שזירה קוונטית – התגלית שמערערת את תפישת המציאות שלנו

שזירה קוונטית היא אחת התופעות המרתקות והמסתוריות ביותר בפיזיקה המודרנית. היא מתארת מצב שבו שני חלקיקים או יותר קשורים זה לזה באופן שמצבו של האחד תלוי במצבו של האחר, ללא קשר למרחק ביניהם. תופעה זו מאתגרת את התפישה הקלאסית שלנו אודות מרחב, זמן וסיבתיות.

רקע היסטורי

ההיסטוריה של שזירה קוונטית מתחילה בשנות ה-20 וה-30 של המאה ה-20, עם התפתחותה של תורת הקוונטים. מדענים כמו ניל בוהר, ארווין שרודינגר וורנר הייזנברג פיתחו את היסודות של תורה זו, אשר נשענת על המסקנות מעבודתו של אלברט איינשטיין. מכניקת הקוונטים מתארת את התנהגותם של חלקיקים ברמה האטומית והתת-אטומית.

על אף שתורת הקוונטים נשענת על עבודתו ומוסקת ממנה, איינשטיין לא הסכים עם הפרשנות הסטטיסטית אשר העניקו למסקנות מעבודתו.

ב-1935, אלברט איינשטיין, בוריס פודולסקי ונתן רוזן (EPR) פרסמו מאמר מפורסם שהציג את מה שנודע לאחר מכן כ"פרדוקס EPR". הם טענו כי תורת הקוונטים אינה יכולה להיות תיאור מלא של המציאות הפיזיקלית, בהתבסס על ההשלכות המוזרות של השזירה הקוונטית. איינשטיין כינה את התופעה "פעולה מפחידה מרחוק" ("Spooky action at a distance") והאמין שהיא מצביעה על חוסר שלמות בתורת הקוונטים ועל הימצאותם של משתנים חבויים אשר נסתרים מעיני החוקרים.

בשנות ה-60, הפיזיקאי ג'ון סטיוארט בל פיתח את מה שנודע כ"אי-השוויון של בל", שהציע דרך ניסויית לבדוק את הקיום של שזירה קוונטית. ניסויים שנערכו בעשורים שלאחר מכן, במיוחד על ידי אלן אספקט בשנות ה-80, אישרו את קיומה של השזירה הקוונטית ואת נכונותן של תחזיות תורת הקוונטים.

מאז ועד היום, שזירה קוונטית הפכה לנושא מרכזי במחקר הפיזיקלי עם השלכות נרחבות על תחומים כמו מחשוב קוונטי, תקשורת קוונטית וקריפטוגרפיה קוונטית. היא ממשיכה לאתגר את הבנתנו לגבי טבע המציאות ומעלה שאלות פילוסופיות עמוקות לגבי הקשר בין תצפית, מדידה ומציאות.

עקרונות בסיסיים של שזירה קוונטית

כדי להבין מהי שזירה קוונטית, עלינו תחילה להכיר כמה מושגי יסוד בתורת הקוונטים:

סופרפוזיציה

בפיזיקה הקוונטית, אחד מהעקרונות המהפכניים ביותר הוא עיקרון הסופרפוזיציה – מצב שבו חלקיק תת־אטומי, כמו אלקטרון או פוטון, אינו מצוי במקום אחד מסוים או במצב אחד מוגדר, אלא נמצא בו־זמנית בכל האפשרויות האפשריות. במקום להימצא במיקום אחד או לנוע במהירות מסוימת, החלקיק מתואר כישות שמתפשטת במרחב, כגל של הסתברויות. זהו מצב של אי־וודאות מהותית, לא בגלל מגבלות המדידה שלנו, אלא כחלק מהאופן שבו הטבע עצמו מתנהל ברמות היסודיות ביותר.

את המצב הזה מתארים בעזרת פונקציית הגל של שרודינגר. זוהי משוואה מתמטית שמתארת את כל המצבים האפשריים שבהם עשוי החלקיק להימצא. כל נקודה בגל מייצגת הסתברות למציאת החלקיק במיקום מסוים, במהירות מסוימת, או במצב קוונטי מסוים. החלקיק אינו נע בין המצבים, אלא הוא קיים בכולם בו זמנית, עד לרגע שבו מתבצעת מדידה.

