מאמר זה נכתב על ידיפיטר מוסלימהאוניברסיטת באת', ופורסם במקור על ידיהשיחה.
עולם מכניקת הקוונטים מוזר. חפצים המרוחקים זה מזה יכוליםלהשפיע אחד על השניבמה שאלברט איינשטיין כינה "פעולה מפחידה מרחוק", וחתולים יכולים לעשות זאתלהיות מת וחייםבאותו זמן. במשך עשרות שנים, מדענים ניסו להוכיח שהשפעות אלו אינן רק מוזרויות מתמטיות, אלא תכונות אמיתיות של העולם הפיזי.
והם מתקדמים לאנשהו. לחוקרים ישסוף סוף הוכח במחקר חדששהקישור בין חלקיקים במרחק משקף את האופן שבו היקום מתנהג, במקום להיות חפץ ניסיוני. בינתיים, עוד אחדצוות חוקריםיצאה להראות שיצור חי, גם אם חיידק, יכול להיות בשני מצבים קוונטיים שונים בו-זמנית - בדיוק כמו החתול בניסוי המחשבה של שרדינגר.
אבל בואו נתחיל עם העיתון, שפורסם בטֶבַע, מה שמוכיח שהעולם הוא מפחיד מטבעו. כל המערכות המתוארות על ידי מכניקת הקוונטים יכולות להציג מה שנקרא. לדוגמה, אלקטרון, כמו מטבע, יכול להסתובב בשני כיוונים (למעלה ולמטה). אבל שני אלקטרונים יכולים להסתבך כך שמדידה של ספין של אלקטרון אחד תגדיר את הספין של השני.
לְפִימכניקת קוונטים, לא ניתן לדעת את הספין של אלקטרון אחד לפני מדידה, ובכל זאת יהיה מתאם מושלם עם השני, גם אם הוא נמצא במיקום מרוחק. איינשטיין לא אהב את זה כי נראה שזה מרמז שאפשר לשלוח את המידע מאלקטרון אחד לשני באופן מיידי - שבירהכללזה אומר ששום דבר לא יכול לנוע מהר יותר ממהירות האור. הוא במקום זאת חשב שיש "משתנים נסתרים"מקודד בכל אלקטרון שיכול לקבוע את התוצאה אם רק נוכל לגשת אליהם.
אבל בשנות ה-60, מדען צפון איריג'ון בלהמציא שיטה לבדיקת התיאוריה של איינשטיין. 'אי השוויון של בלהוא מרוצה רק אם פעולות במקום אחד לא יכולות להשפיע על אחר באופן מיידי ותוצאות המדידות מוגדרות היטב מראש - משהו שמכונה 'ריאליזם מקומי'.
בל הראה, תיאורטית, את זהיפר את מבחן אי השוויון שלו, אבל תיאוריות ריאליסטיות מקומיות המכילות את המשתנים הנסתרים של איינשטיין לא יפרו. הסיבה לכך היא שהקשר בין חלקיקים הסתבכו חזק יותר ממה שאיינשטיין רצה להאמין. אז אם המתאם הנמדד בין זוגות של חלקיקים מניסוי היה מעל סף מסוים, זה לא היה תואם משתנים נסתרים והסתבכות תנצח את היום.
הרצון לבדוק זאת במעבדה הניע התקדמות ניסויית ענקית ב-51 השנים שחלפו מאז המאמר של בל. עם זאת, כל ההטמעות של בדיקות Bell עד כה עשו זאתהכיל פרצותשהשאירו מרחב תנועה ליקום לציית לתיאוריות הריאליסטיות המקומיות.
אחד מאלה היה שיעילות המדידות הייתה נמוכה מדי (המכונה פרצת הגילוי). למרות שהנתונים שהתקבלו הפרו את מבחן אי השוויון של בל, ייתכן שלא מדובר במדגם מייצג של סט שלם מכיוון שלא ניתן היה לזהות כמה פוטונים בניסוי. פרצה נוספת הייתה שהמדידות היו איטיות מדי (הפרצה של היישוב). אם מכשירי המדידה היו מסוגלים לתקשר באמצעות ערוץ לא ידוע, איטי מהאור, הם יכלו לשתף מידע ולהשפיע על תוצאות המדידה הממשמשת ובאה.
המחקר החדש הוא הניסוי הראשון שסוגר בו זמנית את שתי הפרצות הללו במבחן של אי השוויון של בל. המדענים השתמשו בלייזר כדי ליצור שני אלקטרונים ספציפיים, כל אחד בתוך יהלום שנמצא במרחק של יותר מקילומטר אחד זה מזה, להגביר את האנרגיה שלהם ולפלוט חלקיק אור (פוטון), שהסתבך עם מצב האלקטרון. הפוטונים נשלחו לאחר מכן דרך סיב אופטי כדי להתאחד במיקום שלישי. אם הם הגיעו בדיוק באותו זמן, הפוטונים היו מתקשרים זה עם זה ומסתבכים - כלומר גם החברים האלקטרונים המרוחקים שלהם יסתבכו.
לאחר מכן נמדדו ספינים של האלקטרונים כדי לבדוק את אי השוויון של בל. שתי הפרצות נסגרו על ידי הבטחת היעילות והמהירות של הקריאה גבוהות מספיק. כתוצאה מכך, הצוות הצליח להוכיח באופן סופי שהיקום אינו מציית לריאליזם המקומי: לא ניתן לדעת את תוצאות המדידות מראש, ומחצית ממצב סבוך יכול להפעיל פעולה מפחידה על בן זוגו המרוחק.
החתול המפורסם של הפיזיקה
הסתבכות היא לא הסוג היחיד של התנהגות קוונטית חריגה. השפעה נוספת, המכונה סופרפוזיציה, היא היכולת של חלקיק להתקיים בשני מצבים (למשל ספין או אפילו מיקום) בו זמנית, וכיום היא נצפית באופן קבוע במעבדות ברחבי העולם. לדוגמה, ידוע כי אלקטרונים עוברים דרך שני חריצים בו-זמנית - כאשר איננו צופים. ברגע שאנו מתבוננים בכל חריץ כדי לתפוס את ההתנהגות הזו בפעולה, החלקיק בוחר רק אחד.
עם זאת, אנו לא רואים ישירות את ההשפעות הללו בחיי היומיום. לדוגמה, הכוס שלי לא יכולה להיות בשני מקומות בו-זמנית או שהייתי מתקשה לשתות. אבל בגלל שאנחנו לא נתקלים בדברים מוזרים כאלה, זה נראה הגיוני שבקנה מידה מסוים דברים 'עוברים' מהעולם המוזר של הקוונטים ליומיום המוכר שלנו.
אבל מה קנה המידה שבו המעבר הזה מתרחש? אם היה לנו ניסוי מושלם מבחינה טכנית, האם נוכל לצפות בעצמים גדולים במצבי סופרפוזיציה אלה? זו השאלה הנשאלת על ידיניסוי המחשבה של שרדינגרבו שמים חתול בקופסה אטומה עם צלוחית רעל ואטום רדיואקטיבי בודד, שיעבור ריקבון בזמן אקראי. אם האטום מתכלה, הבקבוק נשבר והחתול מורעל; אם לא, החתול ימשיך לחיות. האם החתול קיים בשני המצבים בו-זמנית על ידי המתנה עד שהאטום יתפרק, כפי שקיים האטום? אנו יודעים שכאשר אנו פותחים את הקופסה, עלינו למצוא את החתול חי או מת, אך האם זה מאפיין של היקום או של המתבונן שגורם לחתול 'לבחור' במצבו?
בחזרה לצוות שמתכונן לטפל בשאלה זו בדיוק.ההצעה שלהםכרוך בהכנסת חיידק ולא חתול למצב של סופרפוזיציה. ההתקדמות הטכנית האחרונה מבוססת עלמהודים למיקרוגל מוליכים-על- מכשירים המשמשים לגילוי קרינה ולחישוב קוונטי - אפשרו לפיסיקאים לצפות בהשפעות קוונטיות בקרומי אלומיניום זעירים גמישים (הידועים כמתנדים מיקרו-מכאניים) המחוברים למעגלים.
ממברנות זעירות נחשבות כעצמים גדולים בעולם הפיזיקה הקוונטית מכיוון שאפילו עם מסה של 50 פיקוגרם בלבד (50 טריליון הגרם), הם מכילים מאות מיליארדי אטומים. עם זאת, יש לקרר מהודים אלה עד לשבריר של האפס המוחלט (-273 מעלות צלזיוס) לפני שתופיע התנהגות קוונטית כלשהי. אחרת, רעידות תרמיות מסיכות את ההשפעות.
הצוות מתכנן לשים חיידק על גבי ממברנה כזו, שלאחר מכן יתקרר למצב האנרגיה הנמוך ביותר שלו. לאחר מכן, הממברנה תוצב לסופרפוזיציה של שני מצבי תנועה שונים: שני סוגים שונים של תנודות. מטרתם להראות שהשפעת החיידק על תכונות המתנד תהיה מינימלית, כאשר המתנד יתנהג ביעילות כאילו החיידק לא היה שם. בדרך זו, החיידק יהיה למעשה בשני מצבי תנועה בו זמנית. החוקרים מתכננים גם לסבך את מיקומו של החיידק עם ספין של אלקטרון בתוכו.
הניסוי המוצע יהיה מרשים - אבל בעיקר בשביל להראות שמכניקת הקוונטים נכונה לגבי עצמים גדולים יותר מחלקיקים תת-אטומיים. אבל נראה שלא סביר לענות אם החתול של שרדינגר יכול להיות חי ומת בו-זמנית מכיוון שהחיידק יישאר במצב קבוע דמוי זכוכית של שימור הקפאה. אם זה היה החתול, הוא היה קיים באנימציה מושעית ולא בסופרפוזיציה של חיים ומוות בו-זמנית.
פיטר מוסלי, מרצה לפיזיקה,אוניברסיטת באת'
מאמר זה פורסם במקור על ידיהשיחה. קרא אתמאמר מקורי.
