האם צימוד קוונטי קיים גם בטבע, או רק במעבדה?

[אורי יעקוב]

אבל אם מבצעים את הניסוי עם אלקטרון, גם אז הוא לא כמו גולה?

בסרטון שקישרתי אליו בהודעה הראשונה נאמר שהמדענים ירו את החלקיקים אחד אחד, כלומר אלקטרון אחרי אלקטרון, האם גם אז הם לא כמו גולות? לאן בדיוק הם כיוונו את האלקטרון הבודד שהם ירו? לחריץ הימני? לשמאלי? למחיצה שביניהם? הרי הם בטח כיוונו אותו לאיזשהו מקום בלוח החריצים, לא?

 

[אורי יעקוב]

האם צימוד קוונטי קיים גם בטבע, או רק במעבדה?

שלום לכולם,

יש לי מספר שאלות בנושא תורת הקוונטים:

1. אני יודע שניתן לבצע במעבדה צימוד בין שני חלקיקים ואז לראות איך אחד משפיע על השני מרחוק, אך האם תהליך כזה קיים גם בטבע? האם גם מחוץ למעבדה ישנם חלקיקים בעלי צימוד קוונטי? אם כן איפה? בגוף שלנו? בכיסא שאנחנו יושבים עליו? איפה הם נמצאים?

2. כיצד בעצם המדענים יוצרים בכלל צימוד בין שני חלקיקים? בגדול בשפה פשוטה, מה הם עושים כדי שזה יקרה?

3. האם ניתן ליצור צימוד גם בין 3 חלקיקים? או בין 5 חלקיקים?

4. אשמח אם מישהו יסביר לי בצורה פשוטה עד כמה שניתן (אין לי רקע חזק בפיזיקה) איך המדענים יודעים שבאמת קריסה של חלקיק אחד למצב "1" גורמת מיד לחלקיק הרחוק לקרוס למצב "0"? אולי זה פשוט כמו זוג נעליים ימין ושמאל שהפרדנו במעבדה בלי להסתכל, ואז כשבדקנו את הנעל אצלנו וראינו שהיא הנעל הימנית, אז מיד יכולנו להבין שהנעל הרחוקה היא הנעל השמאלית? איך יודעים שחלקיקים מצומדים קוונטית הם לא בעצם כמו נעליים? איך יודעים שבאמת החלקיק שאצלנו השפיע על החלקיק השני, ושהוא לא פשוט נעל ימין/שמאל שאומרת לנו מה הנעל השנייה?

5. משהו לא לגמרי ברור לי בניסוי שני החריצים המפורסם, מה זאת אומרת שהחלקיק עובר דרך שני החריצים בו זמנית? הרי יש מתקן שיורה את החלקיקים, לאן בדיוק מכוונים אותו במהלך הניסוי? לחריץ הימני? לחריץ השמאלי? למחיצה שבין שני החריצים? לאיזו נקודה בלוח, המדען שמבצע את הניסוי מכוון את המכשיר שיורה?

אשמח מאוד לתשובות,
תודה מראש.

 

[guprnds]

התשובות שלי ל-1/3/4/5 (לקחת בעירבון מוגבל)

1/3. כשכול צמד של חלקיקים (או כל צבר של חלקיקים בכל גודל) ניתן לתאור באמצעות פונקציית גל משותפת, יתקיים בינהם הצימוד האמור.
4. אני חושב שזה בדיוק כמו שתיארת את זה. לעניות דעתי משל הנעליים מתאר יפה את הקונספט. יתקנו אותי מומחי השזירה אם אני טועה.
5. החלקיק לא עבר דרך שני החריצים בו זמנית. הוא עבר דרך אחד החריצים. לא משנה דרך איזה חריץ עבר, ההסתברות למקום פגיעה ספציפי על המסך מתפלגת באופן גלי ובהתאם לכך הוא יפגע במסך. העבר מספיק חלקיקים ותקבל אט-אט את צורת ההתפלגות.

