קוונטי ולא במקרה

למכניקת הקוונטים יצא מוניטין של תיאוריה מבלבלת, אבל היא מנחה את האינטואיציה האנושית ואף עוזרת להסביר אותה
X זמן קריאה משוער: 19 דקות

מכניקת הקוונטים עומדת בסתירה להיגיון הפשוט. כל מי שהתעניין אי פעם בפיזיקה, ולוּ מעט, יבין מיד למה הכוונה. כפי שמסבירים לנו לעתים קרובות, התפישה הקוונטית של המציאות היא כמו בית משוגעים שבו חלקיקים שהופכים לגלים (ולהיפך), ומדברים זה עם זה באמצעות מסרים מפחידים באופן שאינו עולה בקנה אחד עם התפישות הרגילות שלנו לגבי זמן ומרחב. אנו חושבים שעולמנו עשוי מאובייקטים מוצקים ומובחנים – עצים וכלבים ושולחנות – דברים בעלי תכונות אובייקטיביות המקובלות על כולנו. אבל במכניקת הקוונטים נדמה שהאובייקטים הקלאסיים האלה, עם הזהויות המובחנות והברורות, אינם קיימים. נשמע מופרך? כך חשב גם הפיזיקאי המהולל ריצ'רד פיינמן (Feynman), אבל הוא הפציר בנו ללמוד לחיות עם זה. "אני מקווה שתוכלו לקבל את הטבע כפי שהוא – אבסורדי", אמר ב-1985.

העולם שלנו, והאינטואיציה שלנו, הם קוונטיים מכף רגל ועד ראש

אבל הדעה המקובלת בנוגע למכניקת הקוונטים שגויה. התורה הקוונטית אינה אומרת באמת שחלקיקים מסוגלים להפוך לגלים או לתקשר בדרכים מפחידות, והיא אינה אומרת בשום פנים שאובייקטים קלאסיים אינם קיימים. לא זאת בלבד שהיא אינה מכחישה את קיומם של האובייקטים הקלאסיים, אלא שהיא מספקת לנו תיאור מעמיק של סיבות שבגללן הם כן קיימים. יתרה מזאת, הנוסח המודרני של מכניקת הקוונטים מצליח להראות לנו למה ההיגיון הפשוט שלנו מתנהג כמו שהוא מתנהג. אפשר פשוט לומר שתמונת העולם הקלאסית שלנו היא מכניקת קוונטים כפי שהיא נראית מגובה מטר ושמונים, גובהנו האנושי. העולם שלנו, והאינטואיציה שלנו, הם קוונטיים מכף רגל ועד ראש.

כלב

כלב. לא "חלקיקים וגם גלים". תצלום: Patchattack

אז למה רבים כל כך עדיין חשים שמכניקת הקוונטים סותרת את ההיגיון ועושה בלגן במציאות? אולי יש לתלות חלק מהאשמה בפיזיקאי הדני נילס בוהר (Bohr). בדור המייסדים של מכניקת הקוונטים, הוא היה כנראה ההוגה העמוק ביותר בכל הקשור למשמעותה של התיאוריה, וברוב המקרים היו האינטואיציות שלו נכונות. אבל במהלך שנות העשרים והשלושים של המאה הקודמת, בוהר תקע טריז בין העולם הקוונטי לעולם הקלאסי, והטריז עודו תקוע כיום. העולמות האלה פועלים לפי עקרונות שונים מאוד, הוא אמר, ואין לנו ברירה אלא לקבל זאת.

לפי בוהר, מכניקת הקוונטים אינה מסבירה לנו מה טיבו של העולם, אלא מה נגלה כשנבצע מדידות. המנגנון המתמטי של התיאוריה מעניק לנו את ההסתברויות של התוצאות האפשריות השונות. כשאנחנו מבצעים מדידה, אנחנו מקבלים רק אחת מהתוצאות האפשריות האלה, אבל אין לדעת איזו מהן – הטבע בוחר באקראי. העולם הקוונטי הוא עולם הסתברותי, ואילו העולם הקלאסי (שם מתרחשות כל המדידות שלנו) מניב תוצאות יחידות בלבד. למה? ככה זה, ענה בוהר, ואין טעם לצפות ממכניקת הקוונטים לתת לנו תשובות עמוקות יותר. היא אומרת לנו (במהימנות מתמדת) למה לצפות. מה עוד אתם אפשר לבקש?

