פוסט שמיני - שאלות קשות

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!

את הפוסט הזה אפתח בהתנצלות קטנה: בפוסט הראשון שלי, על יסודות תורת הקוונטים, כתבתי שהעולם הקוונטי הוא לא דטרמיניסטי. הסברתי שכשחלקיק נמצא בסופרפוזיציה ואנחנו מודדים את המצב שלו, המדידה גורמת ל"הגרלה" כלשהי להתרחש והחלקיק קורס, באופן רנדומלי, לאחד המצבים המותרים בסופרפוזיציה שהיתה לו קודם. מי או מה עורכים את ההגרלה? לא יודעים. הצגתי את זה כחוק יסוד בתורת הקוונטים שאין לערער עליו. אבל האמת היא שזה לא ממש בטוח. ההגרלה שמתבצעת בכל מדידה, והקריסה שקורית אחריה, הן רק פרשנות אחת אפשרית להתנהגות של מכניקת הקוונטים.

הפרשנות שאותה הצגתי, ובה השתמשתי בכל הפוסטים עד עכשיו, נקראת פרשנות קופנהגן. בשנים הראשונות לגילוי של מכניקת הקוונטים ישבו בקופנהגן כמה פיזיקאים שלקחו חלק חשוב בעיצוב התורה, ובראשם נילס בוהר. כבר כתבתי כאן פעם על הויכוח בין אנשי קופנהגן לבין איינשטיין. איינשטיין הוטרד מהפרשנות המוזרה, שדרשה הטלות מטבע על ידי גורם נסתר בכל מדידה שמתרחשת ביקום, בזמן שאפילו לא ברור לנו מהי בכלל מדידה. הגישה בקופנהגן היתה אחרת: פרשנות ההגרלה שלנו עובדת ומצליחה לתאר את העולם. לא אכפת לנו שזה מרגיש לנו מוזר, לא מתעסקים בזה בכלל. הרי אנחנו לא באמת מצפים שכל חוקי היקום יהיו מובנים ואינטואיטיביים למח האנושי המוגבל שלנו. אנחנו מרוצים שהגענו לחוקים האלו בכלל, ומתקדמים הלאה לתאר תופעות נוספות. או בקיצור, כמו שתיאר פיזיקאי חשוב בשם דיוויד מרמין את הגישה בקופנהגן בערך 60 שנה אחרי, "shut up and calculate".

הגישה של קופנהגן היא הפופולרית ביותר היום. הרב המוחלט של הפיזיקאים בימינו, וביניהם אני, לא חושבים על המשמעויות של מדידה והגרלה יותר מדי. אני פשוט לוקחת את החוקים של תורת הקוונטים כחוקי בסיס, ומשתמשת בהם כדי לחקור התנהגויות של חומרים או גבישים. אני לא מפקפקת בפרשנויות או מנסה להבין מה בדיוק עומד מאחורי מושג המדידה, כי זה לא משנה לי - העיקר שיש לי כלי שאפשר להשתמש בו כדי לחשב מה יקרה כשמדידה כזו תתרחש. יש חשיבות לגישת "שתקו ובצעו חישובים": אם כולנו היינו מחכים לפרשנות מקיפה יותר של משמעות המדידה, לא היינו מסוגלים להתקדם בהבנה של תופעות שאנחנו רואים או פיתוח של טכנולוגיות חדשות. מצד שני, גם ההבנה העמוקה של החוקים של העולם סביבנו יכולה לקדם אותנו מבחינה מדעית, לפתוח את הדלת לרעיונות חדשים, ובעיקר - היא מעניינת וכיף לחשוב עליה.

אז בסדרת הפוסטים הבאים אני אדבר על פרשנויות נוספות שעלו למשמעות של המדידה בתורת הקוונטים. התחום שאנחנו נכנסים אליו לא בהכרח נחשב פיזיקה אלא יותר פילוסופיה של המדע. את רב הדברים שאדבר עליהם אני בעצמי לא כל כך יודעת, אז אני בעצם מנצלת כאן את ההזדמנות ללמוד בעצמי. היום אני אתחיל בהצגה של כמה שאלות מעניינות, ובפוסטים הבאים אתייחס לכל מיני תשובות אפשריות אליהן. על הרב המוחלט של השאלות אין לאנושות תשובה מוחלטת, ואולי אף פעם לא תהיה. עדיין, לדעתי, שווה לדון בהן.

השאלה הגדולה מכולן היא - מהי בדיוק מדידה? אנחנו יודעים לזהות שמדידה התרחשה, כי במצב כזה מתרחשת קריסה. אנחנו יודעים גם לתת דוגמאות למדידה - נניח הצבת גלאי שקולט אור שמוחזר מחלקיק או שינוי שהחלקיק מייצר בשדה מגנטי. אבל מה בדיוק הדבר שגורם להגרלה להתבצע? אני אדגים: נניח שאני מבצעת ניסוי שבו אני משחררת אלקטרונים ממתכת אל הואקום שמסביבה, ורוצה לבדוק לאיזה כיוון האלקטרונים נעים כשהם משתחררים מהמתכת. אז אני יכולה להציב גלאי של אלקטרונים ולראות בדיוק איפה האלקטרון פגע בגלאי. נניח שהגלאי עשוי מחומר כזה שאם מולקולה של החומר קולטת אלקטרון, היא נצבעת באדום.

אז מה שקורה הוא שהאלקטרון משתחרר מהמתכת, ואנחנו מניחים שבשלב הזה הוא בסופרפוזיציה - יש לו הסתברות גדולה מאפס לנוע לכמה כיוונים שונים.

אחר כך הוא פוגע במולקולה שבגלאי.

אחר כך אני מגיעה ומסתכלת על הגלאי ורואה נקודה אדומה.

אחרי שבריר שניה המח שלי מבין שהוא ראה נקודה אדומה במיקום מסוים, ומבין ששם פגע האלקטרון.

כשהתחלנו את התהליך, האלקטרון היה בסופרפוזיציה של כיווני התקדמות. בסוף התהליך, האלקטרון קרס לכיוון התקדמות בודד שהתבטא בנקודה אחת שבה הוא פגע בגלאי. אבל מה גרם לקריסה? האינטראקציה עם המולקולה? הרי היא קוונטית בעצמה! ההסתכלות שלי על הגלאי? או ההבנה שלי את המשמעות של מה שאני רואה? אבל הגלאי היה במצב הזה גם לפני שהסתכלתי עליו. או שלא? אנחנו כבר יודעים שמדידה היא אינטראקציה, כלומר, משהו חיצוני צריך למדוד את המצב של המערכת כדי שהיא תקרוס. אבל לא כל אינטראקציה היא מדידה. יש אינטראקציות שלא גורמות לקריסה. מה בדיוק מגדיר אותה?

שאלה שניה וחשובה - מה קורה באמת כשמתרחשת מדידה? ניזכר בפרשנות קופנהגן: יש לי חלקיק קוונטי שנמצא בסופרפוזיציה במרחב המקום, כלומר יש לו הסתברות להיות בכמה מקומות שונים. כשאני מבצעת מדידה, נערכת הגרלה המבוססת על ההסתברויות שהיו לו רגע לפני המדידה. המיקום שעולה בהגרלה הוא המיקום אליו יקרוס החלקיק. הפרשנות הזאת מתאימה מאד למה שאנחנו רואים בניסוי. כל כך מתאימה, שכמו שאמרתי, פיזיקאים בדרך כלל בכלל לא מחפשים פרשנות אחרת. אבל בכל זאת יש איתה כמה בעיות, שהן יותר עקרוניות מאשר פרקטיות. בואו נראה דוגמה אחת לבעיה בחסות החתול המפורסם של שרדינגר.

בניסוי (המחשבתי!) של החתול של שרדינגר יש לנו חתול בתוך קופסה. יחד עם החתול יש גם מיכל גז רעיל, שנמצא בסופרפוזיציה: בהסתברות חצי תוך דקה הוא ייפתח ויהרוג את החתול, ובהסתברות חצי הוא יישאר סגור. כל עוד הקופסה סגורה ואטומה, החתול נמצא בסופרפוזיציה - בהסתברות חצי הוא חי ובהסתברות חצי הוא מת. כשאפתח את הקופסה, הגז והחתול יקרסו לאחת האופציות.

אבל בואו נניח שאני והקופסה האטומה עם החתול נמצאים בתוך חדר אטום, ואתם נמצאים מחוץ לחדר. מבחינתכם, מה שיש בתוך החדר הוא בסופרפוזיציה: או שהגז השתחרר, החתול מת ונעה עצובה, או שהגז נשאר במיכל, החתול חי ונעה שמחה. רק כשתפתחו את הדלת, התוצאה תקרוס לאחת מהשתיים. אז מתי קרתה הקריסה? כשאני פתחתי את הקופסה או כשאתם פתחתם את הדלת? אמרנו קודם שמשהו חיצוני צריך לבצע את המדידה. אבל מה נחשב חיצוני - אני? אתם? היקום שמסביבכם?

ונניח שאני הייתי מערכת קוונטית, כלומר מערכת שקל לה יותר להיות בסופרפוזיציה, ואין לה תודעה. עכשיו המצב משתנה? מי ביצע את המדידה - אני או אתם? ואולי בכלל אין שום הגרלה, ואפשר למצוא הסבר אחר למה שקורה ברגע המדידה?

בקיצור, מלא שאלות. אנחנו יודעים לתאר כל כך טוב מה קורה ביקום, אבל גם כל כך חסרי מושג לגבי זה! אז בפוסטים הבאים אתחיל לסקור את הנסיונות של המדע והפילוסופיה לענות עליהן.