במצב של סופרפוזיציה, החלקיק חדל מלהתנהג כמו "חומר" כפי שאנו רגילים להבין אותו, והופך ל"שדה הסתברותי", מצב של גל המתפשט במרחב. כלומר, אין לו מיקום אחד קבוע, אלא פוטנציאל קיום בכל מקום בו זמנית. זהו ההיבט הגלי של החלקיק, שבו הוא אינו מתנהג כמו עצם מוצק אלא כמו תופעה מתפשטת, בדיוק כמו גלי קול או גלי אור. ברגע שמבצעים מדידה, פונקציית הגל "קורסת", והחלקיק מופיע כאובייקט חומרי בנקודה מסוימת אחת.

כלומר, כל חלקיק קוונטי מצוי באופן טבעי בשני מצבים בו־זמניים:

• מצב של גל – שבו הוא נמצא בכל מקום אפשרי (כלומר: הוא שדה של הסתברויות).

• מצב של חלקיק – שבו הוא נמצא במקום אחד קבוע ובר מדידה.

המעבר בין המצבים הללו – בין הפוטנציאל להתממשות – הוא הליבה של הפיזיקה הקוונטית, והוא זה שמעורר שאלות פילוסופיות עמוקות באשר לטבעה של מציאות, ולתפקידה של התודעה בתהליך.

קריסת פונקציית הגל

אחת התופעות המסקרנות והמסתוריות ביותר בפיזיקה הקוונטית היא תופעת קריסת פונקציית הגל, תהליך שבו מערכת קוונטית מפסיקה להתקיים במצב של סופרפוזיציה ומתייצבת על מצב יחיד ומוגדר. לפני פעולת המדידה, החלקיק אינו מצוי במקום אחד מסוים, אלא מתואר כסופרפוזיציה של מספר מיקומים, אנרגיות או תכונות, הוא קיים בכל האפשרויות בו זמנית.

אולם ברגע שמבצעים מדידה, בין אם על־ידי מכשיר מדידה פיזיקלי ובין אם על־ידי תודעה אנושית המתבוננת בתוצאה, הסופרפוזיציה קורסת והחלקיק מאמץ ערך אחד ויחיד. תהליך זה נקרא "קריסת פונקציית הגל", והוא עומד בלב אחת השאלות הפתוחות הגדולות ביותר של הפיזיקה המודרנית: מהו המנגנון שמחולל את הקריסה, ולמה היא מתרחשת דווקא ברגע ההתבוננות?

נראה כי המערכת הקוונטית עצמה אינה "יודעת" מה היא – עד שמביטים בה.

עד לרגע המדידה, הפונקציה המתמטית שמתארת את המצב הפיזיקלי מייצגת את כל התוצאות האפשריות בעת ובעונה אחת. רק כאשר מתבצע מעשה של תצפית או מדידה, אפשרות אחת מתממשת, וכל שאר האפשרויות נמוגות. מצב זה יוצר מתח עמוק בין תיאור העולם כפי שהוא בפועל (כפי שנחווה על ידינו באמצעות החושים) לבין תיאורו המופשט, הלא־דטרמיניסטי, המתקיים ברמה הקוונטית.

הנושא מכונה "בעיית המדידה", והוא עורר ויכוחים פילוסופיים רבים לאורך המאה ה־20 ועד היום. מדענים כמו נילס בוהר, ארווין שרודינגר, וולפגנג פאולי ואחרים ניסו להסביר את הקריסה בדרכים שונות, כשהמפורסם שבהם הוא ניסוי המחשבה של החתול של שרודינגר, שממחיש כיצד עצם התצפית על מצב קוונטי יכולה לקבוע אם החתול חי או מת.

גישה אחרת מציעה כי התודעה עצמה, כלומר המודעות האנושית – היא זו שגורמת לקריסת פונקציית הגל. לפי פרשנות זו, המציאות הפיזיקלית כפי שאנחנו מכירים אותה אינה נפרדת מהתודעה, אלא נוצרת דרך מערכת יחסים בין הצופה לנצפה. זהו רעיון מהפכני, ששינה לא רק את הפיזיקה אלא גם את תפישת המציאות והקיום.

עקרון אי-הוודאות

אחד העקרונות הבסיסיים והעמוקים ביותר בפיזיקה הקוונטית הוא עקרון אי־הוודאות (Uncertainty Principle), שנוסח על ידי הפיזיקאי הגרמני ורנר הייזנברג בשנת 1927. עיקרון זה טלטל את יסודות הפיזיקה הקלאסית והכניס את עולם המדע לעידן חדש, שבו מושגי ודאות, מדידה ודטרמיניזם מקבלים משמעות שונה לחלוטין.

לפי עקרון זה, קיימת מגבלה טבעית, מובנית ובלתי ניתנת לעקיפה, על יכולתנו לדעת בו־זמנית ערכים מדויקים של זוגות משתנים קוונטיים משלימים כמו למשל מיקום ותנע (תנע = מסה כפול מהירות). כלומר,

ככל שננסה למדוד את מיקומו של חלקיק בדיוק גבוה יותר, כך נאבד מידע על מהירותו (או להפך).

זו אינה בעיה טכנית של מכשיר המדידה, אלא תכונה יסודית של הטבע עצמו.

העיקרון אינו טוען שהחלקיק "מסתיר" מאיתנו את המידע, אלא שבמהותו, המידע הזה אינו קיים בו־זמנית. המצב הקוונטי של החלקיק הוא כזה, שלא ניתן להגדיר עבורו מיקום ומהירות מדויקים באותו רגע. זהו תיאור הסתברותי, ולא דטרמיניסטי: הטבע הקוונטי פועל לפי הסתברויות, לא לפי חוקים חד־משמעיים כפי שנהוג בפיזיקה הניוטונית.

מנקודת מבט רחבה יותר, עיקרון אי־הוודאות מרמז על כך שהתודעה האנושית, ברגע שהיא בוחרת מה למדוד, קובעת גם מה לא נוכל לדעת.

עצם הבחירה שלנו לאן לכוון את תשומת הלב, מכתיבה את גבולות הידיעה – ואת גבולות המציאות הנחווית.

בכך, מתמזגת המדידה עם תהליך יצירת המציאות עצמה.

מבחינה פילוסופית, עקרון זה מערער את הרעיון שניתן לדעת הכול, לחזות הכול ולשלוט בכל. הוא מלמד אותנו שקיים מסתורין מובנה במציאות, ושיש גבול ליכולת האנושית לנתח, למדוד ולהבין את הטבע דרך כלים רציונליים בלבד. דווקא חוסר הוודאות הזה, אותו כינה איינשטיין בזמנו "לא אלגנטי", אך נאלץ להכיר בקיומו, מהווה את ליבת הפלא הקוונטי.

נחזור לשזירה

שזירה קוונטית מתרחשת כאשר שני חלקיקים או יותר מתקשרים ביניהם באופן בו מצבו של כל אחד מהם תלוי במצבו של האחר, ללא קשר למרחק ביניהם.

הנה כמה מאפיינים מרכזיים של שזירה קוונטית:

• אי-מקומיות:
  השזירה מפרה את עקרון המקומיות, שלפיו אובייקטים יכולים להשפיע זה על זה רק דרך אינטראקציות מקומיות במרחב. בשזירה, שינוי במצב של חלקיק אחד משפיע מיידית על מצבו של החלקיק השזור, ללא קשר למרחק ביניהם.
• קורלציה מושלמת:
  החלקיקים השזורים מציגים קורלציה מושלמת בתכונותיהם. למשל, אם מודדים את הספין של שני אלקטרונים שזורים, תמיד נמצא שהם בעלי ספינים מנוגדים.
• אי-הפרדה:
  לא ניתן לתאר את מצבו של כל חלקיק בנפרד. המערכת השזורה חייבת להיות מתוארת כיחידה אחת.
• שבירת הריאליזם המקומי:
  שזירה קוונטית מאתגרת את הרעיון של "ריאליזם מקומי", שלפיו לאובייקטים יש תכונות מוגדרות היטב ללא קשר למדידה, והשפעות מתפשטות במהירות הנמוכה יותר ממהירות האור.

דוגמה קלאסית לשזירה קוונטית היא זוג פוטונים שנוצרו יחד ולכן שזורים בקיטוב שלהם. אם מודדים את הקיטוב של אחד הפוטונים, מיד "נדע" את הקיטוב של הפוטון השני, גם אם הוא נמצא במרחק שנות אור.

למרות ה"קשר" המיידי בין החלקיקים השזורים, יש הסוברים כי לא ניתן להשתמש בשזירה להעברת מידע מהירה מאור. זה ידוע כ"תיאורמת אי-התקשורת", שמונעת סתירה עם תורת היחסות הפרטית של איינשטיין. מנגד, ישנם מדענים הטוענים כי ניתן לעשות שימוש בשזירה קוונטית להעברת מידע מהירה ממהירות האור, והם חוקרים את הנושא בהווה.

השלכות פילוסופיות ופיזיקליות של שזירה קוונטית

השזירה הקוונטית מעלה שאלות עמוקות לגבי טבע המציאות ומאתגרת את התפישות המסורתיות שלנו לגבי פיזיקה וריאליזם. כמה מההשלכות העיקריות:

1. אתגור הריאליזם המקומי:
   שזירה קוונטית מערערת על הרעיון שלאובייקטים יש תכונות מוגדרות היטב ללא תלות במדידה. זה מעלה שאלות לגבי טבע המציאות האובייקטיבית.
2. אי-מקומיות ומהירות האור:
   למרות שהשזירה נראית כמפרה את העיקרון שלפיו אין השפעות מהירות מאור, לפי הפרשנות השלטת היא אינה מאפשרת העברת מידע מהירה מאור, ולכן אינה סותרת את תורת היחסות הפרטית.
3. תפקיד התצפית:
   שזירה קוונטית מדגישה את התפקיד המרכזי של התצפית והמדידה בקביעת המציאות הקוונטית וזו הפיזיולוגית אשר אנו מודדים באמצעות החושים. זה מעלה שאלות לגבי השפעתה של התודעה על היווצרותה של המציאות הפיזיקלית.
4. דטרמיניזם מול הסתברות:
   לפי פרשנות קופנהאגן, השזירה מדגישה את הטבע ההסתברותי של תורת הקוונטים, מה שמאתגר את התפישה הדטרמיניסטית הקלאסית של היקום.
5. מציאות מרובת עולמות:
   חלק מהפרשנויות של שזירה קוונטית, כמו פרשנות העולמות המרובים של היו אוורט, מציעות שכל תוצאה אפשרית של מדידה קוונטית מתרחשת ביקום נפרד ולמעשה, כל אירוע קוונטי מייצר יקום חדש.
6. קונטקסטואליות:
   שזירה מדגישה את חשיבות ההקשר במדידות קוונטיות. תוצאות המדידה תלויות לא רק במערכת הנמדדת, אלא גם בכל המערך הניסויי.
7. הוליזם:
   שזירה מצביעה על טבע הוליסטי של המציאות הקוונטית, שבה לא ניתן להפריד לחלוטין בין חלקי המערכת.
8. גבולות הידע:
   השזירה מעלה שאלות לגבי גבולות הידע האנושי והיכולת שלנו להבין ולתאר את המציאות ברמה היסודית ביותר.

השלכות פיזיקליות:

• מחשוב קוונטי:
  שזירה היא אחד העקרונות הבסיסיים שמאפשרים מחשוב קוונטי, שמבטיח יכולות חישוב עצומות עבור בעיות מסוימות.
• תקשורת קוונטית:
  שזירה מאפשרת פיתוח של שיטות תקשורת מאובטחות באופן מוחלט, כמו הצפנה קוונטית.
• טלפורטציה קוונטית:
  באמצעות שזירה, ניתן להעביר מצב קוונטי ממקום אחד לאחר, מה שמכונה "טלפורטציה קוונטית" (אם כי זה לא כולל העברה פיזית של חומר).
• חיישנים קוונטיים:
  שזירה מאפשרת פיתוח חיישנים ברגישות גבוהה במיוחד, שיכולים לשמש למגוון יישומים מדעיים וטכנולוגיים.
• סימולציות קוונטיות:
  מערכות שזורות יכולות לשמש לסימולציה של מערכות קוונטיות מורכבות, מה שיכול לסייע בהבנת תהליכים כימיים וביולוגיים.