כמה חם הקפה של שרדינגר?

אי וודאות קוונטית חדשה התפרסמה לאחרונה במאמר שהופץ בכתב העת Nature Communications מאוניברסיטת אקסטר בבריטניה. יחס זה מוסיף לעקרון האי וודאות המוכר המקשר בין הטמפרטורה לאנרגיה הנמדדת את הרעש הנובע מצימוד לסביבה.

קרדיט: ויקיפדיה ו- Pixabay

אם תמדדו את הטמפרטורה של כוס הקפה שלכם בעזרת מד טמפרטורה מכני תוכלו לגלות שהוא סביב ה-90 מעלות עד כדי דיוק של 0.5 מעלות צלזיוס. האי וודאות בטמפרטורה מגיע למעשה מפלקטואציות (תזזיתיות) של אטומי המרקיורי (כספית) שנמצאים במד הטמפרטורה שלכם.

העניין נעשה יותר מעניין אם תנסו למדוד את הטמפרטורה של אובייקטים מזעריים כמו מכונות ננומטריות או תאים בודדים. כדי למדוד את המעלה של תא או מכונה הננומטרית חוקרים צריכים להשתמש במד טמפרטורה באותה הסקאלה ואף קטנה יותר, בגודל של כמה אטומים בודדים.

הצוות מאוניברסיטת אקסטר פיתחו שיטה תאורטית שתאפשר לכם למדוד את הטמפרטורה של עצמים מזעריים עם דיוק גבוה מספיק. מסתבר שבמערכות כאלה מופיעות גם פלקטואציות הנובעות מאפקטים קוונטים. אם נעמיק נוכל לומר שבזכות מכניקת הקוונטים, מערכת יכולה להיות בסופרפוזיציה (או במילים אחרות בכמה מצבים) של טמפרטורות שונות בו זמנית, גם 90 מעלות וגם 89.5 למשל. קצת דומה לרעיון שכוס הקפה שלנו, אך הפעם האי וודאות לא נובעת ממכשיר המדידה, אלא מעקרון עמוק בטבע. האנלוג המפורסם של החתול של שרדינגר מדגים זאת יפה – זהו ניסוי מחשבתי ששרדינגר הציע כדי להמחיש את עיקרון הסופר-פוזיציה. נניח שחתול מוכנס לקופסא עם חומר רדיואקטיבי. ברגע שהחומר הרדיואקטיבי קורן, קרינתו תפגע בגלאי שישחרר רעל ויהרוג את החתול. אם נסגור את הקופסא עם החתול, לא נוכל לדעת מתי או אם בכלל החומר הרדיואקטיבי התפרק ושחרר את הרעל, לכן נוכל לטעון שעד שלא נפתח את הקופסא החתול חי ומת בו זמנית. עיקרון נוסף במערכת זו אך חשוב מאוד הוא הצימוד, או במילים אחרות, המגע של המערכת עם סביבתה. ברגע שהמערכת נמצאת במגע עם הסביבה היא מאולצת להיות במצב פלקטואטיבי (במקרה זה הכוונה ללא יציב) באנרגיה שלה.

עקרון האי וודאות של הייזנברג הוא עקרון בסיסי בתורת הקוונטים. העיקרון מקשר בין שני גדלים מדידים בטבע וטוען שלא ניתן למדוד אותם בדיוק מירבי בו זמנית, כמו למשל מיקום ותנע. לעיקרון זה אין קשר למכשיר המדידה שברשותינו ולמידת הרגישות שלו, מדובר בעיקרון עמוק בטבע ובתורת הקוונטים.

הארי מילר, הכותב הראשון של המאמר מסביר: "מלבד הרעש התרמי שקיים בזכות מכשיר המדידה שלנו, העובדה שהמערכת נמצאת בסופרפוזציה אומרת שתופעות קוונטיות יכולות להשפיע עליה". בכל מדידה הפלקטואציות יכולות להטות את הכף לכיוון טמפרטורה אחת או אחרת ולא נוכל לדעת מה תהיה הטמפרטורה עד שנמדוד אותה. בעתיד, האי וודאות תאפשר לחוקרים לחשב במדויק יותר טמפרטורות של מערכות ננומטריות שיקחו בחשבון את התופעה הקוונטית.

ד"ר ג'נט אנדרס, אחד מכותבי המאמר מוסיף: "תגלית זו חשובה להבנת העקרונות הבסיסיים של התורה התרמודינאמית בסקאלה הננומטרית, בה הנחות מאקרוסקופיות (השייכות לעולם בסקאלה גדולה בהרבה מסקאלת האטום) נשברות.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

14 תגובות

  1. החתול של שרדינגר הוא דוגמא מטאפורית הבאה ללגלג לאינטרפטצית קופנהגן של תורת הקוונטים (המודרנית), ולא כדי להמחיש את עיקרון הסופר-פוזיציה.

  2. תורת המידע הקוונטית שהפרופסורית עושה בה שימוש גם במחשוב קוונטי. אריק וורלינד עושה בה שימוש בגזירת כוח הכבידה מאנטרופיה
    https://www.youtube.com/watch?v=25IyrYltPPI

    הוא מכתת רגליו בין אוניברסיטאות, מתוך גישה חיובית ששינוי דיעה בנוגע לחומר אפל או העדרו מחייב שכנוע.

  3. הנושא של תרמו-דינמיקה קוונטית שמוצג כאן ישים גם בנושא כבידה ממוזגת עם יחסות כללית.
    אבי התיאוריה gravitational entropy פרופסור אריק וורלינד שהיה שנה שעברה אורח כבוד בטכניון,
    עושה שימוש באותם ביטויים שהפרופסורית הנכבדה אנדרס והדוקטורנט שלה הארי מילר עושים בהם שימוש.
    הוא גוזר את כוח הכבידה מאנטרופיה -מדד למידת הסדר במרחב.
    התיאוריה שלו האף כי היא גוזרת את שלל ניבויי החומר האפל, הוא בעצמו מודה שהיא בהתהוות.

    היפה הינו לראות שני תחומים שונים בפיזיקה נפגשים בבסיס עיוני אחד.

  4. הבחור Harry J D Miller הוא "נראה" משלנו. סליחה על הגזענות, והוא אפילו אולי לא דוקטורנט.
    המאמרים שלו מצוטטים ביותר תוך שנה ושנתיים ולכן זה מצב זמני שהוא עוד לא פרופסור.

    יפה מאד שתיאוריה כה מעניינת מגיעה מסטודנט משולב עם הפרופסורית אמנם.
    https://scholar.google.co.uk/citations?user=LE4Qsw0AAAAJ&hl=en

  5. מאמר מעניין. חושף אותנו לתרמודינמיקה קוונטית ו many body quantum thermodynamics
    והקשר שהתקבל מראה שניתן למצוא הפתעות נוספות בחקר.

  6. עדי- תודה על התייחסותך.
    חשוב לי לציין שהמונח פלקטואציה בהקשרים פיזיקאליים לא מתורגם על ידי "רטיטות אקראיות".
    התרגום הנכון הוא "ניוד" וכך גם קבעה האקדמיה ללשון עוד בשנות התשעים, אני יכול להפנות אותך לחפש באתר המונחים הרשמי של האקדמיה. לא סתם נבחרה המילה ניוד לתרגם את המונח המדעי פקלטואציה. למילה רטט כמה הנחות נסתרות שבעיקרן תנועה סביב נקודת יחוס כלשהי. כאשר מתקיימת פלקטואציה *לא* מתקיימת תנודה שכזו, בפיזיקה פלקטואציה יכולה לתאר ניוד של מערכת ממצב אחד למצב אחר בלי להמשיך לנוע או לרטוט לאחר מכן. הפלקטואציה מחביאה מאחוריה רעיון נוסף – התהליך מתרחש בזמן אקראי או שהמערכת בוחרת באופן אקראי לאיזה מצב לנוע. לכן גם המילה "ניוד" שאומנם טובה יותר מרטיטה, או תנודה לא מצביעה על התופעה במלואה.
    הבחירה להשתמש במילים לועזיות למונחים מדעיים היא בחירה אישית שלי מתוך הרצון האישי שלי שהציבור יכיר במונחים מקצועיים. במידה והוא יתקל בהם בהמשך הוא ידע על מה מדובר. כמובן שכל מילה לועזית צריכה לבוא עם הקשר או תרגום סביר שלעיתים אני יכול לפספס בדרך ועל כן חשובות הערות הקוראים.
    לגבי מרקיורי אני יותר ממוכן ואף חשוב להוסיף את המילה כספית ליד.

  7. כמו שמרקיורי זה כספית (ואנא נועם תקן את המאמר) גם למילה "פלקטואציות" יש מונח פשוט בעברית. ->
    קוראים לזה רטיטות (אגב לא תנודות שהן מחזוריות אלא רטיטות שהן אקראיות)

  8. אני מצפה ממחבר מאמר מדעי, גם אם הוא מיועד לציבור הרחב, להיות ערוך, גם לשונית וגם תחבירית. כתבה זו, היא דוגמה לכתיבה לשונית גרועה. הבולטת שבהן – מה פתאום 'מרקורי' ? מה קרה לכספית ? אני מניח שהכותב הוא סטודנט ישראלי שגם למד בתיכון ישראלי. אין לי ספק שלא שמע שם 'מרקורי'. אז למה לקלקל ?!!

  9. לספקן –
    כנראה שלא דייקתי במילותיי, זו הייתה דוגמא בלבד.
    ישנם מאות מכשירי מדידה שמודדים טמפרטורה, ממכשירים מכאניים ועד למכשירים דיגיטאלים מורכבים.
    הרעיון כאן הוא שבעולם הקלאסי תמיד תהיה שגיאה הנובעת מדיוק מכשיר המדידה\רגישותו. 0.5 זו דוגמא למכשיר דמיוני שיכול למדוד טמפרטורה. מי גם אמר שהקפה ב-90 מעלות? אני יכול כמובן להכין קפה גם ב-80 מעלות, ומתי הטמפרטורה היא כזו? ברגע שהוכן הקפה? אולי אחרי שהתקרר?

    בכל מקרה, מדובר המחשה ולא יותר מכך.
    לגבי מדידה קוונטית – זהו נושא מורכב אף יותר. הדיון לגבי מהי מדידה נמשך גם היום, לכל מדען קיימת פרשנות אישית, אם כי יש מספר פרשנויות שיותר מקובלות. מדידה הוא מנגנון שאנחנו מטמיעים למכניקת הקוונטים. למעשה, התורה הקוונטית יכולה להתקיים גם בלעדיה, אבל אנחנו חיים בעולם שמדידות קיימות ולכן חשוב שתורה פיזיקאלית תקח בחשבון עקרון זה. מדידה מצריכה כתבה ארוכה בפני עצמה, ואולי בעתיד תכתב כזו.

  10. מאי- תודה על הערתך, אכן כספית הוא התרגום העברי ליסוד מרקורי. יש כמובן עוד אלפי מילים לועזיות השגורות בשפה המדעית וחשוב לתת להם דגש עברי (חשוב לומר שלא לכל מילה יש תרגום עברי). אשמח אם בעתיד גם תפני שאלה או הערה עניינית על תוכן המאמר, אני כאן כדי להבהיר אם משהו לא ברור.

  11. חוסר דיוק כתוצאה מהשפעות קוונטיות של 0.5 מעלות צלזיוס במדי כספית?
    כל נושא המדידות והכיול של המכשירים הוא מורכב ביותר, מהידוע לי במכשירי בקרה תהליכים חוסר דיוק קשור ברוב המקרים להרבה פרמטרים סביבתים צורת הכיול מיקום המכשיר ועוד רשימה ארוכה של נושאים,
    יש גם את נושא הטמפרטורה המדויקת (כיול) ויכולת זיהוי של שינוי טמפ' במדיה הנבדקת של המכשיר,
    באינטרנט קצת קשה למצוא מידע מדויק כאשר רוב תוצאות החיפוש שולחות אותך לאתרים רפואיים אבל
    ממקום אחד שקראתי ערך הדיוק של מדי כספית הוא כ 0.05 מעלות צלזיוס כאשר במעבדות יש גם מדים שהם יותר מדויקים, עד היום ידעתי ש 0.5 מעלות חוסר דיוק זה בדרך כלל משויך למדים דיגיטליים (זה גם ענין כספי)
    כאשר יש גם השפעות סביבתיות שלא קשורות להשפעות קוונטיות,
    כתבה זהה באנגלית לכתבה מלמעלה בקישור הבא:
    https://phys.org/news/2018-08-hot-schrodinger-coffee.html
    ונלקח מהמחקר המדעי (מורכב) בקישור הבא :
    https://www.nature.com/articles/s41467-018-04536-7
    אז אם משהו יודע משהו מדויק על הנושא אני אשמח לדעת יותר במיוחד מהי ההשפעה הקוונטית על הדיוק
    של מדי טמפרטורה של כספית האם הערך זה כמו בכתבה או שונה?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן