Search
  • Noa Feldman

פוסט עשירי - תיאוריית GRW

*חדשים כאן? ברוכים הבאים! קוראים לי נעה ואני דוקטורנטית לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב. אני כותבת כאן על קוונטים לקהל הרחב. לא צריך רקע במתמטיקה או בפיזיקה, אבל כן מומלץ מאד לקרוא את הפוסט הראשון בבלוג לפני שקוראים את הפוסט הזה. מקווה שתהנו!


אנחנו בעיצומה של סדרת הפוסטים הפילוסופית על מהות המדידה הקוונטית. נתחיל מרענון קטן למי שצריך: חלקיקים קוונטיים יכולים להימצא בסופרפוזיציה של כמה מצבים אפשריים, נניח כמה מיקומים שונים, כשלכל מיקום יש הסתברות שמתאימה לו בסופרפוזיציה. כשאנחנו מודדים באיזה מצב החלקיקים נמצאים, נניח את המיקום שלהם, פעולת המדידה גורמת להגרלה להתרחש, המבוססת על ההסתברויות של הסופרפוזיציה של החלקיק, ומגרילה מיקום אחד ספציפי. תוצאת המדידה שנקבל תהיה המיקום שעלה בהגרלה, ואחרי המדידה החלקיק כבר לא יהיה בסופרפוזיציה של מיקומים אלא יקרוס למיקום אחד ויחיד שהוא המיקום שעלה בהגרלה. שתי שאלות נשארות פתוחות - הראשונה, מי או מה בדיוק עורך את ההגרלה, והשניה, מה בדיוק גרם להגרלה לקרות, כלומר, איך אפשר להגדיר את ביצוע המדידה.


היום נדבר על תיאוריה שמציעה תשובה מעניינת לשאלה השניה. כשפיזיקאי מבצע מדידה במעבדה, הוא מפעיל איזה מכשיר, נניח לוח של חוטים חשמליים שאמורים להגיב לשדה המגנטי של החלקיק וכך להבין את המיקום שלו. התגובה בחוטים החשמליים בדרך כלל מעובדת על ידי המכשיר, ומופיעה בצורה של מספרים על צג או מסך. אחר כך הפיזיקאי מגיע ורואה את המספרים, ואחרי שבריר שניה משמעות המספרים נקלטת אצלו במח. בוודאות לפני תחילת המדידה, החלקיק היה בסופרפוזיציה, ובסוף המדידה, הוא קרס למיקום שהופיע בגלאי. אבל מה בדיוק גרם לקריסה? הפעלת לוח החוטים, שהם בכלל קוונטיים בעצמם ויכולים להיות בסופרפוזיציה? הופעת המספר על הצג? הסתכלות האדם על הצג? זו שאלה שאנחנו מתחמקים ממנה בעבודה היומיומית שלנו כפיזיקאים, אבל היא די מהותית להבנה של מכניקת הקוונטים.


התיאוריה שנדבר עליה היום נקראת GRW, על שם ההוגים שלה, ג'יאנקרלו גיררדי, אלברטו רימיני וטוליו ובר שהציעו אותה ב - 1986. הרעיון המרכזי הוא כזה: חלקיקים קוונטיים יכולים להיות בסופרפוזיציה, וכל פעולה פיזיקלית שנפעיל עליהם תשמר את העניין הזה (למרות שהיא יכולה לשנות את ההסתברויות של הסופרפוזיציה).

בנוסף, לכל חלקיק קוונטי בודד יש הסתברות לקרוס למיקום שעולה בהגרלה מהסופרפוזיציה שלו, כמו שקורה גם בפרשנות קופנהגן. ההבדל הוא שבתיאוריית GRW, ההגרלה והקריסה קורות באופן רנדומלי לגמרי, שלא תלוי בכלל בגלאי שהופעל או לא הופעל, או בכלל בפעולות חיצוניות לחלקיק. פשוט מדי פעם, בלי התראה מוקדמת, החלקיק קורס למיקום מסוים.

ההסתברות לקריסה כזו היא קטנה מאד, נניח סיכוי של אחד למיליארד לקרוס במשך שנה שלמה. כלומר, לחלקיק קוונטי בודד לוקח בממוצע מיליארד שנים לבצע קריסה ספונטנית שכזו, ובין לבין הוא ימשיך בסופרפוזיציה.


