סיקור מקיף

הפרדוקס של מכניקת הקוונטים בעולם המאקרוסקופי

תורת הקוונטים עמדה כבר בלא מעט מבחנים ניסיוניים ולמרות זאת קיימות בה כמה פרדוקסים שקשה למדענים לענות. כעת חוקרים מקוריאה מציגים שכלול של פרדוקס החברים של ויגנר ומעלים תהיות על שלמות התאוריה והסיכוי שתצליח לתאר את הכל

פיזיקת הקוונטים. איור: shutterstock
פיזיקת הקוונטים. איור: shutterstock

כנראה שלא קיימת תאוריה פיזיקאלית עם כמות כה גדולה של אישושים ניסיוניים כמו מכניקת הקוונטים. התאוריה המוצלחת "מוכחת" שוב ושוב כבר מאה שנה במגוון רחב של ניסויים מדויקים אבל עדיין הפיזיקאים לא ממש מסופקים ורואים גם את החורים שבה. למרות שהתאוריה מסבירה באופן מפליא את העולם הזעיר, היא נכשלת בלהסביר את העולם הנשלט על החוקים הפיזיקאליים היומיומיים. כשמנסים להחיל את החוקים של עולם הקוונטים על העולם שלנו מקבלים לעיתים סתירות פנימיות. השאיפה של הפיזיקאים לנסות לאחד בין תורת הקוונטים שמסבירה את העולם המזערי לתורת היחסות של איינשטיין שמסבירה את העולם העצום מלא הכוכבים חייב להתחיל ביישוב הפרדוקסים ובניסיון להבין מכניקת הקוונטים על בורייה.

אל עבר גופים עצומים

הכיצד ניתן לשלב כוחות בין שתי תורות כה שונות אך מדויקות בגזרתן? אפשרות אחת היא לבחון ולערוך ניסוים קוונטים על גופים גדולים יותר ויותר ולקוות שיחשפו אי התאמות בניסוי. אבל כדי שכך יקרה פיזיקאים צריכים לעבוד תחת תנאים מגבילים ואילוצים רבים. גופים יום יומיים לא יכולים לחשוף את התכונות הקוונטיות שלהם כי אורך הגל של גופים אלו כמעט ולא קיים. כדי "לפתור" או לעקוף את המגבלות, חוקרים משתמשים ברעיון שאיינשטיין הוריש למדענים – ניסויים מחשבתיים. זה בדיוק מה שהחוקרים מקוריאה העלו במאמר שפורסם בNature Communication. הניסוי המחשבתי מרחיב את פרדוקס החברים של ויגנר – צופה א' מודד את הספין של חלקיק וצופה ב' מודד את המערכת המכילה את הספין והצופה הראשון. צופה א' לא יכול לדעת מה צופה א' מדד וכאן מתחיל הפרדוקס. במקרה כזה, צופה א' יכול למדוד ספין שונה מצופה ב'. ההרחבה שהחוקרים פירסמו במאמר שפורסם לאחרונה הכילה יותר שלבים ויותר צופים שמגדילים את הפער בין המדידות.

לצורך הבהרה נתמקד בשאלה היכן בידיוק נמצא הפרדוקס? ובכן, הפרדוקס נמצא איי שם בעקרון המדידה של מכניקת הקוונטים. ברגע שמערכת קוונטית נמדדת, היא "קורסת" לאותו הערך הנמדד, כלומר התכונה ההסתברותית שלה נעלמת. המשמעות היא שכאשר נמדוד אותה שוב, נקבל את אותה התוצאה. לכן, אם צופה ב' (שהוא צופה לא ישיר) מודד את המערכת שכבר נמדדה הוא אמור לקבל את אותו הערך של צופה א', כי צופה א' כבר מדד את המערכת. במקום זאת הוא מודד ערך שרירותי בהסתברות של חצי, בין אם הספין היה מעלה או מטה. הכיצד? נשאלת השאלה מתי פונקציית הגל של הספין קרסה? האם בצופה א' או בצופה ב'? היכן באמת נמדדה המערכת? ויגנר ניסה להסביר את הפרדוקס שלו עם "מודעות" (ואת הפרשנות לכך אשאיר לקורא הסקרן). לטענתו הצופה הראשון הוא זה שקבע מראש לכל הצופים האחרים את תוצאות המדידה עוד לפני שהחלקיק נמדד על ידם באופן בלתי ישיר. כאן, כמובן נכנסת בעיה נוספת בסתירה לעיקרון הקוזאליות – מה מגיע לפני מה? סיבה מול תוצאה? פעולת המדידה מול הערך הנמדד? עוד פרדוקס שקשה לנו לענות.

סביר להניח שהקורא הסקרן ישאל את עצמו האם הצופה השני שמודד כעת מערכת שונה הכוללת את הצופה הראשון והספין לא אמור לקבל ערך אחר, הרי זהו מצב קוונטי חדש? ובכן, כאן בידיוק נשאלת השאלה מהי מדידה? ומה ההשפעה שלה על הסביבה? בידיוק בשביל זה הפרדוקס המשוכלל הוצג במאמר כשהחוקרים הוסיפו עוד ועוד צופים משניים. אם טענה זו נכונה, המערכת כולה שמכילה מספר עצום של צופים משניים נמצאת במצב של סופרפוזיציה בין מצבים עד שהאחרון צופה. מיהו אותו אחרון? ואם האחרון לא "מחליט", איך זה מסתדר עם עיקרון הקוזאליות? האם רק האחרון "מודע"? (כפי שויגנר שאל, מי המודע שמקריס את פונקציית הגל במערכת?)

איור מתוך המאמר המדעי שמופיע למטה בקישור. האיור מתאר את פרדוקס החברים של ויגנר. הצופה F מודדת את הספין של חלקיק S. הצופה שני W מודד את המערכת L כולה בלי ידיעה מה הצופה F מדדה. במקרה זה פונקציית הגל של המערכת L נמצאת בסופרפוזיציה של שני מצבים בהסתברות שווה וסותרת את האונטואיציה היומיומית ששני צופים שמודדים את אותה מערכת צריכים לקבל תוצאה דומה בעולם מאקרוסקופי. הפרדוקס מגיע כשמכלילים את F כחלק מהמערכת כולה ואז מכניקת הקוונטים מנסה להסביר את העולם המאקרוסקופי. את הניסוי הזה אפשר להקביל גם על החתול של שרדינגר. במקום ששרדינגר מסתכל על החתול, אחד מחבריו מסתכל על החתול ושרדינגר ינסה למדוד האם החתול חי או מת בלי לדעת מה שהחבר שלו ראה.

מסקנות מבלבלות

החוקר רנר שכתב את המאמר מצא שהניסוי המחשבתי שלו מקטב את אנשי המדע. הוא הופתע לגלות שחלק מהקולגות היו ממש נלהבים ונרגשים מהמאמר וכנראה בגלל המסקנות הכתובות בו – המאמר טוען שהתורה הקוונטית לא אוניברסלית כמו שהיא שואפת להיות, ובמערכות גדולות היא נכשלת להסביר את עיקרון המדידה בעולמנו המאקרוסקופי. הכיצד שני צופים מודדים שני דברים שונים? איך תאוריה שמסבירה כל כך הרבה מכילה סתירה פנימית? אולי למעשה המאמר מכיל שגיאה בחישוב? אולי הוא טועה בפיזיקה? ואולי יש עוד אפשרויות שלא מופיעות כאן? בימים אלה חוקרים מנסים לבחון את המתמטיקה של המאמר ולראות האם קיימות שגיאות.

גם רנר מרגיש אי נעימות עם הפרשנות הזו שכתב במאמר והוא מאמין שהיא תיפתר מתשהו. "כשמביטים אל עבר ההיסטוריה, פרדוקסים נפתרים ממקומות בלתי צפויים" הוא מסביר. תורת היחסות, למשל, שפתרה כמה סתירות בתאוריה של ניוטון ושינתה את כל מה שידענו על רעיון הזמן.

"העבודה שלנו עכשיו מתמקדת בבדיקת ההנחות, האם הנחנו הנחות שגויות, מי יודע? אולי הפרדוקס שלנו נכון והוא יגרום לנו לשנות את התפיסה על המרחב זמן שוב. כשאנחנו חושבים על התאוריות שלנו שוב ושוב, אנחנו מצליחים לחשוף את המציאות כפי שהיא".

למאמר המדעי

12 תגובות

  1. בפסקת "אל עבר גופים עצומים", כתוב:

    ".. צופה א' לא יכול לדעת מה צופה א' מדד וכאן מתחיל הפרדוקס."
    האם זו טעות כתיב?

  2. שלום נתן,
    אתה בהחלט צודק. כמדומני לא ציינתי בכתבה טענה זו, במידה וכן אשמח שתציין ואתקן.
    ישנם כמה נסיונות מוצלחים יותר או פחות לאחד בניהם (בין היתר תורת המיתרים) אבל עדיין אין תורה שמקובלת בקונצנזוס.

  3. נועם חי:

    לדעתי קוונטים לא מתיישבת עם יחסות *כללית*. קוונטים עם יחסות פרטית (אנרגיות/מהירויות יחסותיות) כבר קיים

  4. בדומה למה שהשכיל להבין גיל – מערכת כוללת גם את הצופים שנכללים בה.
    אם הבנתם את זה ,אז אל תגבילו את מחשבתכם ותרחיקו לכת, אז תתבהר התמונה הכוללת שאותה לא ניתן להכליל, כלומר הקוסמוס כולו – המודע והלא מודע.
    המערכת כוללת את כל מה שקרוב ונראה וידוע, אבל המערכת כוללת בתוכה גם את כל מה שרחוק ולא נראה ולא ידוע. כעת נשאל האם הקרוב משפע יותר על התנהגות ורצונו של החלקיק, או הגל?
    האם אפשר למדוד את זה בכלל?
    האם ניתן להבדיל בין תנועתו/התנהגותו/רצונו של החלקיק או הגל בזמן שהוא תחת בחינה והשפעה לעומת מצבו הטיבעי ללא מניפולציה או מדידה?
    האם איפה החלקיק/ הגל אפשר לנו למדוד מדידה טהורה ?
    האם יש השפעה לקרוב המודע לבדיקה, או אולי מי שנמצא במערכת ואינו מודע למדידה משפיע גם והוא מעורב בעצם היותו קיים.
    הניסוי המחשבתי האמיתי הוא בשאלה האם במערכת כזו שכוללת את הקרוב והרחוק
    ובנוסף את המודע והלא מודע, האם בכלל יש טעם במדידה?
    ומכאן האם אפשר ליצור מערכת או תנאים בהם החלקיק ישתף פעולה ויאפשר את מדידתו "מרצונו החופשי"?

  5. לדעתי הסיבה שבמכניקת הקוונטים אין אפשרות לחזות את מה שהחלקיקים יעשו זה בגלל שהחלקיקים עשויים מחומרים שונים(כל חלקיק עשוי מאחד החומרים שאנו רואים פיזית בטבע) ולכל חומר יש חוקי פיזיקה וכימיה שונים

  6. לדעתי כל הבעיות נפתרות אם יוצאים מנקודת הנחה שרק הצופה האחד נמצא בעולם (הפרטי שלו) וכל השאר כולל צופים אחרים שצפו לפניו או אחריו הם סטטיסטים בעולם שלו ולפיכך הצפיה שלהם לא משנה כלום.

    אפשר להוסיף עוד מידות מורכבות אבל אני רוצה להשאיר את זה פשוט בשלב זה.

