פיל קוונטי בארץ הפלאות: ניסויים חדשים וסקר מפתיע

פיל קוונטי בארץ הפלאות: שני ניסויים חדשים ושליש מהאמריקאים מאמינים שפיסיקת הקוונטים מתיחה      

 “בעוד שמר טומפינקס הביט בכדור מתרוצץ לו הלוך ושוב בהסגר בדיוק כמו נמר בקלוב, משהו מאוד בלתי רגיל התרחש. הכדור פשוט ‘דלף החוצה’ מהקיר של המשולש וברגע השני הוא התגלגל לפינה רחוקה של השולחן. הדבר המוזר היה שהוא באמת לא קפץ מעל לקיר העץ, אלא פשוט עבר דרכו ולא הופיע מהשולחן.     

‘ובכן הנה לך’, אמר מר טומפקינס, ‘”תנועת האפס” שלך ברחה. האם זה לפי הכללים?’     

‘ברור שכן’, אמר הפרופסור, ‘למעשה זו אחת מהתוצאות המעניינות ביותר של תורת הקוונטים. לא ניתן להחזיק שום דבר בתוך כלי סגור בתנאי שישנה מספיק אנרגיה כדי לברוח לאחר שחוצים את הקיר. מוקדם או מאוחר הגוף פשוט ‘ידלוף דרכו’ ויברח”     

מר טומפינקס חוקר את האטום, ג’ורג’ גמו     

מגזין נייצ’ר שאל לפני כמה ימים את השאלה, “האם אנחנו יכולים להיות בטוחים בכלל שהעולם לא נהפך לקוונטי כאשר איש לא מביט בו?” בעוד חוקרים מתלבטים במחשוב קוונטי ובניסויים חדשים בגבול שבין הקלאסי לקוונטי, סקר חדש שנערך מטעם מכון מחקר דתי נוצרי בארה”ב בקרב האמריקאים מראה ש-23% מהאמריקאים מאמינים שפיסיקת הקוונטים היא מתיחה. ואילו 34% מהסקפטיים לגבי פיסיקת הקוונטים מאמינים שסטיבן הוקינג הוא השטן או לפחות דמון מדגה קרובה המקורב אליו. הנתונים המדאיגים מאמריקה צריכים להדאיג גם אותנו לנוכח התחזקות זרמי חינוך בהם לא לומדים מקצועות יסוד כגון מתמטיקה ואנגלית. נשאלת השאלה לנוכח התמיהה של נייצ’ר, האם אנחנו יכולים להיות בטוחים שהעולם לא נהפך לטיפש כאשר איש לא מחנך אותו?     

איך אפשר לשכנע אנשים שמכניקת הקוונטים היא גם הכרחית וגם יעילה? הפיסיקאי, מספרים לנו טוני היי ופטריק וולטרס בספרם היקום הקוונטי החדש, בדיוק כמו בלש טוב, בורר בין העדויות וזוכר את הפתגם הישן של שרלוק הולמס ש”כאשר שללת את הבלתי אפשרי, כל מה שנותר, גם אם בלתי סביר, צריך להיות האמת”. למרות זאת, רק עם הרבה מאוד התמדה הפיסיקאים של המאה העשרים השתכנעו בכך שהבנין העצום והמפואר של הפיסיקה הקלאסית לא רק שהיה “כמעט נכון” לתיאור ההתנהגות של אטומים, אלא, במקום היה צריך לבנותו לגמרי מחדש.     

אם ניתן למישהו קופסא עם כדורים, ניתן לנבא את התנועה של כל כדור וכדור בכל זמן בעתיד. ככל שמודדים את המהירויות והמיקומים בדיוק רב יותר נגיע לניבוי טוב יותר. זוהי ההשקפה הדטרמיניסטית. פיסיקת הקוונטים חיסלה את ההשקפה הדטרמיניסטית של העתיד. במקום נכנס אלמנט הכרחי של אי ודאות לניבויים של הפיסיקה. לא ניתן יותר למדוד את המיקום והמהירות גם יחד במדויק כרצוננו. ישנו גבול לדיוק שאותו ניתן להשיג, ולא משנה כמה רגיש ומתוחכם מכשיר המדידה.       

