על שזירה קוונטית וגרביים - חלק א'

חדשים כאן? ברוכים הבאים! קוראים לי נעה ואני דוקטורנטית לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב. אני כותבת כאן על קוונטים לקהל הרחב. לא צריך רקע במתמטיקה או בפיזיקה, אבל כן מומלץ מאד לקרוא את הפוסט הראשון בבלוג לפני שקוראים את הפוסט הזה. מקווה שתהנו!

כשתורת הקוונטים התחילה להתגבש בעשורים הראשונים של המאה שעברה, לא כולם כל כך היו בעניין שלה. המוזרות וחוסר ההתאמה לכל מה שאנחנו מכירים, ובעיקר חוסר הדטרמיניסטיות - העובדה שבכל מדידה אנחנו מבצעים הגרלה שתקבע לאן החלקיק הקוונטי שלנו יקרוס, הטרידה הרבה מדענים מכובדים וביניהם את המדען המכובד למדי, אלברט איינשטיין (אפילו שהיתה לו תרומה משמעותית בתחילת הדרך של התורה, כמו שראינו בפוסט על האפקט הפוטואלקטרי).

ההסבר הזה עם ההגרלה, שנקרא היום "פרשנות קופנהגן", הגיע מחבורת מדענים מקופנהגן שבראשם פיזיקאי בשם נילס בוהר. איינשטיין התקשה מאד להאמין לזה - יש ציטוט מפורסם שלו שאומר ש"אלוהים אינו משחק בקוביה". במסגרת הויכוח המדעי של איינשטיין ובוהר, איינשטיין ניסה להוכיח שמכניקת הקוונטים לא אפשרית. יחד עם שני פיזיקאים נוספים בשם בוריס פודולסקי ונתן רוזן, הוא פרסם ב - 1935 מאמר שבו הם ערכו "ניסוי מחשבתי" שהיה אמור להראות סתירה בתורת הקוונטים. במקום למצוא סתירה, מה שקרה היה שהם גילו במקרה את התופעה הכי מיוחדת בתורת הקוונטים - שזירה קוונטית.

אז מה זו שזירה קוונטית? בואו נעשה גם אנחנו את הניסוי המחשבתי שהציעו איינשטיין, פודולסקי ורוזן. הניסוי הולך ככה: נניח שאני מתארגנת בחדר חשוך בפלורנטין, ואני מוציאה מהמגירה שבחדר הזה זוג גרביים. חצי מהגרביים שלי כחולות וחצי מהגרביים שלי ורודות, אז בהסתברות 50% הגרביים שאני מחזיקה ביד הן כחולות ובהסתברות 50% הן ורודות.

עכשיו, חשוב לציין שאני תמיד מתאימה את הגרביים שלי כשאני מקפלת אותן, אז אני יודעת בודאות שהן באותו הצבע. עכשיו אני מפרקת את הזוג הזה, משאירה גרב אחת בחדר החשוך ולוקחת את השניה בתיק, בלי לדעת מה הצבע שלה. כרגע בהסתברות חצי (50%) היא ורודה ובהסתברות חצי היא כחולה.

עם הגרב שלי בתיק, כשאני עדיין לא יודעת מה הצבע שלה, אני נוסעת לאוניברסיטה בצד השני של העיר. עכשיו יש גרב אחת בתיק שלי שהיא בהסתברות חצי ורודה ובהסתברות חצי כחולה, וגרב אחת בחדר החשוך בפלורנטין שהיא גם בהסתברות חצי ורודה ובהסתברות חצי כחולה. רק כשאני מגיעה לאוניברסיטה אני מוציאה את הגרב מהתיק, בודקת מה הצבע שלה, ומגלה שהיא ורודה. עכשיו אני מבינה שגם הגרב שהשארתי בחדר, בצד השני של העיר, היא גם ורודה.