 

[שם מקורי 19]

לגבי 4

לא...
משל הנעליים נקרא "מודל המשתנים הנסתרים" (hidden variables). טוב, לא בדיוק, אבל מספיק קרוב בנפנוף ידיים נמרץ...
ואי שוויון בל, שניתן לבחינה במעבדה, מראה שהוא לא נכון.

 

[guprnds]

אוקיי, תודה.

באיזה משל אתה היית בוחר כדי להסביר את השזירה?

 

[אורי יעקוב]

תוכל להסביר איך הניסוי של בל הוכיח שזה לא כמו זוג נעליים?

במילים פשוטות אם אפשר.

 

[uzi2]

הניסוי היותר פשוט לביצוע הוא עם קיטוב של אור, אבל....

היותר פשוט להסבר עבור קהל רחב, הוא עם ספין של אלקטרונים.
לאלקטרון יש תכונה פיזיקלית ניתנת למדידה, שנקראת ספין. ניתן לדמיין את זה כמשהו שקשור למהירות הסיבוב שלו סביב עצמו (לאינטואיציה בלבד - כי זה לא לגמרי נכון, אבל מתאים מבחינה אינטואיטיבית).
גודלו של הספין של האלקטרון קבוע, אך כיוונו (כיוון ציר הסיבוב) לא.
על פי חוק אי הוודאות, אני לא יכול לדעת אף פעם את הכיוון של הספין במדויק. אם מדדתי את רכיב הספין בכיוון מסוים, תמיד המדידה תגרום לכך שהספין יהיה בזווית שהיא בערך 54.7 מעלות אבל לאיזה כיוון משני הכיוונים הניצבים - לא אוכל לדעת.
אם אני מייצר זוגות אלקטרונים כך שסכום הספינים שלהם שווה לאפס (כלומר הספינים הפוכים בסימנם) יצרתי שזירה. אם אדאג להעביר אחד מהם רחוק מבלי שישתבשו ערכי הספין יצרתי את האפקט המפורסם של השזירה.
בגרסה היותר פשוטה להסבר של הניסוי, אני יוצר הרבה זוגות כאלו, ועבור כל זוג, אני מודד באופן אקראי את רכיב הספין באחד משלושה כיוונים x,y,z.
אני יודע שהספינים שלהם הפוכים, ותוצאת המדידה יכולה להיות רק פלוס או מינוס של ערך מסוים. מכיוון שכך אם באופן אקראי יצא שהמדידות על זוג מסוים היו באותו כיוון, אז אם קיבלתי בראשון פלוס, בשני אקבל מינוס. זו המשמעות של סכום הספינים אפס.
אם כל אלקטרון מכיל בתוכו מידע לגבי מה תצא תוצאת המדידה בכל אחד מהכיוונים (כמו במשל הנעליים), אז יש שתי אפשרויות למידע הזה: או שעל פי המידע התוצאה עבור אלקטרון מסויים תצא זהה עבור כל שלושת הכיוונים (למשל תמיד פלוס) או שבאחד הכיוונים תצא תוצאה אחת, ובשניים האחרים תוצאה הפוכה. אין אפשרות שלישית.
אם עבור האלקטרון הראשון האפשרות הראשונה נכונה, תמיד לאלקטרון השני תצא תוצאה הפוכה. אם עבור האלקטרון הראשון האפשרות השנייה נכונה, אז, מכיוון שכיווני המדידה נבחרים באקראיות, אפשר להראות שבחמש תשיעיות של המקרים תקבל תוצאה הפוכה עבור האלקטרון השני, איננו יודעים מה משתי האפשרויות נכונה, אך ברור לחלוטין שמכיוון שיש רק שתי אפשרויות, באחת הסיכויים הם חמש תשיעיות ובשנייה הסיכויים הם 1. הרי שסך הסיכוי לתוצאה הפוכה חייב להיות בין 5 תשיעיות ל-1 (אי שוויון בל במקרה הזה יהיה שהתוצאות יצאו שונות לפחות ב- 5/9 מהמקרים באם נחזור על הניסוי מספיק פעמים). תורת הקוונטים מנבאת סיכוי 50 אחוז. כלומר הניבוי של תורת הקוונטים סותר את אי שוויון בל. תוצאות הניסוי מתאימות לניבוי של תורת הקוונטים.

