שזירה קוואנטית: מציאות של מדע בידיוני


הסיפור הזה, הוא סיפור על ניסיון להוכיח את מופרכותה של תורת הקוואנטים, שהביא לעולם את אחד המושגים הכי פחות ידועים לקהל הרחב והכי משמעותיים, לדעתי, בהבנת המציאות הפיזיקלית: שזירה קוואנטית (Quantum Entanglement).


כפי שכבר הזכרתי בפוסטים קודמים, אלברט איינשטיין, היה אמנם אחד ממבשריה של תורת הקוואנטים, אולם, לא לילד הזה הוא פילל. עד יומו האחרון האמין שהתאוריה חסרה ויש למצוא פתרונות שונים לשאלות הקשות שעלו מהתורה הקוואנטית, כפי שהתגבשה בקונצנזוס של הקהילה הפיזיקלית באותם ימים. במשך השנים העלה איינשטיין ניסויי מחשבה שונים שמטרתם הייתה להוכיח את מופרכותה של התאוריה הקוואנטית והדיונים שהתפתחו בעקבות ניסויי מחשבה אלו, בעיקר בינו ובין יריבו נילס בוהר, היוו את הדשן, לקרקע הפוריה עליה התפתחה התאוריה במשך השנים.


עיקר הויכוח בין איינשטיין לבוהר נערך סביב המרכיב ההסתברותי של מכניקת הקוואנטים. כפי שתארתי בפוסט הקודם, מכניקת הקוואנטים (באמצעות "משוואת הגל" של שרדינגר) מאפשרת לדעת רק את ההסתברות שחלקיק יהיה בעל תכונה מסוימת (מיקום, תנע וכו') ורק בביצוע המדידה עצמה, החלקיק מקבל ערך מסוים ("קריסת פונקציית הגל"). במילים אחרות, עד שאנחנו לא מודדים, למשל, את מיקומו של החלקיק, אנחנו לא יכולים לדעת היכן הוא נמצא, אלא, רק את ההסתברויות השונות למצוא אותו במיקומים שונים (ההבדל המהותי מול הפיזיקה הקלאסית שאנו מכירים בעולם סביבנו, הוא בהבנה שכדור, למשל, שנמצא במיקום מסוים ובמהירות מסוימת, ניתן לחיזוי היכן הוא ימצא בכל רגע נתון בעתיד. בפיזיקה הקוואנטית אין לנו את הידע הזה, אלא באופן הסתברותי בלבד).


הויכוח הגדול שניטש בין חסידי איינשטיין לחסידי בוהר הוא סביב השאלה, האם חוסר הידיעה שלנו לגבי מיקום החלקיק, נובע מכך שחסר לנו מידע והתאוריה אינה שלמה (גישת ה"המשתנים החבויים" של איינשטיין) או שטרם ביצוע מדידת החלקיק, אין לחלקיק באמת שום מקום מוגדר ועצם אקט המדידה, גורם ל"ענן" ההסתברויות לקרוס למיקום ספציפי ("פרשנות קופנהגן" של בוהר)?

(אנחנו עוד נחזור בפוסטים עתידיים לפרשנויות השונות של מכניקת הקוואנטים ולשאלות הפילוסופיות המשמעותיות שעולות מויכוח זה על המציאות שלנו ועל היכולת שלנו להבין, האם התאוריה הפיזיקלית משקפת אלמנטים אמיתיים במציאות או לא?)


אחד המשפטים המפורסמים של איינשטיין ש"אלוהים אינו משחק בקוביות" הוא בדיוק ביטוי לגישה, שלא ייתכן שהעולם האמיתי מבוסס על הסתברויות בלבד ולחלקיק אין מיקום מסוים בטרם צופים בו.


האמונה של איינשטיין שלא ייתכן שלחלקיק אין תכונות מוגדרות בטרם צופים בו, הביאה אותו בשנת 1935 לפרסם ניסוי מחשבה נוסף, יחד עם בוריס פודולסקי ונתן רוזן (שהיה מאוחר יותר דיקן הפקולטה לפיזיקה בטכניון הישראלי). ניסוי המחשבה, שמוכר כ"פרדוקס EPR", על שם ראשי התיבות של מחבריו, בא בעצם להוכיח שתורת הקוואנטים היא חסרה ועל כן, יש למצוא את אותם משתנים חבויים שישלימו אותה ויתנו מענה שלם ואמיתי יותר של המציאות.