פרשנות קופנהגן של בוהר – שנקראת על-שם העיר שבה שוכן המכון הפיזיקלי שהוא ייסד ב-1921 – לא הכריזה במפורש על סתירה בין הפיזיקה הקלאסית לפיזיקה הקוונטית, אבל נרמז בה על אי-התאמה. ובוהר הטליא את אי-ההתאמה הזאת במנטרה שאותה הוא כינה "משלימוּת" (complementarity). העולם הקלאסי והעולם הקוונטי הם היבטים משלימים של המציאות, אמר בוהר: יש היגיון פשוט ויש היגיון קוונטי, אבל אי אפשר לקבל את שניהם – לא בו-זמנית, בכל אופן.

בעיני פיזיקאים רבים נראה עיקרון המשלימוּת כמו פשרה בלתי מספקת בעליל. הרי לא רק שהעיקרון הזה נמנע מלענות על שאלות קשות בנוגע לטיבה של המציאות, אלא שהוא אוסר למעשה לשאול אותן. ובכל זאת, המשלימוּת לפחות מורה לנו על המקום שבו שוכנות הבעיות: בהבנה של משמעות מושג ה"מדידה". באמצעות מדידות, אובייקטים הופכים ל"דברים", לא לאפשרויות – יתרה מזאת, הם הופכים לדברים בעלי מצבים קבועים, מיקומים קבועים, מהירויות קבועות, ותכונות קבועות אחרות. כך, העולם הקוונטי הבלתי-הגיוני לכאורה מעניק לנו חוויה של היגיון פשוט. כלומר, כדי לאחד את התפישה הקוונטית עם התפישה הקלאסית אנו זקוקים לתיאוריה מוצלחת של מדידות. כאן נתקעו הדברים הרבה מאוד זמן.

בין הקוונטי לקלאסי לא שוכנת תהום פעורה. נתיב הגיוני וברור מחבר ביניהם

קופנהגן, נמל

הנמל בקופנהגן. מכאן יצאה הבשורה הקוונטית לרחבי העולם. תצלום: ניקו טרינקהאוס

והנה עכשיו יש לנו תיאוריה כזאת. אמנם היא אינה שלמה, והגרסה החלקית שבידינו עדיין אינה מסלקת לחלוטין את המוזרוּת של הכללים הקוונטיים, אבל היא עוזרת לנו לראות מדוע הכללים האלה מובילים אל העולם שאנו חווים. היא מאפשרת לנו להתגבר על גישת ה"או... או..." שעיקרון המשלימוּת של בוהר כופה עלינו. מתברר שבין הקוונטי לקלאסי לא שוכנת תהום פעורה. נתיב הגיוני וברור מחבר ביניהם.

זאת מחשבה משונה, שמדידות הן משהו שצריך להסביר. המושג הזה נראה לנו פשוט כל כך שאיננו מעלים בדעתנו לשאול מה משמעותו. לכדור יש מיקום, או מהירות, או מסה. אני יכול למדוד את הדברים האלה, והדברים שאני מודד הם התכונות של הכדור. מה עוד יש לומר?

בעולם זה מיקומו של חלקיק הוא למעשה מערך שלם של מיקומים אפשריים – עד לרגע שבו מבחינים בו

אבל בעולם הקוונטי, המצב מורכב יותר. בעולם זה מיקומו של חלקיק הוא למעשה מערך שלם של מיקומים אפשריים – עד לרגע שבו מבחינים בו. ואותו דבר נכון לכל היבט אחר של החלקיק. כיצד ריבוי התכונות הפוטנציאליות של האובייקט הקוונטי הופך לקריאה אחת ויחידה של מכשיר המדידה? מה יש בו באובייקט שגורם למכשיר להצביע על התוצאה הספציפית הזאת? התשובה המודרנית מפתיעה: למרות מה שמקובל לחשוב, פעולת המדידה אינה מוביל לקריסת הקוונטיוּת ולמעבר לקלאסיוּת.

לאובייקטים הקוונטיים יש אופי גלי – כלומר, על פי התיאוריה ניתן לתאר אותם כאילו הם גלים, אף שמדובר בגלים יוצאי דופן. הם אינם נעים דרך חומר פיזי, כפי שקורה לגלים באוויר או במים. גלים אלה מקוּדדים באובייקט מתמטי טהור שנקרא פונקציית גל, שאותו ניתן להמיר להסתברויות המייצגות ערכים של מידות שבהן ניתן לצפות.

