תורת הקוואנטים היא קסם.
כשאנו מתבוננים במעשיו של קוסם, אנחנו מבינים שיש פה אשליה מקסימה שמעוררת בנו התפעלות ובעיקר מחשבה "איך הוא עושה את זה?".
תורת הקוואנטים היא מעשה קסם שאינו אשליה. כך העולם שלנו באמת פועל ודרך פעולה זו סותרת לחלוטין, כל מה שכל אחד מאיתנו רואה במציאות המתרחשת סביבנו. מי שבאמת מבין את תורת הקוואנטים, מבין שיש לנו בעיה קשה בהבנה של המציאות. הקהילה המדעית שמנסה להסביר את ה"מציאות כפי שהיא" נמצאת במשבר עמוק כבר כמעט 100 שנה.
את ה"קסם" הקוואנטי ניתן, לדעתי, לתמצת לשני מושגים: "בעיית המדידה" ו "השזירה הקוואנטית".
אמנם, מושגים אלו לא מסכמים את כל התורה כולה, אולם, הם לדעתי שתי הדמויות המיסתוריות והמסקרנות ביותר בעלילה המרתקת של תורת הקוואנטים.
ראשית, צריך להבין שתורת הקוואנטים מסבירה את התנהגות האבנים הבסיסיות של המציאות. כפי שתורת היחסות מסבירה באופן יעיל ועקבי את מה שאנו רואים בעולם המקרוסקופי סביבנו, כך תורת הקוואנטים נותנת לנו הסבר יעיל ומקיף של כל מה שהוא מיקרוסקופי (עולם החלקיקים האלמנטרים מהם אנו וכל מה שנמצא סביבנו, בנויים) והיא אחת התאוריות הפיזיקליות המבוססות והפרקטיות ביותר שיש בידינו. רוב העולם הדיגיטלי שהתפתח במאה ה – 20, הוא, בסופו של דבר, תוצאה ישירה של החיזויים המדוייקים של תאוריה זו. הבעיה אינה בפרקטיות של תורת הקוואנטים, אלא, במשמעויות שלה.
תורת הקוואנטים החלה את דרכה בתחילת המאה ה – 20, לאחר שמקס פלנק טבע את מושג "קוואנט האנרגיה" כחלק מהפתרון לבעיית קרינת הגוף השחור (שוב, מאותן בעיות "ספורות" שנותרו לנו בסוף המאה ה- 19 שפתרונן הפך את קערת הידע האנושי על פיה). גם בסיפור זה, היה לאלברט איינשטיין תפקיד חשוב כבר בתחילת הדרך ומאמרו על האפקט הפוטואלקטרי, בשנה המופלאה של 1905, היווה אבן דרך משמעותית בלידתה של תורה זו (בסופו של דבר, קיבל איינשטיין את פרס הנובל על פרסום זה ולא על תורת היחסות).
מכניקת הקוואנטים מהווה כלי לתיאור התנהגות המרכיבים היסודיים של היקום; החלקיקים, הגלים והשדות מהם אתם והעולם כולו בנויים. ככל שחיזויים של תורה זו קיבלו יותר ויותר ביסוס ניסויי ופרקטי, כך גדל המיסתורין סביב המשמעויות של תוצאות אלו. כדי לתאר את המיסתורין הזה, ננסה ראשית לפרק ולהבהיר כמה מושגים בסיסיים ולהבין מהי "בעיית המדידה".
רוב ספרי המדע מתחילים בתיאור השאלה הגדולה: האם המרכיבים הבסיסיים של היקום הם גל או חלקיק? אחת הבעיות בהבנה שלנו נובעת בדיוק מהאסוציאציה שיש לנו בשימוש במונחים הללו. החלקיקים האלמנטריים מהם בנוי היקום אינם כדורים קטנים וגם לא נראים כמו גלי מים. צריך לומר כבר עתה, שידוע לנו היום, שהמרכיבים הבסיסיים הם הרבה יותר דומים לאסוציאציה של גל מאשר חלקיק, אולם, יש בשימוש במונחים אלו משום הטעייה וגורם לבלבול. לצערי, גם בתיאור שלי אני אעזר במונח "חלקיק" משום שהוא פשוט להבנה בניסוח הויזואלי ושככל הנראה, אין בשפה שלנו מונחים אשר יכולים לאפשר ויזואליזציה טובה יותר של מה שקורה שם באמת. אני מציע רק, לא להתפס יותר מידי לאנלוגיה של כדורים הנעים ונתקלים זה בזה, אנלוגיה שתתנפץ לנו מאוחר יותר.
