Kvantesammenfiltring er det mærkeligste fænomen i fysik, men hvad er det?

I 1935 udgav Albert Einstein, Boris Podolsky og Nathan Rosen et papir, der beskriver et tankeeksperiment designet til at illustrere en tilsyneladende absurditet af kvantesammenfiltring, der udfordrede en grundlæggende lov i universet.

En forenklet version af dette tankeeksperiment, tilskrevet David Bohm, betragter henfaldet af en partikel kaldet pi-mesonen. Når denne partikel henfalder, producerer den en elektron og en positron, der har modsat spin og bevæger sig væk fra hinanden. Derfor, hvis elektronspindet måles til at være op, så kan det målte spin af positronen kun være nede, og omvendt. Dette er sandt, selvom partiklerne er milliarder af miles fra hinanden.

Dette ville være fint, hvis målingen af ​​elektronspin altid var op og det målte spin af positronen altid var nede. Men på grund af kvantemekanikken er hver partikels spin både en del op og en del ned, indtil den er målt. Kun når målingen finder sted, "kollapser" kvantetilstanden af ​​spindet til enten op eller ned - og kollapser øjeblikkeligt den anden partikel i det modsatte spin. Dette synes at antyde, at partiklerne kommunikerer med hinanden gennem nogle midler, der bevæger sig hurtigere end lysets hastighed. Men ifølge fysikkens love kan intet rejse hurtigere end lysets hastighed. Den målte tilstand af en partikel kan vel ikke øjeblikkeligt bestemme tilstanden af ​​en anden partikel i den fjerne ende af universet?

Fysikere, herunder Einstein, foreslog en række alternative fortolkninger af kvantesammenfiltring i 1930'erne. De teoretiserede, at der var en ukendt egenskab - kaldet skjulte variabler - der bestemte tilstanden af ​​en partikel før måling. Men på det tidspunkt havde fysikere ikke teknologien eller en definition af en klar måling, der kunne teste, om kvanteteorien skulle modificeres til at inkludere skjulte variabler.

Behøvede kvanteteorien at blive ændret?

Det tog indtil 1960'erne, før der var nogen spor til et svar. John Bell, en strålende irsk fysiker, der ikke levede for at modtage Nobelprisen, udtænkte et skema for at teste, om begrebet skjulte variable gav mening.

Bell producerede en ligning, der nu er kendt som Bells ulighed, der altid er korrekt - og kun korrekt - for teorier om skjulte variable og ikke altid for kvantemekanik. Således, hvis Bells ligning viste sig ikke at være opfyldt i et eksperiment i den virkelige verden, kan lokale skjulte variable teorier udelukkes som en forklaring på kvantesammenfiltring.

Eksperimenterne fra 2022-nobelprismodtagerne, især dem fra Alain Aspect, var de første test af Bell-uligheden. Eksperimenterne brugte sammenfiltrede fotoner, snarere end par af en elektron og en positron, som i mange tankeeksperimenter. Resultaterne udelukkede endegyldigt eksistensen af ​​skjulte variabler, en mystisk egenskab, der ville forudbestemme tilstanden af ​​sammenfiltrede partikler. Tilsammen har disse og mange opfølgende eksperimenter bekræftet kvantemekanikken. Objekter kan korreleres over store afstande på måder, som fysikken før kvantemekanikken ikke kan forklare.

Det er vigtigt, at der heller ikke er nogen konflikt med den særlige relativitetsteori, som forbyder hurtigere-end-lys-kommunikation. Det faktum, at målinger over store afstande er korrelerede, betyder ikke, at information transmitteres mellem partiklerne. To parter langt fra hinanden, der udfører målinger på sammenfiltrede partikler, kan ikke bruge fænomenet til at videregive information hurtigere end lysets hastighed.

I dag fortsætter fysikere med at forske i kvanteforviklinger og undersøge potentielle praktiske anvendelser. Selvom kvantemekanikken kan forudsige sandsynligheden for en måling med en utrolig nøjagtighed, er mange forskere fortsat skeptiske over, at den giver en fuldstændig beskrivelse af virkeligheden. En ting er dog sikkert. Der er meget tilbage at sige om kvantemekanikkens mystiske verden.

Andreas Muller er lektor i fysik ved University of South Florida. Han modtager støtte fra National Science Foundation.

Denne artikel er genudgivet fra Samtalen under en Creative Commons-licens. Du kan finde original artikel her.