כפועל יוצא, חלקיקים קוונטיים (כמו פוטונים, אלקטרונים, אטומים ואפילו מולקולות שלמות) מסוגלים לייצר התאבכות – תכונה קלאסית של גלים, שמביאה שני שיאים של גלים להעצים זה את זה כשהם נפגשים, ואילו כאשר שיא פוגש בשפל של גל הם עלולים לבטל זה את זה. קשה לדבר על התופעה הזאת בלי לתת את הרושם שהחלקיקים עצמם הם גליים, והביטוי המטעה "דואליות גל-חלקיק" רק מגדיל את הבלבול. אבל מה שאנחנו רואים פה בפועל, בהיעדר מונח מוצלח יותר, הוא מאפיין של פונקציית הגל של החלקיקים (ולא של החלקיקים עצמם). כאשר אנו שואלים אם האובייקטים הקוונטיים האלה הם באמת חלקיקים או גלים, אנו מחמיצים את העיקר, כי שני המושגים האלה שייכים לעולם הקלאסי. הסיבה שהשאלה הזאת עולה למרות הכול, היא שאנחנו מנסים באופן אוטומטי להזריק קצת היגיון פשוט לתמונת העולם הקוונטית. אבל הדבר הזה שאנו מכנים "היגיון פשוט" הוא מאפיין של העולם הקלאסי, ואי אפשר לצפות שנוכל להשתמש בו למטרות קוונטיות.

התאבכות, סבון, בועה, התאבכות הורסת

התאבכות צבעונית על קרום של בועת סבון. הנקודות השחורות מראות את אזורי ההתאבכות ההורסת. תצלום: Natural Philo, ויקיפדיה

תופעות קוונטיות כמו התאבכות מסתמכות על תיאום (המונח הטכני הוא "קוהרנטיות") בין פונקציות הגל של ישויות שונות. אם הן אינן מתואמות, פותרים זאת בעזרת ממוצעים. הקוהרנטיות הזאת היא שמכשירה את הקרקע ליצירת סופרפוזיציה קוונטית, תכונה שלפיה החלקיקים יכולים להיות בשני מצבים או יותר בו-זמנית. שוב, הם לא באמת מצויים בשני מצבים בו-זמנית – פשוט איננו יודעים איך לתאר את המצב שלהם במובן הקלאסי. אבל אם פונקציות הגל של המצבים האלה קוהרנטיות, אז שני המצבים נשארים בבחינת תוצאות אפשריות של המדידה.

אם פונקציות הגל שלהם אינן קוהרנטיות, שני המצבים אינם יכולים להתאבך, וגם לא להימצא בסופרפוזיציה. אם כך, התהליך שנקרא דה-קוהרנטיות הורס את התכונות הקוונטיות היסודיות האלה, והמצבים מתנהגים באופן שדומה יותר למערכות קלאסיות מובחנות. אובייקטים מיקרוסקופים אינם מתאבכים ואינם קיימים כסופרפוזיציות, וזאת כיוון שאי אפשר לתאר אותם באמצעות פונקציות גל קוהרנטיות. זה – ולא גודלם של אובייקטים – הוא הקו המפריד בין ההתנהגות הקוונטית להתנהגות הקלאסית המוכרת לנו. הקוהרנטיות הקוונטית היא-היא הדבר שמגדיר קוונטיוּת מהי.

אבל מה גורם לדה-קוהרנטיות? התופעה הזאת מתרחשת בגלל היבט זנוח של הישויות הקוונטיות: הסביבה שלהן. התנהגותה והתפתחותה של המערכת הקוונטית עשויה להיות מושפעת במידה רבה מכך שהיא אינה קיימת בבידוד. הסביבה היא שמייצרת את הפיזיקה הקלאסית – את ההתנהגות המבוססת על "היגיון פשוט" – מתוך הבוץ הקוונטי.

לא ברור מדוע בוהר ועמיתיו לא הבינו את הדה-קוהרנטיות בימים הראשונים של המכניקה הקוונטית. הרי היא נשענת בסופו של דבר על העקרונות הקוונטיים הבסיסיים. ייתכן שהיא הוזנחה בגלל התנהגות מדעית נפוצה: חוקרים מבינים שהם יכולים להתמקד במערכת שמעניינת אותם, ולהתעלם מסביבתה לחלוטין או לראות בה רעש רקע שולי. בדרך כלל זה עובד. אבל זה לא עובד אם אנחנו רוצים להבין את הדברים המתרחשים בעולם הקוונטי.

היסודות לתיאוריית הדה-קוהרנטיות הונחו בשנות השבעים על-ידי הפיזיקאי הגרמני ה' דיטר צֶה (Zeh). אבל עולם הפיזיקה המשיך להתעלם עד שווייצֶ'ך ז'ורק (Żurek) מהמעבדה הלאומית האמריקנית בלוס אלאמוס פרסם, בעשור שלאחר מכן, שני מאמרים בנושא "תוכנית הדה-קוהרנטיות", והביא את הנושא לקהל רחב. ז’ורק, יליד פולין בעל רעמת תלתלים מרשימה, מפגין קור רוח ותמציתיות נוכח ההיבטים המדהימים של המכניקה הקוונטית שהוא חשף. אך השלווה הזאת אינה מפתיעה בהתחשב בכך שהוא למד אצל ג'ון וילר (Wheeler), הפיזיקאי האמריקני האגדי, שבעצמו עבד עם בוהר והיה בעל כישרון נדיר להומור יבש (הוא טבע את המונח "חור תולעת" והיה אחראי לכניסתו של מושג החורים השחורים לשימוש רחב).

