סיקור מקיף

תיאוריית הקוונטים לא מפסיקה להפתיע

מוזרות קוונטית חדשה התגלתה: בתנאים מסוימים, חלקיק שהגיע לפי תהום, לא יפול מעבר לצוק אלא יתגלגל לאחור. האפקט הוא היפוכה של התופעה הקרויה מנהור קוונטי

מאת: ג'ורג' מסר, סיינטיפיק אמריקן

חלקיקי המודל הסטנדרטי
חלקיקי המודל הסטנדרטי

אחת ההגדרות השימושיות והטובות למכניקת הקוונטים היא, מדע שבו קורה ההפך הגמור ממה שציפיתם לו. המרחב הריק הוא בעצם מלא, חלקיקים הם גלים, וחתולים יכולים להיות חיים ומתים בעת ובעונה אחת. לאחרונה, חקרה קבוצת פיסיקאים עוד תופעה קוונטית מבלבלת: אם סברתם לתומכם שחלקיק שהתגלגל לאורך שולחן והגיע לקצה, ייפול ממנו – אנו מצטערים לבשר לכם שבתנאים המתאימים, חלקיק קוונטי יישאר על השולחן ויתגלגל לאחור.

האפקט הזה הוא היפוכה של התופעה המפורסמת (אם כי מדהימה לא פחות) המכונה מִנהור קוונטי (Tunneling). אם תבעטו בכדורגל במעלה גבעה, אבל לא מהר מדי, הוא יתגלגל בחזרה. אבל אם תבעטו בחלקיק קוונטי במעלה גבעה באותה מהירות, הוא עשוי להצליח לעבור לצד השני. החלקיק חצה את המכשול באמצעות "מִנהור" (התופעה נקראת כך למרות ששום מנהרה ממשית אינה מעורבת בתהליך). תהליך זה מסביר כיצד חלקיקים יכולים להימלט מגרעין האטום וליצור התפרקות אלפא רדיואקטיבית, ומתבססים עליו גם מכשירים אלקטרוניים רבים.

במִנהור, החלקיק יכול לעשות דבר שכדור לעולם אינו עושה. במקרה ההפוך, החלקיק עשוי לא לעשות דבר שהכדור תמיד עושה. אם אתם בועטים בכדורגל אל עבר שפת צוק, הוא תמיד ייפול ממנו. אבל אם אתם בועטים בחלקיק אל עבר שפת התהום, הוא עשוי לנתר אליכם בחזרה. החלקיק מתנהג כמו אחד מאותם רובוטי צעצוע שמזהים קצה של שולחן או גרם מדרגות ומשנים את כיוון תנועתם, למעט העובדה שלחלקיק אין שום מנגנון פנימי שמאפשר לו לבצע את התעלול. הוא עושה באופן טבעי את ההפך הגמור ממה שהיה אמור לקרות כתוצאה מהכוחות הפועלים עליו. החוקרים העומדים מאחורי הניתוח הפיזיקלי הזה, פדרו ל' גארידו מאוניברסיטת גרנדה בספרד, יאני לוקארינן מאוניברסיטת הלסינקי ושלדון גולדשטיין ורודריך טומולקה, שניהם מאוניברסיטת רטגרס, קוראים לתופעה הזו בשם "אנטי-מִנהור".

הכל בגלל הטבע הגלי של החלקיקים

בשני המקרים, ההסבר טמון בטבע הגלי של החלקיקים, שמשקף בעצם את העובדה שלחלקיק קוונטי באופן כללי אין מיקום חד-משמעי. הגל מתאר את טווח המקומות שבהם אפשר למצוא אותו. הגל הזה מתנהג באופן דומה מאוד לגל רגיל, כגון גל קול. כשגל כלשהו נתקל במחסום שאיננו קשיח לגמרי, חלק מן הגל חודר ונכנס לתוך המחסום, אם כי בעוצמה נמוכה יותר. אם המחסום אינו עבה מדי, הגל עשוי להגיח מחדש מן הצד השני. זו היא המקבילה לתופעת המִנהור.

במקרה של אנטי-מִנהור, המקבילה היא שכל פעם שגל כלשהו נתקל בשינוי פתאומי בתנאים, אפילו אם השינוי אמור להקל על התקדמותו, חלק ממנו מוחזר לאחור. דבר דומה מתרחש כשצוללן מרים את מבטו למעלה ורואה שפני הים מתנהגים כראי. כדי ששינוי התנאים יהיה חד דיו, המרחק שבו משתנים התנאים חייב להיות קצר יותר מאורך הגל (במקרה של החלקיק, הגודל הזה קשור לתנע שלו). אם השינוי הדרגתי מדי, ימשיך הגל בדרכו, והחלקיק יתנהג בסופו של דבר כמו כדורגל.

גארידו ועמיתיו הריצו ניתוח נומרי כדי לבטל את האפשרות שהתופעה היא תוצר של הנחות מקורבות. הם גם חישבו כמה זמן תהיה לחלקיק נטייה להתגלגל על פני השולחן לפני שייפול: ככל שהשולחן גבוה יותר, יידרש לכך יותר זמן. דייוויד גריפיתס ממכללת ריד, שחיבר ספר לימוד נפוץ למבוא למכניקת הקוונטים (ובמהדורה השנייה שלו אפשר למצוא גרסה של אנטי-מִנהור כתרגיל לסטודנטים), קורא לכך "פרדוקס מתוק מאוד". הפיסיקאי פרנק וילצ'ק מן המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT) אומר ש"הניתוח הזה ניצב על בסיס איתן, והוא מצביע על תופעה מעניינת שלא הייתי מודע לה עד עכשיו".

יהיה אפשר להשתמש באנטי-מִנהור כדי לבנות מלכודות חלקיקים במעבדה, לתאר התפרקות גרעינית או לחקור מכניקה קוונטית בסיסית, אבל הוא שובה את הלב בעיקר מכיוון שהוא מזכיר לנו שהתיאוריה שמלאו לה כמעט מאה שנה, עדיין לא איבדה ולו שמץ מכושר ההפתעה שלה.

הכתבה התפרסמה בגיליון פברואר של "סיינטיפיק אמריקן "

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

36 תגובות

  1. הוגין:
    המצחיק הוא שאת כותבת שעוינות רק מבלבלת את המוח בדיון שהתחיל בתגובה עויינת (ושקרית) שלך (כן – אותה תגובה 21).

  2. הוגין:
    אינך מבינה מה שאומרים לך?
    קראי שוב את תגובתי הקודמת ותראי שכתבתי שאת 21 ואינך 19.
    אם לא תביני זאת קראי שוב ושוב עד שתביני.
    הניסיון להזדהות כאנשים רבים נועד להטעות את הציבור.
    אם את רוצה שיתייחסו לדברים הכתובים עלייך לקבל גם את זה שיתייחסו לניסיונותייך להטעות את הציבור.

  3. מוגין,
    מצחיק שאת מדברת על יושר פנימי כשאת זו שמתחזה לאנשים רבים. והתחזות שלך היא לאנשים אחרים היא עדיין התחזות – בין אם הם וירטואלים או קיימים או לא. זה עדיין שקר.
    כל תהליך הרמייה הזאת נועד לדבר אחד – להעביר את הדיעות שלך, אם לא בהגיון (כי בזה נכשלת) אז בדרכים יותר תכנניות. עצם זה שאת מחליפה כינויים מראה שאת מודעת שאנשים כבר מקשרים בינך לבין שטויות או דברים לא-רציניים.

    אני, ואנשים אחרים, לא מחליפים שם ואף לא מסתתרים תחת זהויות שונות. זה מראה (אם כי לא מחייב) שאנו עומדים מאחורי הדברים שלנו.

