Einstein's EPR-Papier und die Entdeckung der Verschränkung in der Quantenmechanik

Inhaltsverzeichnis:

1. Einleitung
2. Albert Einsteins Beitrag zur Quantenmechanik
3. Albert Einsteins letzter Beitrag zur Physik
4. Das EPR-Papier von Einstein, Podolsky und Rosen
5. Die Entstehung von verschränkten Zuständen
6. Die Konzepte von Superposition und Messung
7. Einsteins Kritik an der Quantenmechanik
8. Die Bedeutung des Bell'schen Theorems
9. Experimentelle Bestätigung der Quantenmechanik
10. Die Auswirkungen der Quantenmechanik auf die moderne Forschung
11. Fazit

🧪 Artikel: Albert Einsteins Beitrag zur Entwicklung der Quantenmechanik

Albert Einstein spielte eine entscheidende Rolle bei der Einführung der Quantenmechanik durch seine Theorie des Photoeffekts, war aber von den philosophischen Implikationen dieser Theorie tief besorgt. Obwohl die meisten von uns ihn immer noch wegen der Ableitung von E=MC^2 in Erinnerung haben, war sein letzter bedeutender Beitrag zur Physik tatsächlich ein Papier aus dem Jahr 1935, das er zusammen mit seinen jungen Kollegen Boris Podolsky und Nathan Rosen veröffentlichte. Dieses EPR-Papier wurde lange Zeit als seltsame philosophische Fußnote angesehen, hat jedoch in jüngster Zeit zu einem neuen Verständnis der Quantenphysik beigetragen. Es beschreibt ein merkwürdiges Phänomen, das heute als "verschränkte Zustände" bekannt ist.

Albert Einsteins letzter Beitrag zur Physik

Das EPR-Papier beginnt mit der Betrachtung einer Quelle, die Paare von Teilchen aussendet, von denen jedes zwei messbare Eigenschaften hat. Jede dieser Messungen hat zwei mögliche Ergebnisse mit gleicher Wahrscheinlichkeit. Nehmen wir an, null oder eins für die erste Eigenschaft und A oder B für die zweite. Sobald eine Messung durchgeführt wird, liefert eine weitere Messung derselben Eigenschaft am selben Teilchen das gleiche Ergebnis. Die seltsame Folge dieses Szenarios besteht nicht nur darin, dass der Zustand eines einzelnen Teilchens unbestimmt ist, bis er gemessen wird, sondern dass die Messung dann den Zustand bestimmt. Darüber hinaus beeinflussen die Messungen einander. Wenn Sie ein Teilchen als Zustand 1 messen und dann die zweite Art der Messung durchführen, haben Sie eine 50%ige Chance, entweder A oder B zu erhalten. Wenn Sie jedoch die erste Messung wiederholen, haben Sie eine 50%ige Chance, Null zu erhalten, obwohl das Teilchen bereits als Eins gemessen wurde. Das Wechseln der gemessenen Eigenschaft verwirrt das ursprüngliche Ergebnis und ermöglicht einen neuen, zufälligen Wert.

Dinge werden noch seltsamer, wenn man beide Teilchen betrachtet. Jedes der Teilchen liefert zufällige Ergebnisse, aber wenn man sie vergleicht, stellt man fest, dass sie immer perfekt korreliert sind. Wenn zum Beispiel beide Teilchen als Null gemessen werden, bleibt diese Beziehung immer bestehen. Die Zustände der beiden Teilchen sind also verschränkt. Die Messung eines Teilchens gibt Aufschluss über den Zustand des anderen mit absoluter Sicherheit. Diese Verschränkung scheint jedoch Einsteins berühmte Relativitätstheorie zu widersprechen, da es nichts gibt, was den Abstand zwischen den Teilchen begrenzt. Wenn Sie eines um 12.00 Uhr in New York messen und das andere eine Nanosekunde später in San Francisco, erhalten Sie genau das gleiche Ergebnis. Wenn jedoch die Messung den Wert bestimmt, würde dies erfordern, dass ein Teilchen eine Art Signal an das andere sendet, mit einer Geschwindigkeit von 13.000.000 Mal der Lichtgeschwindigkeit, was nach der Relativitätstheorie unmöglich ist. Aus diesem Grund lehnte Einstein die Verschränkung als "spuckafte Ferwirklichung" ab – eine unheimliche Aktivität auf Distanz. Er war der Ansicht, dass die Quantenmechanik unvollständig sein muss und nur eine Annäherung an eine tiefere Realität ist, in der beide Teilchen vordefinierte Zustände haben, die uns verborgen bleiben.

Supporters der orthodoxen Quantentheorie, allen voran Niels Bohr, behaupteten hingegen, dass Quantenzustände wirklich grundlegend unbestimmt sind und die Verschränkung dazu führt, dass der Zustand eines Partikels von dem seines entfernten Partners abhängt. Die Physik befand sich 30 Jahre lang in einer Sackgasse, bis John Bell herausfand, dass der Schlüssel zur Überprüfung des EPR-Arguments darin lag, Fälle mit unterschiedlichen Messungen an den beiden Teilchen zu betrachten. Die von Einstein, Podolsky und Rosen bevorzugten lokalen verborgenen Variabletheorien begrenzten streng, in welcher Häufigkeit Ergebnisse wie 1A oder B0 erzielt werden konnten, weil die Ergebnisse im Voraus definiert sein müssten. Bell zeigte, dass der rein quantenmechanische Ansatz, bei dem der Zustand bis zur Messung tatsächlich unbestimmt ist, andere Grenzen hat und gemischte Messergebnisse vorhersagt, die in der vordefinierten Szenario unmöglich sind. Sobald Bell herausgefunden hatte, wie man das EPR-Argument testet, gingen Physiker hinaus und führten diese Tests durch. Angefangen bei John Clauster in den 70er Jahren bis hin zu Alain Aspect Anfang der 80er Jahre haben Dutzende von Experimenten die Vorhersagen des EPR-Papiers geprüft – und alle haben das Gleiche gefunden: Die Quantenmechanik ist korrekt. Die Korrelationen zwischen den unbestimmten Zuständen der verschränkten Teilchen sind real und können nicht durch eine tiefere Variable erklärt werden. Das EPR-Papier stellte sich als falsch heraus, aber auf brillante Weise. Indem es die Physiker dazu anregte, über die Grundlagen der Quantenphysik nachzudenken, trug es zur weiteren Ausarbeitung der Theorie bei und ebnete den Weg für die Erforschung von Themen wie der Quanteninformation – einem florierenden Gebiet mit dem Potenzial, Computer von beispielloser Leistung zu entwickeln. Leider verhindert die Zufälligkeit der gemessenen Ergebnisse Szenarien aus der Science-Fiction-Welt, wie die Verwendung von verschränkten Teilchen, um Nachrichten schneller als das Licht zu übertragen. Vorläufig bleibt die Relativitätstheorie also sicher, aber das Quantenuniversum ist noch viel seltsamer, als Einstein es glauben wollte.

Highlights:

• Albert Einsteins Beitrag zur Quantenmechanik und sein letzter bedeutender Beitrag zur Physik
• Das EPR-Papier und die Entdeckung der verschränkten Zustände
• Einsteins Kritik an der Quantenmechanik und die Kontroverse mit Niels Bohr
• Das Bell'sche Theorem und die experimentelle Bestätigung der Quantenmechanik
• Die Bedeutung der Quantenmechanik für die moderne Forschung und die Entwicklung von Quantencomputern

Häufig gestellte Fragen (FAQs):

Frage: Hat Albert Einstein die Quantenmechanik vollständig abgelehnt? Antwort: Nein, Albert Einstein hat die Quantenmechanik nicht vollständig abgelehnt. Obwohl er ihre philosophischen Implikationen in Frage stellte und der Meinung war, dass sie unvollständig sein könnte, trug er selbst wesentlich zur Entwicklung der Quantenmechanik bei.

Frage: Was ist das EPR-Papier und warum ist es wichtig? Antwort: Das EPR-Papier, veröffentlicht von Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen, beschreibt das Phänomen der verschränkten Zustände. Es hat maßgeblich zur Weiterentwicklung der Quantenphysik beigetragen und das Verständnis von Grundprinzipien wie Superposition und Verschränkung revolutioniert.

Frage: Wurde die Quantenmechanik experimentell bestätigt? Antwort: Ja, die Vorhersagen der Quantenmechanik wurden durch zahlreiche Experimente bestätigt. Das Bell'sche Theorem und die Tests des EPR-Arguments haben gezeigt, dass die Korrelationen zwischen verschränkten Teilchen tatsächlich real sind und nicht durch verborgene Variablen erklärt werden können.

Ressourcen:

• https://www.nature.com/articles/d41586-020-00427-0
• https://physicstoday.scitation.org/do/10.1063/PT.6.5.20200608a/full/