בואו נחזור מהי מכניקת קוונטים ואיך נוכל להשתמש בה.

מראה בלתי נראה

אוקיי, אז אתה מריח קפה, אתה כמעט ער. העיניים שלך מוכנות לשגרה היומיומית, מהבהבות ומכניסות אור כלשהו. כשחושבים על זה, חלקיקי האור שנכנסים לפנים ולעיניים שלך נוצרו לפני מיליון שנה במרכז השמש, בתקופה בה אבותינו החלו להשתמש באש. השמש אפילו לא הייתה שולחת חלקיקים הנקראים פוטונים אם הם לא היו נחוצים לאותה תופעה שיכולה להיות הבסיס לחוש הריח שלנו, מנהור קוונטי.

כ -150 מיליון קילומטרים מפרידים בין השמש לכדור הארץ, לפוטונים לוקח רק שמונה דקות לכסות את המרחק הזה. עם זאת, רוב המסע שלהם מתרחש בתוך השמש, שם פוטון טיפוסי מבלה מיליון שנה בניסיון להימלט. החומר מאוחסן לפיכך באמצע הכוכב שלנו, שבו מימן צפוף בערך פי 13 מהעופרת, ופוטונים יכולים לנוע בשבריר שנייה אינסופי לפני שהם נקלטים ביוני מימן, ואז יורים פוטון לנסוע מהשמש וכו '. לאחר כמיליארד מאינטראקציות כאלה מופיע סוף סוף פוטון על פני השמש, שמאיר כאן מזה מיליוני שנים.

מכניקה קוונטית (© Jay Smith)

פוטונים לעולם לא היו נוצרים, והשמש לא הייתה זורחת ללא מנהרה קוונטית. השמש וכל שאר הכוכבים יוצרים אור על ידי היתוך גרעיני, מפרקים יוני מימן ויוצרים הליום בתהליך המשחרר אנרגיה. בכל שנייה, השמש ממירה כ -4 מיליון טונות של חומר לאנרגיה. רק ליוני מימן, כמו פרוטונים בודדים, יש מטענים חשמליים חיוביים ודוחים זה את זה. אז איך הם יכולים להתמזג זה עם זה?
במנהור קוונטי, אופי הגל של הפרוטונים מאפשר להם לפעמים לחפוף בקלות כמו גלים שמתלכדים על פני בריכה. העובדה שהם חופפים מקרבת את גלי הפרוטון מספיק כדי שכוח אחר, כמו כוח גרעיני חזק שפועל במרחקים קצרים מאוד בלבד, יכול להתגבר על הדחייה החשמלית של החלקיקים. לאחר מכן מתפרקים הפרוטונים לשחרור פוטון אחד.

העיניים שלנו מאוד רגישות לפוטונים

העיניים שלנו התפתחו להיות רגישות מאוד לפוטונים האלה. כמה ניסויים אחרונים הראו שאנחנו יכולים אפילו לזהות פוטונים בודדים, מה שמעלה אפשרות מעניינת: האם בני אדם יכולים לזהות כמה מקרים מיוחדים של מכניקת קוונטים? האם זה אומר שאדם, כמו פוטון או אלקטרון או החתול האומלל של שרדינגר, מת וחי בעת ובעונה אחת אם הוא מעורב ישירות בעולם הקוונטים? איך יכולה להראות חוויה כזו?

עין אנושית

"אנחנו לא יודעים כי אף אחד לא ניסה", אמרה רבקה הולמס, פיזיקאית במעבדה הלאומית לוס אלמוס בניו מקסיקו. לפני שלוש שנים, כשסיימה את לימודיה באוניברסיטת אילינוי באורבן-שאמפיין, הייתה הולמס חלק מצוות שהוביל פול קוויאט, שהראה שאנשים יכולים לזהות הבזקי אור קצרים המורכבים משלושה פוטונים. בשנת 2016 היא גילתה שקבוצת מדענים מתחרה, בראשות הפיזיקאי אליפאשה וזירי מאוניברסיטת רוקפלר בניו יורק, גילתה שאנשים באמת ראו פוטונים בודדים. עם זאת אנו רואים כי אין צורך לתאר במדויק את החוויה. וזירי, היא ניסתה לראות את הפוטון מהבהב בעצמה ואמרה למגזין 'טבע': זו כמעט תחושה על סף הפנטזיה. "

מכניקת קוונטים - ניסויים

בעתיד הקרוב, הולמס ווזירי מצפים להתנסות במה שבני אדם תופסים כאשר מכניסים פוטונים למצבים קוונטיים מיוחדים. לדוגמא, פיסיקאים יכולים לחבר פוטון יחיד למה שהם מכנים סופרפוזיציה, שם פוטונים קיימים בו זמנית בשני מקומות שונים. הולמס ועמיתיה תכננו ניסוי שכלל שני תרחישים כדי לבחון האם בני אדם יכולים לתפוס ישירות את הסופרפוזיציה של פוטונים. בתרחיש הראשון, פוטון אחד יגיע לצד שמאל או ימין של הרשתית האנושית, ויהיה מבחין באיזה צד של הרשתית הוא חש את הפוטון. בתרחיש השני, הפוטון יונח בסופרפוזיציה קוונטית שתאפשר לו לעשות את הבלתי אפשרי לכאורה - לטוס לצד ימין ושמאלי של הרשתית בו זמנית.

האם היה מגלה אור משני צידי הרשתית? או שמא יחסי הגומלין של פוטון בעין יגרמו לסופרפוזיציה 'להתמוטט'? אם כן, האם זה יקרה בתדירות גבוהה גם מצד ימין וגם מצד שמאל, כפי שמציעה התיאוריה?

רבקה הולמס אומרת:

"בהתבסס על מכניקת קוונטים סטנדרטית, פוטון בסופרפוזיציה כנראה לא ייראה שונה מפוטון המועבר באופן אקראי באמת שמאלה או ימינה."

אם מתברר שחלק מהמשתתפים בניסוי אכן תפסו את הפוטון בשני המקומות בו זמנית, האם זה אומר שהאדם עצמו היה במצב קוונטי?

רבקה הולמס מוסיף

"אפשר לומר שהמתבונן היה לבד בסופרפוזיציה קוונטית בזמן קצר מבוטל, אבל איש עדיין לא ניסה זאת, אז אנחנו באמת לא יודעים. זו הסיבה לעשות ניסוי כזה. "

אתה תופס בדרכך

עכשיו בוא נחזור לכוס הקפה. אתה מרגיש את הספל כחתיכת חומר מוצקה, במגע חזק עם עור היד שלך. אבל זו פשוט אשליה. אנחנו אף פעם לא נוגעים בשום דבר, לפחות לא במובן של שתי חלקי החומר המוצקים שנוגעים. יותר מ- 99,9999999999 אחוזים של אטום מורכב משטח ריק, כמעט כל העניין מרוכז בליבה.

מכניקה קוונטית (© Jay Smith)

כשאתה אוחז בכוס בידיים, נראה שהוא שלו הכוח נובע מהתנגדות האלקטרונים בכוס וביד. לאלקטרונים עצמם אין נפח כלל, רק הממדים האפסיים לכאורה של שדה המטען החשמלי השלילי מקיפים אטומים ומולקולות כמו ענן. חוקי מכניקת הקוונטים מגבילים אותם לרמות אנרגיה ספציפיות סביב אטומים ומולקולות. כשהיד אוחזת בכוס, היא דוחפת את האלקטרונים ממפלס אחד למשנהו, וזה דורש אנרגיית שרירים, שהמוח מפרש כהתנגדות כשאנחנו נוגעים במשהו מוצק.

חוש המישוש שלנו נובע מהאינטראקציה המורכבת ביותר בין אלקטרונים סביב מולקולות גופנו לבין מולקולות האובייקטים שאנו נוגעים בהם. ממידע זה, מוחנו יוצר אשליה שיש לנו גוף מוצק הנע סביב עולם מלא באובייקטים מוצקים אחרים. המגע איתם אינו נותן לנו תחושת מציאות מדויקת. יתכן שאף אחת מהתפיסות שלנו לא תואמת את מה שקורה באמת. דונלד הופמן, נוירולוג קוגניטיבי מאוניברסיטת קליפורניה באירווין, מאמין שהחושים והמוח שלנו התפתחו כדי לטשטש את הטבע האמיתי של המציאות, ולא לחשוף אותה.

"הרעיון שלי הוא שהעובדה, תהא אשר תהא, מסובכת מדי ותיקח לנו יותר מדי זמן ואנרגיה לעבד אותה."

השוואת דימוי העולם במוח עם הממשק הגרפי במחשב

הופמן משווה את תמונת בניית העולם במוחנו, עם הממשק הגרפי על גבי מסך מחשב. לכל הסמלים הצבעוניים על המסך, כמו סל המיחזור, מצביע העכבר ותיקיות הקבצים, אין שום קשר למה שבאמת קורה בתוך המחשב. זה רק הפשטות, פשטות שמאפשרות לנו לתקשר עם אלקטרוניקה מורכבת.

לדברי הופמן, האבולוציה שינתה את מוחנו לעבוד בדיוק כמו ממשק גרפי שאינו משחזר את העולם נאמנה. האבולוציה אינה תומכת בפיתוח תפיסה מדויקת, היא משתמשת רק במאפשר הישרדות.

כמו שאומר הופמן:

"הצורה שולטת על המציאות."

הופמן ותלמידיו הבוגרים בדקו בשנים האחרונות מאות אלפי דגמי מחשב כדי לבדוק את רעיונותיהם בסימולציות של צורות חיים מלאכותיות המתחרות על משאבים מוגבלים. בכל מקרה, אורגניזמים מתוכנתים לתעדף את הכושר הגופני כאשר העובדות אינן תואמות את אלו המיועדות לתפיסה מדויקת.

לדוגמא, אם אורגניזם אחד נועד לתפוס במדויק, למשל, את כמות המים הכוללת שנמצאת בסביבה, והוא נתקל באורגניזם שמכוונן לתפוס משהו פשוט יותר, למשל, את כמות המים האופטימלית הדרושה כדי להישאר בחיים. אז בעוד שאורגניזם אחד יכול ליצור צורה מדויקת יותר של מציאות, נכס זה אינו מגביר את יכולתו לשרוד. לימודיו של הופמן הובילו אותו למסקנה מדהימה:

"במידה שאנחנו מותאמים לקיים חיים, אנחנו לא יהיו מכוונים למציאות. אנחנו לא יכולים לעשות את זה. "

תורת הקוונטים

מחשבותיו חופפות את מה שחלק מהפיזיקאים רואים ברעיון המרכזי של תורת הקוונטים - תפיסת המציאות אינה לגמרי אובייקטיבית, ואיננו יכולים להפריד מהעולם שאנו צופים בו.

הופמן תופס לחלוטין את ההשקפה הזו:

"החלל הוא רק מבנה נתונים, ואובייקטים פיזיים הם בעצמם מבני נתונים שאנחנו יוצרים בטיסה. כשאני מסתכל על גבעה, אני יוצר את מבנה הנתונים הזה. ואז אני מסיט את המבט ושובר את מבנה הנתונים הזה כי אני כבר לא צריך אותו. "

כפי שעולה מעבודתו של הופמן, עדיין לא שקלנו את המשמעות המלאה של תורת הקוונטים ואת מה שהיא אומרת על טבע המציאות. במשך רוב חייו, פלנק עצמו ביקש להבין את התיאוריה שעזר ליצור, והוא תמיד האמין בתפיסה אובייקטיבית של היקום שהתקיימה ללא תלות בנו.

הוא כתב פעם מדוע החליט להמשיך בפיזיקה, בניגוד לעצת המורה שלו:

"העולם החיצוני הוא משהו בלתי תלוי באדם, זה משהו מוחלט, והחיפוש אחר חוקים החלים על זה נראה לי לחלוטין כחוויה המדעית האצילית ביותר של החיים."

ייתכן שיידרשו עוד מאה עד שמהפכה נוספת בפיזיקה תוכיח אם צדק או טעה, כמו הפרופסור שלו פיליפ פון ג'ולי.