ניסוי מחשבתי, שנועד להפריך את טבעה ההסתברותי של מכניקת הקוונטים, חשף את אחת מתכונותיה המשונות: היכולת של חלקיקים להשפיע זה על זה ממרחק. כתבה חמישית בסדרה

הכתבה היא חלק מסדרה כתבות על יסודות מכניקת הקוונטים. היא עומדת בפני עצמה, אך מומלץ לקרוא לפניה את ארבעת החלקים הקודמים, המוקדשים לאופי ההסתברותי של העולם הקוונטי, לטבעו הלא ודאי, לקשר בין חלקיקים לגלים, ולאפקט הפוטואלקטרי.

כשתיאוריית הקוונטים התחילה להתגבש בראשית המאה הקודמת, רבים הסתייגו ממנה. המוזרות שלה וחוסר ההתאמה לכל מה שאנחנו מכירים מחיי היומיום, ובעיקר חוסר הדטרמיניסטיות – העובדה שכל מדידה היא סוג של הגרלה, הטרידה שלל מדענים מכובדים ואפילו את אלברט איינשטיין עצמו.

לתפיסת ההגרלה הזאת, שנקראת היום "פרשנות קופנהגן", אחראית חבורת מדענים מדנמרק בראשות הפיזיקאי נילס בוהר. איינשטיין התקשה לקבל את ההנחה המשונה הזאת והצהיר כי "אלוהים אינו משחק בקובייה". במסגרת הוויכוח בינו ובין בוהר ניסה איינשטיין לשלול את הנחות היסוד של מכניקת הקוונטים. בשנת 1935 הוא פרסם עם הפיזיקאים בוריס פודולסקי (Podolsky) ונתן רוזן מאמר שהציע מעין ניסוי מחשבתי שנועד לחשוף סתירה פנימית בתיאוריית הקוונטים. אך במקום סתירה גילו השלושה תופעה משונה חדשה בתיאוריה: השזירה הקוונטית.

גרביים צבעוניים מסודרים בזוגות | Ganna Zelinska, Shutterstock
ניסוי מחשבתי שנועד לחשוף סתירה פנימית במכניקת הקוונטים הוביל לגילוי תופעת השזירה הקוונטית. גרביים צבעוניים מסודרים בזוגות | Ganna Zelinska, Shutterstock

מה צבע הגרב?

בואו נעשה גם אנחנו את הניסוי המחשבתי שהציעו איינשטיין, פודולסקי ורוזן. נניח שאני מתארגנת בחדר חשוך בפלורנטין ומוציאה מהמגרה זוג גרביים. חצי מהגרביים שלי כחולים וחציים האחר ורודים, אז אני יודעת שיש הסתברות של 50 אחוז שהגרביים שאני מחזיקה כחולים ואותה הסתברות שהם ורודים.

אני מקפידה תמיד להתאים את זוגות הגרביים שלי כשאני מקפלת אותם, אז אני יודעת בוודאות שהם באותו צבע. עכשיו אני מפרקת את הזוג הזה, משאירה גרב אחד בחדר החשוך ולוקחת את השני בתיק סגור, בלי לדעת מה הצבע שלו. כך יש סיכוי של אחד משניים שהגרב כחול ואותו סיכוי שהוא ורוד.

כעת אני לוקחת את התיק ונוסעת לאוניברסיטה בצד השני של העיר. בתיק יש לי גרב בודד שיש הסתברות זהה שהוא כחול או ורוד, ואותו דבר בדיוק נכון לגרב שהשארתי בחדר החשוך בפלורנטין. רק כשאני מגיעה לאוניברסיטה אני מוציאה את הגרב מהתיק, בודקת מה הצבע שלו, ומגלה שהוא ורוד. עכשיו אני מבינה שגם הגרב שהשארתי בחדר, הרחק דרומה בפלורנטין, הוא ורוד.