 האיש הפשוט חושב שסטיבן הוקינג הוא השטן     

סקר חדש שנערך בארה”ב מטעם מכון מחקר נוצרי דתי מראה, ש-23% מהאמריקאים מאמינים שפיסיקת הקוונטים היא מתיחה. אותו מכון הוציא פרסומים לפיהם הסרט אוואטר הוא יצירה פגאנית והמכון מטיף לאהבת הכתבים הקדושים. לפי הסקר  אחוז המאמינים שתורת הקוונטים היא תעלול גדל השנה לעומת 14% לפני שנתיים. כמוכן, 26% מכלל האמריקאים מאמינים שפיסיקת הקוונטים היא לא מתיחה ותעלול, זאת בעוד ש-51% ענו את התשובה, לא יודע.     

הסקר החדש הזה שנערך על ידי מכון המחקר הנוצרי הראה שפרוטסטנטים אבנגליסטים לבנים הכי פחות נוטים להאמין בפיסיקת הקוונטים. מרביתם מאמינים שתורת הקוונטים פוברקה מבחינה תעשייתית במטרה לגרוף רווחים מהצרכנים האתיאיסטים על ידי קידום השקפה כופרת בעולם.       

“זה חתיכת שטויות”, אמר פרופסור אחד למדעי החברה בשם קיט סוויגר Keith Swiger מאוניברסיטת ליברטי בארה”ב על מכניקת הקוונטים. הוא טוען, שהפיסיקאים ממציאים מושגים מאוד מסובכים בנוגע לעצמים, שאותם אנשים אפילו לא יכולים לראות. בעזרתם הפיסיקאים הקוונטיים מסוגלים לנצל אליטיסטים חילוניים, שנוטים להעמיד פנים כאילו הם מבינים דברים שבמציאות אין להם כל מובן. סוויגר מתייחס לניסוי שני החריצים המפורסם, שבו יורים פוטון בודד דרך שני חריצים לעבר מסך צילום ונוצרת תבנית עקיפה – כאשר התבנית מצביעה על דואליות חלקיק-גל של האור. “כיצד משהו יכול להיות בשני מקומות בבת-אחת? זה מטורף”, אומר סוויגר. “זה בדיוק כמו לומר שאתם מסוגלים להחזיק ספל קפה חם קרוב לאוזן שלכם ולהשתמש בה כטלפון. זה טיפשי, שלא לדבר על לגמרי מסוכן”.     

הסקר של מכון המחקר הנוצרי הראה בנוסף ש-34% מהסקפטיים בנוגע לפיסיקת הקוונטים מאמינים שהפיסיקאי המפורסם בעולם, פרופ’ סטיבן הוקינג הוא השטן. זאת בעוד ש-36% מהנשאלים מאמינים שהוא רק דמון מדרגה גבוהה באותה ליגה יחד עם השטן. “אינני בטוח איזה מהם, אבל הוא אחד מהשניים”, ציין אחד מהנשאלים הסקפטיים. “אין סיכוי שאחד בעל מחלת לו גריג יכול לחיות כל כך הרבה זמן”.     

60 שניות על התופעות המוזרות שבעולם הקוונטי     

ג’ורג’ גמו בספרו מר טומפקינס חוקר את האטום, ברא עבור מר טומפקינס עולם פלאות שבו קבוע פלנק המפורסם הוא הרבה יותר גדול מאשר בעולמנו. בעולם כזה חלקיק קוונטי הוא פיל קוונטי שמסתובב בג’ונגל קוונטי של פסי עקיפה והתאבכות ומר טומפינקס רוצה לירות בו ולא יכול. ככה מר טומ פינקס לומד אודות העולם הקוונטי. העולם הקוונטי עוסק בחלקיקים קוונטים – אלקטרונים, פוטונים, אטומים.     

אחת התופעות המוזרות ביותר בעולם הקוונטי היא, שחלקיקים יכולים להיות בשני מקומות בו-זמנית. מצב זה קרוי סופרפוזיציה. תופעה מוזרה נוספת במכניקת הקוונטים קרויה שזירה קוונטית, לפיה, שנים ויותר חלקיקים הם שזורים יחד ופעולה שמבוצעת על אחד מהם משפיעה על החלקיקים האחרים. אם שני החלקיקים שזורים, הם נותרים קשורים באופן שלא ניתן לנתקם זה מזה. השזירה הקוונטית היא למעשה כה מוזרה, עד כי אינשטיין כתב לחברו מקס בורן ב-1947 שמצב זה הוא “פעולת רפאים למרחוק”.     

נשאלת השאלה, כיצד ה”חלקיק הקוונטי” נהפך למשהו קלאסי? אם נתון לנו חלקיק קוונטי במצב כלשהו. לפני ביצוע המדידה המצב הקוונטי של החלקיק מתואר כסופרפוזיציה של שני מצבי מדידה אפשריים. לאחר ביצוע המדידה, מסיקים שהחלקיק הוא במצב אחד ויחיד אפשרי. היכן שהוא לאורך הדרך מצב החלקיק השתנה מכזה שמורכב משתי אפשרויות מדידה לאפשרות מדידה אחת.     

המדידה קשורה בשני סוגי התערבות שונים מהותית זה מזה. הראשונה, היא מעין “קפיצה קוונטית”: מעבר חד ומיידי, לא רציף, לא דטרמיניסטי וסטטיסטי של מצב המערכת הקוונטית לפני המדידה למצב שאחרי המדידה. תהליך זה הוא “קריסת פונקצית הגל”. הסוג השני של ההתערבות הוא התפתחות רציפה ולגמרי דטרמיניסטית-סיבתית של המערכת כתגובה לקריסה. זו מתוארת על ידי משוואת הגלים של שרדינגר.     

שני סוגי התערבות אלה דרושים כדי לפרש את תהליך המדידה הקוונטי. קריסת פונקצית הגל מייצגת חידוד של הידע שלנו אודות מצב החלקיק הקוונטי. לפני המדידה החלקיק הוא במצב מעורב – גם זה וגם זה. המדידה מכריעה איזה מבין המצבים נוטל החלקיק. למעשה, אקט המדידה כאן לכאורה ממקם את המצב ממצב בלתי מוגדר לכמות מוגדרת.     

בימיה הראשונים של תורת הקוונטים נילס בוהר, ורנר הייזנברג, אלברט אינשטיין ואחרים התווכחו על משמעות תורת הקוונטים ועל הפירושים לתורת הקוונטים.     

הכל בעצם מתחיל ממושג קריסת פונקצית הגל שהוא חלק מהפירוש האורתודוקסי לתורת הקוונטים. ואז החלו פיסיקאים שואלים את עצמם: האם הקריסה היא תופעה פיזיקאלית אמיתית? אילו עדויות יש לנו שקריסה זו היא אכן אמיתית? התשובה שניתנה הייתה, אף עדות. רעיון הקריסה הוא הכרחי להסבר מדוע מערכת קוונטית קודם כל נמצאת “במצב חתול שרדינגר” מוזר של סופרפוזיציה – לפני הליך המדידה – ואילו אחרי שבוחרים בפרוצדורת מדידה מסוימת, המערכת קיימת רק במצב אחד ויחיד.     

במצב זה באו פיסיקאים ואמרו, אולי בעצם אין כלל בעיה כאן. במילא לא קיימת שום עדות ניסויית לקריסת פונקצית הגל. לפיכך הבה נניח שכל המדידות האפשריות ממומשות. יתכן שהן ממומשות כולן, אבל לא בעולמנו היחיד בו אנו חיים. אקט המדידה מפצל את העולם למעין ענפים, כאשר בכל עולם ממומשת תוצאת מדידה אחרת. והגיעו לפרוש ריבוי העולמות של אברט לתורת הקוונטים.     

ציפורים מנווטות בעזרת שזירה קוונטית     

פיסיקאי בשם הנס בריגל והקולגות שלו מאוניברסיטת אינסברוק באוסטריה חושדים שהחוקים המוזרים של תורת הקוונטים – השזירה הקוונטית – מסייעים לציפורים לנווט את דרכן בשמים בהתאם לשדה המגנטי של כדור הארץ.     

מחקר חדש שיופיע בגיליון החדש של Physical Review Letters מציע לבדוק כיצד השזירה הקוונטית משנה את ההתנהגות של חיות. המחקר נשען על עדויות מצטברות רבות לפיהן אורגניזמים חיים מנצלים את החוקים המוזרים של פיזיקת הקוונטים, ששולטים בעולם האטומי, כדי לפתור בעיות כגון פוטוסינתזה וניווט.    

המאמר שהתקבל לפרסום:    

Jianming Cai, Gian Giacomo Guerreschi, and Hans J. Briegel
Accepted Wednesday Apr 21, 2010

   

ציפורים במעוף מכאן   

    

החוקרים בהתחלה זיהו מולקולה ששמה קריפטוֹכרוֹם. זהו חלבון שמצוי בעצבי העיניים של עופות וסבורים שהוא אחראי על כך שהציפורים מרגישות את השדות המגנטיים החלשים של כדור הארץ.     

האלקטרונים בקריפטוכרום בדרך כלל מופיעים בזוגות, כל אחד בעל ספין הפוך, כמו מן פלנטה שמסתובבת על צירה. אבל כאשר האור פוגע במולקולה, הוא יכול לסחוף את אחד האלקטרונים. הנוכחות של שדה מגנטי יכול במקרה כזה לגרום לכל אלקטרון בספין להתנודד כמו אותו ניסוי עם צלחת מסתובבת שמאוזנת על מקל. כאשר האלקטרון ההפכפך שב למולקולה המקורית שלו, כל שינוי שהתרחש בספין שלו גורר סיגנל כימי. מדענים מסוימים מאמינים שסיגנל כימי זה מאפשר לציפורים לראות את השדות המגנטיים של כדור הארץ כתבנית של צבעים.       

החוקרים סבורים שהדרך שבה סיגנל כימי זה מעורר תלויה בשזירה קוונטית: האם או לא הספינים של אלקטרוני הקריפטוכרום שלובים חזק זה בזה בשזירה קוונטית. כאשר שני הספינים של האלקטרונים שזורים קוונטית, בהינתן הידיעה אודות הספין האחד, יודעים מה השני עושה, ולא משנה מה המרחק ביניהם.     

בריגל והקולגות שלו העלו השערה לפיה יתכן שאלקטרונים שהם שזורים בקריפטוכרום מסוגלים לגרום לציפורים להיות יותר רגישות לשדות המגנטיים. בריגל והקולגות שלו חישבו כמה חזק זוג אלקטרונים בעלי ספינים שזורים יכולות להגיב לשדה מגנטי לעומת זוג שאינו שזור קוונטית. התוצאות הראו שהשזירה הקוונטית יכולה לסייע, אבל אולי לא לציפורים. החוקרים בדקו תיאורטית (בעזרת חישובים) שתי מולקולות, קריפטוכרום ופירן, מולקולה ביולוגית בעלת משמעות ביולוגית פעוטה אבל היא נחקרה רבות. עבור פירן הם מצאו שהשזירה הקוונטית בין הספינים של האלקטרונים גרמה לחלקיקים להיות הרבה יותר רגישים לשדות מגנטיים. אבל עבור קריפטוכרום השזירה לא שינתה כלום. החוקרים חשבו, הגענו למבוי סתום ולאכזבה.     

אבל בריגל והקולגות שלו מצאו אז דרך לבדוק את התיאוריה על מולקולות אמיתיות.     