במילים פשוטות, הפרדוקס מעלה את הטענה הבאה: תורת הקוואנטים חוזה, שאם מבצעים שזירה (Entanglement) בין שני חלקיקים בצורה שתאפשר לתאר את שניהם תחת משוואת גל אחת, כלומר, יוצרים קשר כלשהו בין שני החלקיקים, הרי שביצוע מדידה על חלקיק אחד תשפיע מיידית על מצבו של החלקיק השני. מה הבעיה? הרי אנחנו יודעים שקשר סיבתי הוא תכונה בסיסית בעולם ודברים משפיעים זה על זה. הבעיה היא, שבשזירה קוואנטית ההשפעה של החלקיק הנמדד על החלקיק השני, מתבצעת באופן מיידי ובלי קשר למרחק בין שני החלקיקים. כלומר, גם אם יש מרחק של שנות אור בין שניהם, מדידה של חלקיק אחד תשפיע מיידית על החלקיק השני. מבחינת איינשטיין מדובר ב"Spooky action at a distance" ("השפעה מאיימת מרחוק"), מכיוון, שהשפעה בין שני גופים יכולה להתקיים או באינטראקציה פיזית ביניהם או במעבר של מידע ביניהם ושכזכור לכם, על פי תורת היחסות הפרטית, העולם שלנו הוא לוקלי, כלומר, שום דבר לא יכול להשפיע או להעביר מידע ממקום למקום באופן מיידי ומעבר למהירות האור. לכן, אם חלקיק אחד משפיע על השני ממרחק של שנות אור, הזמן שאמור לקחת להשפעה להתרחש הוא שנות אור או בהתאם לזמן שיקח למידע לעבור במהירות האור בין שני החלקיקים. במצב הנוכחי, שנובע מתורת הקוואנטים, שקיימת השפעה מיידית ממרחק, שאינה מוסברת והדבר סותר את תכונת הלוקליות, שהיא תכונה בסיסית במציאות, הרי שמבחינת איינשטיין, המשמעות היא שתורת הקוואנטים אינה שלמה ויש לתקנה.


במשך שנים רבות נעשו ניסיונות להתמודד עם הפרדוקס, אולם, לאור העובדה שלא ניתן היה טכנולוגית לערוך ניסוי שיאמת את המסקנות של EPR, הדיון במידה מסוימת נזנח לצורך התמודדות עם פיתוח נוסף של התאוריה לצרכים פרקטיים יותר.

בשנת 1964 פרסם ג'ון בל מאמר שהוכיח מתמטית שאם מניחים שהעולם הוא לוקלי (כלומר שאין השפעה מיידית מרחוק), הרי שניתן לנסח נוסחה במצב של שזירה קוואנטית ("אי שיוויון בל") שתורת הקוואנטים סותרת אותה. המשמעות היא שיש שתי אפשרויות או שיתברר שתוצאות הניסוי יאששו את אי שיוויון בל ואז יתברר שתחזיות תורת הקוואנטים שגויות או שתוצאות הניסוי יפרו את אי השיוויון ואז תתברר נכונות התחזיות של תורת הקוואנטים וזה יעיד על הפרה של תכונת הלוקליות.

במילים אחרות, נפרצה הדרך לבחון, האם ניסוי המחשבה של איינשטיין, שנועד להפריך את תורת הקוואנטים, מזהה פגם בתורה עצמה או שמזהה הפרה בטבע של אחת מהתכונות הבסיסיות המוכרות לנו (לוקליות).


רק בשנת 1982, כ- 50 שנה לאחר שאיינשטיין, פודולסקי ורוזן פרסמו את מאמרם, נמצאה הטכנולוגיה לבצע ניסוי שיבדוק את אי שיוויון בל. אלן אספק ביצע ניסוי בשני פוטונים במצב של שזירה קוואנטית והתוצאה הייתה חד משמעית: אי שוויון בל הופר והוכח שמתקיימת השפעה מרחוק ולכן, תכונת הלוקליות אינה מתקיימת בטבע.

