Einstein's brilliant mistake: Entangled states - Chad Orzel

תרגום: Shlomo Adam עריכה: Ido Dekkers

Albert Einstein played a key role in launching quantum mechanics

אלברט איינשטיין מילא תפקיד מרכזי בהולדת המכניקה הקוונטית

הודות לתיאוריה שלו על האפקט הפוטו-אלקטרי,

through his theory of the photoelectric effect

but remained deeply bothered by its philosophical implications.

אך הוא נותר מוטרד עמוקות מהשלכותיה הפילוסופיות.

And though most of us still remember him for deriving E=MC^2,

ואף שרובנו זוכרים אותו בשל הנוסחה "אנרגיה שווה למסה כפול מהירות האור",

his last great contribution to physics was actually a 1935 paper,

תרומתו החשובה האחרונה לפיזיקה היתה בעצם מאמר מ-1935,

coauthored with his young colleagues Boris Podolsky and Nathan Rosen.

שנכתב יחד עם עמיתיו הצעירים בוריס פודולסקי ונייתן רוזן.

Regarded as an odd philosophical footnote well into the 1980s,

הפרדוקס של איינשטיין-פודולסקי-רוזן נחשב להערת-שוליים פילוסופית משונה עד שנות ה-80,

this EPR paper has recently become central to a new understanding of quantum physics,

אך לאחרונה החל ממלא תפקיד מרכזי בהבנה המחודשת של המכניקה הקוונטית,

with its description of a strange phenomenon

בתארו תופעה מוזרה

now known as entangled states.

המוכרת כיום כ"שזירה קוונטית".

The paper begins by considering a source that spits out pairs of particles,

המאמר פותח בהנחת קיומו של מקור הפולט זוגות חלקיקים,

each with two measurable properties.

כל אחד מהם בעל מאפיינים ברי-מדידה.

Each of these measurements has two possible results

לכל מדידה כזו יש שתי תוצאות אפשריות

of equal probability.

שסבירות שתיהן זהה.

נניח שהמאפיין הראשון עשוי להיות "אפס" או "אחד",

Let's say zero or one for the first property,

and A or B for the second.

והשני - "איי" או "בי".

Once a measurement is performed,

מעת שבוצעה מדידה,

subsequent measurements of the same property in the same particle

המדידות הבאות של אותו מאפיין באותו החלקיק

will yield the same result.

ייתנו את אותה התוצאה.

The strange implication of this scenario

ההשלכה המוזרה של תרחיש זה

is not only that the state of a single particle

אינה רק שמצבו של חלקיק יחיד

is indeterminate until it's measured,

איננו מוחלט עד אשר נמדד,

but that the measurement then determines the state.

אלא שמדידה זו קובעת בהמשך את מצבו.

What's more, the measurements affect each other.

זאת ועוד, המדידות משפיעות זו על זו.

אם מודדים חלקיק ומוצאים שהוא במצב 1,

If you measure a particle as being in state 1,

and follow it up with the second type of measurement,

ולאחר מכן מבצעים עליו מדידה מהסוג השני,

you'll have a 50% chance of getting either A or B,

יש סיכוי של 50% לקבל "איי" או "בי",

but if you then repeat the first measurement,

אבל אם חוזרים על המדידה הראשונה,

you'll have a a 50% chance of getting zero

יש סיכוי של 50% לקבל "אפס",

even though the particle had already been measured at one.

גם אם החלקיק כבר נמדד כ"אחד".

So switching the property being measured scrambles the original result,

כלומר, החלפת המאפיין שנמדד טורפת את התוצאה המקורית,

allowing for a new, random value.

ומאפשרת ערך חדש ואקראי.

Things get even stranger when you look at both particles.

הדברים נעשים מוזרים יותר כשמתייחסים לשני החלקיקים.

Each of the particles will produce random results,

כל אחד מהחלקיקים ייתן תוצאות אקראיות,

but if you compare the two,

אבל כשמשווים בין שניהם,

you will find that they are always perfectly correlated.

מוצאים ביניהם תמיד מתאם מושלם.

For example, if both particles are measured at zero,

לדוגמה, אם שני החלקיקים נמדדים ב"אפס",

the relationship will always hold.

היחסים האלה יישארו.

The states of the two are entangled.

מצביהם של השניים שזורים זה בזה;

Measuring one will tell you the other with absolute certainty.

מדידת אחד מהם מזהה את השני בוודאות מוחלטת.

But this entanglement seems to defy Einstein's famous theory of relativity

אך שזירה זו סותרת ככל הנראה את תורת היחסות המפורסמת של איינשטיין,

because there is nothing to limit the distance between particles.

כי אין שום הגבלה על המרחק שבין החלקיקים.

אם מודדים אחד מהם בניו-יורק, בצהריים,

If you measure one in New York at noon,

and the other in San Francisco a nanosecond later,

ואת השני בסן-פרנסיסקו, אלפית-שניה לאחר מכן,

they still give exactly the same result.

הם עדיין יתנו בדיוק אותה תוצאה.