חור תולעת

הדמייה של "חור תולעת", בין המכון לפיזיקה בטובינגן ובין דיונות בצפון צרפת. תמונה: CorbinZahn, ויקיפדיה

ז’ורק הפך לאחד האדריכלים של תורת הדה-קוהרנטיות ולאחד מחסידיה העיקריים, ותרם להפיכתה למושג המרכזי שמחבר בין העולם הקוונטי לעולם הקלאסי. החיבור הזה מתאפשר מכיוון שהקוהרנטיות הקוונטית מדבקת. אם אובייקט קוונטי אחד מקיים אינטראקציה עם אובייקט אחר, הם מרכיבים יחד סופרפוזיציה ובמובן מסוים הופכים למערכת יחידה. למעשה, לפי מכניקת הקוונטים זה הדבר היחיד שעשוי לקרות באינטראקציה מהסוג הזה. נהוג לומר ששני האובייקטים האלה "שזורים". אולי זה נשמע מפחיד, אבל זה בסך הכול מה שקורה כשמערכת קוונטית מקיימת אינטראקציה עם סביבתה – למשל כשפוטון של אור או מולקולת אוויר נתקלות בה. בעקבות האינטראקציות האלה, הקוהרנטיות מתפשטת אל הסביבה.

תיאורטית, זהו תהליך אינסופי. מולקולת אוויר שזורה פוגעת באחרת, והשנייה נשאבת למצב השזור. בה בעת, חלקיקים אחרים פוגעים גם במערכת הקוונטית הראשונית. עם הזמן, המערכת נעשית שזורה יותר ויותר בסביבתה, כלומר אי אפשר עוד לפרק אותה לישויות נפרדות.

התפשטות השזירה היא הדבר שהורס את הקוהרנטיות במערכת הקוונטית המקורית. מכיוון שסופרפוזיציה הופכת לתכונה המשותפת למערכת ולסביבתה, אי אפשר עוד להבחין בסופרפוזיציה רק על-ידי התבוננות במערכת המקורית, הפכה כבר לחלק קטן מתוך המצב המשותף הזה. אפשר לומר שמרוב עצים לא רואים את היער. בפועל, דה-קוהרנטיות אינה אובדן של הסופרפוזיציה והקוהרנטיות, אלא אובדן של יכולתנו להבחין בתופעות האלה במערכת המקורית.

רק על-ידי התבוננות קפדנית במצביהם של כל החלקיקים השזורים ניתן להסיק שהם בסופרפוזיציה. אבל איך נוכל לעשות את זה – לנטר כל פוטון שנתקל במערכת המקורית, כל מולקולת אוויר שמתנגשת בה ואז באחרות? פיסות הפאזל נפוצו לכל עבר ואבדו מכל בחינה מעשית, אף על פי שבעיקרון הן עדיין קיימות, וימשיכו להתקיים לנצח (כך מכניקת הקוונטים אומרת לנו, על כל פנים). זוהי תמצית הדה-קוהרנטיות: אובדן של קוהרנטיות בעלת משמעות (אישית). זהו תהליך הדרגתי ומוחשי המתרחש בקצב מוגדר.

פאזל

פאזל. תצלום: Matt Perich

מכניקת הקוונטים מאפשרת לנו לחשב את הקצב הזה, כדי שנוכל לבחון את תורת הדה-קוהרנטיות. סרז' הרוֹש (Haroche) ועמיתיו ב"אקול נורמל סופרייר" בפריז עשו זאת לראשונה ב-1996 כשמדדו דה-קוהרנטיות באטום שהוחזק במכשיר בשם "מלכודת אור" (light trap) וקיים אינטראקציות עם פוטונים. אובדן ההתאבכות בין מצבי האטום כתוצאה מדה-קוהרנטיות – כפי שחושב בהתאם לתורה הקוונטית – תאם את התצפיות הניסויים באופן מוחלט. ב-2003, צוות מאוניברסיטת וינה בראשות אנטון ציילינגר (Zeilinger) ומרקוס ארנדט (Arndt) ראו כיצד התאבכות נעלמת בין גלים קוונטיים של מולקולות גדולות. כדי לייצר את התופעה הזאת הם שינו את קצב הדה-קוהרנטיות על-ידי הזרמה הדרגתית של גז רקע לתוך התא שבו התרחשה ההתאבכות, כדי שמולקולות הגז יתנגשו עם המולקולות שבגלי החומר. גם כאן נמצאה התאמה בין התיאוריה לניסוי.