המשמעות היא עצומה ובלתי נתפסת; המרכיבים הבסיסיים של העולם, משפיעים בדרך כלשהי זה על זה מרחוק מבלי להעביר אינפורמציה או לבצע אינטראקציה פיזית. חייבים לומר, שעד היום לא ממש ברור כיצד הדבר קורה, אבל הוא נבדק מאז באינספור ניסויים והשימוש בשזירה קוואנטית הפך להיות שגרתי במחקר הפיזיקלי של המציאות ואפילו ישנה התקדמות ראשונית ומסוימת בשימוש פרקטי בתופעה זו, בעיקר בעולם המיחשוב הקוואנטי ובקריפטוגרפיה (חקר הצפנים ופיצוחם).


כדי להתמודד עם השאלות הפילוסופיות הפתוחות של סוגיה זו, אנסה להציג את האפשרויות העומדות בפנינו מעבר להכרה שיש השפעה מרחוק שאנחנו לא יודעים להסביר אותה:


  • יום אחד יתברר שאי שיוויון בל אינו מדויק והוא ינוסח בצורה כזו שתוצאות הניסויים יאפשרו הן את קיום תורת הקוואנטים והן את תכונת הלוקליות. יש לומר שנעשו אינספור ניסיונות בחקר גישה זו והיום הקונצנזוס הוא שככל הנראה זה כבר לא יקרה.

  • ייתכן שיש פה רמז על כך שתפיסת חץ הזמן והמעבר של אינפורמציה מהעבר לעתיד בלבד היא שגויה. ייתכן ששזירה קוואנטית מלמדת אותנו על מעבר של מידע מהעתיד אל העבר. כלומר, כאשר אנחנו מסתכלים על חלקיק מסוים האינפורמציה של ביצוע הניסוי מועברת אל העבר ומשנה בדיעבד את מצבו של החלקיק השני בטרם יצא לדרכו. למרות שזה נשמע מוזר מאוד, הדבר מתחבר לשאלה עמוקה ומעניינת מאוד של חץ הזמן. על פי חוקי הפיזיקה אינפורמציה יכולה לעבור מהעתיד לעבר, בדיוק כפי שהיא עוברת מהעבר לעתיד. העובדה שאנחנו מכירים את עולמנו רק מנקודת המבט של חץ זמן ברור שמתקדם מהעבר לעתיד, מקורה בתכונה טכנית בלבד של עולמנו ולא בתכונה בסיסית או עקרונית של העולם הפיזיקלי.

  • שני החלקיקים אינם באמת נפרדים והם חלק ממערכת אחת שלמה ומורכבת שבדרך כלשהי הסתכלות על חלק ממנה מאפשר אינפורמציה חדשה על חלקים אחרים שלה. זו גישה מאוד פילוסופית בשלב זה ולא ניתן עדיין לתת לה ביטוי בניסוח פיזיקלי ברור, אולם, בפוסטים עתידיים, אנסה לקשר זאת לעולם הרשתות ותורת המורכבות ולהציע תפיסה חדשה של מציאות הבנויה ממרכיבים בסיסיים המהווים חלק מרשת מורכבת ומקושרת אשר מרכיביה, נמצאים באינטראקציה תמידית ביניהם והשזירה הקוואנטית היא הגורם להתהוות כל רגע ורגע בחיי היקום.

מאז ניסויי אספק בשנות השמונים, נכנסה השזירה הקוואנטית לשיח הפיזיקלי באופן משמעותי מאוד ומחקרים שונים מדברים על מושג זה כבסיס להבנה מעמיקה הרבה יותר של היקום.


אחת המשמעויות המרתקות ביותר עולה ממש בשנים האחרונות, כאפשרות תאורטית המתחילה לקבל חיזוק ניסויי, מדברת על כך שתופעת השזירה הקוואנטית מהווה את ההסבר לאמרגנטיות (התהוות) של המרחב והזמן ביקום ולתת הסבר לשאלות הקשות שנותרו פתוחות בנוגע לשאלת הזמן. על כך בפוסטים הבאים...


10 צפיות

Created by BestSite