שזירה קוונטית מקבלת אישוש מקוואזרים רחוקים

פיזיקאים מ-MIT ומוינה השתמשו במקורות אור רחוקים כדי להוכיח שהפוטונים שנוצרו במעבדה אכן שזורים

קרדיט: נאס"א

שנה שעברה, פיזיקאים מהמכון הטכנולוגי MIT ומאוניברסיטת וינה הציגו מדידות בעלות וודאות גבוהה לשזירה קוונטית. תופעה זו, שנשמעת בפעם הראשונה כאילו לקוחה מהספרות הבדיונית,  קושרת בין שני חלקיקים כך שהמרחק והזמן בניהם לא משחקים תפקיד. נניח לרגע שקיימים שני חלקיקים שזורים, כל אחד בקצה אחד של היקום (עד כמה שניתן להגדיר ליקום קצה), מדידת חלקיק א' תשפיע על מדידת חלקיק ב' במיידית גם אם המרחק בניהם עצום. איינשטיין כמובן לא אהב את הרעיון וכדי להפריך עקרון זה הוא הציע ניסויים מחשבתיים שלא תאמו את ציפיותיו. בשנות השישים המדען ג'ון בל חישב מה יהיה הגבול התיאורטי שממנו ואילך הקורלציה (מידת ההתאמה) בין שני חלקיקים חייבת להיות מוסברת על בסיס תורת הקוונטים, אבל מה אם לא כך הדבר? שאלות אלו מסוג "מה אם" דוחפים את הפיזיקאים לבחון עד כמה תיאוריה מוצלחת או לא. הרעיון של בל מתבסס על מספר הנחות שאחת מהן גורסת שהמערכת חייבת להיות נקייה "מפרמטרים חופשיים", כלומר אסור שמערכת המדידה תהיה תלויה בפרמטר\גורם כלשהו והיא חייבת להתבצע באופן רנדומי (אקראי).

כדי להסיר את האפשרות שסידור מערכת המדידה משפיע על התוצאה פיזיקאים מ-MIT השתמשו בפולסי אור שמקורם 600 שנות אור מכדור הארץ כדי לבחור כיצד המערכת מודדת את הפוטונים השזורים שנוצרו במעבדה. בניסוי שכזה, ההנחה שמקור הקורלציה בין שני הפוטונים הוא קלאסי (כלומר לא קוונטי), מאלץ את מכניזם הקורלציה להיווצר 600 שנה מראש, עוד לפני שהפוטונים השזורים נפלטו ועוד בכלל לפני שהמעבדה הוקמה והמדידה בוצעה. כעת, במאמר שפורסם ב- Physical Review Letters  אותם חוקרים הקצינו את התנאים לעיקרון בל ומדדו את הפוטונים מקוואזרים רחוקים, האחד 7.8 מיליארד שנה והאחר 12.2 מיליארד שנה. הם גילו שמרבית הפוטונים היו בקורלציה כזו שעוברת את הגבול התיאורטי של בל משמע הם אכן שזורים קוונטית.

"בניסוי החדש, אם הקורלציה בין הפוטונים מתקיימת על ידי מנגנון שאינו קוונטי, המכניזם היה חייב להתחיל עוד לפני 12.2 מיליארד שנה – עוד לפני בכלל שחשבו על ניסוי שכזה, עוד לפני כדור הארץ. זה כמובן לא נשמע הגיוני, ועל כן אנחנו יכולים להעיד שמדובר בתהליך קוונטי בעיקרו ושהפוטונים שנוצרו במעבדה אכן שזורים" אמר אחד מכותבי המאמר. "גילו של כדור הארץ עומד על בערך 4.5 מיליארד שנה, לכן מנגנון שאינו קוונטי היה חייב להתחיל עוד לפני שכדור הארץ היה קיים", הוסיף דוד קייסר.

