アインシュタインは間違っていたのでしょうか？アインシュタイン対ボーア：EPR実験

量子の奇妙な性質を説明するために、ボーアは「不確定性原理」を提唱したが、アインシュタインはこの理論を非常に嫌った。ボーアの不確定性原理を反証するために、アインシュタインは何年も考え続けました。ついに 1935 年 5 月、彼と他の 2 人の科学者はボーアの理論を反証できる思考実験を思いつきました。これが有名な「EPR実験」です。

これは何の実験ですか？それを理解するには、ある程度の事前知識が必要です。まず、科学者たちは実験を通じて、電子が「スピン」という性質を持っていることを発見しました（ただし、いわゆる「スピン」は、電子が実際にジャイロスコープのように回転していることを意味するのではなく、これは量子力学における性質にすぎないことに注意してください）。また、電子のスピンには、自由度が 2 つしかないという特に奇妙な特徴があることも発見しました。たとえば、電子を上から観察すると、その電子はスピンアップかスピンダウンのどちらかになります。しかし、電子を横から観察すると、電子は左スピンまたは右スピンのいずれかになります。

次に、物理学者は偏光子と呼ばれる装置を発明しました。これは電子をフィルタリングして、たとえば、スピンが上向きの電子だけを通過させたり、スピンが左向きの電子だけを通過させたりすることができます。科学者が偏光子を使って電子の実験を行ったところ、非常に驚​​くべき結果が得られました。

まず、電子を偏光子に向かって飛ばします。通過する場合は、電子のスピンが上を向いていることを意味します。次に、この偏光板の後ろに別の同一の偏光板を配置しました。このとき、電子の 100% が次の同一の偏光子を通過しました。これはまさに人々の予想と一致しています。 2 番目の偏光子を右向きの偏光子に置き換えると、電子が偏光子 2 を通過する確率は 50% になります (上向きのスピンを持つ電子の半分は左向きのスピンを持ち、残りの半分は右向きのスピンを持つため)。実験は100回行われ、そのうち約50羽が飛来した。何度も行うほど、精度が高まります。

次に、私たちは極めて奇妙な重要な実験を目撃することになります。もう一つの偏光板3を上向きにして後ろに貼ります。通常の論理によれば、電子が偏光子 3 を通過する確率は 100% であるはずです。しかし、物理学者を驚かせたのは、偏光子 3 と偏光子 1 の両方が上部偏光子であるにもかかわらず、実験結果によって電子が偏光子 3 を通過する確率が依然として 50% しかないことが示されたことです。

つまり、 2つの異なる方向の電子のスピン状態を同時に正確に測定することは不可能です。

このような実験結果を見て、ボーア率いるコペンハーゲン学派は非常に喜んだ。ボーアはこれが電子の不確定性原理の最良の証拠であり、電子自体は明確なスピン状態を持たないと信じていました。測定前、電子はすべてのスピン状態の重ね合わせ状態にあります。どの状態にあるかを尋ねると、申し訳ありませんが、この質問は無意味です。

このような背景から、アインシュタインはEPR実験を提案しました。

まず、実験室で合計スピンがゼロの電子対を準備しました (これは理論的には可能でしたが、当時は技術的に不可能でした)。

次に、この電子のペアを分離させます。青い電子は左に飛び、赤い電子は右に飛び、十分離れるようにします。たとえば、一方は上海に飛び、もう一方は北京に飛びます。北京と上海にそれぞれ偏光板を設置します。ここで、両方の電子が偏光子を通過すると仮定します。赤い電子のスピンが上を向いていると仮定すると、合計スピンはゼロなので、青い電子のスピンは下を向いているはずだと結論付けることができます。青い電子が右偏光子を通過すると仮定すると、つまり青い電子が右に回転すると仮定すると、赤い電子は左に回転する必要があります。このようにして、赤と青の電子の 2 つの方向のスピン状態を決定しました。

電子が何らかの魔法の重ね合わせ状態を持っているわけではないことがわかります。不確定性原理は本質的に、測定動作が電子のスピン状態に干渉するからです。測定しない限り、スピン状態は一定のままです。

この究極の技はとても強力です！申し分のない感じです。 1935 年、物理学界全体が EPR 実験に注目していました。もちろん、ボーアは黙って見過ごすことはなく、後に反撃しました。EPR 実験には重要な仮定が間違っています。つまり、赤い電子の挙動を測定しても青い電子には影響がなく、青い電子を測定しても赤い電子には影響がないということです。しかし実際には、赤と青の電子は魔法のような量子もつれ状態にあります。どれだけ離れていても、どちらか一方を測定すると、すぐにもう一方に干渉してしまいます。

これは有名なEPR実験論争です。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。

著者: サイエンスボイス

査読者: 北京交通大学物理学研究所上級エンジニア 周小良

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司