ידענים: פיסיקה קוונטית

מאת 22 באוגוסט 2010 41 תגובות

מזה זמן-מה הפיזיקאים העוסקים בפיזיקת הקוואנטים מנסים במעבדות לקבוע שיש גבול לעקרון אי הוודאות של הייזנברג. פירושו שיש גבול הייזנברג או גבול קוואנטי, גבול עד כמה ניתן לדחוס כמות מדידה אחת על חשבון האחרת. מודדים בצורה מדויקת יותר משהו אחד כדי לקבל עליו יותר מידע

נקודות קוונטיות בגרפן. צילום: אוניברסיטת רייס

נקודות קוונטיות בגרפן. צילום: אוניברסיטת רייס

בעולם הקוואנטי, הדברים נוטים לקטון לאין שעור והדיוק של המדידות נעשה חמקני יותר ויותר. עקרון הייזנברג מגביל את יכולתנו למדוד חלקיקים בעולם הקוונטי. כאשר רוצים למדוד משתנה אחד של החלקיק, כמו למשל המיקום, לא ניתן למדוד משתנים אחרים באותה רמת דיוק, כמו התנע. נכנסת רמת אי ודאות זעירה לאחת מהמדידות או לשתיהן.

פול דיראק הסביר את ההיגיון הפיסיקאלי העומד מאחורי עקרון אי הוודאות: אחת הדרכים היחידות למדוד את מיקומו של החלקיק היא על ידי הפגזתו בפוטון. במצב זה נראה היכן הפוטון יופיע על הגלאי ובאיזה אופן הוא פגע בו. האופן שבו הפוטון פגע בגלאי לגמרי יתאר את המיקום של החלקיק, אולם עצם הפגיעה של הפוטון בגלאי משנה מיד ובצורה בלתי נמנעת את המדידה של תנע החלקיק.

עתה ננסה למדוד את התנע של החלקיק. שוב גם כאן, מדידת התנע בשיטה זו תשנה באופן בלתי נמנע את מיקום החלקיק. בגלל צימוד זה, לפי עקרון הייזנברג זה בלתי אפשרי לדעת בו-זמנית ובוודאות, או לדרגת דיוק גבוהה מאוד, זוגות של משתנים מסוימים שמשפיעים זה על זה.

אך טבעי היה להוסיף למרקחה את השזירה הקוונטית. כאשר שני חלקיקים הם שזורים, אם רוצים לדעת משתנה של אחד מהחלקיקים, פונקצית הגל של שני החלקיקים קורסת. דבר זה מוביל לערכים סופיים למשתנים הקשורים בבעיה.

בצר להם, לאור עקרון אי הודאות של הייזנברג, הפיסיקאים ניסו להגדיל עד כמה שניתן את רמת הדיוק של מדידת כמות אחת על חשבון זו האחרת. מזה זמן-מה הפיזיקאים העוסקים בפיזיקת הקוואנטים מנסים במעבדות לקבוע שיש גבול לעקרון אי הוודאות של הייזנברג. פירושו שיש גבול הייזנברג או גבול קוואנטי, גבול עד כמה ניתן לדחוס כמות מדידה אחת על חשבון האחרת. מודדים בצורה מדויקת יותר משהו אחד כדי לקבל עליו יותר מידע. מגדילים את הודאות בכמות אחת, כמו למשל המיקום או גודל המהירות ודוחסים את הכמות על חשבון כמות אחרת. אם דוחסים את הודאות של כמות אחת שבה מעוניינים, אי הודאות של התכונה, או הכמות המשלימה האחרת באופן בלתי נמנע גדלה.

אולם בכל זאת, החלום הרטוב של הפיסיקאים היה מאז ומתמיד להביס את הרעש הטורדני הבלתי נמנע הנובע מעקרון אי הוודאות. דומה שלפני חודש, בסוף יולי חלום זה כמעט והתממש. כמעט, כי הוא התממש אך ורק בתיאוריה. המימוש הניסויי עוד רחוק ובינתיים בניסוי עקרון אי הודאות שריר ותקף. אבל בתיאוריה – כלומר במסגרת הנוסחאות המתמטיות – מתואר מצב קונסיסטנטי ואפשרי, מעין גדענקאן אקספרימנט, שבו עקרון אי הודאות מופר.

באחד מכתבי העת של נייצ'ר, נייצ'ר פיזיקס, התפרסם מאמר מאת קבוצת חוקרים מציריך, גרמניה ומקנדה. הקבוצה הראתה, שאם שוזרים חלקיק יחד עם זיכרון קוונטי ואחר כך מודדים את אחד מהמשתנים של החלקיק, למשל את מיקומו, מצב ניסויי זה מעביר את הזיכרון הקוונטי למצב משלים שניתן למדוד אותו. דבר זה אפשר לקבוצה לבצע את הדבר שנחשב מזה זמן רב לטריפה במונחים של חוקי הפיסיקה: החוקרים מסוגלים לגלות את המצב של זוגות מסוימים של משתנים באותו הזמן המסוים בוודאות חסרת תקדים.
החוקרים השתמשו בהליך השזירה הקוונטית: הם הבינו שהם יוכלו ליטול שני חלקיקים, החלקיק והזיכרון הקוונטי, כדי לגלות מהו המצב השלם של חלקיק אחד ואף, יוכלו למדוד משתנים בלתי תואמים כמו מיקום ותנע. המדידות עשויות לא להיות מדויקות להפליא, אבל ההליך מסוגל לאפשר את המהלך של הבסת עקרון אי הודאות של הייזנברג.

במערכת – שזירת חלקיק עם זיכרון קוונטי – כל המצבים וכל דרגות החופש בחלקיק יהיו קשורים לכל מצבי הזיכרון הקוונטי. ברגע ששזרו אותם יחד ואחר כך הם הופרדו, צופה שיבצע מדידה באחת מתכונות החלקיק, ואחר כך יאמר לשומר על הזיכרון הקוונטי איזה משתנה הוא מדד. בתיאוריה, צריכה להתקיים מדידה של הזיכרון הקוונטי שתניב את אותה התוצאה כמו המדידה שבוצעה על החלקיק. בזיכרון הקוונטי לא יתקיים יחס אי ודאות בין המדידה לכל משתנה בלתי תואם, מה שיאפשר לצופים לצפות במדידות מדויקות של שני משתנים בלתי תואמים באותו רגע זמן בדיוק.

המאמר בנייצ'ר (דרושה סיסמה)

גרפים המצורפים למאמר

41 תגובות ל “מכניקת הקוונטים: האם בתיאוריה עקרון אי הודאות עומד להיות מופרך?”

  1. ארז

    שלום אשמח לקבל תשובה בקשר האם בתיאוריה עקרון אי הודאות עומד להיות מופרך אפשרי ???? שעקרון אי הודאות לא נכון האים העקרון הזה הוא כלל יסוד שלא ניתן להפריך

  2. אהוד

    תמיד נעים לקבל תשובה עינינית…

    אגב העובדה שאדם כותב את שמו המלא ופרטיו ברשת אינה ערובה לכך שהדברים בהם הוא מתהדר נכונים או אפילו קרובים לאמת.

  3. גלי וינשטיין

    אהוד,

    אתה מעייף אותי בניסיונות החוזרים ונשנים שלך למצוא מתחת לאדמה דברים כדי להראות שאני לא מבינה דבר.
    זו פעם אחרונה שאני אגיב לך ואני לא אגיב לך יותר כי אני לא מעוניינת לרדת לרמת הכפשות!
    דרך אגב, כל מי שמגיב באתר שלי ברשימות האתר אוטומטית רושם את ה-IP של המחשב שלו. זה לא לגמרי אנונימי שם.

  4. משתמש אנונימי (לא מזוהה)

    בתי הספר זה לטיפשים. מי שבאמת חכם- לומד לבד.

  5. גלי וינשטיין

    בבית הספר יש תוכנית לימודים מוגדרת של משרד החינוך. בכיתת מחוננים לומדים את אותה תוכנית הלימודים בדיוק, רק מתקדמים יותר מהר. את כל שאר הדברים לומדים באוניברסיטה.
    אני למדתי בבית ספר של אידיוטים. ובכיתה י"ב כמעט ולא הייתי בכיתה.
    את הילדות שלי ביליתי בחולות של תל אביב, טיפסתי ושיחקתי קלאס וכדור מדרכות: היינו זורקים את הכדור לצד השני של המדרכה והמדרכה הייתה מחזירה את הכדור. היום אסור לעשות את זה. אבל אז מי שם לב.
    מה שכן בילדות ביליתי בנוער שוחר מדע באוניברסיטת תל אביב – ניצוץ לזה שהיה לי קצת שכל 🙂

  6. נצר זיידנברג

    גלי אני לא יודע באיזה בית ספר למדת.

    בכיתת מחוננים בתיכון אילון (פרויקט של 10 שנות לימוד בכיתות מחוננים), תלמידים שסיימו בגרות 5 יחידות במתמטיקה כימיה ופיסיקה לא דיברו איתנו על זה.

    וגם לא על קונספטים פשוטים יותר למשל הגדרה של גבול או שדה או מרחב וקטורי או קונספטים טכנים כמו כפל מטריצות או ליכסון של מטריצה.

    כמובן יכול להיות שהמצב היום טוב יותר (אני סיימתי תיכון ב96) אבל איכשהו ניראה לי שההפך הוא הנכון.

  7. גלי וינשטיין

    אהוד,
    ראיתי שהגעת לאתר שלי… חן, חן.
    אני אסביר לך קצת. יש כותרת עיתונאית ויש כותרת מדעית. בדרך כלל לידיעות חדשותיות נותנים כותרת עיתונאית, שהיא שונה מהכותרת המדעית. הכותרת המדעית היא "עקרון אי הודאות בנוכחות זכרון קוונטי". אם אני אתן כותרת מדעית כזו לידיעה חדשותית אף אחד לא יבין במה מדובר.
    חוקרים ומדענים מבצעים מחקרים במדע אבל פוזלים על התקשורת…
    אני אסביר לך קצת איך עובדת התקשורת: נייצ'ר עושה קצת מסע פרסום לפני פרסום המאמרים הטכניים אצלו. פעם פרסמתי על זה כתבה בעיתונות, תחפש תחת שמי. יש עניין של זכויות יוצרים והמחבר חותם על זכויות יוצרים וגם נייצ'ר אבל יש פרצה שנוגעת לאינטרנט.
    נייצ'ר מפרסם את המאמר ואז באים כל מיני עיתוני אינטרנט חדשותיים ומדווחים עליו. יש סודות של המקצוע שאני לא אגלה לך כאן לגבי הדיווח החדשותי על המאמר שמתפרסם. אבל לחוקרים זה חשוב שמדווחים על המאמר שלהם כי זה פרסום. הם הרבה פעמים שמים באתר שלהם את הדיווח בכתבי עת כמו סייאנטיפיק אמריקן וכתבי עת חשובים אחרים.
    אז ניקח את המאמר הנדון. הכותרת היא "עקרון אי הודאות בנוכחות זכרון קוונטי". אבל החוקרים כתבו מאמר שבעצם יש לו מסר תיאורטי בלבד. אולי פעם בעוד 50 או יותר שנה נוכל ליישם זאת טכנולוגית ויתכן שאף פעם לא – כי זה אולי לא מעניין ויתכן שאין לרעיון שלהם בכלל יישום טכנולוגי.
    והשאלה הכי חשובה כאן היא: מה זה זכרון קוונטי? קיוביט? מה זה? הם לא מגדירים למה הם מתכוונים בכלל במאמר. זה הכל גדאנקן אקספרימנט וניסוח מתמטי.
    אז המאמר שהם פרסמו למעשה נועד לעשות קצת רעש. הם בעצמם מכנים את ניסוי המחשבה שלהם "משחק אי הודאות" והמשחק הזה נועד להדגים שניתן להקטין את אי הודאות במצב מסוים כך שניתן יהיה למדוד שתי כמויות קומפלמנטריות בו-זמנית. וזה הרעש שהם רוצים ליצור בתקשורת.
    ואם לא אומרים שבמצב ניסויי (תיאורטי) מסויים ניתן למדוד שתי כמויות קומפלמנטריות בו-זמנית בודאות בלתי רגילה אז חבל על הזמן לדווח על המאמר שלהם. כי אז הוא לא מעניין בכלל. ומה פירושו של דבר שניתן למדוד שתי כמויות קומפלמנטריות – כמו המיקום והתנע בו זמנית בודאות בלתי רגילה?

  8. אהוד

    גלי

    את עושה עבודה חשובה בדווח על חזית המדע. כל מה שטענתי הוא שמי שעוסק במדע בתחום מסויים יש לו יותר כלים לתאר את הנעשה בחזית.

    הבעיה בכתיבה המדעית עצמה של מאמרים (ולא דווח עיתונות עליה) הינה שהכתיבה תמצתית היא מניחה ידע מוקדם (לימוד של מספר רב של שנים ) של הקורא. כדי לתאר את חזית המדע יש צורך בעדכון מהיר של הקורא במידע חלקי רב שיאפשר לו לראות ולו קצת מהתמונה. הכותב צריך להיות מסוגל
    1. לכתוב טוב (כפי שאת עושה).
    2. להכיר טוב את התחום ולהיות בעל ניסיון קרי עבודה בתחום המדעי הספציפי.
    3. לדעת מה השאלות המעניינות בתחום ולמה הן מעניינות ולדעת להסביר זאת (1).
    4. לדעת מי הן הקבוצות העקריות בתחום מה הן השיטות שבהן עובדות ולאילו השגים הם הגיעו.
    5. יתרון נוסף הוא הכרה של ההיסטוריה של המדע (כפי שיש לך) ידע זה מאפשר לשים את המחקר בפרספקטיבה רחבה יותר.
    רשימת הדרישות הללו הן הרבה יותר ממה שניתן לדרוש מכותב מקצועי שעינינו בדווח אבל לו אנשי מדע היו טורחים לנסות להסביר את תחומם בצורה ברורה יותר לציבור הרחב היו שני הצדדים יוצאים נשכרים מכך.

    מעבר לכל מה שאמרתי יש להזהר בהצגת עצמך כמומחה בתחום מסויים. האם את באמת מומחית ביחסות פרטית וכללית? עברי על רשימת התנאים שכתבתי האם יש את מקיימת את רובם?
    האם כתבת בנושאים אילו עבודות מדעיות? האם יש לך יותר מידע היסטורי על התחומים הללו? האם את מסוגלת לתאר מה הן הבעיות העקריות בתחומים הללו כיום? לדוגמא: מדוע תורת היחסות הכללית אינה מתיישבת עם תורת הקוונטים או אילו תורות יחסות אלטרנטיביות לזו של אינשטיין מחפשים היום ולמה? איך גילו תצפתית כי היקום מאיץ ומדוע יש בעיה לייחס האצה זו לאנרגיית הואקום? אם את יכולה לענות כן על רוב השאלות הללו הרי שאת יכולה להקרא מומחית ביחסות פרטית וכללית (לפחות בעיני).

  9. גלי וינשטיין

    אני לא יכולה לספר על העבודה מעבר למה שכתוב במאמר בנייצ'ר פיסיקס. אני לא מומחית לאינפורמציה קוונטית. אני עוסקת בתורת היחסות הפרטית והכללית. וזו המומחיות שלי. אבל זה מספיק כדי לדווח על מאמר פיסיקאלי בצורה מדוייקת כפי שהמאמר עצמו כתוב.
    באתר הידען כאן מביאים מאמרים שמדווחים על חדשות מדעיות ולא עוסקים בשאלות בסיסיות ביסודות מכניקת הקוונטים. ולכן אני דווחתי בדיוק את מה שכתוב במאמר והדיווח שלי הוא קונסיסטנטי.
    עכשיו אתה יכול להתווכח עם החוקרים ולא להסכים איתם ולהדגים היכן הם שגו. זה לא אומר שגם אני מסכימה איתם. אבל ככתבת אני מדווחת את מה שכתוב במאמר של החוקרים. זהו דיווח עיתונאי ולא הבעת דעה אישית שלי.
    ולגופו של עניין לגבי עקרון אי הודאות.
    קודם כל מבחינה היסטורית עקרון אי הודאות לא הוצע כמשפט מתמטי במרחב הילברט. ב-1926 שרדינגר כתב מאמרים על מכניקת הגלים ואילו הייזנברג וג'ורדאן ובורן הציע מכניקת מטריצות. דיויד הילברט כתב ספר ושרדינגר עדיין לא הכיר אותו. משוואת הגלים של שרדינגר הייתה כתובה בצורה מאוד פשוטה ואז שרדינגר פרסם מאמר: "על הקשר בין מכניקת הקוונטים של הייזנברג-בורן-ג'ורדן לשלי". ואז פונקצית הגל קבלה פירוש חדש. הייזנברג נסע לקופנהגן לבוהר בגלל הבעיות במכניקת המטריצות, הפירוש של בורן לפונקצית הגל והעובדה שמכניקת הגלים של שרדינגר עמדה להיות זו השלטת.
    כך נולד עקרון אי הודאות. מרחב הילברט הוא מרחב וקטורי – כאשר עוסקים באופרטורים במרחב וקטורי מדברים על מרחב הילברט.
    מבחינה היסטורית הגדרת עקרון אי הודאות כמשפט מתמטי במרחב הילברט היא התפתחות מאוחרת, אחרי שעקרון אי הודאות נוסח ב-1927 על ידי הייזנברג בצורה שמלמדים אותה בתיכון בכיתה יוד או י"א.

  10. גיא

    אבי:

    אין לך מה לחשוש מזכויות היוצרים. החומר מקורי (ומבוסס על סיפור אמיתי).

  11. אהוד

    גלי

    את לא כתבת את המאמר את מקיסימום עורכת את מה שנכתב. יכול להיות שמה שכתבת מדויק ביותר אבל אין בו יותר אינפורמציה מאשר במאמר עצמו. שוב את עושה עבודה חשובה של להביא ידיעות לציבור הרחב אבל אני סבור כי היה רצוי כי גם מדענים ישקיעו מזמנם ויספרו על העבודות שלהם.

    השאלה הבסיסית לא הוצגה לא אצלך ולא במאמר המקורי. עקרון אי-הודאות אינו ספקולציה מדעית אלא הוא מוכח מתמטית תחת הנחות מסוימות. ההנחות הן טכניות: מצבים קוונטים מתוארים במרחב הילברט ואופרטורים במרחב הילברט מייצגים גדלים מדידים. תחת ההנחות הללו אי-אפשר לסתור את עקרון אי-הודאות כי הואפשוט משפט מתמטי. השאלה הבסיסית והנקודה שיש להציג הוא מה פסול בהנחות שלומד כל תלמיד תואר ראשון? מדוע ההוכחה המתמטית אינה תקפה? שאלה נוספת היא מה המשמעות הפיסיקלית של כך. ולבסוף אם כותבי המאמר טוענים טענה על העולם למה הם לא מסוגלים לבצע ניסוי שיאושש אותה?
    לטעמי הדוקטורנט לאופטיקה קוונטית היה יכול בנקל לשפוך אור על השאלות הללו והתגובה שהוא זכה לה באתר אינה מחמיאה בעליל.

  12. גלי וינשטיין

    אהוד,
    מה קרה? הסיפור של גיא נורא נחמד.
    במיוחד בשבילך כתבתי את המאמר שוב ופרסמתי אותו באתר שלי. אהוד, נו באמת…. 🙂
    מה קרה לך, המאמר שפרסמתי באתר שלי הוא מדויק להפליא – תקרא בבקשה את המאמר של החוקרים ב"נייצ'ר פיסיקס" ותראה. אילו המאמר שלי היה כסא הוא היה נמכר באלף שקל בשוק.
    באמת חבל. באתר שלי ובידען הוא לא נמכר אפילו בעבור גרוש אחד. 🙂
    ככה שווה המדע, אפילו לא שווה כסא עלוב מסכן…

הוספת תגובה

  • (will not be published)