דה-קוהרנטיות היא תהליך יעיל להפליא – ככל הנראה התהליך היעיל ביותר שידוע לנו. לגרגיר אבק בקוטר מאית מילימטר המרחף באוויר, זה לוקח בערך 10-31 שניות: פי מיליון מהר יותר מאשר מעבר של פוטון לרוחבו של פרוטון יחיד! אפילו בבידוד הכמעט מוחלט של החלל הבין-כוכבי, הפוטונים של קרינת הרקע הקוסמית – טביעת הרגל של המפץ הגדול – שנמצאים בכל מקום, יגרמו לדה-קוהרנטיות של גרגיר כזה תוך כשנייה.

כלומר, מבחינת אובייקטים המתקרבים לגודל מקרוסקופי בתנאים רגילים, דה-קוהרנטיות היא גורל בלתי נמנע ומידי מכל בחינה מעשית: אי אפשר ליצור מצב שבו הם ימשיכו להיראות "קוונטיים". כאילו שחוקי הפיזיקה הקוונטית שבבסיס העולם תוכננו כך שיסתירו את עצמם מכל דבר שגודלו עולה על גודל אטום. כך אנו טועים לחשוב שהעולם הוא כפי שאנו חווים אותו. אבל אם בוחנים את הטבע לעומק, אפשר לראות מה באמת מתרחש.

שימו לב שאין שום קשר בין דה-קוהרנטיות לבין "תצפית" במובנה הרגיל. כדי להפוך את הקוונטי לקלאסי אין צורך במוח בעל תודעה שימדוד או יתבונן. יש צורך רק בסביבה מלאה בדברים. היקום ימשיך להתבונן, איתנו או בלעדינו.

עם זאת, אובדן הסופרפוזיציה וההתאבכות כתוצאה מדה-קוהרנטיות הוא רק החלק הראשון של תיאוריית המדידה הקוונטית. יש להסביר גם למה מכשירי המדידה הקלאסיים מתעדים את הערכים שהם מתעדים. ההגדרה שלנו למצב של סופרפוזיציה תלויה באופן שבו אנו מחליטים לכתוב את המתמטיקה שבדבר. מנקודת מבט קוונטית, כל המצבים הם פתרונות תקפים בה במידה למשוואות. אז למה חלק מהמצבים האלה שורדים את הדה-קוהרנטיות ומתורגמים לקריאות חד-משמעיות במכשירי המדידה, קרי ל"מצבי הצבעה" (pointer states), בשעה שאחרים אינם שורדים? למה אנחנו רואים את מצבי ההיגיון הפשוט האלה, אבל לא את הסופרפוזיציות הבלתי ניתנות לחישוב?

משקל, מאזניים

משקל. תצלום: רוהיט מאטו

יש שני חלקים לתשובה. ראשית, מתברר שאינטראקציות עם הסביבה הגורמות לדה-קוהרנטיות, אינן רומסות את הקוונטיוּת בלי הבחנה, אלא בוררות מצבים בעלי תכונות מתמטיות מסוימות של סימטריה ונפטרות מכל השאר. ז'ורק מכנה זאת בשם "ברירה בהשפעת הסביבה", או "einselection". "הסביבה אינה מתפקדת רק כמזבלה", הוא אומר, "אלא גם כערוץ תקשורת".

כשאנו קובעים מה מיקומו של אובייקט, או מודדים כל תכונה אחרת שלו, איננו מזהים את האובייקט עצמו, אלא את ההשפעה שלו על הסביבה

אבל כדי שנוכל למדוד מצב קוונטי, לא מספיק שהוא ישרוד את הדה-קוהרנטיות. הישרדות משמעותה שהמצב מדיד – אבל אנחנו עדיין צריכים להגיע למידע הזה כדי לזהות את המצב. לכן אנו צריכים לשאול איך המידע נעשה זמין לנסיין (מי בכלל חשב שאפשר לדבר כל כך הרבה על פעולת התצפית?).

הנה התשובה המלהיבה: האינטראקציה של המערכת הקוונטית עם הסביבה היא הסיבה שבגללה היא מותירה חותם כלשהו במכשיר המדידה הקוונטי. אילו היינו יכולים, בעזרת מכשיר מופלא כלשהו, לתעד את מסלוליהן של כל מולקולות האוויר המתנגשות בגרגיר אבק, היינו יכולים להבין איפה הגרגיר נמצא בלי להביט בו ישירות, כיוון שהיינו יכולים אז לנטר את החותם שהגרגיר מותיר על הסביבה במקום לעקוב אחריו. וזה, ביסודו של דבר, מה שאנחנו עושים כשאנו קובעים מה מיקומו – או מודדים כל תכונה אחרת – של דבר כלשהו: איננו מזהים את האובייקט עצמו, אלא את ההשפעה שלו על הסביבה.

