האם צימוד קוונטי קיים גם בטבע, או רק במעבדה?

[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.

 

[Schrodingers Dog]

הסברים

צימוד קוונטי זה אומר שכאשר מתארים את המערכת שמורכבת מכמה גופים או חלקיקים אז אי אפשר לתאר כל חלקיק בנפרד אלא צריך את כולם כדי לתאר כל אחד מהם. אני אתן דוגמא ״מהחיים״ אפילו שזה ממש לא מדויק: יש שלושה אנשים יוסי דני ואבי ואני מתאר את המערכת ככה ״יוסי עומד 2 מטרים מדני שעומד 2 מטרים מאבי שעומד 2 מטרים מיוסי״ אז כאן אני לא יכול לדעת איפה יוסי נמצא אם אני לא מסתכל על שני הבחורים האחרים. זאת דוגמא ממש לא קוונטית רק כדי להבין את העקרון.
&nbsp
מכאן נובע שאפשר לצמד כל מספר של חלקיקים, לאו דווקא שניים. חשוב לציין שיש הרבה דרכים לצמד 2 חלקיקים ולא כל סוג צימוד הוא ״מעניין״ כלומר קורה הדבר המפתיע הזה. יש צימודים שאין בהם שום דבר מיוחד.
&nbsp
יש צימוד קוונטי בכל מקום. בתהליכים גרעיניים של פירוק, חלקיק מתפרק לשני חלקיקים אחרים אז הם מצומדים. אלקטרונים באטומים הם מצומדים. זה לא נדיר, בוא נגיד.
&nbsp
התיאור שלך של הנעליים הוא דוגמא טובה לנסות להבין. אז נניח שיש שני חלקיקים מצומדים עם ספין ואחד חייב להיות למעלה והשני למטה. אז זה כמו נעליים, נעל אחת ימין והשנייה שמאל. מפרידים את הנעליים למרחק גדול ואז מסתכלים על נעל אחת - היא ימין אז אוטומטית השנייה היא שמאל. עד לפה נשמע הגיוני. ההבדל הוא שכאשר מסתכלים על 2 חלקיקים קוונטיים אנחנו לא יודעים מי זה מי. מה שמכניקת הקוונטים יודעת לתת זה הסתברות, המשוואות אומרות שאם תיקח כל חלקיק יש הסתברות של חצי שהוא ספין ״למעלה״. כדי שהחלקיקים יהיו דומים לנעליים אנחנו רוצים להגיד שהחלקיקים בעצם יודעים בעצמם מי זה הימין ומי זה השמאל. במילים אחרות בתוך החלקיקים יש את התכונה ״ימין״ ושמאל אבל מכניקת הקוונטים לא יודעת לתאר את זה, לפחות כפי שאנחנו מבינים אותה היום. רעיון שכזה נקרא hidden variables שאומר שיש משהו שאנחנו עדיין לא מבינים בקוונטים ובעצם החלקיקים בתוכם יודעים אם הם ימין או שמאל.
&nbsp
לצערנו יש משפט מתמטי בשם Bells Inequality Theorem ואחר כך סדרה של ניסויים שמראים שהמשפט נכון שהוא אומר שלא יכול להיות שיש תאוריה של hidden variables שבה החלקיקים לא מתקשרים יותר מהר ממהירות האור. אז חזרנו לנקודת ההתחלה והפרדוקס לא נפתר.
&nbsp
ניסוי שני הסדקים ממחיש שחלקיקים וגלים יכולים להיות גם גלים וגם חלקיקים. הכוונה שעשו את הניסוי גם עם אור (לייזר) שחשבו שהוא גל והוא התנהג כמו חלקיק וגם עם אלקטרונים שחשבו שהם חלקיקים והם התנהגו כמו גלים. בגדול עושים 2 סדקים דקים ומסתכלים על הקיר מאחורי הסדקים. נניח עם האלקטרונים: אז אם יש רק סדק אחד פתוח רואים את האלקטרונים פוגעים בקיר מאחורי הסדק שזה נשמע הגיוני. אבל ברגע שפותחים את שני הסדקים הם מתנהגים כמו גל ועוברים דרך שני הסדקים ויוצרים תבנית התאבכות על הקיר, למשל הם פוגעים בקיר במרכז, בין 2 הסדקים איפה שלא ציפינו בכלל שהם יגיעו. ועכשיו להפך, שעושים את הניסוים עם אור אז הוא מתנהג כמו גל אבל ברגע ששמים חיישן לראות דרך איזה סדק הפוטון עבר אז הוא כמו אלקטרון שעובר דרך סדק אחר ויש פוגע בקיר מאחורי הסדק ואין התאבכות.

 

[אורי יעקוב]

תודה על התשובות, שאלות המשך...

1. אתה אומר שצימוד קוונטי קיים בכל מקום, אך האם חלקיקים מצומדים יכולים להתרחק אחד מהשני למרחק של נאמר, יותר מכמה מטרים? כי לפי מה שהבנתי ברגע שהם מתנגשים עם חומר (אפילו בפוטון אור) הם מיד קורסים למצב קבוע (0 או 1) ואז הצימוד נעלם, האם זה נכון? כלומר אם חלקיק מצומד התרחק קצת מהחלקיק השני ואז התנגש נאמר בקיר שהיה בחדר, אז הצימוד מתפרק כי זה בעצם כאילו שמדדו אותו, האם אני צודק?

2. לפי מה שאתה אומר: "כאשר מסתכלים על 2 חלקיקים קוונטיים אנחנו לא יודעים מי זה מי", אבל גם אם תהיה לנו נעל בקופסה סגורה תהיה סבירות של חצי שזו נעל ימנית, ואם נפתח את הקופסה ונראה איזו נעל יש בפנים מיד נדע מה הנעל בקופסה המרוחקת. איך יודעים שחלקיקים קוונטיים לא מתנהגים כך?

3. לא הבנתי, אתה אומר שהניסוי של בל מוכיח שחלקיקים שזורים הם לא כמו זוג נעליים? מה הניסוי? ואיך בדיוק הוא מוכיח זאת? אפשר גם בדרך משל אם זה יותר נח לך.

תודה מראש.

 

[Schrodingers Dog]

תשובות

חשוב להבין שצימוד קוונטי זה מתאר את האופן שבו אנחנו - בני האדם - מתארים את החלקיקים, בעזרת מתמטיקה שאנחנו - בני האדם - המצאנו. לחלקיקים לא אכפת אם הם מצומדים או לא, זה לא שלהם זה שלנו. מה זה אומר ״הצימוד מתפרק״? גם הכנסת נושא חדש שהוא קריסת פונקציית הגל. כאשר עושים מדידה אז אנחנו יודעים את התכונות של החלקיקים והתיאור שלנו שלהם משתנה. שוב, להם לא אכפת אבל כבר לא צריך את החלקיק השני כדי לתאר את הראשון כי מדדנו את הראשון. לא יודע אם זה עונה על השאלה שלך.
&nbsp
אם חוזרים לאנלוגיה הטובה של הנעליים אז אם הנעליים בתוך הקופסא ואנחנו לא יודעים, עדיין הנעליים עצמן יודעות מי זה ימין ומי זה שמאל. כדי להוסיף את התכונה הזאת למכניקת קוונטים, כלומר כדי להגיד שהחלקיק בעצמו יודע אם הספין הוא למעלה או למטה אפילו שאנחנו לא יודעים זאת התאוריה שנקראת ״משתנים נעלמים״ שנמצאה בסתירה עם ההנחה שמידע לא עובר מהר יותר ממהירות האור.
&nbsp
אני לא מבין את המשפט של בל ואת הניסויים שבודקים אותו, מציע לקרוא בוויקיפדיה, עברית או אנגלית. בגדול המשפט של בל אומר שאחת מ2 הנחות היא שגויה: ריאליזם זה אומר שיש אמת פיזיקלית גם אם אנחנו לא יודעים אותה והנחה 2 היא לוקליות כלומר מערכת אחת לא יכולה להשפיע מרחוק על מערכת אחרת. אחת מההנחות היא שגויה אם רוצים לשחזר את הניסויים שנעשו עד כה.

 

[אורי יעקוב]

1. לגבי התשובה הראשונה

לא ברור לי מה זה אכפת להם/ לא אכפת להם שהם מצומדים... הרי כאשר מודדים אותם במעבדה הם קורסים למצב קבוע כלשהו, כלומר מבחינה פיזית משהו משתנה בהם בלי קשר לאם אכפת להם או לא. אז השאלה שלי הייתה, האם קריסה כזו מתרחשת גם בטבע (מחוץ למעבדה) כאשר חלקיק מצומד שנוצר איכשהו, מתנגש בחלקיק אחר? הרי זה נחשב מדידה לא? אם חלקיק מצומד נתקל במשהו, למשל בפוטון או אטום, זה יגרום לו לקרוס, לא?

2. אני לא חושב שמשתנים חבויים סותרים את מהירות האור... אם קניתי זוג נעליים ונתתי לשני חברים שלי שתי קופסאות סגורות שבכל אחת נעל, אז לא משנה מה יהיה המרחק ביניהם (גם 50 שנות אור) ברגע שחבר אחד יפתח את הקופסא ויראה שיש בה נעל ימין, מיד הוא ידע שהנעל אצל החבר השני היא נעל שמאל. אין שום צורך בהעברת מידע ביניהם כדי שחבר אחד ידע מיידית מה הנעל שיש אצל החבר השני.

3. מצאתי סרטון נחמד ביוטיוב שמסביר איך ניסוי בל הוכיח שאין כאן משתנים חבויים, ממליץ לך להסתכל.

 

[Schrodingers Dog]

קריסה

למיטב הבנתי שום דבר לא משתנה בקריסת פונקציית הגל חוץ מההבנה שלנו. שום דבר לא קורה לחלקיקים. מה שקורס זה פונקציית ההסתברות. נניח אם לפני המדידה יש סיכוי של 50/50 למדוד משהו, אחרי המדידה אנחנו מקבלים 0 או 1 אז לחלקיק לא קרה כלום. כל מה שקרה זה שעכשיו אנחנו יודעים. זאת ההבנה שלי. אתה מציג את זה כאילו לחלקיקים קורה משהו שזה לא איך שאני רואה את זה.
&nbsp
בקשר לנעליים, מתישהוא אנחנו מפסיקים לדבר על נעליים כי הן לא אובייקט קוונטי וזהו. כל האינטואציה שיש לך בקשר לנעליים לא תופסת במכניקת קוונטיים, זאת רק דוגמא להראות כמה מכניקת הקוונטים היא לא אינטואיטיבית. מה הקשר בין משפט בל, לניסויים, ללוקליות למשתנים חבויים אני לא מבין בצורה טובה אז אין לי מה להוסיף לפני שאלמד את הנושא. אצפה בסרטון בזמני הפנוי אז תודה על הקישור.

 

[Schrodingers Dog]

דוגמא

אני אתן דוגמא לקריסת פונקציית גל ואיך זה לא קשור לחלקיק אלא אלינו. אחת הדרכים למדוד ספין של אלקטרון זה לזרוק אותו אל תוך אזור שיש בו שדה מגנטי. הספין זה תכונה פנימית של האלקטרון שאנחנו לא רואים, יכול להיות ״למעלה״ או ״למטה״. בגלל השדה המגנטי יופעל כח וחלק מהאלקטרונים ילכו ימינה וחלק שמאלה, על פי הספין שלהם. אז התחלנו עם אלקטרון בודד שנמצא בסופר פוזיציה של למעלה + למטה, חצי חצי (נניח). ואז ראינו שהוא פנה ימינה זה אומר שהיה לו ספין למטה וזהו. עכשיו אנחנו יודעים. כל מה ״שקרס״ זה פונקציית ההסתברות: מ50% סיכוי ״למטה״ ל100% סיכוי ״למטה״. אבל אפשר להגיד שלאלקטרון לא קרה כלום, הוא פגש שדה מגנטי והלך ימינה זה אומר שהיה לו ספין למטה. במילים אחרות אין משמעות לביטוי ״החלקיק קורס״ זה פשוט הבנה לא נכונה של הביטוי ״קריסת פונקציית גל״.

 

[אורי יעקוב]

אני מבין את הדוגמא שלך, אבל אני חושב שאתה טועה

קודם כל הסרטון שהפניתי אותך אליו (ניסוי בל) מוכיח עד כמה שהבנתי, שעד שלא מודדים את החלקיק אז אפילו הוא לא יודע אם הוא ספין ימני או שמאלי.

אם מה שאתה אומר היה נכון אז לא היו משתמשים במילה "קריסה", אלא פשוט היו אומרים שקודם לא ידענו מה הספין שלו, ועכשיו אחרי המדידה אנחנו כן יודעים. הדוגמא שנתת היא בדיוק דוגמת הנעליים שאני נתתי בהתחלה, אבל כאמור ניסוי בל הוכיח שזה לא נכון, ראה בסרטון.

 

[Schrodingers Dog]

כן

יש בזה משהו אבל נדייק קצת: ניסוי בל מראה שאי אפשר גם ריאליזם (החלקיק יודע בעצמו מה הוא) וגם לוקליות (השפעה מרחוק). אבל אפשר אחד מהם בלי השני. ריאליזם אומר שיש אמת (החלקיק יודע שהוא ספין למעלה) גם אם אנחנו לא יודעים אותה, למשל התאוריות של משתנים חבויים.
&nbsp
אני אישית נוטה להאמין שאולי ריאליזם קיים ולוקליות לא מהסיבה הפשוטה היא שבשנים האחרונות נחשפתי לכיוונים חדשים של מחקר בכבידה קוונטית שמסתמכים על שזירה קוונטית גלובלית כלומר חוסר-לוקליות.
&nbsp
אבל אף אחד לא יודע אם ריאליזם קיים או לא. חשוב גם לציין שקריסת פונקציית גל זה רעיון בפרשנות קופנהגן של מכניקת קוונטים. יש כמה פרשנויות או גרסאות של מכניקת קוונטים. יש גרסאות שבהן אין את הרעיון של קריסת פונקציית הגל, כלומר אין את הרעיון של מדידה שמשפיעה על הניסוי. זה תאוריות של משתנים חבויים (למשל דה ברולי-בוהם) ו״ריבוי עולמות״. אז להבנתי אם חלק מהגרסאות של מכניקת הקוונטים צריכות קריסה וחלק לא צריכות קריסה אז הקונספט של הקריסה שייך לתאוריה או למתמטיקה או להבנה האנושית ולא למציאות. אבל אולי אני טועה בפירוש הזה.
&nbsp