בעולם הקלאסי, זה לא כל כך מרגש, כי לגרב היה צבע מוחלט כל הזמן ואני רק לא ידעתי אותו. אבל אם במקום גרביים היו לי חלקיקים קוונטיים, והצבע שלהם היה תכונה קוונטית שיש לה סופרפוזיציה – כלומר הגרב יכול להיות כחול וורוד בעת ובעונה אחת כל עוד לא מדדתי אותו, כלומר הצצתי בתיק לבדוק את צבעו. זה אומר גם שברגע שמדדתי את הצבע של החלקיק שהיה לי בתיק, מדדתי גם את הצבע של החלקיק שהשארתי בחדר. לא משנה איפה החלקיק נמצא. גם אם היה בצד השני של העולם או של היקום, המדידה של חלקיק אחד הייתה גורמת גם לחלקיק הרחוק "לבחור" באותו רגע ממש מצב אחד ויחיד – כחול או ורוד. לתהליך הבחירה הזה פיזיקאים קוראים "קריסה".

שזירה קוונטית | Victor de Schwanberg, Science Photo Library
שני חלקיקים משפיעים זה על זה ממרחק, שינוי שקורה לחלקיק האחד משפיע גם על החלקיק האחר. שזירה קוונטית | Victor de Schwanberg, Science Photo Library

פרדוקס שהוא אמת

הקשר הזה בין שני חלקיקים קוונטיים מכונה שזירה. לפני המדידה, פונקציית ההסתברות של הגרביים הייתה משותפת, ולכן פעולה על גרב אחד השפיעה מייד גם על השני, למרות המרחק ביניהם, והגרביים שזורים יחד. זאת הפעולה היחידה בפיזיקה שמשפיעה באופן מיידי על עצמים רחוקים. לפי כל מה שהיה ידוע עד המאמר של שלושת הפיזיקאים, שום עצם לא אמור להיות מסוגל להשפיע על עצם אחר במהירות שעולה על מהירות האור, ולכן איינשטיין, פודולסקי ורוזן טענו שמדובר בפרדוקס ושתיאוריית הקוונטים שגויה מיסודה. לרגע היה נדמה שכל העקרונות שדיברנו עליהם קורסים לתוך עצמם ושצריך הסבר אחר לתופעות שנמדדות.

אבל היום אנחנו יודעים שהשזירה הקוונטית אפשרית, והיא הודגמה בניסויים רבים. איך זה מסתדר? הרי חוסר היכולת שלנו להשפיע על דבר במהירות שעולה על מהירות האור היא עובדה מרכזית בהבנתנו את מושג הזמן, והיא נובעת מתורת היחסות הפרטית של איינשטיין. מה שמאפשר לזה לקרות בכל זאת הוא שאף על פי שהשפענו על הגרב בחדר בפלורנטין, לא באמת העברנו לשם שום מידע.

חשבו מה היה קורה אילו רצינו להשתמש בשזירה בין הגרביים כדי להעביר מסר מהאוניברסיטה לפלורנטין. נניח שביקשתי מחבר לחכות בחדר החשוך בפלורנטין ולנסות לקבל ממני מסר באמצעות הגרב שנשאר שם. המדידה שביצעתי אומנם קבעה את צבע הגרב, אבל לא אני בחרתי אם יהיה כחול או ורוד כך שהמסר לא יכול להיות הצבע של הגרב.

אפילו עצם העובדה שהפעולה בוצעה, כלומר שמדדתי את צבע הגרב שלי, איננה מידע שאני יכולה להעביר לפלורנטין באמצעות הגרביים, כי הרי אם החבר יסתכל על הגרב שלו הוא לא יוכל לדעת מתי הצבע קרס לאחד הצבעים. יכול להיות שזה קרה כבר לפני חצי שעה, כשהצצתי בתיק בדרך לאוטובוס, ויכול להיות שבכלל לא בדקתי עדיין את צבע הגרב, כלומר לא ביצעתי מדידה, ומי שגרם לשני הגרביים לקרוס היה החבר בפלורנטין.

אז שזירה לא מאפשרת להעביר מסרים. מה היא כן יכולה לעשות? השזירה הקוונטית היא תופעה מיוחדת שלא דומה לשום דבר בעולם היומיומי. לכן היא פתח להרבה תופעות מעניינות שייחודיות לעולם הקוונטי, ובכלל זה טכנולוגיות כמו הצפנה קוונטית או מחשבים קוונטיים. נתחיל לדון בהן בכתבה הבאה.