הברירה הטבעית של הקוונטים

תורת הקוונטים מתארת בהצלחה כבר יותר ממאה שנה תופעות רבות שמתרחשות בקנה המידה הזעיר במיוחד של האטומים והחלקיקים הזעירים האחרים. עם זאת, פיזיקאים מתקשים עדיין ליישב איך העולם הקוונטי מתחבר עם הפיזיקה הקלאסית, שמתארת את המציאות היומיומית המוכרת לנו – זאת של מכונית נוסעת או כדורגל במעופו. תיאוריה חדשנית מנסה ליישב את הסוגיה הזאת דווקא על סמך עקרונות מתחום הביולוגיה.

עולמה של הפיזיקה הקוונטית הוא מוזר, ומציג שלל התנהגויות ותופעות לא אינטואיטיביות השונות מאוד מהאופן שבו אנו חווים את העולם. כשכדור מתעופף באוויר אנו יכולים לקבוע בדיוק היכן הוא נמצא בכל רגע, ומכאן גם לדעת את המהירות שלו. לעומת זאת, את מקומם של חלקיקים זעירים אפשר לתאר רק באמצעות הסתברויות. אלקטרון, למשל, הוא חלקיק תת-אטומי שנחשב ליחידת הבסיס של המטען החשמלי, אולם איננו יכולים להגדיר בדיוק איפה הוא נמצא, אלא רק לחשב את ההסתברות שיימצא בנקודה מסוימת בזמן כלשהו.

בנוסף, חלקיקים קוונטיים יכולים להיות במצב שבו הם נמצאים כביכול בכמה מקומות בו-זמנית – תופעה שנקראת סופרפוזיציה. עוד תופעה ייחודית לעולמם של החלקיקים הזעירים היא שזירה קוונטית, שבה מצבם הפיזיקלי של שני חלקיקים שונים תלוי זה בזה גם כשהם רחוקים מאוד זה מזה. כתוצאה מכך אפשר להשפיע על חלקיק מרחוק על ידי השפעה על חלקיק אחד ששזור איתו – למשל על ידי הארה עליו. אלברט איינשטיין כינה את תופעת השזירה "פעולת רפאים מרחוק", והיא נמצאת בבסיסן של טכנולוגיות מתקדמות כמו הצפנה קוונטית.

נקודת מפגש בין העולם הקוונטי לפיזיקה הקלאסית. גביש יהלום מואר בלייזר | צילום: Jonathan Breeze, Imperial College London

דרוויניזם קוונטי

אטומים, אלקטרונים ופוטונים – חלקיקי אור – מתנהגים כולם על פי כללי הפיזיקה הקוונטית, והם מרכיביה הבסיסיים של המציאות המוכרת לנו. אולם העולם שאנו חווים בחושינו מציית דווקא לכללי הפיזיקה הקלאסית, ולא ברור לגמרי איך ומתי שני העולמות האלה משתלבים. תיאוריית הדרוויניזם הקוונטי מנסה לענות על כך על פי עקרונות שנלקחו מתורתו של צ'רלס דרווין.

לפי תיאוריית האבולוציה, מינים ביולוגיים התפתחו לאורך מיליוני שנים על פי העיקרון של "הישרדות המתאים ביותר". במשך הדורות, יצורים עוברים מוטציות – שינויים גנטיים בתכונות שלהם, אולם רק אלה שהתכונות שלהם מעניקות להם יתרון הישרדותי בסביבתם ישגשגו. דרווין תיאר במודל שלו תהליך שכולל שכפול (רבייה), שינוי בתכונות בין דורות עקב מוטציות, וברירה טבעית של התכונות המתאימות יותר. מתברר שהמודל הזה אוניברסלי והולם עוד מערכות רבות בטבע – ביניהן דרוויניזם קוונטי.

חלקיק קוונטי כמו אלקטרון בא במגע עם חלקיקים אחרים ומקיים איתם יחסי גומלין – למשל בדמות פליטת אור או התנגשות עם חלקיקים שכנים. כל מגע כזה יוצר שזירה קוונטית של האלקטרון עם חלקיקים שבאים עימו במגע. כתוצאה מכך המצב הפיזיקלי של האלקטרון, כמו מיקומו או מהירותו, מוטבעים בהדרגה בסביבתו.

אפשר לדמות את זה לכדור ביליארד שמזגזג על השולחן, וכל פעם שהוא פוגע באחת הדפנות נשארת פגיעה קטנה, זכר להיותו שם. כל אינטראקציה כזאת משאירה עותק של מידע על האלקטרון, ונוצרים הרבה מאוד עותקים שנרשמים בסביבתו. תיאוריית הדרוויניזם הקוונטי מקבילה את התהליך הזה לרביה ביולוגית, פרט לכך שכאן מה שמשתכפל הם הנתונים על מצב האלקטרון.

אישוש ראשוני להשערה: גביש יהלום ששימש בניסוי לבדיקת התנהגותו של האלקטרון | צילום: אוניברסיטת אולם

ליצור מציאות יציבה

מצבם של חלקיקים קוונטיים, כאמור, אינו מוגדר בצורה חד-משמעית כמו גופים קלאסיים, אלא רק בהסתברויות. על פי התיאוריה, כלל העותקים של המידע שנרשם בסביבה עוברים תהליך של ברירה טבעית, כך שרק הגרסאות היציבות ביותר שורדות ואילו שאר הנתונים נעלמים בתוך הסבך הקוונטי של הסביבה. העותקים היציבים הללו של הנתונים הקוונטיים של החלקיק הם אלה שמתורגמים מהעולם הקוונטי לעולם הקלאסי. כך אנו רואים מכונית שנוסעת בהתאם לחוקי הפיזיקה הקלאסית, אף שהמידע עליה מגיע לעינינו בפוטונים המתנהגים בהתאם לכללי הפיזיקה הקוונטית.

התורה המופשטת הזאת נחשבת חדשנית ונועזת, ורחוקה עדיין מלהיות בקונצנזוס. אך לאחרונה היא זכתה לתמיכה בזכות ניסוי שנעשה באוניברסיטת אוּלְם בגרמניה. החוקרים בחנו אלקטרון הלכוד בגביש יהלום, ומדדו אותו בעזרת הבזקים של לייזר וקרינת מיקרוגל.

במהלך הניסוי בחנו החוקרים את הסְפִּין של האלקטרון – תכונה קוונטית של חלקיקים שגורמת להם להתנהג כמעין מגנטים קטנים עם תכונות ייחודיות. מה שמצאו בניסוי תומך בהשערה של הדרוויניזם הקוונטי – המידע על מצב הספין של האלקטרון נרשם על ידי כך שהוא משנה מעט את מצב הספין של אטומי פחמן ביהלום, בקרבת האלקטרון. כפי שהתיאוריה משערת, המידע הזה נרשם על גבי אטומים שונים, בעותקים שונים של אותו מידע.

הניסוי הדגים לפיכך איך תהליך שכפול העותקים על המידע קוונטי מתבצע בסביבה כבר ברמות הזעירות ביותר של אינטראקציה בין אלקטרון בודד לכמה אטומים קרובים. אומנם עדיין לא מדובר באימות ודאי לתיאוריה, אך תוצאות הניסוי תומכות בקיומו של המנגנון שמציעה תיאוריית הדרוויניזם הקוונטי. אם יימצאו ראיות נוספות שיחזקו אותה, ייתכן שהיא תכריעה לבסוף את השאלה רבת החשיבות – איך הפיזיקה הקלאסית היומיומית צומחת מתוך העולם הקוונטי המוזר הסובב אותנו.