    דרך אגב, לא התיחסת עדיין לתגובתי ב:
    https://www.hayadan.org.il/mars-explorer-says-well-find-life-on-other-planets-within-10-years-0105094/#comment-212341

  4. מיכאל :
    שגית,21 שלי.
    טרם השיב לשאלתך מס' 19 שאכן הבריק ושאינני יודעת מיהו ואינני עושה ספקולציות לאתרו.
    עשה טובה לעצמך לי ולכולנו ואל תתבלבל על-ידי מסיטים.חבל.
    חוץ מזה,אתה היית זה שביקש לפני חודשים רבים ,לדבר דברים לגופם ולא אישי.
    אין חובה לאדם המגיב כאן להזדהות עם כינוי אחד בלעדי:הרעיון הוא החשוב,הדיעה ואופני השיח.
    עוינות רק מבלבלת את המוח ותו לא.
    אני עדיין כאילו 'חייבת' לך (בערבון מוגבל מאוד ) הסבר מדוע אתה כן נוטה לאתר את שרידי האותות ה'הוגינים' מידי פעם,אך לא כאן ולא עכשיו ולא בטוח שאתה אכן מוכן להבין באמת ,בינתיים.
    יש דברים שצריך להרוויח את הבנתם והסכמה (או השיטה המתמטית)העומדת מאחורי זה ביושר פנימי,מוכנות אמיתית,בשלות,זמןןןןןןןןן והעדר מיכשלות .
    אינני יודעת איך תגיע לזה,כנראה שאולי גם בעקיפין ולא דרכי(יתכן וממש ,מוטב כך,אחרי העלבונות שהשלכת בלא משים 'כלפי').
    מומלץ ל'מחטניים' לא ל'דחוף את האף' לעניין זה.
    התחזות משמעה :לקרוא לכינוייך בשם של מישהו שכבר מככב כאן,או אדם חי ופעיל במקום אחר שאין לו שום קשר לאתר זה.
    אל תאשים את הוגין בשקרים.

  5. הוגין:
    איש לא טען שאת (פרוהפלזמה) הינך הפלזמה.
    עשי לעצמך טובה ואל תשימי מילים בפינו.
    מספיק שאת שמה מילים בפי עשרות הדמויות להן את מתחזה.

  6. פרוהפלזמה (21)הינו בעד דעתו של הפלזמה(19 ) אך אינו הוא.

    עשו טובה גדולה לעצמכם ואת הספקולציות הלא מדוייקות תשאירו אי שם מחוץ לגדר אתר זה.

  7. אורן:
    אינני יודע מה רוצה אחד המספרים אבל מכיוון שהמספר הזה הוא הוגין אינני מופתע

  8. מיכאל ו"אחד המספרים",
    מיכאל – אני מקווה ששמת לב ש"אחד המספרים" מנסה להפנות אותך נגדי. ובתגובתי שצינתי שאתה פונה נגד שטויות של אחרים נאמרה בציניות ולטובה. אני לא אופתע ש"אחד המספרים" הינו פלזמה לכל צורותיו או אחד מהדמויות "התמימות" באתר שחוזרות בשמות רבים…
    ולדעתי פלזמה ופרופלזמה הם אותו טרול בשינוי אדרת. רק באו להצית ויכוח מטופש ע"י הודעות חסרות משמעות.

    ויהודה,
    להוסיף על דבריו של מיכאל.
    כאשר נעשית המדידה אזי הדבר נקרא "קריסת פונקצית הגל" והינה מקבעת את ערכי מיקום ואנרגיה.

    אני זוכר תרגילים בקוונטים שלמעשה אתה צריך למצוא את פונקצית הגל (מיקום החלקיק למעשה) והמצבים האנרגתיים האפשריים. ורק לאחר שנתון לך תוצאות המדידה של ערך מסויים אתה יכול לדעת מהי האנרגיה "המדודה" של החלקיק. ואם ישאלו אותך ששוב מודדים לאותו חלקיק את האנרגיה, כעת – לאחר שהמדידה קבעה את מצבו האנרגתי, היא שוב כמקודם ולא תשתנה יותר היות והמדידה הקודמת גרמה לפונקצית הגל לקרוס ולהשאר כערך הנמדד.

  9. מיכאל,
    איננו מנגד,דוקא תמימות ליבתך הראשונית חביבה עלינו.

  10. יהודה:
    אכן כן. ההסתברות אינה יכולה לומר מה יקרה בהטלת קובייה או בכל ניסוי אחר שתוצאותיו אינן וודאיות – היא רק חוזה את הסיכוי של כל תוצאה להתקבל – זו עובדה כל כך ברורה שמקנן בי ספק שמא לא הבנתי את השאלה.
    על פי ההבנה המקובלת בתורת הקוונטים אין לחלקיק מקום ותנע ברורים עד לרגע המדידה.

  11. לכולם:
    מעניין איך זה שכולכם מבלבלים בין שאלת הבהרה לבין מתקפה.
    אני בסך הכל שאלתי מה הקשר.
    כיוון שפרופלזמה חשב בעצמו שאין קשר וכיוון שרצה לתקוף אותי כתב מה שכתב.
    לכן, בעצם, למרות שאני בסך הכל רציתי לתת לפלזמה הזדמנות להבהיר את עצמו כדי שאנשים כמו פרופלזמה לא יחשבו שהוא מדבר שטויות, קפץ פרופלזמה, מעוור על ידי טינתו אלי, והשמיץ את פלזמה.

    אז פלזמה – אם התכוונת למשהו אתה מוזמן להבהיר אותו (גם לפרופלזמה).

  12. אורן-
    מיכאל איננו עויין כפי שנדמה לך,אל נא תיסחף בפארנויה ומרדפי שווא כיוון שאינך מכיר למעשה את הדמויות המגיבות- הפועלות.(הם אינם שונים בהרבה מהתנהגותם של הקוונטים)
    האם אי פעם שמעת גם על התיאוריה שעויינות(חסימות רגשיות) יוצרות חסימות במוח?

  13. מיכאל

    אתה טוען שהסתברות לא נועדה לחזות אירוע ספציפי וכלל אינה אומרת עליו דבר, אני לא מבין זאת. האם הסתברות לא יכולה לאמר מה יקרה בהטלת הקוביה הבאה?
    בנוסף, האם לא תיתכן אי וודאות בהסתברות אם יש לנו אי וודאות בנתוניי ההתחלה, למשל, בצורתה של הקוביה ?
    בנוסף, הייתי רוצה לדעת אם הטענה שאי אפשר למצוא את מיקומו של חלקיק וגם את התנע שלו היא למרות שלחלקיק יש מקום ותנע מוגדרים, ורק אנחנו לא מסוגלים למצוא אותו.
    אשמח אם אתה או מישהו יענו על שאלותיי.

    יום טוב
    סבדרמיש יהודה

  14. פלזמה – לכל גירסאותיה,
    גם אני חשבתי שזו שטות כשראיתי את תגובתך לראשונה (19). אבל לעומת מיכאל, התפתיתי שלא להגיב לכל טרול. היה ברור שציפית לתגובה כדי להתחיל "בדיון" מטופש.

    ניצלת את חולשתו של מיכאל לרמוס שטותניקיות כשהוא נתקל בהן (גם אם לפעמים עם יותר מדי תשוקה (passion) ממה שצריך 🙂 )

  15. מעניין איך זה קורה,שכל פעם שמישהו אומר כאן משהו ממש גאוני מיכאל מנסה לסתור אותו,,

  16. המהלך הזה מוכר בהתפרציות לשונות מגמה הפלזמה
    על פני השמש שמתפרצות מנקודה מסוימת נעות במהירות אדירה לעבר החלל לשונות אלה מגיעות לאורך של מיליון עד שני מיליון ק"מ אינם מתפזרות על פני השמש אלא נשאבות חזרה לנקודת המוצא

  17. דן:
    לא.
    משפט בל – והניסוי שנעשה בעקבותיו – נועדו להראות שאין משתנים חבויים לוקאליים.
    כשאתה אומר שיש מיקום רק איננו יודעים אותו אז אתה מדבר על משתנה חבוי שאין לוקאלי ממנו.
    כמובן שגם הניסויים המדגימים התאבכות מראים שאין לחלקיק קוואנטי מקום מוגדר ושמקום זה הופך למוגדר רק בעקבות הניסיון למדוד את המיקום – ניסיון שמבטל את ההתאבכות.

  18. Bell's_Theorem תקף רק אם מאמצים את hidden variable theory אבל הוא לא תקף לפי פירוש quantum entanglement theory . מאחר והמדע לא יודע איזה פירוש מבין השניים הוא הנכון, אז Bell's_Theorem לא אומר לי הרבה, ובטח שלא מוכיח שום דבר.

  19. נתקלתי בזה איפשהוא מזמן, כולל סרט הסבר, ואני לא מצליחה להיזכר איפה. מה שבטוח, זה לא כזה חדש.

  20. סליחה – אילון.
    רק כרגע שמתי לב שהלנת רק על תיאור העניין כחידוש ובכך אתה צודק למרות שניתן לומר זאת ביתר נימוס (יש, אמנם חידוש אבל הוא רק בשיטת החישוב ובדיוקו ולא במסקנה העקרונית).

  21. אילון:
    קודם כל – מדוע אינך מפנה את טענתך לסיינטיפיק אמריקן?
    גם להם אין עורך מדעי לדעתך?
    יותר הגון מבחינתך היה לחפש במה מדובר.
    הרשה לי לחסוך לך את המאמץ.
    http://arxiv.org/PS_cache/arxiv/pdf/0808/0808.0610v1.pdf
    מי שלא מתמצא בחומר מוזמן לקרוא רק את תאריך הפרסום.

    היפכא מסתברא:
    מסתבר שאינך מבין הסתברות ולכן אינך מבין גם את תורת הקוואנטים.
    בהסתברות יש דיוק מוחלט של התחזיות ההסתברותיות.
    הסתברות לא נועדה לחזות אירוע ספציפי וכלל אינה אומרת עליו דבר (וכידוע – כשלא אומרים כלום גם לא טועים או אומרים דברים בלתי מדוייקים).
    טענתך שההסתברות אינה נותנת תוצאות מדויקות (במדידה ספציפית) שקולה לטענה שרפואה לא נותנת פתרונות מדויקים בגינון.
    הטענה על חוקיות שעדיין נסתרת מאיתנו בתורת הקוונטים קיבלה ביטוי מתמטי תחת השם "משתנים חבויים" והטענה בדבר קיומם של משתנים חבויים דווקא הופרכה.
    חפש בוויקיפדיה את Bell's_Theorem
    משפט זה מפריך לדעתי גם את השערתו של דן.

  22. דן, באיזשהו מקום אתה צודק אם כי צריך להסתייג.
    לחלקיק יש מיקום/תנע/אנרגיה/זמן חיים וכו' ספציפים בכל רגע ורגע (כמו כן תגדיר רגע, שניות? מילישניות? ננושניות?).
    אבל אנו יודעים לפי עיקרון אי הוודאות של הייזנברג שאנו לא יכולים למדוד באופן מדויק נתון אחד מבלי להשפיע על נתון אחר.
    לכן מבחינה מדעית (עכשווית) אי אפשר להצביע מה הוא המיקום הספציפי או התנע ברגע נתון.

  23. לדן ולכל אלו שאינם מבינים את משמעותה המהפכנית של מכניקת הקוונטים.
    תקראו מספר ספרים בנושא..

  24. זה שהמדע לא יכול לדעת את המיקום הספציפי של חלקיק ואת התנע שלו בו זמנית, עדיין לא אומר שלחלקיק הזה אין מיקום ספציפי ותנע ספציפי ברגע נתון.

