החתול שנולד כדי להגחיך את הקוונטים

הגיע הזמן לדבר על החתול שבחדר: החתול של שרדינגר. כן, זה שאומרים עליו שהוא גם חי וגם מת בו־זמנית. אם זה נשמע לכם כמו בדיחה מוזרה של פיזיקאים — אתם לא לגמרי טועים. רק שהבדיחה הזאת הפכה לאחד הסמלים הכי מפורסמים של הפיזיקה הקוונטית.

כדי להבין איך הגענו לחתול המסכן הזה, צריך לעשות רגע סדר בזמנים. כי לפני החתול, לפני הקופסה ולפני הרעל, הייתה בעיה אחת גדולה: העולם הקטן של חלקיקים ואור פשוט לא התנהג כמו שהיינו מצפים.

קודם כל: אור הוא גל. רגע, בעצם גם חלקיק

בשנת 1801 נערך ניסוי שני הסדקים עם אור, והוא הראה שאור מתנהג כמו גל. כלומר, לא כמו כדור קטן שפוגע בנקודה אחת, אלא כמו משהו שמתפשט, מתאבך ויוצר תבניות של גל.

ואז, ב־1905, איינשטיין מגיע ומסביר את הניסוי הפוטואלקטרי באמצעות רעיון די מטורף לזמנו: אור מתנהג גם כמו חלקיק. כלומר, אותו אור שחשבנו שהוא גל, יכול במצבים מסוימים להתנהג כאילו הוא מגיע במנות קטנות ונפרדות.

אם זה כבר מתחיל להרגיש מוזר, תחזיקו חזק — זה הולך לדפוק את המוח.

ואם גל יכול להיות חלקיק, אולי חלקיק יכול להיות גל?

ב־1924 לואי דה־ברויי הציע רעיון הפוך ומשלים: אם אור, שהוא גל, יכול להתנהג כמו חלקיק — אולי גם חלקיקים חומריים יכולים להתנהג כמו גלים.

שלוש שנים אחר כך, ב־1927, ערכו ניסוי שני הסדקים עם אלקטרונים. והתוצאה? דה־ברויי צדק. גם חלקיקים מתנהגים כמו גל.

זה רגע מטלטל, כי אלקטרון אמור להיות חלקיק. משהו קטן, נקודתי, כזה שנמצא במקום מסוים. אבל בניסוי הוא מתנהג כאילו הוא מתפשט כמו גל. כאילו הוא לא בוחר רק דרך אחת, אלא מתנהג בצורה הרבה פחות אינטואיטיבית.

משוואת שרדינגר: כשהמיקום הופך להסתברות

ב־1926 שרדינגר נחשף לעבודתו של דה־ברויי וכתב את משוואת שרדינגר. המתמטיקה עצמה מסובכת מאוד, אבל את הרעיון הבסיסי אפשר להבין גם בלי להיכנס לנוסחאות.

אם חלקיק מתנהג כמו גל, אז אולי המשוואה שמתארת איפה הוא נמצא צריכה להיות משוואה שמתארת גלים.

אבל כאן עולה שאלה: גל פוגע במשטח בצורה פרושה — לפעמים חזק יותר, לפעמים חלש יותר. חלקיק, לעומת זאת, אמור לפגוע בנקודה אחת. אז איך מחברים בין השניים?

התשובה היא הסתברות. במקום לומר שהגל עצמו הוא החלקיק, אפשר לחשוב עליו כעל תיאור של ההסתברות למצוא את החלקיק במקום מסוים. איפה הסיכוי גבוה יותר? איפה נמוך יותר? כשמודדים — מקבלים נקודה אחת. אבל לפני המדידה, התיאור הוא הסתברותי.

והדבר המדהים הוא שזה עבד. ממש עבד. משוואת שרדינגר הצליחה להסביר דברים שלא היו ברורים לפני כן: פליטת אור של אטום המימן, את המבנה של הטבלה המחזורית ועוד המון תופעות. בדיוק מטורף. לא פלא שהתייחסו אליה כאל משהו נכון.

אז איפה הבעיה? ביותר מדי תשובות

הבעיה מתחילה בזה שמשוואת שרדינגר לא תמיד נותנת פתרון אחד פשוט. היא מתארת את מצב החלקיק — למשל את המיקום שלו — אבל מתמטית יכולים להופיע כמה מצבים אפשריים בו־זמנית.

וזה כבר נשמע מוזר: אם המשוואה נכונה, אז לחלקיק יש יותר ממיקום אחד? הוא יכול להיות גם כאן וגם שם?

יש פיזיקאים שזה לא הפריע להם. להפך. מבחינתם, אם המתמטיקה אומרת את זה והניסויים עובדים, אז כנראה שככה המציאות מתנהגת. לחלקיק יכול להיות יותר ממצב אחד בו־זמנית. לזה קוראים סופרפוזיציה.

במילים פשוטות: חלקיק יכול להיות גם פה וגם לא פה באותו הזמן, והמציאות כאילו "מחליטה" מה קורה רק כשמודדים. זו אחת הדרכים להבין את פרשנות קופנהגן, שהתפרסמה בשנות ה־20 וה־30 של המאה ה־20.

החתול של שרדינגר: ניסוי מחשבתי שנועד להגיד "איזה שטויות!"

איינשטיין ושרדינגר לא אהבו את הרעיון הזה. מבחינתם, לקחת את הסופרפוזיציה ברצינות מוחלטת הוביל למסקנות מגוחכות. כדי להראות כמה זה נשמע לא הגיוני, נולד ניסוי המחשבה המפורסם: החתול של שרדינגר.

חשוב להדגיש: זה ניסוי מחשבתי, לא ניסוי אמיתי שנעשה על חתול.

הרעיון הוא כזה:

• שמים חתול בתוך קופסה אטומה.
• מכניסים חומר רדיואקטיבי.
• מחברים גלאי.
• אם החומר הרדיואקטיבי פולט חלקיק והחלקיק פוגע בגלאי — משתחרר רעל והחתול מת.
• אם החלקיק לא פוגע בגלאי — הרעל לא משתחרר והחתול חי.

עכשיו מגיע הטוויסט הקוונטי. אם החלקיק נמצא בסופרפוזיציה, כלומר גם פגע בגלאי וגם לא פגע בגלאי עד לרגע המדידה, אז לכאורה גם הרעל שוחרר וגם לא שוחרר. ומכאן מגיע המשפט המפורסם: החתול גם חי וגם מת — עד שפותחים את הקופסה.

שרדינגר לא הציע את זה כדי להגיד "וואו, איזה רעיון יפה". להפך. הוא רצה להראות כמה זה נשמע אבסורדי כשמנסים להחיל את חוקי העולם הקוונטי על משהו גדול ומוכר כמו חתול.

אבל אז הניסויים התחילו להסתבך עם ההיגיון שלנו

הקטע המדהים הוא שניסויים מאוחרים יותר הראו שחלקיקים באמת מתנהגים בצורה שמזכירה את הסופרפוזיציה הזאת.

בניסוי שני הסדקים עם אלקטרונים בודדים, שהתרחש ב־1989, אלקטרון בודד מתנהג כאילו הוא עובר גם דרך הסדק הימני וגם דרך הסדק השמאלי בו־זמנית. כלומר, לא רק גל של הרבה אלקטרונים ביחד, אלא אלקטרון אחד־אחד — ועדיין מתקבלת התנהגות גלית.

וזה בדיוק המקום שבו הפיזיקה הקוונטית מפסיקה להיות "איזה שטויות!" והופכת למשהו הרבה יותר מטריד: המציאות באמת לא תמיד מתנהגת כמו האינטואיציה שלנו.

אז החתול חי או מת?

החתול של שרדינגר התחיל כניסיון להגחיך את פרשנות קופנהגן, אבל הפך לסמל הכי מוכר שלה. הוא מזכיר לנו שהעולם הקוונטי לא עובד כמו העולם שאנחנו רואים בעיניים. חלקיקים יכולים להתנהג כמו גלים, מצבים יכולים להתקיים במקביל, והמדידה עצמה משחקת תפקיד מרכזי במה שאנחנו קוראים לו "מצב" במכניקת הקוונטים.

אז האם החתול באמת גם חי וגם מת? זו כבר שאלה עמוקה יותר על פרשנות, מדידה ומה בכלל נחשב "מצב" במכניקת הקוונטים. אבל דבר אחד בטוח: החתול הזה, שנולד כדי להראות כמה הרעיון מגוחך, הפך לשער הכניסה של מיליוני אנשים לאחת התורות הכי מוזרות — והכי מצליחות — במדע.