בעולם הקלאסי, זה לא כל כך מרגש - כי העובדה שצבע הגרב לא היה ידוע ייצגה רק את חוסר הידע שלי. לגרב היה צבע מוחלט כל הזמן. אבל אם במקום גרביים היו לי חלקיקים קוונטיים, והצבע שלהן היה תכונה קוונטית שיש לה סופרפוזיציה, זה בעצם אומר שברגע שמדדתי את הצבע של החלקיק שהיה לי בתיק, מדדתי את הצבע של החלקיק שנשאר בחדר בצד השני של העיר. אם החלקיק היה בצד השני של העולם או של היקום, זה לא משנה - מדידה של חלקיק אחד היתה גורמת לחלקיק הרחוק לקרוס *באותו הרגע*.

הקשר הזה בין שתי הגרביים (אם הן היו קוונטיות) נקרא שזירה. לפני המדידה, פונקציית ההסתברות של הגרביים היתה משותפת, ולכן פעולה על גרב אחת השפיעה מיד גם על הגרב השניה, אפילו שהיא היתה רחוקה. פונקציית ההסתברות המשותפת הזו היא שזירה, כלומר הגרביים היו שזורות יחד. זו הפעולה היחידה בפיזיקה שמשפיעה על עצמים רחוקים מיידית. לפי כל מה שהיה ידוע עד אז, הכי מהר שנוכל להשפיע על עצם שרחוק מאיתנו זה במהירות האור, ולכן איינשטיין, פודולסקי ורוזן טענו שזה לא אפשרי ושכל תורת הקוונטים לא נכונה. קראו לזה הפרדוקס של EPR, על שם שלושת המדענים, ולרגע היה נדמה שכל העקרונות שדיברנו עליהם קורסים לתוך עצמם וצריך הסבר אחר לתופעות שנמדדות.

אבל השזירה הקוונטית אפשרית, והיא הודגמה בהרבה ניסויים. אז איך מסדרים את העניין של שזירה קוונטית ומהירות האור? העובדה שאי אפשר להשפיע על שום דבר במהירות גבוהה יותר ממהירות האור היא חשובה מאד להבנה שלנו של הזמן. כדי להבין את זה בדיוק צריך להבין את תורת היחסות הפרטית של איינשטיין, שאולי תתארח כאן בבלוג בקרוב אפילו שהיא לא תורה קוונטית. אבל כבר עכשיו אתם יכולים להבין שהיקום היה מוזר מאד מאד אם מערכות פיזיקליות היו מושפעות ממה שקורה שנות אור מהן. העניין הוא, שלמרות שהשפענו על הגרב בחדר החשוך, לא הצלחנו להעביר לחדר החשוך שום מידע.

נניח שהיינו רוצים להשתמש בשזירה בין הגרביים כדי להעביר מסר מהאוניברסיטה לפלורנטין. חבר שלי מחכה בחדר החשוך בפלורנטין ומנסה לקבל ממני מסר באמצעות הגרב שיש אצלו. המדידה שביצעתי לא איפשרה לי לבחור את הצבע של הגרב, ולכן המסר לא יכול להיות הצבע של הגרב. אפילו העובדה שהפעולה בוצעה, כלומר שמדדתי את צבע הגרב שלי, היא לא משהו שאני יכולה להעביר באמצעות הגרביים לפלורנטין: אם החבר יסתכל על הגרב שלו, הוא לא יכול לדעת מתי היא קרסה. יכול להיות שהיא קרסה בעבר, כשמדדתי את הגרב שלי לפני חצי שעה, ויכול להיות שאני בכלל לא ביצעתי עדיין מדידה, וזה החבר בפלורנטין שגרם לשתי הגרביים לקרוס. בקיצור, שימוש בשזירה להעברת מסרים לחלל לא הולך לעבוד.

אז מה שזירה כן יכולה לעשות? שזירה היא תופעה מיוחדת שלא דומה לשום דבר קלאסי - אין לנו איך לשזור גופים קלאסיים בצורה הזו. לכן שזירה היא פתח להרבה תופעות מעניינות שייחודיות לעולם הקוונטי, וגם לכל המחשבות על טכנולוגיה שמבוססת על תורת הקוונטים, כמו הצפנה קוונטית או מחשבים קוונטיים. בפוסט הבא אדבר על משהו אחד פשוט שאפשר לעשות איתה שנקרא משחקי בל.