החלטה שנעשתה לפני מיליארדי שנים

בשנת 2014 , קייסר ושני חוקרים נוספים הציעו ניסוי שיצור שני פוטונים שזורים בכדור הארץ – תהליך שבהחלט פשוט לביצוע במעבדות מחקר בעולם. לאחר שהפוטונים השזורים נוצרו, החוקרים תכננו לשגר אותם לשני כיוונים מנוגדים ולמדוד את קיטובם, או במילים אחרות את האוריינטציה של השדה האלקטרומגנטי שממנו הפוטון בנוי. בעזרת מקטב החוקרים יכלו לבדוק את קיטוב הפוטונים ועד כמה הם "מסכימים" בקיטובם בכל מדידה. כדי להראות שפוטון שזור עלינו לציית להנחות של עקרון בל, שאחת מהן, כפי שכבר ציינו, מחייבת את החוקרים להסיר פרמטרים חופשיים. כדי לעשות זאת הצוות הוסיף טוויסט נוסף  – אור שמגיע ממקור רחוק ועתיק, כמו למשל קוואזרים, יקבע את זווית הקיטוב שאנו מודדים. אם האור שנצפה בקוואזר אדום יותר ממקור בוחן כלשהו, למקטב תהיה אוריינטציה מסוימת. אם האור קצת יותר כחול ממקור הבוחן למקטב תהיה אוריינטציה אחרת. בניסויים הקודמים, הצוות השתמש בטלסקופ פשוט כדי למדוד את האור מכוכב הרחוק מאיתנו 600 שנות אור. במחקר העכשווי החוקרים השתמשו בטלסקופים גדולים ועוצמתיים בהרבה ובאמצעותם קלטו מקורות אור רחוקים מיליארדי שנות אור מאיתנו.

בתמונה אפשר לראות כיצד הניסוי התבצע. צבע האור מהקוואזר קובע את האוריינטציה של המקטב שמודד את הפוטונים השזורים. הקוואזרים הרחוקים מסייעים לחוקרים לאמת את נכונות השזירה בהסתמך ההנחות של בל. credit: MIT

תזמון מושלם

בתאריך 11.1.18 ב-12 לפנות בוקר חברי הצוות התכנסו בקצה ההר שבאיים הקנריים והחלו באיסוף המידע מהטלסקופים העוצמתיים (4 מטר קוטר) הרחוקים קילומטרים אחד מהשני.  כל טלסקופ הצביע על קוואזר כשבניהם בתחנת המעבדה החוקרים יצרו פוטונים שזורים שכל אחד מהם שוגר לאחד משני הטלסקופים. שבריר שניה לפני, גלאי בטלסקופ קובע האם האור שמנדד מהקוואזר כחול יותר או אדום יותר ממקור הבוחן ובהתאם מכייל את מכשיר המדידה. "התזמון מאוד טריקי, הכל צריך להתרחש באותו חלון זמנים ולהתעדכן כל מיקרו שניה (מיליונית השנייה)" כך לדברי קייסר.

חיזיון תעתועים

הנסיינים הריצו את הניסוי פעמיים, בהפרש 15 דקות ועם זוג קוואזרים שונה. בכל הרצה הם מדדו אלפי זוגות פוטונים שזורים. מיד לאחר הניסוי, כמספר שעות לאחר כיבוי הטלסקופים, החוקרים ראו שקיימת קורלציה גבוהה בין הפוטונים מעל הגבול שבל חישב ולכן ניתן לומר שהחלקיקים שזורים קוונטית.

גות', אחד מעורכי הניסוי מסביר שבהסתמך על נתוני הניסוי, הסיכוי שמדובר במנגנון קלאסי ולא קוונטי עומד על מיליארדית של מיליארדית האחוז, כלומר סיכוי אפסי לכל הדעות. לשם השוואה הסיכוי שחלקיק ההיגס לא קיים בהתאם לתוצאות הניסוי בסרן עומד על פחות ממיליארדית האחוז, "הראנו שהסיכוי לקיומם של פרמטרים חופשיים במערכת הניסוי אפסיים".

ועדיין, ישנו אחוז מאוד קטן שטענה זו לא נכונה. כדי להקטין את הסיכוי אף יותר חוקרים מחפשים מקורות רחוקים מאלו שנמדדו עתה. האם אפשר להשתמש בקרינה הקוסמית כדי לבחון את השזירה בהתאם לתנאי בל? טרם ידוע.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

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

5 תגובות

  1. חקי חיון , שטויות במיץ עגבניות , לא תיארתי לעצמי שהמדענים כה אדיוטים. לכל דבר ביקום קיימים זמן ומרחק וזמן מעבר מנקודה לנקודה. לאלוהים עצמו שהוא חלק מהיקום שלנו יש לאלוהים מהירות תנועה מוגדרת בקמ"ש ויש לאלוהים זמן של שנים. אלוהים עשוי מחומר קוונטי דק מאוד שלעולם לא יהיה ניתן למדוד את עובי האלוהים אחד חלקי עשר בחזקת עשרים וארבע ומשהו. אלוהים נע מנקודה לנקודה בתוך מרחב היקום לפי זמן של בערך מחצית זמן של תנועת האור שכידוע נע 300000 קילומטר בשניה. תנועת האור מהירה מתנועתו של אלוהים. אלוהים עצמו נמצא באופן מועט בכל חומר המצוי ביקום ואגב היקום שלנו בודד במרחב ואין כלל יקומים נוספים או יקומים מקבילים. החומר הקוונטי של אלוהים מצוי בתוך כל החורים הש ביקום כולו וגם מצוי בכל קרן אור ביקום כולו אך זה שהחומר האלוהי מצוי בהם כלל אינו אומר שחורים שחורים הם אלוהים וגם אינו אומר שאלוהים הוא אור. אלוהים הוא חלק מהיקום והוא תדר קוואנטי פיזיקלי מתמטי בעל תבונה מובנית ובעל יכולת לרכז כוחו ולהוציא כוחו האלוהי אל הפועל. בנוסף קיימים לאלוהים תכונות על פיזיקליות ועל מתמטיות אשר אין באפשרותו של אלוהים להסביר תכונותיו אלו וגם אילו היה ניתן להסבירן גאוני בני האדם כלל אינם מסוגלים להבין קצה קצהו של מהו אלוהים. צריך להיות אלוהים על מנת לדעת ואו להבין מהו אלוהים.