 

[guprnds]

במה זה שונה ממשל הנעליים

פרט לעובדה ש"לנעליים" שלך מותר להתפתח בזמן תחת התנאי שהם ישארו "שזורים" כך שנעל אחת תתאים לכף רגל ימנית (כש"הימין" מתפתח גם הוא בזמן) ונעל שנייה לכף רגל שמאלית (כש"השמאל" גם הוא מתפתח בזמן)?

 

[BigBadWolf]

נעל אחת היא תמיד או ימנית או שמאלית, אין אי-וודאות

אם יש לי זוג נעליים, גם אם לא אבדוק איזו מהן ימנית ואיזו שמאלית בכל מקרה אחת מהן כבר מראש יוצרה כימנית והשניה מראש יוצרה כשמאלית. כשיש זוג חלקיקים קוונטיים שזורים אנחנו יכולים לדעת (בהשאלה מהמשל) שאם נמדוד את שניהם אחד יהיה ימני והשני שמאלי אבל לפני המדידה הם טרם 'החליטו' מה כיוונם. כלומר כל אחד בנפרד לא יוצר כימני או שמאלי אלא ביחד כצמד ימין-שמאל.

 

[guprnds]

בסדר, אז במקרה הקוונטי יש אי ודאות

במדידה הראשונית ובמקרה הקלאסי (נעליים) יש ודאות. אבל נראה שקונספטואלית רעיון השזירה מבוטא באופן לא רע בדוגמת הנעליים (אם מאפשרים התפתחות בזמן). לא כך? האם עניין אי הודאות כל כך חיוני כדי לתאר מהותית את הקונספט?

 

[uzi2]

אבל לא את אי שוויון בל.

בכל דוגמה קלסית שתבחר שבה אי הוודאות אינה משמעותית, תקבל התפלגות סיכויים. מן הסתם, בכל הדוגמאות שאני יכול לחשוב עליהן, המשתנים שם לא יהיו נסתרים, ואז נדע את ההתפלגויות, אבל גם אם לא, ותקבל אי שוויון, התוצאות של הניסוי יתאימו לניבואים. זה בניגוד לניסויים עם הקיטוב או הספין - שם התוצאות הניסיוניות, שתואמות את תורת הקוונטים לא תואמות את אי השוייון שכל תיאוריות משתנים נסתרים לוקליים חייבת לקיים.
באם תגביל את המדידות שלך על שני החלקיקים השזורים למדידות שבהן מדידה אחת לא מכניסה אי וודאות למדידה על בן הזוג השזור, לא תהיה בעייה עם אי שוויון בל, ולא תהיה הפרה של שום אי שוויון, והניבואים יתאימו. זאת בניגוד לניסוי למשל שהצגתי שם אי השוויון מופר, הן על פי תורת הקוונטים, והן על פי הניסוי.

 

[guprnds]

אולי יעניין אותך:

https://www.nature.com/articles/news030106-6

 

[uzi2]

ט'הופט פיזיקאי מאוד רציני

ותמיד שווה להתייחס לדברים שהוא אומר וכותב.
הוא כבר מבשל את הרעיונות שלו, בכיוון של תיאוריות דיסקרטיות, מעל 10 שנים. מדובר בקטגוריה של משתנים נסתרים לא לוקליים (כך שמשפיעים במרחקים גדולים, לפחות בהגדרה המקובלת של מרחב-זמן) כך שאין סתירה לאי-שוויון בל שפסל תיאוריות משתנים נסתרים לוקליות בלבד. הרעיון הוא שאי הוודאות נוצרת דווקא מאיבוד מידע ברמה הלוקלית. בשלב זה יש בעיות לא פשוטות לטעמי עם כיווני החשיבה שהוא מוביל: זה (לפחות לכאורה) שובר חלק מהסימטריות, והופך אותן למלאכותיות, אבל זה לא אומר שהמחקר מיותר. רק שאנחנו עדיין לא בתיאוריה של ממש אלא יותר בכיוון חשיבה שיש כרגע איתו בעיות.

קצת התאכזבתי מההקדמה בנייצ'ר, שלא מדייקת בכמה מקומות (למשל שמרבית הפיזיקאים כיום מאמינים בפרשנות קופנהגן). אנשים עובדים ויעבדו דה-פקטו עם פרשנות קופנהגן כל עוד אין תיאוריה אחרת, אבל כיום יש נטייה יותר דווקא לפרשנות העולמות המרובים.

 

[guprnds]

לג'אק דיסטלר יש פוסט חביב

על ההבדל בין שזירה למתאם:

https://golem.ph.utexas.edu/~distler/blog/archives/003186.html

 

[hnc]

הבן אדם מסביר לך ואתה במקום להגיב לדבריו

אתה מפנה אותו לקישורים שונים ומשונים.
זה שאין לך מה לומר (חוץ מלהעיר למי שיש לו מה לומר...) כבר הבנו מזמן.

 

[uzi2]

יש משהו שלא הבנתי בהסבר שלו

ואני מתנסח בזהירות כי בכל זאת הוא פרופסור לפיזיקה....
אבל מדוע הוא כותב שאם היה מדובר בקורלציה, עבור קיטוב של 45 מעלות יש סיכוי של רבע ששני הפוטונים יעברו את הפילטרים? זו התוצאה שהייתי מצפה לה רק במקרה שבו אין קורלציה, ואז הסיכוי לשני הארועים הוא מכפלת הסיכויים לכל ארוע בנפרד. קורלציה במקרה של משתנים נסתרים תלויה במודל המשתנים הנסתרים, אם כי במקרה של זווית קטנה מ- 45 מעלות אי השוויון מופר.

 

[uzi2]

תשובות שלי

שאלה: האם צימוד קוונטי יכול להיווצר מחוץ למעבדה, בטבע?
תשובה: אני מעדיף את המונח "שזירה קוונטית". כן, אבל לא מכיר מצב שבו נוצר באופן טבעי שימוש בזה. כלומר, צימוד יווצר ויהרס, ללא שימוש. היו השערות שבנוירונים יש גם שזירה קוונטית, אבל לדעתי מדובר בסביבה רועשת מדי, לא ניתן לשמור עליה לאורך מרחק סביר. בכל מקרה זה לא יותר מהשערה ראשונית שלדעתי לא נכונה.
באופן טכנולוגי, כבר יש שימוש בשזירה קוונטית, למשל בהצפנה קוונטית.

שאלה: כיצד מדענים יוצרים בכלל שזירה קוונטית?
תשובה: יש יותר מדרך אחת, אבל למשל הם יוצרים זוגות פוטונים שבהם סך הקיטוב של שני הפוטונים הוא אפס, או זוגות אלקטרונים, בתהליך שבו סכום הספינים שלהם הוא אפס. עקרונית ניתן גם כאשר הסכום הוא לא אפס.

שאלה: האם ניתן ליצור שזירה בין יותר משני חלקיקים?
תשובה: עקרונית כן. אם תדע את סכום הספינים שלהם למשל, ובתהליך תדאג שערכו לא ישתנה.

שאלה: האם זה לא כמו זוג נעליים שברגע שאני "מודד" שהנעל הרחוקה היא השמאלית, אני יודע שהנעל הקרובה היא "הימנית"?
תשובה: הרעיון שהמידע על תכונות החלקיק נמצא בחלקיק, ושהשאלה היא רק שאלה של מה אנחנו יודעים ומה לא, היה רעיון שאיינשטיין האמין בו. הוא ניסה לפתח תיאוריית "משתנים נסתרים" שבה המידע על מה תהיה התוצאה בכל מדידה כבר קיים בחלקיק, רק שהמידע נסתר מאיתנו כל עוד איננו מבצעים את המדידות.
ג'ון בל הוכיח מתמטית שבניסויים מסויימים כל תיאוריית משתנים נסתרים, תוצאותיה יקיימו אי שוויון מסויים, שעל פי תורת הקוונטים מופר. התוצאות של הניסויים שבוצעו בעקבות המשפט של בל, הראו התאמה מלאה לניבואים הקוונטיים והפרו את אי שוויון בל. אי שוויון בל הפריך את האפשרות שקיימת תיאורית משתנים נסתרים, שבה אין אינטרקציה במרחק בין שני החלקיקים. כלומר הפריך את האפשרות לתיאוריית משתנים נסתרים לוקלית (מקומית)
שאלה: איך יכול להיות שהחלקיקים בניסוי שני הסדקים עוברים דרך שני הסדקים, שהרי אנו יורים אותם לכיוון מסוים?
תשובה: בכל הדיון עד כה, לא הזכרנו מרכיב הכרחי בתורת הקוונטים, וזה עקרון אי הוודאות. אין לנו יכולת לדייק כרצוננו בשאלה היכן האלקטרונים יפגעו במסך עם הסדקים. באופן מעשי בגופים מקרוסקופיים יש לנו יכולת כזאת. מדובר במשהו שעל פי תורת הקוונטים הוא אינהרנטי במהות של החלקיק/גל. שלפעמים החלקיק מתנהג כמו גל (למשל בשלב שבו עובר את הלוח עם הסדקים) ולפעמים כמו חלקיק
(למשל בהתנגשות עם אטומי המסך שמאחורי הלוח עם הסדקים). לפעמים גם כמו משהו באמצע.

וכללי:
חשוב להבהיר, כי למרות מה שנכתב עד כה, לא ניתן להעביר מידע במהירות גבוהה ממהירות האור. לא ניתן על ידי בחירת סוג המדידה על חלקיק אחד מבין שני חלקיקים שזורים להעביר מידע שישמש את הצד השני. כלומר, שזירה קוונטית לא יכולה לאפשר העברת מידע בין שתי נקודות מרוחקות.

 

[אורי יעקוב]

תודה!

הנקודה שהעלית בסוף ידועה לי, וזו באמת נקודה מעניינת.

אז, לגבי חלקיקים שיש ביניהם שזירה קוונטית בטבע, האם תסכים איתי שאין כמעט שום סיכוי שהם יצליחו להתרחק אחד מהשני למרחק של נגיד 2 מטר, או קילומטר? כי הרי ברגע שאחד מהם יתנגש באטום (למשל בקיר) או בפוטון, אז מיד הוא יקרוס שהרי זו נחשבת "מדידה", אני צודק?

ומצאתי ביוטיוב סרטון מעניין שמסביר בצורה יפה את ניסוי בל.

(נ.ב - שאלתי גם בפורום לימודי פיזיקה)

 

[BigBadWolf]

קרינת הוקינג

למיטב ידיעתי קרינת הוקינג נגרמת מהפרדה של שני חלקיקים שזורים (חלקיק ואנטי-חלקיק) בקרבת חור שחור.

 

[uzi2]

הערה היסטורית, והתייחסות לחצי שאלה

ראשית סתם הערה הסטורית - משפט בל (אי שוויון בל) התגלה לאחר מותו של איינשטיין. חבל.

לגבי המרחק: עם פוטונים בריק ניתן לשמר ליותר מרחק את הקיטוב. הבעיה היא בתוך חומר. שם כל אינטרקציה שמשפיע על הגודל הפיזיקלי הרלוונטי של אחד החלקיקים (לאו דווקא מדידה - קרי קריסה של פונקציית הגל) גורמת לכך שכבר הערך של סכום הגדלים הפיזיקליים הרלוונטיים כבר לא ידוע לנו והמערכת יצאה ממצב שזירה.