תחילה צריך להבין במה שונה ההתנהגות של חלקיק ושל גל. דמיינו בריכה מלאה במים. אתם עומדים בבריכה ומסתכלים על הדופן שלה. בשלב ראשון, אתם זורקים כדור שפוגע בדופן הבריכה. הכדור יתקדם בקו ישר לדופן ויפגע בה בנקודה מסוימת. זו התנהגות קלאסית של חלקיק. לעומת זאת, אם ניצור גלים בבריכה בכיוון הדופן, נראה גלים המתקדמים ובשלב מסוים יפגעו זה בזה. באזורים בהם יפגשו שני השיאים של הגלים (האזורים הגבוהים בגל) הם יעצימו אחד את השני ויהפכו לגל גבוה יותר. באזורים בהם יפגשו השפלים של הגל (האזור הנמוך משני צידי הגל) הם יעמיקו את השפל המאוחד. באזורים בהם יפגש שפל עם שיא, הם יבטלו זה את זה ולא נראה גל. בסופו של דבר, נראה בדופן הבריכה, אזורים בהם הגל פוגע בדופן בגובה רב (שני שיאים שהתחברו), אזורים בהם המים פוגעים בדופן בגובה נמוך יותר (שני שפלים שנפגשו) ואזורים בהם נראה שאין פגיעה של גל (שיא ושפל שביטלו זה את זה). תופעה זו של שיאים ושפלים של גלים שמתחברים ויוצרים צורת גל מאוחד ושונה, נקראת "התאבכות" וזו תופעה יחודית לגלים. כלומר, כאשר מזהים התאבכות, זו עדות חד משמעית לכך שמדובר בגל.
עכשיו, אחרי שעברנו את השלב ה"מרתק" של ההסבר הטכני, ניתן לבצע ניסוי ולהגדיר האם פוטון או אלקטרון או כל חלקיק אלמנטרי אחר הוא חלקיק או גל. פה מתחיל המיסתורין האמיתי של הטבע.
ניקח מסך שמסמן פגיעה של אלקטרונים ונציב לפניו מסך נוסף עם חריץ שרק דרכו יכול האלקטרון לעבור. כעת, נירה עליו אלקטרון ומה שנגלה על המסך הוא נקודת פגיעה. כלומר, כמו הכדור באנלוגיה של הבריכה, האלקטרון נע במסלול מסוים דרך החריץ במסך אל עבר מסך הפגיעה ופגע בו בנקודה מסוימת. זו התנהגות קלאסית של חלקיק.
כעת ניצור במסך חריץ נוסף דרכו יכול האלקטרון לעבור. אם נירה כעת אלקטרונים (אנו לא יודעים באיזה חריץ כל אחד עובר) תופיע לפתע על מסך הפגיעה, תצורה של התאבכות, כלומר, החלקיקים עברו כמו גלים בשני החריצים (בדומה לגלים שנשברים בשובר הגלים בים), התמזגו זה בזה בהתאם לתופעת ההתאבכות וזה המראה שנגלה לנו על מסך הפגיעה. זו התנהגות קלאסית של גל.
אם כך, האלקטרון מתנהג לעיתים כחלקיק ולעיתים כגל.
מה יקרה אם נסגור חריץ אחד?
אם כעת נירה אלקטרונים שיעברו בחריץ שנשאר פתוח, תעלם ההתאבכות ואנו רואים על המסך פגיעה של נקודות המעידות על כך שמדובר בחלקיקים ולא בגלים. אולם, כל ההבדל בין שני הניסויים היא העובדה שאנחנו יודעים היכן עבר האלקטרון (בחריץ שנשאר פתוח). במילים אחרות, כאשר אנו יודעים היכן עבר האלקטרון, תופיע פגיעה של חלקיק במסך. כאשר אין אנו יודעים את מיקומו, תופיע תצורת התאבכות של פגיעת גלים.
הבעיה מסתבכת עוד יותר, כאשר אנו בונים ניסוי שבו הידיעה שלנו על מיקומו של החלקיק אינה ישירה. במילים אחרות, אנחנו יודעים שחלקיק עבר במסלול מסוים, לא בגלל שזיהינו אותו במסלול זה, אלא משום שהוא לא הופיע במכשיר שניסה לגלות אותו במסלול אלטרנטיבי. במקרה זה, לא מדדנו את מיקומו של החלקיק, אבל אנחנו יודעים איפה הוא עבר בשיטת האלימינציה (לא עבר במסלול א' ולכן בודאי עבר במסלול ב'). הדבר המדהים שמתגלה לנו בניסויים מן הסוג הזה, הוא שגם במקרים אלו האלקטרון מתנהג כחלקיק. כלומר, באותה דרך בה הוא התנהג כאשר מדדנו ישירות את מיקומו. אם כך, כיצד, עצם ידיעתנו על מיקומו, ללא אינטראקציה פיזית כלשהי איתו, גורמת לו לשנות את אופיו מגל לחלקיק?
זו אחת החידות הגדולות ביותר בפיזיקה הקוואנטית.
כאשר אנו מתארים את התנהגותו של חלקיק, אנו משתמשים במשוואת הגל שפיתח ארווין שרדינגר בשנת 1926. כלי זה מתאר לנו היכן נמצא החלקיק בכל נקודת זמן בטרם מתבצעת עליו מדידה. אולם, כל עוד לא מתבצעת מדידה אין אנו יודעים את מיקומו המדויק של החלקיק אלא אנו מקבלים אזור של הסתברויות שונות, בהן ניתן יהיה למצוא את החלקיק ברגע שנבצע את אקט המדידה. במילים אחרות, אנחנו יכולים רק לדעת מהי ההסתברות למצוא את החלקיק בכל מיקום שהוא. אוסף ההסתברויות הללו יוצר לנו את תצורת הגל הנמרחת במרחב שבו יש את ההסתברויות השונות למצוא את החלקיק. אין לנו יכולת לדעת מה מיקומו של כל חלקיק במרחב זה, בטרם מתבצעת עליו מדידה. המשמעות היא שבאופן יסודי, כל חלקיק יכול להמצא באזור מסוים וניתן לצפות רק מהי ההסתברות שהוא ימצא בכל נקודה ונקודה. כלומר, אפשר לדמיין את פוטנציאל המיקום של כל חלקיק כענן של אפשרויות שנע והוא אפור מאוד באזורים מסוימים, שם ההסתברות הגבוהה ביותר שנמצא את החלקיק, צבעו לבן, באזורים בהם ההסתברות נמוכה יותר ובלתי נראה באזורים בו ההסתברות אפסית.*
כאשר נבצע מדידה, המשוואה "תקרוס" ומכל ההסתברויות השונות שמופיעות במשוואת הגל נקבל נקודה אחת ויחידה בה נזהה את החלקיק. זהו מושג ה"קריסה" הידוע של משוואת הגל הקוואנטי.
השאלה הגדולה היא היכן נמצא החלקיק בטרם מדדנו אותו? התשובה המפתיעה היא שהוא נמצא בכל האפשרויות המתגלמות בענן ההסתברויות (סופרפוזיציה של מצבים המתקיימים בו זמנית).
שרדינגר פרסם את ניסוי המחשבה הידוע המתאר את "החתול של שרדינגר". ניסוי מחשבה זה הוא בעצם יישום של שאלת המדידה הקוואנטית לעולם המקרוסקופי. שרדינגר מתאר חתול שנמצא במבנה סגור עם מכשיר אשר התפרקות אטום יכולה לגרום למותו של החתול. התפרקות האטום יכולה להתרחש בהסתברות של 50% בפרק זמן מסוים. אחרי פרק הזמן הזה, כל עוד לא התבצעה מדידה, האטום נמצא בסופרפוזיציה של "התפרק" ו "לא התפרק" משום שהוא עדיין מתואר על ידי משוואת הגל בטרם המדידה. כשנפתח את המבנה, הגל יקרוס ונוכל לראות האם החתול חי או מת, אולם, על פי תורת הקוונטים, בטרם ביצענו את המדידה, החתול נמצא פיזית בסופרפוזיציה של "חי" ו "מת" בו זמנית. כמובן, שמסקנה זו נשמעת אבסורדית, אבל זו בדיוק המשמעות של האמירה שהחלקיק אינו בעל תכונה מסוימת ומוגדרת בטרם מדדנו אותו.
פה בדיוק הבעיה: כל הסיפור המוזר הזה, הוא הסיפור של אבני הבניין מהם בנויים כולנו. מה זה אומר עלינו ועל העולם שלנו?
כבר כמעט מאה שנים מנסים להסביר את התופעה הזו. ההסברים השונים מתבטאים במספר כיוונים שחלקם מתבססים על ההנחה שישנם משתנים שאנחנו עדיין לא זיהינו (פרשנויות "המשתנים החבויים") שהם יסבירו בסופו של דבר את מיקומו של החלקיק בטרם מדדנו אותו וחלקם מבוססים על ההנחה שלחלקיק אין מיקום מסוים בטרם הוא נצפה. כלומר, החלקיק לא נמצא בנקודה מסוימת טרם אקט המדידה (גישה זו מבוססת על פרשנות קופנהגן והיא המקובלת ביותר על הקהילה הפיזיקלית היום. גישה נוספת שמקבלת תמיכה גדלה יותר ויותר עם השנים היא פרשנות "העולמות המרובים" בה נדון בפוסטים עתידיים).
שאלה נוספת היא: מהי מדידה? האם רק הסתכלות אנושית גורמת לקריסה של פונקציית הגל למיקום ספציפי או שאולי הקריסה מתרחשת בשלב מוקדם יותר? האם היא מתרחשת כאשר מכשיר המדידה מבצע את פעולתו? האם כאשר מופיעה תוצאה במכשיר המדידה? האם כאשר האינפורמציה מגיעה לרשתית העין האנושית או כאשר התודעה שלנו נכנסת לפעולה? כל השאלות הללו הן לדעתי עקרות, משום שלעולם לא נוכל להוכיח אותן. האם יש צורך בגורם אנושי בקריסה של החלקיק? אם כן, מה קרה ביקום בטרם נוצר האדם הראשון? (בבחינת האם עץ, הנופל ביער ריק מאדם, משמיע קול?).
לדעתי, השפה בה אנו משתמשים היא גורם קריטי הן בהבנה של השאלות איתן אנו מתמודדים והן בניסיון לתת להן הסבר ויזואלי של המציאות הפיזיקלית. אני משוכנע שאין בשפה שלנו, את הכלי לתיאור הויזואלי של מה שמתרחש בעולם התת אטומי והשימוש במונחים כמו "חלקיק" ו"גל" הם גורמים מטעים אשר מעכבים את היכולת שלנו לבנות הסבר מספק מבחינה אינטואיטיבית. העובדה, שלנו כל הסיפור הזה נשמע מוזר, היא רק כי השפה בה אנו מתארים את הסיפור היא שפה אנושית ומוגבלת ומשום שהמציאות עצמה אינה חייבת דבר לאינטואיציה האנושית.
מה שיפה בתאוריה הקוואנטית הוא שניתן להשתמש בה באופן פרקטי גם בלי להתמודד עם השאלות הפילוסופיות הללו ולכן היא כל כך מוצלחת. עובדה זו גם קשורה לשאלה פילוסופית עמוקה יותר: האם תפקידו של המדע להסביר את המציאות הפיזיקלית כפי שהיא או להוות כלי להסבר תאורטי הניתן לשימוש פרקטי בלבד, מבלי להתמודד עם השאלה האם התאוריה המדעית מתארת אלמנטים אמיתיים במציאות עצמה?
בעיית המדידה היא אחת החידות הגדולות של העולם ממנו אנו בנויים, אולם, בשנת 1935 אלברט איינשטיין, יחד בוריס פודולסקי ונתן רוזן, פרסמו טיעון (הקרוי על שם ראשי התיבות שלהם: פרדוקס EPR) שאמור היה להראות את המופרכות של התאוריה הקוואנטית. אבל בסופו של דבר, טיעון זה הביא לעולם את מושג ה"שזירה הקוואנטית" (Quantum Entanglement), אחד המושגים המדהימים ביותר, אשר המשמעויות שלו, משנות אפילו בימים אלו, את תפיסת המציאות שלנו. על כך בפוסט הבא.
*שימו לב לנקודה שלרוב אינה מובהרת בספרי מדע פופולארי: מה שמתאבך הוא גל ההסתברויות ולא גל פיזי שקיים במציאות, תופעה שמחדדת המיסתורין הגדול האופף את הסיפור שלנו.