  7. שלום,
    ראשית איני חושב שיש חדש בטענה על תוצאות מדידה שונות של שני צופים. נדמה שנושא זה עלה על ידי איינשטיין בעימות עם נילס בור.
    שנית, בראייה של מכניקת הקוונטים, מערכת אינה רק מה שאנו מגדירים מערכת אלא המערכת היא כלל המרחב הכולל גם את הצופה החיצוני. ראה אפקא אהרונוב-בוהם.
    שלישית, בהחלט אפשרי שצופה א מודד ערך אחד וצופה ב מודד ערך אחר בגלל ההשפעה של צופה א על המערכת.
    רביעית, גם אם שני הצופים מודדים אותה מערכת הם יכולים למדוד ערכים שונים בעת קריסת הפונקציית הגל בשל הסופרפוזיציה של מצבים.
    חמישית,אני חושב שמכניקת הקוונטים לא הושלמה ונדרש להשלים את פיתוחה מאחר והיא מדברת על היקום כמערכת מכלול ובה אינטראקציות של הגורמים, הצופים והנצפים המשפיעים על הערך הנמדד.
    שישית, בעת קריסת פונקציית הגל נמדד ערך אחד מתוך מספר אפשריים תיאורטית. למה דווקא ערך זה נמדד? מה מוביל לבחירתו והאם ניתן לנבא זאת הוא מהשאלות החשובות בתיאוריה.
    שביעית, בהתייחס למערכת כמכלול יש גם לכלול את מושג הזמן. בהקשר זה כדאי להסתכל על מה שמציע פרופ' יקיר אהרונוב, ההשפעה לא רק של העבר אלא אף של העתיד על ההווה. כיצד זה מוביל לבחירה של הערך הנמדד, איני יודע. עקרון הבחירה החופשית שלטענתו אינה בבסיסם של יצורים חיים אלא של עצמים דוממים יכול לשנות כל פעם את הערך הנמדד, ושוב כיצד ניתן לנבא זאת?

  8. למיכאל:
    הפרדוקס נמצא איי שם בעקרון המדידה של מכניקת הקוונטים. ברגע שמודדים מערכת קוונטית, היא קורסת לאותו הערך הנמדד. כאשר תמדוד אותה שוב, תקבל את אותה התוצאה. לכן, אם צופה ב' שהוא צופה לא ישיר מודד את המערכת שכבר נמדדה הוא אמור לקבל את אותו הערך של צופה א', כי צופה א' כבר מדד את המערכת. במקום זאת הוא מודד ערך שרירותי בהסתברות של חצי, בין אם הספין היה מעלה או מטה. הכיצד? נשאלת השאלה מתי פונקציית הגל של הספין קרסה? האם בצופה א' או בצופה ב'? היכן באמת נמדדה המערכת? אולי צופה א' קבע מראש מה צופה ב' יראה כי הוא זה שהקריס את פונקציית הגל וקבע את תוצאות המדידה עבור צופים אחרים? ויגנר ניסה להסביר את הפרדוקס שלו עם "מודעות". את זה אשאיר לך לחפש, אבל לטענתו הצופה הראשון הוא זה שקבע מראש לכל הצופים האחרים את תוצאות המדידה עוד לפני שהם מדדו את החלקיק באופן בלתי ישיר. כאן, כמובן נכנסת בעיה נוספת של קוזאליות – מה מגיע לפני מה? סיבה מול תוצאה? פעולת המדידה מול הערך הנמדד? עוד פרדוקס שקשה לנו לענות.

  9. אני לא מבין…
    הרי כשF מודדת את הספין, התוצאה בסופו של דבר היא בכלל מערכת L, שכן עצם המדידה הופכת אותה לחלק מהמערכת.
    ולכן כשW מודד את מערכת L הוא בעצם מודד את המערכת L+W+w, שזו כבר מערכת שונה לחלוטין מזו שF מדדה.
    ומאחר וקיימות אינטראקציות פנימיות, קיימת סבירוץ שהמדידה של הספין תתן תוצאה שונה בין המערכות.
    אז איפה הסתירה?

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

דילוג לתוכן