But if the measurement does determine the value,

אבל אם המדידה אכן קובעת את הערך,

then this would require one particle sending some sort of signal to the other

הרי שחלקיק אחד חייב לשלוח אות כלשהו למשנהו

at 13,000,000 times the speed of light,

במהירות של פי 13,000,000 ממהירות האור,

which according to relativity, is impossible.

ולפי תורת היחסות, זה איננו אפשרי.

For this reason, Einstein dismissed entanglement as "spuckafte ferwirklung,"

מסיבה זו פטר איינשטיין את השזירה כ"שפוקאפטה פרוויקלונג",

or spooky action at a distance.

או "פעילות מפחידה ממרחק".

He decided that quantum mechanics must be incomplete,

הוא החליט שהמכניקה הקוונטית היא מן הסתם לא-שלמה,

a mere approximation of a deeper reality in which both particles

ובגדר אומדן בלבד של מציאות עמוקה יותר, שבה לשני החלקיקים

have predetermined states that are hidden from us.

יש מצבים קבועים מראש שסמויים מאיתנו.

Supporters of orthodox quantum theory lead by Niels Bohr

תומכי תיאוריית הקוונטים השמרנית בהנהגת נילס בוהר

maintained that quantum states really are fundamentally indeterminate,

טוענים שלמעשה, המצבים הקוונטיים הם ביסודם לא-מוכרעים,

and entanglement allows the state of one particle

והשזירה מאפשרת שמצבו של חלקיק אחד

to depend on that of its distant partner.

יהיה תלוי בזה של בן-זוגו המרוחק.

For 30 years, physics remained at an impasse,

במשך 30 שנה נמצאה הפיזיקה במבוי סתום,

until John Bell figured out that the key to testing the EPR argument

עד שג'ון בל הבין שהמפתח לבחינת טיעון איינשטיין-פודולסקי-רוזן

was to look at cases involving different measurements on the two particles.

הוא לבחון מקרים עם מדידות שונות של שני החלקיקים.

The local hidden variable theories favored by Einstein, Podolsky and Rosen,

תיאוריות "המשתנה המקומי הסמוי" בתמיכת איינשטיין, פודולסקי ורוזן,

strictly limited how often you could get results like 1A or B0

הגבילו בחומרה את התדירות בה ניתן לקבל תוצאות כמו "1איי" או "בי-0",

because the outcomes would have to be defined in advanced.

כי התוצאות היו צריכות להיקבע מראש.

Bell showed that the purely quantum approach,

בל הוכיח שלגישה הקוונטית הטהורה,

where the state is truly indeterminate until measured,

שבה המצב הוא באמת לא-מוכרע עד מדידתו,

has different limits and predicts mixed measurement results

יש מגבלות שונות והיא צופה תוצאות מדידה מעורבות

that are impossible in the predetermined scenario.

שלא ייתכנו בתרחיש המוגדר מראש.

Once Bell had worked out how to test the EPR argument,

מעת שבל ניסח כיצד לבחון את טיעון איינשטיין-פודולסקי-רוזן,

physicists went out and did it.

הפיזיקאים החלו לעשות זאת.

Beginning with John Clauster in the 70s and Alain Aspect in the early 80s,

החל מג'ון קלאוסטר בשנות ה-70 ואלן אספקט בתחילת ה-80,

dozens of experiments have tested the EPR prediction,

עשרות ניסויים בחנו את התחזית של איינשטיין-פודולסקי-רוזן,

וכולם העלו אותו הדבר:

and all have found the same thing:

quantum mechanics is correct.

המכניקה הקוונטית נכונה.

The correlations between the indeterminate states of entangled particles are real

המתאמים בין מצביהם הלא-מוכרעים של החלקיקים הינם אמיתיים

and cannot be explained by any deeper variable.

ואינם ניתנים להסבר בשום משתנה עמוק יותר.

The EPR paper turned out to be wrong but brilliantly so.

מאמר איינשטיין-פודולסקי-רוזן התברר כשגוי, אך באופן מבריק.

By leading physicists to think deeply about the foundations of quantum physics,

בכך שהביא את הפיזיקאים לחשוב לעומק על יסודות הפיזיקה הקוונטית,

it led to further elaboration of the theory

הוא הוביל לליטוש נוסף של התיאוריה

and helped launch research into subjects like quantum information,

וסייע להתחלת המחקר בנושאים כמו מידע קוונטי,

now a thriving field with the potential to develop computers of unparalleled power.

שהוא כיום תחום פורח שעשוי להביא לפיתוח מחשבים חזקים לאין שיעור.

Unfortunately, the randomness of the measured results

למרבה הצער, אקראיות התוצאות הנמדדות

prevents science fiction scenarios,

מונעת תרחישי מדע בדיוני,

like using entangled particles to send messages faster than light.

כמו השימוש בחלקיקים שזורים לשיגור הודעות במהירות על-אורית.

So relativity is safe, for now.

כך שהיחסות בטוחה, בינתיים.

אך היקום הקוונטי מוזר בהרבה מכפי שאיינשטיין רצה להאמין.

But the quantum universe is far stranger than Einstein wanted to believe.