שזירה קוונטית בין מאורעות

במאמר שפורסם ב- Nature Communication חוקרים תיארו לראשונה שזירה קוונטית בין מאורעות. המאמר מתאר כיצד עיקרון הקוזאליות בשילוב עם תורת הקוונטים מאפשר לשנות את סדר המאורעות או מאפשר להם להתקיים בו זמנית

אילוסטרציה לניסוי המחשבתי שהוצא במאמר של איגור פיקובסקי ושותפיו על שזירה קוונטית בין מאורעות. CREDIT: Magdalena Zych, Igor Pikovski

תורת הקוונטים מפורסמת בזכות תופעות מסתוריות הסותרות את ההיגיון הטבעי של כולנו. חלקיקים יכולים לחדור חומות, להתקיים בכמה מקומות במקביל ואפילו לאחד כוחות ולהתקיים כישות אחת גם אם חלקיה מרוחקים שנות אור. את התופעה האחרונה מדענים מכנים "שזירה" משום שהחלקיקים המבטאים תכונות שכאלו שוזרים את גורלם בעת מדידתם. שזירות הייתה הדבש והעוקץ של תורת הקוונטים, היא נחשבת לתופעה מופלאה אבל מדענים ראו בה כראש הנפץ לתורה כולה. בינהם היה איינשטיין שהציג את תופעת השזירות לעולם בפעם הראשונה ולצידה את בעייתיותה ביחס לעיקרון הלוקאליות.

למרות שרבים חושבים שאיינשטיין היה מתנגד מוחלט לתורת הקוונטים הוא צוטט באומרו שתורת הקוונטים אכן מרשימה. לצד מילים אלו הוא הוסיף שהתחושה הפנימית שלו רומזת שזהו אינו סוף הסיפור. הקושי בתופעת השזירה נובעת מהרעיון העמוק יותר ביחס למציאות – האם המציאות נקבעת בעת המדידה ומושפעת על ידי הצופה או שנקבעת מבעוד מועד אך מוסתרת מאיתנו עד שנפקחות עייננו? התחושה הפנימית של איינשטיין משותפת כמעט לכולנו, אולי היא עובדת על ילדים כשמסתירים את עיניהם, אבל כולנו יודעים שקיומנו לא תלוי במבטו של תינוק. כדי לפתור את הבעיה, הפיזיקאי בל הציע סט כללים בסיסים כדי לקבוע האם מדידה אכן מתפרשת כקוונטית, כלומר ששזירה היא ההסבר היחיד לתצפית או שאכן קיימות תכונות נסתרות בטבע המתגלות בעת המדידה ונקבעות מראש. בזכות בל ואין ספור מדידות במעבדות ברחבי העולם היום אנחנו יודעים שהפיזיקה נשמעת לתורת הקוונטים. התופעה המוזרה הקושרת את גורלם של חלקיקים בטבע ומשפיעה עליהם במיידית קיימת ביקום שלנו.

על אף שחלקיקים יכולים להשפיע אחד על השני במיידית מבלי שמרחק ישפיע על כך, חוקי הקוזאליות עדיין תקפים. העבר שייך לעבר ההווה הוא עכשיו והעתיד טרם הגיע. במחקר שנערך על ידי חוקרים מאוסטרליה ומארצות הברית הועלתה השאלה האם תופעת השזירה יכולה להשפיע על מאורעות בטבע? תורת הקוונטים כמו תורת היחסות הכללית שומרת על עיקרון הקוזאליות. מאורע בעבר משפיע על מאורע בעתיד ולא להיפך. בנוסף, תורת היחסות מעניקה לכל נקודה במרחב שעון ייחודי המשופע מסך האנרגיה בסביבתו או בנוכחות גופים מאסיביים. עיקרון זה עדיין מוגדר להיות תופעה קלאסית (לא קוונטית), מאחר והקוזאליות מושפעת ממשתנים שנקבעו מראש. השאלה המתבקשת הייתה הכיצד תורת הקוונטים משפיעה על עיקרון הקוזאליות? כאשר גוף מאסיבי יכול להתקיים בכמה מקומות בו זמנית, הוא אמור להשפיע על השעונים בסביבתו, אך הכיצד? מה יהיה השעון של גוף שגם רחוק וגם קרוב לכוכב מאסיבי? איך יראה מרחב הזמן במצב שכזה? מבלי לדעת איך המרחב נראה, חוקרים מתקשים לתאר את המצבים הקוונטיים המתקיימים עליו ובפרט את התפתחותם בזמן.

מחקרים קודמים אף הציעו שמצבים המפזרים גופים מאסיביים בכמה מקומות בו זמנית אינם פיזיקאליים ויקרסו מהר מאוד כדי לשמר את עיקרון הקוזאליות וההתפתחות הקלאסית של תורת הכבידה. עד היום, גם תורות כבידה קוונטיות למיניהן לא מסוגלות לתאר תופעת שזירה המאקרוסקופית עם גופים מאסיביים. המחקר האחרון שפורסם במגזין נייצ'ר מציג דוגמא ראשונית לתופעה ומסוגל להעריך באופן דומה לבל האם המאורעות שזורות קוונטית או שמא היה זה יד המקרה המתבסס על משתנים חבויים.

לא נכנס לעומקם של הרעיונות אבל נוכל לערוך את הניסוי המחשבתי הבא: נדמיין שתי חלליות נוסעות אחת מול השנייה כך שברגע מסוים הן מתבקשות לירות אחת על השניה וברגע אחר לבלום את הירי. אם אחת מהחלליות תשגר ירי מוקדם מהצפוי היא עשויה להרוס את החללית השנייה. נניח כעת שאנו מניחים גוף מאסיבי בניהם, למשל כוכב לכת כך שאחת מהחלליות קרובה מספיק לכוכב כך שהשעונים אינם מסוכרנים. במצב שכזה החללית השנייה תנסה לבלום את הירי מאוחר מידי או לשגר ירי מוקדם מידי ושניהן יהרסו. אם נוסיף לסיפור את מכניקת הקוונטים ונבנה את החללית כך שהיא תהיה קרובה ורחוקה מכוכב הלכת בו זמנית היא תשזור את מצבה עם החללית השנייה כך שהמצב הפיזיקאלי יתאר מערכת שבה החלליות או נהרסות כליל או ניצלות יחדיו עד לרגע המדידה.

זו בהחלט הפעם הראשונה שחוקרים מדגימים את השפעת הכבידה על שזירה קוונטית ברמה המאקרוסקופית, מתארים אותה מתמטית ומעניקים מבחן ברור דומה לזה שבל הציע. רעיון כזה יכול להוות בסיס עמוק יותר לתורות כבידה קוונטיות מתקדמות. התיאור המתמטי שפורסם במאמר מבוסס כולו על מכניקת הקוונטים באנרגיות נמוכות. כדי לשלב את תורת הכבידה ומכניקת הקוונטים לעומקם של פרטים חשוב להכליל גם סקאלות אנרגיה גבוהות. החוקרים מקווים שזו תהווה השראה כיצד תורת כבידה קוונטית תראה באנרגיות נמוכות.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

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

תגובה אחת

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן