האם המציאות מחכה שנמדוד אותה?

הגיע הזמן להכריע באחד הוויכוחים הכי מוזרים, עמוקים ומערערים בפיזיקה: האם יש מציאות גם כשאף אחד לא מודד אותה?

מצד אחד, איינשטיין אמר: ברור שיש. העולם קיים, לחלקיקים יש תכונות מוגדרות, אנחנו פשוט לא יודעים מה הן עד שאנחנו מודדים. מצד שני, בוהר טען משהו הרבה יותר משונה: אין “תשובה” מוכנה מראש. המדידה עצמה היא זו שמייצרת את המציאות שאנחנו מקבלים.

זה נשמע כמו פילוסופיה, אבל כאן מגיע הקטע היפה: אפשר לבדוק את זה בניסוי.

הוויכוח: מציאות מוכנה מראש או מציאות שנולדת במדידה?

כדי להבין איך בכלל בודקים שאלה כזאת, צריך לדבר על ספין. בלי להיכנס עמוק מדי למתמטיקה, ספין הוא תכונה של חלקיקים שיכולה לתת במדידה אחת משתי תשובות: למעלה או למטה. אבל יש קאץ’: מאוד משנה באיזה כיוון בוחרים למדוד.

עכשיו נוסיף לתמונה חלקיקים שזורים. כששני חלקיקים שזורים, אי אפשר תמיד להגיד מה המצב של כל אחד מהם בנפרד, אבל כזוג יש ביניהם קשר חזק מאוד. אם מודדים את שניהם באותו כיוון, התוצאות יהיו הפוכות בוודאות: אם אחד יוצא “למעלה”, השני יוצא “למטה”.

וזה בדיוק המקום שבו איינשטיין ובוהר נפרדים.

איינשטיין היה אומר: אין פה קסם. החלקיקים פשוט “סיכמו מראש” מה הם יעשו בכל מצב. כאילו אחד אומר לשני: “ב־0 מעלות אני למטה, ב־120 מעלות למעלה, ב־240 מעלות למטה... סגור, אחי השזור, אני בדיוק כמוך, רק הפוך”.

בוהר, לעומת זאת, היה אומר: הם לא סיכמו כלום. אין תשובה מוכנה מראש לכל כיוון מדידה. התוצאה נוצרת רק ברגע המדידה.

הניסוי של בל: איך הופכים פילוסופיה למספרים?

כאן נכנס ג’ון בל, שהציע דרך מבריקה לבדוק מי צודק.

לוקחים זוג חלקיקים שזורים. חלקיק אחד הולך לתחנה א’, והשני לתחנה ב’. בכל תחנה בוחרים באקראי לגמרי באיזה כיוון למדוד את הספין: 0 מעלות, 120 מעלות או 240 מעלות.

אם איינשטיין צודק, ולחלקיקים יש תוצאות מוכנות מראש לכל כיוון אפשרי, אז הם חייבים להגיע לניסוי עם “טבלה פנימית” שכבר קובעת מה ייצא בכל מדידה. לא משנה שאנחנו לא יודעים מה הטבלה הזאת — אם היא קיימת, יש לה מגבלה מתמטית.

והמגבלה היא זו: אם מריצים את הניסוי הרבה מאוד פעמים, חייבים לקבל תוצאות הפוכות לפחות ב־5 מתוך 9 מהמקרים.

כלומר, לפי רעיון של מציאות מקומית ומוכנה מראש, אין דרך לרדת מתחת לרף הזה. או שכל התוצאות יוצאות הפוכות, או שלפחות חמש מתוך תשע מהן יוצאות הפוכות. זה לא עניין של פרשנות, אלא של ספירה פשוטה של האפשרויות.

ומה הפיזיקה הקוונטית אומרת?

עכשיו נשאל: מה קורה אם בוהר צודק, והחלקיקים לא באמת סיכמו מראש?

בשליש מהמקרים שתי התחנות יבחרו למדוד באותו כיוון. שם אין הפתעות: התוצאות יהיו הפוכות בוודאות.

בשני השלישים האחרים, התחנות ימדדו בכיוונים שונים. כאן נכנסת התחזית הקוונטית. אם יודעים מה יצא במדידה בכיוון מסוים, אפשר לחשב את ההסתברות לקבל אותה תוצאה בכיוון אחר בעזרת הנוסחה:

הקוסינוס בריבוע של חצי הזווית.

במקרה הזה הזווית הרלוונטית נותנת לנו cos²(30), שזה 3/4. כשמשקללים את זה עם שני השלישים של המקרים שבהם הכיוונים שונים, מקבלים:

3/4 כפול 2/3 = 1/2.

כלומר, הפיזיקה הקוונטית חוזה שבחצי מהמקרים נקבל תוצאות הפוכות.

וזה הרגע החשוב: חצי קטן יותר מ־5/9.

במילים פשוטות, אם החלקיקים באמת מגיעים עם תשובות מוכנות מראש, התוצאות חייבות להיות לפחות 5/9. אם הפיזיקה הקוונטית צודקת, נקבל 1/2. ההבדל קטן, אבל מספיק כדי להכריע.

אז מי ניצח: איינשטיין או בוהר?

את הניסויים האלה עשו שוב ושוב, במגוון דרכים, והתוצאה חזרה על עצמה: התחזיות הקוונטיות מנצחות.

וזה אומר משהו די מטלטל: אנחנו צריכים לזנוח את הרעיון של מציאות, לפחות כמו שדמיינו אותו. לא בהכרח במובן שאין עולם, או שהכול בראש שלנו, אלא במובן שהרעיון הקלאסי של תכונות מוכנות מראש, מקומיות ועצמאיות לחלוטין מהמדידה — פשוט לא עובד.

החלקיקים לא מתנהגים כמו כדורים קטנים שמחזיקים רשימת תשובות בכיס. העולם הקוונטי עמוק יותר, מוזר יותר, ולא תמיד מוכן להתיישר עם האינטואיציה שלנו.

והחלק הכי יפה? המדע לא רק חי עם המוזרות הזאת — הוא משתמש בה. מחשוב קוונטי, הצפנה קוונטית, טלפורטציה קוונטית — כל אלה נשענים בדיוק על המקומות שבהם המציאות מפסיקה להתנהג כמו שחשבנו.

אז בפעם הבאה שמישהו אומר “ברור שיש מציאות, פשוט עוד לא מדדנו אותה”, שווה לזכור: בפיזיקה קוונטית, ה”ברור” הזה כבר הפסיד בניסוי.