Spøgelsesagtige forbindelser

Kan kvantepartikler virkelig kommunikere over enorme afstande øjeblikkeligt eller går vi glip af noget?

Hverken Max Planck eller Albert Einstein, som begge bragte fotoner til verden, var nogensinde helt tilfredse med, hvad de havde gjort. Planck fandt på ideen med små pakker af lys, men tøvede med at tro på, at de var virkelige genstande i stedet for kun at være matematiske anordninger, der gjorde livet lettere for fysikere.
    Einstein havde et andet problem. Han havde ingen vanskeligheder med at forestille sig lys som en regn af små kugler, der bogstaveligt talt kunne slå elektroner løs fra deres atomer. Han brugte faktisk den ide som grundlag for en enkel forklaring af den fotoelektriske virkning, i hvilken lys, der skinner på visse metaller, frembringer en elektrisk strøm. Senere argumenterede han for, at det var fornuftigt at tænke på lys som en "gas" af fotoner ikke ulig en konventionel gas af fysiske atomer.
    Det, der virkelig bekymrede Einstein, var, at hvis fotoner var virkelige genstande, krøb der et element af sandsynlighed ind i fysikken. Og skønt Einstein var revolutionær, forblev han en streng klassicist i en henseende: han troede fast på årsag og virkning. Hvis man kender enhver genstands egenskaber og karakteristika, burde man med andre ord kunne forudsige nøjagtig, hvad den vil gøre i enhver situation.
    I modsætning hertil kan kvanteteorien nogensinde kun give sandsynligheden for, at noget vil ske. Når en strøm af fotoner falder på linsen af et par Polaroid solbriller, vil nogle gå igennem og andre vil ikke. Men der er ingen måde, hvorpå man kan forudsige nøjagtigt, hvad en individuel foton vil gøre. Man kan kun kende chancerne for et resultat eller et andet.
    Kvanteteorien oprørte Einstein, fordi den ikke gav ham noget bedre at arbejde med end frustrerende sandsynligheder. I 1936 slog han sig sammen med Boris Podolsky og Nathan Rosen om at skabe "EPR paradokset". Det er ironisk, at den spøgelsesagtige EPR forbindelse nu er blevet brugt i laboratoriet til at teleportere fotoner, fordi den oprindelige grund til at opfinde EPR paradokset var at vise, at en af kvanteteoriens betydninger var så uacceptabel, at den måtte være forkert eller ufuldstændig i en eller anden henseende. Det EPR trioen ikke kunne acceptere var ideen om, at det at måle en foton et sted kunne have en øjeblikkelig fysisk konsekvens et andet sted - det hele fordi kvantemålinger er om sandsynligheder.
    Det oprindelige EPR argument er blevet omdannet til mange forskellige former, men lad os holde os til fotoner nu. Antag, at du indviklede et par fotoner polariseret med 90 grader til hinanden. Du kan ikke vide, hvad polarisationerne er, før du måler dem; de kunne være vertikale, horisontale eller en vinkel ind imellem. Alt hvad du med sikkerhed ved er, at de er vinkelrette på hinanden. Du sender disse fotoner afsted i forskellige retninger. Mens de skyder afsted til det fjerne, vil fotonerne løbe ind i polariserende filtre, som du har anbragt i deres baner.
    Antag, at en foton passerer lige igennem et vertikalt filter. Den må være vertikalt polariseret, så dens partner må være horisontalt polariseret. Den anden foton ville derfor passere gennem ethvert horisontalt filter på dens vej, men ikke gennem et vertikalt filter. Så langt så godt. En foton er vertikalt polariseret, den anden er horisontalt polariseret, så det er i rette vinkler til hinanden, som de skulle være og alt er i orden med verden.
    Ikke helt. Indtil den første foton rammer filteret, har man ingen anelse om, hvorvidt den vil gå igennem eller ej. Og for den sags skyld ved fotonen ikke, hvilken slags filter den vil ramme før den kommer frem. Da man ikke ved noget om hver fotons individuelle polarisation, før man udfører en måling, ved man kun, at chancen for at den går igennem er fifty-fifty, ligemeget hvilken vinkel filteret er sat til. Så den anden foton kan ikke vide, hvad den første foton vil gøre, før den faktisk gør det. Alligevel bestemmer den første fotons handling den anden fotons handling. Den anden foton er nødt til at få en slags tip fra den første, selv om de fysisk er langt fra hinanden.
    Hvad mere er, skal dette tip være øjeblikkeligt, fordi det skal virke, selv hvis de to fotoner rammer deres filtre på nøjagtig samme tidspunkt. Det er umuligt at forudsige, hvad hver foton vil gøre og alligevel skal de to handle i overensstemmelse, så deres polarisationer har det korrekte forhold til hinanden. Dette er kernen af det spøgelsesagtige, som Einstein, Podolsky og Rosen tog sådan en afstand til. Den opstår præcist, fordi resultatet af kvantemålinger er ubestemt, indtil de faktisk udføres.
    Historien ville være anderledes, hvis de to fotoners polarisationer på en eller anden måde var fastsat i begyndelsen, selv om vi ikke ved, hvad de er. Resultaterne af polarisationsmålinger ville stadig være fifty-fifty hver vej, fordi man ikke har noget forudgående kendskab til, hvad fotonerne vil gøre, når de når filtrene. Men fra fotonens perspektiv er alt forudbestemt: hver foton er i en bestemt tilstand, så den kendsgerning, at de to målinger bliver, som de gør, er resultatet af et forudgående arrangement, ikke af en spøgelsesagtig forbindelse.
    Dette er, hvad den klassisk sindede Einstein greb fat i. Det er som at sige, at en billardkugle på vej mod én er enten rød eller blå, men hvad, ved man ikke før man faktisk kigger på den. Det er et helt andet forslag end at sige, at billardkuglen hverken er rød eller blå før man ser på den og at den først får en farve eller den anden i det øjeblik, man ser den.
    Med andre ord var argumentet, at hvis fotonernes polarisationer virkelig ikke bestemmes før de er målt, så er de parrede EPR fotoner nødt til at sammensværge sig med hinanden på en eller anden øjeblikkelig måde for at garantere, at samtidige målinger på dem giver det rigtige resultat. Det forekom absurd! Det var meget mere fornuftigt, troede Einstein og hans venner, med ideen om, at kvanteteorien er ukomplet og at hver foton har en hemmelig egenskab, som, hvis blot man kendte den, kunne fortælle en, hvad resultatet af polarisationsmålingen ville være.
    Alt er i orden og godt, undtagen ... hvordan skulle man finde ud af fotonens hemmelighed uden at lave selve den måling hvis resultat den skulle hjælpe med at forudsige? Hvilket ødelægger pointen. De fleste fysikere er enige om, at EPR gåden faktisk er noget af et mysterium. Men betyder det, at kvanteteorien er forkert eller blot svær at forstå? Hvad ville pointen være ved at give fotonerne ekstra egenskaber, hvis der ikke er nogen uafhængig måde at finde ud af dem, især når de ikke ser ud til at gøre nogen forskel for resultaterne af eksperimenter?
    Med fysikeren John Bells ord, John Bell som alment havde sympati for Einsteins uro over kvanteteorien, er EPR paradokset et af de spørgsmål, som de fleste fysikere føler de ville forstå, hvis de nogensinde kunne afse tyve minutter til at tænke over det. Men i mellemtiden, hvorfor bekymre sig?

Fra New Scientist online.

17. april, 2002.

Index