מי שזוכר את הפוסט על שזירה קוונטית, זוכר שאם יש לנו שני חלקיקים שזורים, אז כשאחד מהם קורס, גם השני קורס, ככה שמספיק שאחד מהם יבצע קריסה ספונטנית כדי ששניהם יקרסו ביחד. עכשיו, ההסתברות לקריסה ספונטנית של כל אחד מהחלקיקים שלנו לא תלויה בהסתברות של החלקיק השני, וזה אומר שההסתברות שאחד מהחלקיקים - לא משנה איזה - יבצע קריסה ספונטנית, גדלה בערך פי שניים. אז אם יש לנו שני חלקיקים שזורים, ייקח להם בממוצע חצי מיליארד שנים לבצע קריסה ספונטנית. לעשרה חלקיקים שזורים אחד בשני ייקח בממוצע רק מאה מיליון שנה (מיליארד חלקי 10) עד שכולם יקרסו ביחד, ולמיליארד חלקיקים ייקח רק שנה.


אולי אתם יכולים לנחש מה זה אומר על בני אדם או על כל חפץ יומיומי - אנחנו, וגם חפצים קלים יותר מאיתנו כמו כוסות פלסטיק או חוטי בד דקים, מורכבים מהמון, אבל המון, חלקיקים קוונטיים, ששזורים ביחד. כל כך הרבה חלקיקים קוונטיים, שאנחנו קורסים באופן ספונטני פשוט כל הזמן, ולא מספיקים להגיע לסופרפוזיציה מורכבת בין לבין, ולכן כל התכונות הפיזיקליות שלנו הן קלאסיות, כלומר קורסות וידועות מראש.


עכשיו נותר להבין איך יכול להיות שאנחנו בכל זאת מצליחים לגרום לחלקיקים קוונטיים בודדים, שלא מרכיבים אותנו, לקרוס בניסויים פיזיקליים באמצעות מדידה. הרי הקריסה היא ספונטנית ולא בשליטתנו. אני ממליצה לכם לקחת רגע ולחשוב, אולי תצליחו לפענח את התשובה בעצמכם לפי שתי הפסקאות האחרונות. רמז: יקירתנו השזירה הקוונטית.

.

.

.

.

.

אז עכשיו התשובה: כשאנחנו מבצעים מדידה, אנחנו שוזרים את החלקיק שלנו עם מכשיר המדידה. גם אם יש בו חוטי חשמל דקים שהאלקטרונים שזורמים בהם הם קוונטיים, הם שזורים עם מכשיר המדידה כולו, שהוא ענקי ולכן קלאסי, כלומר, קורס לעתים קרובות. כשאנחנו מבצעים את המדידה שלנו, החלקיק הקוונטי הבודד הוא כבר בכלל לא בודד, אלא חלק ממערכת קלאסית ענקית. פעולת המדידה בתיאוריית GRW היא, אם כך, שזירה של חלקיקים עם מערכת גדולה, כלומר סוג של אינטראקציה בין החלקיק למערכת.


אני אוהבת את התיאורייה הזאת, כי היא שומרת על רצף בין העולם הקלאסי לקוונטי - מצד אחד, כשחלקיק קוונטי אחד מודד חלקיק קוונטי אחר, הם לא קורסים בהכרח, אלא הופכים למערכת קוונטית אחת גדולה, כמו שאנחנו רואים בניסוי. מצד שני, גוף קלאסי שמודד חלקיק קוונטי גורם לו לקרוס. שני הדברים האלו מתקיימים בGRW בלי שנצטרך לייצר הפרדה מובהקת בין ההגדרות של גופים קלאסיים וקוונטיים. כלומר, יש מעבר רציף של מערכות עם יותר ויותר חלקיקים שזורים ולכן פחות ופחות זמן בין כל שתי קריסות ספונטניות.וזה משמעותי כשאנחנו רוצים להסביר את כל התנהגות היקום שלנו עם תיאוריה אחת, ולא לתפור טלאים של תיאוריות אחד לשני.


מצד שני, בניגוד לתיאוריית ריבוי היקומים, עדיין יש קריסה, כלומר, המערכת עדיין "שוכחת" כל כמה זמן את כל הסופרפוזיציה המורכבת שלה וקורסת לנקודה אחת. זה דווקא יתרון - כי בעולם הקלאסי אנחנו רואים מערכות שוכחות כל מיני דברים כל הזמן. למשל, אם נשים גז בתוך בקבוק ואז נפתח את הבקבוק וניתן לגז להתפזר בחדר, הגז "ישכח" איך לחזור לבקבוק. כוס שנשברת "שוכחת" איך להתחבר מחדש, ועוד המון דוגמאות שתוכלו לחשוב עליהן בעצמכם. בספר (המצוין והנגיש!) Time and Chance, הפילוסוף דייויד אלברט מחבר את השכחה שקורית בקריסה קוונטית לשכחה שקורית בחיי היום יום שלנו (או בעצם, בתורה הפיזיקלית שנקראת תרמודינמיקה). כלומר, היא מאפשרת עוד חיבור חשוב בין מכניקת הקוונטים לבין העולם הקלאסי שבו אנחנו חיים. או לפחות, מרגישים שאנחנו חיים בו.


בפוסט הקודם, כשדיברתי על תיאוריית ריבוי היקומים, אמרתי שאין דרך לאשש או להפריך אותה באמצעות ניסוי. זו הסיבה שתיאוריית ריבוי היקומים נחשבת היום לפילוסופיה יותר מאשר למדע. אבל עבור תיאוריית GRW, אולי יש דרך לאשש. הסיפור בגדול הוא כזה: במקרים מסוימים, אנחנו יודעים לזהות האם קריסה התרחשה בזמן המדידה שלנו או בשלב קודם יותר בניסוי. זה נעשה באמצעות שימוש בהתאבכות של פונקציית הגל, ואולי אכתוב על זה פעם פוסט בנפרד. עכשיו נניח שיש לנו מערכת קוונטית שמבצעת קריסה ספונטנית כל 5 שניות בממוצע. אז אם נערוך ניסוי שייקח 10 שניות ובסופו נמדוד את מיקום המערכת, יש שתי אפשרויות: או שתיאוריית GRW מתקיימת, ואז החלקיקים שלנו קרסו כבר לפני המדידה שלנו בהסתברות גבוהה, או שהיא לא, ואז זו המדידה שלנו שתגרום לחלקיקים לקרוס. אם נערוך את הניסוי הרבה פעמים, נוכל לראות האם החלקיקים שלנו קרסו בהסתברות גבוהה לפני המדידה שלנו, ולקבל תמיכה חזקה בתיאוריית GRW. מולקולות גדולות מדי יתנהגו באופן קלאסי ויהרסו את הניסוי. מולקולות קטנות מדי לא יקרסו בזמן, אז לא נזהה את האפקט. מולקולות שיהיו בדיוק בגודל הנכון יכולות לשמש אותנו בניסוי כזה.


מעבר לקושי הטכני, הבעיה עם המדידה שתיארתי למעלה היא שאנחנו לא באמת יודעים מהו בדיוק הגודל הנכון. אנחנו לא באמת יודעים כמה זמן לוקח לחלקיק בודד לקרוס (מיליארד שנים היה רק ניחוש). ככה שאם אנחנו לא רואים את האישוש לתיאורייה, תמיד אפשר להגיד - "הא, אולי פשוט לא עבדנו עם מולקולות גדולות או קטנות מספיק ולכן לא ראינו את ההשפעה של GRW. בואו ננסה שוב, הפעם עם ___", כאשר במקום ___ אפשר לכתוב "שדה מגנטי יותר חזק" או "גלאי יותר רגיש" או "כל דבר אחר שאולי לא אפשרי עדיין טכנולוגית, ובטח יעלה הרבה מאד כסף". זה בערך המקום שבו אנחנו נמצאים היום - עוד לא הצלחנו למצוא סימנים לתיאוריית GRW, אבל אם רק נשפר את היכולת הטכנית שלנו, אולי נצליח למצוא. היום יש יסוד סביר להאמין שבאמת לא חיפשנו בתחומי הפרמטרים הנכונים, כלומר, אפשר להיות אופטימיים ולקוות שיום אחד התיאוריה תאושש. אבל מצד שני, כבר התחלנו לחפש, ועוד לא ראינו עבורה שום אישוש. כלומר, יש טעם לחפש ולחקור פרשנויות ותיאוריות נוספות, עליהן נדבר בפוסט הבא.

859 views4 comments

Recent Posts

See All