לא זאת בלבד שהמפגש בין אובייקט לסביבתו מחולל דה-קוהרנטיות, אלא שהוא גם מחתים בסביבה מידע לגבי האובייקט, ובכך מייצר מין העתק שלו. זאת אומרת שמדידה של אובייקט היא איסוף מידע מההעתק הזה.

סקייטבורד

אובייקטים ובעיית מדידה: גלישה בסקייטבורד. תצלום: Karen

ניתוח תיאורטי מפורט של דה-קוהרנטיות, שביצעו ז'ורק ועמיתיו, מלמד שמצבים קוונטיים אחדים טובים יותר מאחרים בייצור ההעתקים האלה: הם מותירים עִקבה עמוקה יותר, כלומר עותקים רבים יותר. המצבים ה"עמוקים" האלה הם המצבים שאנחנו יכולים למדוד, אלה שבסופו של דבר מצליחים לחלץ לעצמם חותם קלאסי ייחודי מתוך הבוץ הקוונטי. אפשר לומר שרק המצבים "הכשירים" ביותר שורדים את תהליך הדה-קוהרנטיות על-ידי יצירת שפע עותקים בסביבה. ז'ורק מכנה את התיאוריה הזאת בשם "דרוויניזם קוונטי".

כמו בטבע, הכשירוּת נקבעת כאן גם על-ידי הישות וגם על-ידי הסביבה. סביבות אחדות טובות בגרימת דה-קוהרנטיות לאובייקט קוונטי אבל לא בשימור העתקים מהימנים וברורים שלו. כך קורה בהתנגשויות של מולקולות אוויר. אמנם נוכל לשחזר את מיקומו של אובייקט לפי מסלוליהן של מולקולות האוויר הנתקלות בו, אבל רק אם נצליח לאסוף את המידע הזה לפני שהתנגשויות של מולקולות נוספות יטשטשו אותו.

פוטונים, לעומת זאת, טובים הרבה יותר בשימור החותם הסביבתי כי הם אינם נוטים לקיים ביניהם אינטראקציות לאחר שהם נתקלו באובייקט, ולכן המידע שהם נושאים עמם אינו מיטשטש בקלות רבה כל כך. אין זה מקרה שאורגניזמים רבים משתמשים בראייה כדרך אמינה לאסוף מידע על סביבתם! ריח, המסתמך על מעבר של מולקולות ריחניות באוויר הסואן, אינו יעיל באותה מידה. יש בעלי חיים שמשתמשים בו כשהראייה יעילה פחות (בלילה, למשל), אבל הרחרחנים האלה נאלצים אז לזהות שובלי ניחוחות שתועים באוויר ומתפזרים, ואינם יכולים להסתפק בזיהוי חזותי של המטרה.

[

פוטונים, אור, קשת בענן

"פוטונים שנותרו משבירה של קשת בענן", תצלום: These are my photons

ז'ורק ועמיתו ג'ס רידל (Riedel) הצליחו לחשב כמה מהירה וכמה נרחבת תפוצת העותקים הקוונטיים במספר מצבים פשוטים, כמו גרגיר בריק מוצף אור שמש. הם גילו כי לאחר שגרגיר אבק בקוטר מיקרומטר אחד מואר למיקרו-שנייה אחת בלבד, מיקומו "יוחתם" כמאה מיליון פעם בפוטונים שהתנגשו בו.

ריבוי העקבות הזה הוא הסיבה שבגללה נדמה לנו שלאובייקטים יש תכונות קלאסיות אובייקטיביות. עשרה צופים, למשל, יכולים למדוד בנפרד את מיקומו של גרגיר האבק ולהגיע להסכמה. כל תצפית מכלה העתק שונה של הגרגיר שהוחתם בפוטונים שחזרו ממנו. אז למה אנחנו יכולים לייחס לגרגיר מיקום אובייקטיבי? לא כי באמת יש לו מיקום כזה (וכלל לא משנה איך תגדירו "יש לו"), אלא בגלל שמצב המיקום שלו מותיר בסביבה העתקים רבים שאי אפשר להבחין ביניהם. מתברר שההיגיון הפשוט שלנו מעוגן בתורה הקוונטית, אף שהקשר בין השניים אינו פשוט כלל.

לתמונת העולם הזאת יש תוצאה משונה לכאורה: כשאנחנו מודדים תכונה של מערכת על-ידי בחינת ההעתק שהיא השאירה בסביבה, אנחנו הורסים את ההעתק. האם ייתכן שנחסל את כל העותקים על-ידי מדידות חוזרות ונשנות, עד שלא נוכל עוד להבחין במצב? אכן כן: בסופו של דבר מדידות רבות מדי מעלימות, לכאורה, את המצב עצמו.

