הידען - Hayadan

מכניקת הקוונטים: האם בתיאוריה עקרון אי הודאות עומד להיות מופרך?

דר. גלי ויינשטיין ·

Summary: מזה זמן-מה הפיזיקאים העוסקים בפיזיקת הקוואנטים מנסים במעבדות לקבוע שיש גבול לעקרון אי הוודאות של הייזנברג. פירושו שיש גבול הייזנברג או גבול קוואנטי, גבול עד כמה ניתן לדחוס כמות מדידה אחת על חשבון האחרת. מודדים בצורה מדויקת יותר משהו אחד כדי לקבל עליו יותר מידע בעולם הקוואנטי, הדברים נוטים לקטון לאין שעור והדיוק של המדידות נעשה חמקני יותר ויותר. עקרון הייזנברג מגביל את יכולתנו למדוד חלקיקים בעולם הקוונטי. כאשר רוצים…

מזה זמן-מה הפיזיקאים העוסקים בפיזיקת הקוואנטים מנסים במעבדות לקבוע שיש גבול לעקרון אי הוודאות של הייזנברג. פירושו שיש גבול הייזנברג או גבול קוואנטי, גבול עד כמה ניתן לדחוס כמות מדידה אחת על חשבון האחרת. מודדים בצורה מדויקת יותר משהו אחד כדי לקבל עליו יותר מידע

בעולם הקוואנטי, הדברים נוטים לקטון לאין שעור והדיוק של המדידות נעשה חמקני יותר ויותר. עקרון הייזנברג מגביל את יכולתנו למדוד חלקיקים בעולם הקוונטי. כאשר רוצים למדוד משתנה אחד של החלקיק, כמו למשל המיקום, לא ניתן למדוד משתנים אחרים באותה רמת דיוק, כמו התנע. נכנסת רמת אי ודאות זעירה לאחת מהמדידות או לשתיהן.

פול דיראק הסביר את ההיגיון הפיסיקאלי העומד מאחורי עקרון אי הוודאות: אחת הדרכים היחידות למדוד את מיקומו של החלקיק היא על ידי הפגזתו בפוטון. במצב זה נראה היכן הפוטון יופיע על הגלאי ובאיזה אופן הוא פגע בו. האופן שבו הפוטון פגע בגלאי לגמרי יתאר את המיקום של החלקיק, אולם עצם הפגיעה של הפוטון בגלאי משנה מיד ובצורה בלתי נמנעת את המדידה של תנע החלקיק.

עתה ננסה למדוד את התנע של החלקיק. שוב גם כאן, מדידת התנע בשיטה זו תשנה באופן בלתי נמנע את מיקום החלקיק. בגלל צימוד זה, לפי עקרון הייזנברג זה בלתי אפשרי לדעת בו-זמנית ובוודאות, או לדרגת דיוק גבוהה מאוד, זוגות של משתנים מסוימים שמשפיעים זה על זה.

אך טבעי היה להוסיף למרקחה את השזירה הקוונטית. כאשר שני חלקיקים הם שזורים, אם רוצים לדעת משתנה של אחד מהחלקיקים, פונקצית הגל של שני החלקיקים קורסת. דבר זה מוביל לערכים סופיים למשתנים הקשורים בבעיה.

בצר להם, לאור עקרון אי הודאות של הייזנברג, הפיסיקאים ניסו להגדיל עד כמה שניתן את רמת הדיוק של מדידת כמות אחת על חשבון זו האחרת. מזה זמן-מה הפיזיקאים העוסקים בפיזיקת הקוואנטים מנסים במעבדות לקבוע שיש גבול לעקרון אי הוודאות של הייזנברג. פירושו שיש גבול הייזנברג או גבול קוואנטי, גבול עד כמה ניתן לדחוס כמות מדידה אחת על חשבון האחרת. מודדים בצורה מדויקת יותר משהו אחד כדי לקבל עליו יותר מידע. מגדילים את הודאות בכמות אחת, כמו למשל המיקום או גודל המהירות ודוחסים את הכמות על חשבון כמות אחרת. אם דוחסים את הודאות של כמות אחת שבה מעוניינים, אי הודאות של התכונה, או הכמות המשלימה האחרת באופן בלתי נמנע גדלה.

אולם בכל זאת, החלום הרטוב של הפיסיקאים היה מאז ומתמיד להביס את הרעש הטורדני הבלתי נמנע הנובע מעקרון אי הוודאות. דומה שלפני חודש, בסוף יולי חלום זה כמעט והתממש. כמעט, כי הוא התממש אך ורק בתיאוריה. המימוש הניסויי עוד רחוק ובינתיים בניסוי עקרון אי הודאות שריר ותקף. אבל בתיאוריה – כלומר במסגרת הנוסחאות המתמטיות – מתואר מצב קונסיסטנטי ואפשרי, מעין גדענקאן אקספרימנט, שבו עקרון אי הודאות מופר.

באחד מכתבי העת של נייצ'ר, נייצ'ר פיזיקס, התפרסם מאמר מאת קבוצת חוקרים מציריך, גרמניה ומקנדה. הקבוצה הראתה, שאם שוזרים חלקיק יחד עם זיכרון קוונטי ואחר כך מודדים את אחד מהמשתנים של החלקיק, למשל את מיקומו, מצב ניסויי זה מעביר את הזיכרון הקוונטי למצב משלים שניתן למדוד אותו. דבר זה אפשר לקבוצה לבצע את הדבר שנחשב מזה זמן רב לטריפה במונחים של חוקי הפיסיקה: החוקרים מסוגלים לגלות את המצב של זוגות מסוימים של משתנים באותו הזמן המסוים בוודאות חסרת תקדים.
החוקרים השתמשו בהליך השזירה הקוונטית: הם הבינו שהם יוכלו ליטול שני חלקיקים, החלקיק והזיכרון הקוונטי, כדי לגלות מהו המצב השלם של חלקיק אחד ואף, יוכלו למדוד משתנים בלתי תואמים כמו מיקום ותנע. המדידות עשויות לא להיות מדויקות להפליא, אבל ההליך מסוגל לאפשר את המהלך של הבסת עקרון אי הודאות של הייזנברג.

במערכת – שזירת חלקיק עם זיכרון קוונטי – כל המצבים וכל דרגות החופש בחלקיק יהיו קשורים לכל מצבי הזיכרון הקוונטי. ברגע ששזרו אותם יחד ואחר כך הם הופרדו, צופה שיבצע מדידה באחת מתכונות החלקיק, ואחר כך יאמר לשומר על הזיכרון הקוונטי איזה משתנה הוא מדד. בתיאוריה, צריכה להתקיים מדידה של הזיכרון הקוונטי שתניב את אותה התוצאה כמו המדידה שבוצעה על החלקיק. בזיכרון הקוונטי לא יתקיים יחס אי ודאות בין המדידה לכל משתנה בלתי תואם, מה שיאפשר לצופים לצפות במדידות מדויקות של שני משתנים בלתי תואמים באותו רגע זמן בדיוק.

המאמר בנייצ'ר (דרושה סיסמה)

גרפים המצורפים למאמר