauer Elektronen keine Auswirkungen auf rote Elektronen habe. Tatsächlich befinden sich die roten und blauen Elektronen jedoch in einem magischen quantenverschränkten Zustand. Egal, wie weit sie voneinander entfernt sind, jede Messung an einem von ihnen führt sofort zu Interferenzen mit dem anderen.

Dies ist der berühmte Streit um das EPR-Experiment.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Science Voice

Gutachter: Zhou Xiaoliang, leitender Ingenieur des Physiklabors der Jiaotong-Universität Peking

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.