למשל, אי אפשר להביט ככל שנרצה בציור של אחד הציירים הגדולים, כיוון שהפיגמנטים ידהו באור רב מדי: אנחנו נשנה את מצבם

אך אל לנו להתבלבל בגלל מספרם הסופי של ההעתקים. הסופיוּת הזאת בסך הכול אומרת לנו שאם נמשיך להתעסק במערכת כדי לגלות מה תכונותיה, נגרום לה בסופו של דבר לשנות מצב. וזה דבר שתואם לגמרי את החוויה שלנו. אנחנו אמנם יכולים להביט ככל שנרצה בספל קפה בלי לשנות אותו באופן מהותי. אבל אי אפשר לעשות את זה עם ציור של אחד הציירים הגדולים, כיוון שהפיגמנטים ידהו באור רב מדי: אנחנו נשנה את מצבם. אם בוחנים משהו קטן מספיק, כמו אלקטרון, באופן ממושך ובלי הפסקה, לכל פוטון שפוגע בו וחוזר יש משמעות – כך שלא נצטרך למצוא העתקים רבים לפני שנבחין במצב שונה.

כלומר, העיסוק הפיזי באובייקט אכן עשוי לשנות אותו, אבל הדרוויניזם הקוונטי אומר לנו, ביסודו של דבר, שזה אינו לב העניין: תהליך איסוף המידע הוא שמשנה את התמונה. באמצעות דה-קוהרנטיות, היקום "מקליט קטעים נבחרים" מהעולם הקוונטי, ולקטעים האלה יש בדיוק את אותם מאפיינים שאנו מצפים להם בעולם הקלאסי. אנחנו באים וגורפים את המידע – ועל הדרך הורסים אותו, עותק אחר עותק.

חמניות, ואן-גוך

אם נביט בהן יותר מדי, הן ייעלמו: "אגרטל עם 12 חמניות", וינסנט ואן-גוך (1888), Neue Pinakothek, מינכן. תצלום: ויקיפדיה

דה-קוהרנטיות אינה פותרת לחלוטין את חידת המכניקה הקוונטית. הבעיה המרכזית היא שאף על פי שדה-קוהרנטיות מלמדת אותנו כיצד התכונות האינהרנטיות של פונקציית הגל הקוונטית נושרות ממנה עד שאנו נותרים עם תוצר "קלאסי", היא אינה מסבירה את סוגיית הייחודיות: למה מתוך כל תוצאות המדידה האפשריות ששורדות את הדה-קוהרנטיות, אנחנו רואים רק אחת. יש חוקרים שמרגישים מחויבים להוסיף את זה כאקסיומה לתיאוריה (ואפשר אף לומר אקסיומה "סופר-הגיונית-ופשוטה"): הם מגדירים את המציאות כמכניקת הקוונטים פלוס ייחודיות.

אף-על-פי-כן, הודות לתיאוריית הדה-קוהרנטיות, כבר איננו חייבים לראות במדידה הקוונטית מין אירוע קסום ומסתורי שמפיק ידע טהור. יש לנו תיאוריה מתמטית שמסבירה איך המידע יוצא מהמערכת הקוונטית ונכנס למכשיר המקרוסקופי. אנחנו יכולים להשתמש בתיאוריה הזאת כדי לחשב את מהירות התהליך ואת עומק  "העקבה" שהוא מותיר. סוף סוף יש לנו תיאוריה של מדידה. יתרה מזאת, זוהי תיאוריה שאינה מעניקה לצופה המודע מעמד מיוחד. בכך היא מפוגגת את ההילה המיסטית שאופפת את מכניקת הקוונטים.

כבר אין צורך בחלוקה השרירותית של בוהר בין העולם המיקרוסקופי, שם מכניקת הקוונטים שולטת, לעולם המקרוסקופי, הקלאסי בהכרח. עכשיו אנחנו מבינים שמדובר ברצף, ולא זאת בלבד, אלא שהפיזיקה הקלאסית אינה אלא מקרה פרטי של הפיזיקה הקוונטית. וכפועל יוצא: ההיגיון הפשוט הוא פיתוח ישיר, והגיוני לגמרי, של ההיגיון הקוונטי.

תיאוריית המדידה הקוונטית היא היפוך של צורת הפעולה הרגילה של המדע. בדרך כלל אנחנו מקבלים את ההיגיון האנושי הפשוט ואת החוויה האנושית כדברים מובנים מאליהם, וגוזרים מהם התנהגויות פיזיקליות יסודיות. נכון, לפעמים הדברים שאנחנו מגלים רחוקים מאוד מההיגיון הפשוט – המודל ההליוצנטרי, בוזון היגס, חורים שחורים וכו'. אבל בדרך כלל אנחנו מגיעים למסקנות האלה לאחר שהנחנו כי יש מערכת יחסים פשוטה בין מה שאנחנו מודדים לבין מה שקיים בעולם.

תיאוריית הדה-קוהרנטיות אינה מקבלת את תפישת המדידה הפשוטה הזאת כדבר מובן מאליו. כצעד ראשון היא מקבלת את ההנחה שהחוקים הקוונטיים מושלים בעולמנו – הנחה שעל פניה נראית כאילו היא מנוגדת לחוויה האנושית. אחר כך היא נעה מלמטה למעלה כדי לראות אם היא מצליחה לשחזר את ההיגיון הפשוט. למרבה הפלא, היא אכן מצליחה בכך.

זאת הסיבה שאפשר לומר כי תיאוריית המדידה הקוונטית היא תיאוריה של היגיון פשוט, הרי דה-קוהרנטיות מסבירה את מקורותיו של ההיגיון הפשוט שלנו – הוא רק צומח מתוך עקרונות שנראים רחוקים מאוד מהשכל הישר. אם כך, האתגר של כולנו הוא לפייס בין ההיגיון הפשוט האינסטינקטיבי שלנו לבין מקורותיו הקוונטיים. אבל איננו צריכים להמשיך ולחשוב שיש סתירה בין השניים. לא רק שהם עקביים, אלא שהם קשורים זה לזה בקשר בל-יינתק.

נתנחם בידיעה שהעימות בין הקלאסי לקוונטי אינו מצוי בעולם הפיזיקלי עצמו, אלא במוחנו בלבד.

 

אם הגעת עד לכאן....

יש לנו בקשה. "אלכסון" ניתן לכם חינם. כתב העת הוא מקום של קריאה שקטה וטיפוח של אנושיות, מפלט מן ההמולה והרעש. לכן החלטנו שלא יהיו ב"אלכסון" פרסומות או הודעות חסות, ובכך ויתרנו על הכנסה שכתבי עת נסמכים עליה לקיומם. אכן, הפקת כתב עת כזה דורשת השקעה רבה של עבודה וכסף. לכן אנו זקוקים לכם: בואו, תמכו באלכסון והבטיחו את הקיימות של כתב העת.

לתמוך באלכסון

פיליפ בוֹל (Ball) הוא עיתונאי מדע בריטי. מאמריו התפרסמו במגזינים שונים, בהם Nature, New Scientist ו-Prospect. ספרו האחרון הוא Invisible: The Dangerous Allure of the Unseen (משנת 2014).

AEON Magazine. Published on Alaxon by special permission. For more articles by AEON, follow us on Twitter.

תורגם במיוחד לאלכסון על ידי תומר בן אהרון

תמונה ראשית: "היבטים קוונטיים", תצלום: מקסים לה קונט דה פלרי, unsplash.com

Maxime Le Conte des Floris

מאמר זה התפרסם באלכסון ב על־ידי פיליפ בוֹל, AEON.


תגובות פייסבוק

> הוספת תגובה

5 תגובות על קוונטי ולא במקרה

01
תמר נ.

מאמר מרתק, ולא פחות חשוב: ערוך לשונית באופן מקצועי וקפדני. זהו עניין נדיר במיוחד במקומותינו, ואין להקל בו ראש. תודה רבה לעוסקים במלאכה!

02
רזי

קראתי את המאמר והוא כתוב ברמה גבוהה מדי לאנשים שאינם פיסיקאים, גם אם הם עורכי דין או רואי חשבון מוצלחים, לכן אם אפשר לערוך מאמר נוסף בלשון קוהרנטית אבל בהסבר התחלתי יותר על ההבדלים בין הפיסיקה הקלאסית לפיסיקה הקוונטית. תודה

    03
    כלכלן

    מילא לא להבין אבל להחמיא לעצמך (עו"ד\רו"ח מוצלח ?!) תו"כ זה כבר משהו אחר.

    אנסה להמשיל את המאמר לחשיבות העצמית שלך. במובן הקוואנטי אתה רואה את עצמך כמי שיכל להיות כל מה שהוא רוצה (סופרפוזיציה) במובן הקלאסי אתה רק עו"ד\רו"ח עקב נסיבות הסביבה כמובן. :)

זה בהחלט אחד ההסברים המרתקים והמקיפים ביותר שקראתי בנושא. בכל הספרים שקראתי בעבר היללו את שיטת ההשלמה של בוהר כהסבר הטוב ביותר למוזרות הקוואנטית, והנה בא הסבר הרבה יותר טכני ומציאותי ופחות פילוסופי בהשוואה לגישה של בוהר ("ככה זה").