כבר שנים רבות פועלים לחזק את ההוכחות לשזירה קוונטית, אחת התופעות המוזרות והמפתיעות בפיזיקה. ניסוי חדש הראה כעת באמצעות אור המגיע מן הכוכבים שהתופעה קיימת ואינה תלויה בתנאי המדידה

מדענים השתמשו באור המגיע מכוכבים במרחק של 600 שנות אור כדי להכריע מחלוקת בפיזיקת הקוונטים שהחלה עוד בתקופתו של אלברט איינשטיין. כבר בשנות ה-70 הראו ניסויים שחלקיק אחד יכול להשפיע מיד על חלקיק אחר רחוק ממנו, אך כעת הצליחו להראות שההשפעה אינה תלויה בניסוי עצמו.

שזירה קוונטית מתקבלת כששני חלקיקים או יותר כרוכים זה בזה, כך שתכונותיו של חלקיק אחד תלויות בתכונותיו של השני והמדידה של אחד מהם משפיעה מיד על השני גם אם הם רחוקים מאוד זה מזה. תורת הקוונטים קובעת למשל שאם ניצור שני פוטונים שזורים ונשלח אותם בכיוונים מנוגדים, מדידה של תכונה של אחד מהם תקבע מיד את אותה תכונה בפוטון השני, גם אם הוא יימצא במרחק שנות אור ממנו.

הרעיון הזה עורר התנגדות רבה כבר עם הצגתו, ואפילו איינשטיין עצמו יצא נגדו וטען שלא ייתכן שחלקיק אחד ישפיע מיד על השני ממרחק. אחרי הכול, טען, לפי תורת היחסות ההשפעה לא יכולה לנוע מהר יותר ממהירות האור. על כן הוא תיאר את זה כ"פעולת רפאים ממרחק" וטען שמדובר בפרדוקס שמחייב להוסיף לתיאוריית הקוונטים משתנים חבויים שמאפשרים את הקשר בין החלקיקים גם במרחק רב.

מבחן בל

אולם ההצעה הזאת הוסיפה סיבוך נוסף לתיאוריה ובשנת 1960 הראה הפיזיקאי ג'ון בל (Bell) שקיומם של משתנים חבויים מקומיים אינו יכול להסביר את התחזיות של תיאוריית הקוונטים. הוא טען שאם התכונות הפיזיקליות של גופים שונים קיימות ללא תלות במדידתן, והשפעות פיזיקליות אינן יכולות לנוע מהר ממהירות האור, לא יוכל להתקיים מצב של שזירה קוונטית. בעקבות המאמר שלו התאפשר לבסוף לבצע ניסוי שיכריע בין שתי האפשרויות וכך עברה המחלוקת מדיון פילוסופי למעבדה.

בניסוי שהציע , שקיבל לימים את השם "מבחן בל", יוצרים שני חלקיקים שזורים קוונטית ומודדים בו זמנית את אחת התכונות שלהם. לפי פיזיקת הקוונטים, כל פעם שנמדוד את התכונה של אחד מהם, נדע בוודאות את זו של השני, בהתאמה מלאה ביניהם. לעומת זאת, לפי התחזית של בל לא תיתכן התאמה מלאה, ורק לפעמים התכונה של החלקיק הראשון תתאים לאותה תכונה אצל השני. כך אפשר היה לבדוק: אם ההתאמה בין החלקיקים מלאה, סימן שפיזיקת הקוונטים מפרה את אחת ההנחות של בל ומאפשרת את הקשר בין החלקיקים ממרחק בצורה כלשהי שאינה ידועה לנו.  

בשנת 1972 נערך הניסוי הראשון שבו הראו סטיוארט פרידמן (Freedman) וג'ון קלאוזר (Clauser) שפיזיקת הקוונטים צודקת ואכן קיימת שזירה קוונטית ממרחק. במשך השנים נערכו ניסויים נוספים בתחום שאוששו את הקביעה הזאת וסגרו נקודות תורפה שהותירו קודמיהם.

אך למרות כל המאמצים נשארה נקודה אחת שעליה לא התגברו עד כה. אחת ההנחות של בל הייתה שתנאי המדידה בניסוי נקבעים לפי בחירתו החופשית של המדען ואינם תלויים זה בזה, כלומר המדען בוחר עצמאית איזו תכונה של החלקיק למדוד ואיך לעשות זאת. לשם כך יש לבחור את תנאי המדידה באקראי עבור כל חלקיק, כך שהמדידה של חלקיק אחד לא תשפיע על השני. בנוסף, נקודות הבחירה והחלקיקים צריכים להיות רחוקים מספיק כדי שמידע לא יוכל לעבור ביניהם ולהשפיע על הניסוי.

זה מה שהניע את המחקר הנוכחי. כדי לוודא שזה אכן המצב, החוקרים השתמשו באור המגיע משני כוכבים שונים כדי לבחור תנאי מדידה אקראיים, הכוכב הקרוב מביניהם נמצא במרחק של כ-600 שנות אור מכדור הארץ. מזה נובע שאם כפי שטען איינשטיין קיימים משתנים חבויים, הם היו צריכים להשפיע על האור בזמן צאתו מהכוכב לפני 600 שנה כדי להשפיע על הניסוי.

מערכת הניסוי חולקה בין שלושה מבנים בווינה. על גג המבנה המרכזי יצרו באמצעות לייזר וגביש שני פוטונים לבדיקה. כל אחד מהם נשלח לאחד משני המבנים האחרים, במרחק של כמה מאות מטרים ובכל מבנה מדדו בטלסקופ את האור המגיע מכוכב מרוחק. לפי צבע האור המגיע מהכוכב בחרו את תנאי המדידה של הפוטונים הנבדקים בניסוי. מאחר שצבע האור באותו רגע הוא אקראי, גם תנאי המדידה יהיו אקראיים ולא תלויים זה בזה.  

התוצאות הראו שהפוטונים אכן שזורים קוונטית וסגרו פרצה נוספת במבחן בל. בהמשך מתכוונים החוקרים להשתמש באור מכוכבים מרוחקים מיליוני שנות אור ויותר כדי להקטין את האפשרות של משתנים חבויים להשפיע על הניסוי.

שזירה קוונטית היא אחת התוצאות המוזרות והכי פחות אינטואיטיביות של פיזיקת הקוונטים. היא מעוררת מחלוקות בין המדענים כבר עשרות שנים ויש לה שימושים רבים בחישובים קוונטיים. בדיקה של מבחן בל בתנאים שונים ופיתוח הטכנולוגיות עבור תקשורת קוונטית ארוכת טווח עשויים לפתוח את הדרך לאינטרנט קוונטי.

4 תגובות

  • אילן

    יקומים מרובים

    השערה: יתכן שאנחנו אחד ההעתקים של היקום המקורי, ובתור העתק היה אפשר לכוון את תוצאת הניסוי , שלא כמו במקור בו הוא בוצע לראשונה

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןחגי אדרי

    תשובה

    שלום אילן, זו השערה פילוסופית, איך אפשר לבדוק מהו "היקום המקורי"? הרי אנחנו יכולים לבדוק רק מה שב"יקום שלנו". ואיך זה עוזר להבין את התופעה של שזירה קוונטית?

  • אנונימי

    מעבר בזמן

    לפי תוצאות הניסוי אפשר לנוע במרחב הזמן

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןחגי אדרי

    מעבר בזמן

    שלום, איזה חלק בניסוי מראה את זה?