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 שרדינגר 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 קוונטית, חלקיק יכול להימצא במספר מצבים בו-זמנית עד לרגע המדידה. זוהי הסופרפוזיציה, המתוארת על ידי פונקציית הגל של שרדינגר. החלקיק, למעשה, נמצא במצב של "גל", או "שדה" – הוא נמצא בכל מקום פוטנציאלי.

קריסת פונקציית הגל

כאשר מבצעים מדידה של חלקיק, הסופרפוזיציה "קורסת" למצב מסוים. זה ידוע כ"בעיית המדידה" בפיזיקה קוונטית.

עקרון אי-הוודאות

עיקרון זה, שנוסח על ידי הייזנברג, קובע כי לא ניתן למדוד בו-זמנית ובדיוק מלא זוגות של תכונות מסוימות של חלקיק, כמו מיקום ותנע. הכוונה היא, שלא ניתן לדעת גם את המיקום של החלקיק וגם את מהירותו בו זמנית. אם אנו יודעים היכן החלקיק ממוקם, אנו לא יודעים מהי מהירותו. ואם אנו יודעים מהי מהירותו, אנחנו לא יכולים לדעת את מיקומו.

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.