הם כיוונו לעבר זוג האלקטרונים פרצי מיקרוגלים אנרגטיים קצרים כדי לראות האם האלקטרונים הם שזורים קוונטית או לא. אם הספינים של האלקטרונים הם שזורים קוונטית רגישותם לשדה המגנטי צריכה להשתנות. אם הם לא רגישים לשדה המגנטי רגישותם צריכה ליפול.     

בריגל השתמש בטכניקה שוב כדי לחקור כמה מולקולות שונות. הוא מצא שמולקולות שונות השתמשו בשזירה בצורה שונה והבין את המורכבות של תפקיד שעשוי להיות למכניקת הקוונטים בביולוגיה. מסתבר, חשב בריגל שהמצב לא פשוט ולא טריביאלי בכלל. השזירה תלויה במולקולה. התגלית לפיה הרגישות לשדה המגנטי משתנה בהתאם למולקולה יכולה להיות בעלת משמעות להבנה כיצד מכניקת הקוונטים משפיעה על הביולוגיה.     

בריגל כרגע מתמקד על בדיקת מולקולות שונות במעבדה ואילו פיסיקאי נוסף בשם תורסטון ריץ מאוניברסיטת קליפורניה אירבין, שזיהה את מולקולת הקריפטכרום מלכתחילה, עובד על בדיקת השזירה הקוונטית על ציפורים חיות.     

 גוף ננומטרי בסופרפוזיציה קוונטית     

עד כה חשבנו שחוקי מכניקת הקוונטים היו תקפים אך ורק לסקאלות גודל אטומיות ותת-אטומיות. אף אחד לא הראה עדות לכך שהם תקפים לסקאלות גדולות יותר. איש לא הדגים עד היום, שאם לוקחים עצם גדול יותר, המכיל כמה אלפי או מיליארדי אטומים, עדיין מכניקת הקוונטים תקפה לתנועת העצם זה.     

קבוצה של חוקרים מאוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה בראשות אנדרו קלילנד וג’ון מרטיניס וכוללת את אהרון אוקונל (סטודנט לדוקטורט בפיסיקה) הצליחו לקחת רזונטור מכני בעובי של שערה ובאורך של 30 מיקרו-מטרים ולקררו לרמת היסוד הקוונטית שלו, רמת הרטט הנמוכה ביותר המותרת על ידי מנכניקת הקוונטים. (מדובר בעצם זעיר ובסדר גודל ננומטרי, אבל עדיין ניתן לראותו בעזרת העין האנושית).   

כאשר הרזונטור המכני היה כבר כמעט לגמרי במצב מנוחה, הקבוצה הוסיפה קוונט אנרגיה בודד לרזונטור בעזרת קיוביט (ביט קוונטי) כדי ליצור את העירור. הרזונטור הגיב בדיוק כפי שציפו ממנו בתורת הקוונטים.    

    

ג’ון מרטיניס, אהרון אוקונול ואנדרו קלילנד, אוניברסיטת קליפורניה.   

החוקרים הגיעו לרמת היסוד על ידי זה שהם תכננו ובנו רזונטור מכני בתדירות של מיקרוגל. הרזונטור של החוקרים פועל בדומה לרזונטורים המכניים שמוצאים בטלפונים סלולאריים, אבל הוא פועל בתדירות גבוהה יותר.   

בניצ’ר תארו זאת כמו תוף ואף שמו ציור של תוף וכתבו שהחוקרים קררו את המשוט המכני הראשון. לכן אפשר להשתמש בדימוי של נייצ’ר. החוקרים חברו את הרזונטור לרכיב אלקטרוני שפותח למטרות של חישוב קוונטי, קיוביט מוליך-על, או מה שקרוי מעגל מוליך על שפועל לפי חוקי מכניקת הקוונטים (superconducting quantum circuit). לאחר מכן הם קררו את הרכיב המשולב כולו לטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט. בעזרת הקיוביט ששימש כמד חום קוונטי, החוקרים הדגימו שהרזונטור הקוונטי לא הכיל שום ויברציות נוספות. במלים אחרות, הרזונטור עכשיו קורר לרמת היסוד הקוונטית שלו.    

    

 'Quantum drum' or oscillator     

החוקרים אז הדגימו, שברגע שהרזונטור המכני קורר, הוא התנהג בדיוק לפי החוקים של מכניקת הקוונטים. החוקרים היו מסוגלים ליצור פונון בודד – כלומר הם יצרו את הויברציה המכנית קוונטית, שהיא היחידה הקטנה ביותר של האנרגיה הויברציונית. ואז הם הביטו כיצד קוונט אנרגיה זה הוחלף בין הרזונטור המכני לקיוביט (המעגל המוליך על). בעוד אנרגיה זו הוחלפה, הקיוביט והרזונטור נהפכו ל”שזורים קוונטית”. בצורה זו מדידת הקיוביט אילצה את הרזונטור המכני “לבחור”  במצב הויברציוני שבו הוא צריך להשאר. ואז החוקרים מקמו את הרזונטור המכני ב”סופרפוזיציה קוונטית”, מצב שבו הרזונטור היה בו-זמנית מעורר קוונטית וגם בעל אפס ערור קוונטי. מצב זה הוא השקול האנרגטי לגוף שהוא ממוקם בשני מקומות בו-זמנית. החוקרים הראו שהרזונטור שוב התנהג כצפוי על ידי מכניקת הקוונטים.     

הניסוי מראה שעקרונות מכניקת הקוונטים יכולים להיות תקפים לעצמים מחיי היומיום בדיוק כמו שהם תקפים לחלקיקים קוונטיים. זאת לפחות עד אשר כוח חיצוני מבחוץ פועל על הגוף ואז הוא בוחר באחד משני המיקומים הסותרים.     

למעשה ב-1935 ארווין שרדינגר עצמו היה מוטרד מהמחשבה שמא חוקי מכניקת הקוונטים – ובייחוד המוזרויות שנובעות מהכללים הקוונטיים – תקפות לעצמים מקרוסקופיים כגון החתול. הוא הציע לכן את ניסוי החתול המפורסם שלו:     

“מישהו יכול אפילו לתכנן מקרים מגוחכים למדי. חתול נכלא בתוך כלוב מפלדה, יחד עם הרכיב השטני הבא (שחייבים להגן עליו מחשש להפרעה ישירה מהחתול): במונה גייגר ישנה מעט חתיכת חומר רדיואקטיבי, כה קטנה, שאולי עם חלוף שעה אחת, אחד מהאטומים דועך, אבל גם, באותה הסתברות, אולי אף אחד. אם זה קורה, שפופרת המונה מתפקרת ובאמצעות תמסורת משחררת פטיש שמנפץ בקבוקון קטן של חומצה הידרוציאנית. אם משאירים את המערכת הזו כולה לבדה למשך שעה, נוכל לומר שהחתול עדין חי אם בינתיים שום אטום לא דעך. דעיכת האטום הראשונה תרעילו. פונקצית הגל של המערכת כולה תבטא זאת על ידי זה שתכלול בתוכה את החתול החי והמת (סליחה על הביטוי) מעורבב או מרוח כולו בחלקים שווים”.      

העבודה מראה שחוקי מכניקת הקוונטים תקפים לסקאלות גודל גדולות. לכן, שואלים בנייצ’ר הבריטי, אם ניתן להכניס טריליוני אטומים למצב קוונטי, מדוע איננו רואים אוטובוסי קומתיים [אדומים בריטיים כמובן] בו-זמנית עוצרים ונוסעים? קלילנד עונה לנייצ’ר, שהוא מאמין שהגודל בכל זאת חשוב: ככל שהעצם גדול יותר, יותר כוחות חיצוניים מפריעים למצבו הקוונטי ביתר קלות.     

Advertisements

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s