  25. צודק,קישקשתי.גם חוקי הסטטיסטיקה הינם קישקוש משולב עם ניחוש ואין בהם דיוק מוחלט.
    ההתנהגות הקוונטית מופרעת .כדי להבין את התנהגות החלקיקים נדרש ממך גם רציונל וגם אי רציונל בעת ובעונה אחת,עליך להבין את התנהגותם בשתי אונות המוח במתאם חופף ומיידי.אם העניין כל כך ברור לך,מסתבר שאתה גאון ואני סתם מקשקש.
    בתורת ההסתברות אין דיוק מוחלט.
    ובכל זאת ישנה סברה שחוקיות מושלמת יותר מתנהלת ,אם טרם הוכח הענין או הופרך בינתיים והתערערו יסודותיו אין זה אומר שהחוקיות הגבוהה יותר אינה משפיעה בטווחי הגילויים הנוספים ומבהירה גם חוקים ישנים.
    אבל לא משנה,אני מקשקש.

  26. היפכא מסתברא
    מה אתה מקשש? תורת הקוונטים כפופה לחוקי המתמטיקה ובעיקר לחוקי הסטיסטיקה.
    איזה חוק מסובב אתה חושב שנמצא שם?
    ומסכים עם אילון זהו אינו גילוי חדש. אולי ההאפליקציות שכתוב בסוף הכתבה זה החלק החדש.

    לבן אדם פשוט: אם אתה מתעניין אז בויקיפדיה תוכל למצוא את רוב המידע הבסיסי.
    בכל מקרה לפי תורת הקוונטים לחלקיקם יש אופי גלי – כלומר ניתן לתאר אלקטרון (לדוגמא) ע"י סט משוואות מתמטיות לכל מצב אנרגטי של החלקיק (באופן די כללי). אותן המשוואות הם גם משוואות של גל.
    כמו שצויין בכתבה ברגע שיש שינוי במצב של החלקיק (נתקל במחסום) אז אמור להיות שינוי במשוואות המתארות את החלקיק. השינוי הזה בא לידי ביטוי בסיכויי מעבר.
    יש סיכוי מסויים שהחלקיק ימשיך בדרכו (אם זה בור אז יפול, אם זה קיר אז שהוא יעבור דרכו) או שיחזור (ואין זה משנה אם זה בור או קיר – כל עוד יש שינוי זה יקרה).
    כמובן שיש סיכוי יותר נמוך למה שפחות סביר שיקרה.
    מקווה זה עזר.

  27. ובכלל ניכר שכותב הכתבה אין לו מושג על מה החוקרים האלה גילו.כיאו שסתם הסבירו לו דבר ישן או שגילו דבר חדש אבל לא את זה

  28. מה אתם ליצנים ?
    גילוי חדש ?
    כל מי ש מתחיל ללמוד קוונטים 1 בכל מכללה יודע שעבור פוטנציאל מדרגה שעובר מפוטנציאל גבוה לנמוך יש גל מוחזר ולכן הסתברות (שלא יורדת לאפס באינסוף) לחזור אחורה
    זה לא גילוי חדש – זה הדבר האלמנטרי ביותר שלומדים מייד אחרי משוואת שרדינגר ( ואני מניח שאפילו הוא ידע את זה)
    תתביישו – אין לכם עורך בעל השכלה מינימלית בפיסיקה ?

  29. אהה,מסתבר אחרי הכל ,שגם הקוונטים המופרעים כפופים לחוקי המסובב הגדולים מהם,,
    חוקיות גדולה מכופפת חוקים קטנים.

  30. סוף סוף, תאוריית הגלים.
    נמאס כבר מהתירוצים של סטיבן הוקינס וחבריו לגבי חומר אפל וכח אפל…
    עוד רגע יקפצו מהשמיים מספר סיט'ים ותתחיל מלחמת המשובטים…

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

לוגו אתר הידען
דילוג לתוכן