  2. יוסף
    כתוב במפורש שהאור מהקווזר לא בעל צבע יחיד:

    "אם האור שנצפה בקוואזר אדום יותר ממקור בוחן כלשהו, למקטב תהיה אוריינטציה מסוימת. אם האור קצת יותר כחול ממקור הבוחן למקטב תהיה אוריינטציה אחרת."

    הכוונה בניסוי היא הורדת פרמטר נוסף: הקביעה של חוקרים איזה קיטוב לבחור.

    הדיוט
    הרעיון הוא הגדלת האקראיות בבחירת כיוון המקטב. כדי להראות שזירה, צריך להראות שבחירה אקראית של מקטב בצד אחד משפיע בצד השני. הקווזר משמש לצורך הניסוי כמקור אקראי, במובן הבא: אין שום דרך לקבוע את צבע הפוטון הבא מכל רצף הפוטונים שקיבלנו. הרי – צבע הפוטונים האלה נקבי לפני מיליארדי שנים.

  3. משנה להערכתי בגלל שככל שהמקור מרוחק יותר הוא נחשב יותר מקור נקודתי. בנוסף חשוב שהוא יהיה מונוכרומטי – חד צבעי וקוהרנטי – חזית גל אחידה. כלומר כמו פולס של לייזר. קווזר כנראה בגלל עצמת הקרינה,
    אינני יודע אם הוא מונוכרומטי קוהרנטי אבל הוא כמו לוזר – לזירה ולכן ייתכן שכן.

  4. אחדד – בל הציע ניסוי שיבדוק האם המערכת בעלת קורלציה קוונטית או לא. הרעיון הקוונטי נמנע מהאפשרות שקיימים משתנים או פרמטרים שאנו לא יכולים למדוד המשפיעים על הניסוי. נוסיף לכך שאנו יודעים כי אינפורמציה חייבת לנוע לכל היותר במהירות האור (ואפשר לדבר על שזירה בעניין זה ולטעון ששזירה לא שוברת לוקליות, אבל מדובר בכתבה אחרת). לכן אם מתעלמים מתאוריה קוונטית ומאמינים לפרמטרים החופשיים אור שנוצר לפני 12.2 מיליארד שנה, המגיע לכדור הארץ ומשפיע על הניסוי כך שתוצאתו תראה שהפוטונים במעבדה בעלי קורלציה גבוהה, מעיד שאותו האור ידע איכשהו שהניסוי יתקיים בכדור הארץ ברגע שנוצר והיה צריך להתקיים כך שתוצאת הניסוי תהיה כזו. ההגיון אומר שאין אפשרות שחלקיק יווצר על סמך ניסוי שיעשה 12.2 מיליארד שנה לאחר מכן עם איזשהו פרמטר חופשי שישפיע על הניסוי ומכאן אפשר לומר שהניסוי חופשי מפרמטרים חופשיים והשזירה חייבת להיות קוונטית (עד כדי שגיאה כלשהי). ככל שנבחר פוטונים רחוקים יותר, כך הסברה שהם נוצרו בידיעת הניסוי בכדור הארץ נמוכה יותר. כמובן שאי אפשר לשלול לחלוטין את עיקרון הדטרמיניזם המלא, אבל ככל שאנחנו מעמיקים בניסוי אנו מתקרבים לכך.

  5. אפשר הסבר על:
    אותם חוקרים הקצינו את התנאים לעיקרון בל ומדדו את הפוטונים מקוואזרים רחוקים, האחד 7.8 מיליארד שנה והאחר 12.2 מיליארד שנה. הם גילו שמרבית הפוטונים היו בקורלציה כזו שעוברת את הגבול התיאורטי של בל משמע הם אכן שזורים קוונטית.

    מה זה משנה מה מקור הפוטונים אם המדידה מתבצעת בטלסקופים, והשזירה היא בין שני מערכות מדידה, הטלסקופים?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן