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.
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.
עוד בנושא באתר הידען: