חלקיקים קוונטיים יכולים להתקיים בסופרפוזיציות, המאתגרות את הריאליזם הקלאסי. אי השוויון של Leggett-Garg בודק זאת, וניסויי נויטרונים ב-TU Wien אישרו את ההפרה שלו, ותמכו בתורת הקוונטים.
האם הטבע באמת מוזר כמו שאומרת תורת הקוונטים – או שיש הסברים פשוטים יותר? מדידות ניוטרונים מוכיחות: זה לא עובד בלי התכונות המוזרות של תורת הקוונטים.
תורת הקוונטים מאפשרת לחלקיקים להתקיים במצבי סופרפוזיציה, בניגוד לריאליזם הקלאסי. אי השוויון של Leggett-Garg בודק זאת על ידי השוואת התנהגות קוונטית מול ציפיות קלאסיות. ניסויים אחרונים בקרן נויטרונים ב-TU Wien אישרו שחלקיקים אכן מפרים את אי השוויון הזה, ומחזקים את תקפותה של תורת הקוונטים על פני הסברים קלאסיים.
סופרפוזיציה קוונטית: האם חלקיקים יכולים להיות בשני מקומות בו זמנית?
האם חלקיק יכול להיות בשני מקומות שונים בו זמנית? בפיזיקה הקוונטית, זה יכול: תורת הקוונטים מאפשרת לאובייקטים להיות במצבים שונים בו-זמנית – או ליתר דיוק: במצב סופרפוזיציה, בשילוב מצבים נצפים שונים. אבל האם זה באמת המצב? אולי החלקיק נמצא בעצם במצב מאוד ספציפי, במיקום מאוד ספציפי, אבל אנחנו פשוט לא יודעים את זה?
השאלה האם ניתן לתאר את התנהגותם של עצמים קוונטיים על ידי תיאוריה פשוטה וקלאסית יותר נדונה כבר עשרות שנים. בשנת 1985 הוצעה דרך למדוד זאת: מה שנקרא "אי השוויון לגגט-גרג". כל תיאוריה שמתארת את עולמנו ללא מצבי הסופרפוזיציה המוזרים של תורת הקוונטים חייבת לציית לאי השוויון הזה. תורת הקוונטים, לעומת זאת, מפרה אותה. מדידות עם נויטרונים הבודקים את "אי השוויון של לגט-גרג" הזה בוצעו כעת לראשונה ב-TU Wien – עם תוצאה ברורה: אי-השוויון של לגט-גר מופר, הסברים קלאסיים אינם אפשריים, תורת הקוונטים מנצחת. התוצאות פורסמו כעת בכתב העת מכתבי סקירה פיזית.
הפרה של אי שוויון של Leggett-Garg באמצעות מדידות שליליות אידיאליות באינטרפרומטריה של ניוטרונים. קרדיט: TU Wien
חקר הריאליזם הפיזי
בדרך כלל אנו מניחים שלכל חפץ יש תכונות מסוימות: כדור נמצא במיקום מסוים, יש לו מהירות מסוימת, אולי גם סיבוב מסוים. זה לא משנה אם נצפה בכדור או לא. יש לו את המאפיינים האלה באופן אובייקטיבי ובלתי תלוי בנו. "השקפה זו ידועה בשם 'ריאליזם'", אומר סטפן ספונאר מהמכון האטומי ב-TU Wien.
אנו יודעים מניסיוננו היומיומי שאובייקטים גדולים ומקרוסקופיים בפרט חייבים לציית לכלל זה. אנו גם יודעים שניתן לצפות בעצמים מאקרוסקופיים מבלי להיות מושפעים באופן משמעותי. המדידה לא משנה את המצב מהותית. הנחות אלו מכונות ביחד "ריאליזם מקרוסקופי".
תורת הקוונטים וריאליזם מאקרוסקופי
עם זאת, תורת הקוונטים כפי שאנו מכירים אותה כיום היא תיאוריה שמפרה את הריאליזם המקרוסקופי הזה. אם מצבים שונים אפשריים עבור חלקיק קוונטי, למשל, מיקומים, מהירויות או ערכי אנרגיה שונים, אז כל שילוב של מצבים אלה אפשרי גם כן. לפחות כל עוד המצב הזה לא נמדד. במהלך מדידה, מצב הסופרפוזיציה נהרס: המדידה מאלצת את החלקיק להחליט לטובת אחד מהערכים האפשריים.
עם זאת, העולם הקוונטי חייב להיות מחובר באופן הגיוני לעולם המקרוסקופי – אחרי הכל, דברים גדולים מורכבים מחלקיקים קוונטיים קטנים. באופן עקרוני, כללי תורת הקוונטים צריכים לחול על כל דבר.
אז השאלה היא: האם ניתן לצפות בהתנהגות באובייקטים "גדולים" שלא ניתן ליישב עם התמונה האינטואיטיבית שלנו של ריאליזם מקרוסקופי? האם דברים מקרוסקופיים יכולים להראות גם סימנים ברורים של תכונות קוונטיות?
הבנת אי השוויון של לגט-גרג
ב-1985 הפיזיקאים אנתוני ג'יימס לגט ואנופאם גארג פרסמו נוסחה שבעזרתה ניתן לבדוק ריאליזם מקרוסקופי: אי השוויון לג'ט-גרג. "הרעיון מאחורי זה דומה לאי-השוויון המפורסם יותר של בל, שעליו הוענק פרס נובל לפיזיקה בשנת 2022", אומרת אליזבת קרויצגרובר, המחברת הראשונה של המאמר. "עם זאת, אי השוויון של בל נוגע לשאלה עד כמה התנהגותו של חלקיק קשורה לחלקיק סבוך קוונטי אחר. אי השוויון של לגט-גרג עוסק רק באובייקט בודד אחד ושואל את השאלה: כיצד מצבו בנקודות זמן ספציפיות קשור למצבו של אותו אובייקט בנקודות זמן ספציפיות אחרות?"
מתאמים חזקים יותר ממה שהפיזיקה הקלאסית מאפשרת
לגט וגאר הניחו אובייקט שניתן למדוד בשלושה זמנים שונים, לכל מדידה יכולות להיות שתי תוצאות שונות. גם אם איננו יודעים כלל האם או כיצד מצבו של אובייקט זה משתנה לאורך זמן, עדיין נוכל לנתח סטטיסטית עד כמה התוצאות בנקודות זמן שונות מתואמות זו עם זו.
ניתן להראות מתמטית שעוצמת המתאמים הללו לעולם לא יכולה לחרוג מרמה מסוימת – בהנחה שהריאליזם המקרוסקופי נכון. לגט וגאר הצליחו לבסס אי שוויון שתמיד חייב להתממש על ידי כל תיאוריה ריאליסטית מקרוסקופית, ללא קשר לפרטי התיאוריה.
עם זאת, אם האובייקט דבק בכללי תורת הקוונטים, אז חייבים להיות מתאמים סטטיסטיים חזקים משמעותית בין תוצאות המדידה בשלוש נקודות הזמן השונות. אם חפץ נמצא למעשה במצבים שונים בו-זמנית בין זמני המדידה, הדבר חייב – לפי Leggett ו-Garg – להוביל למתאמים חזקים יותר בין שלוש המדידות.
קרני ניוטרונים: אובייקטים קוונטיים בגודל סנטימטר
"עם זאת, זה לא כל כך קל לחקור את השאלה הזו בניסוי", אומר ריכרד וגנר. "אם אנחנו רוצים לבחון ריאליזם מקרוסקופי, אז אנחנו צריכים אובייקט שהוא מקרוסקופי במובן מסוים, כלומר שיש לו גודל דומה לגודלם של האובייקטים היומיומיים הרגילים שלנו." יחד עם זאת, זה חייב להיות אובייקט שיש לו סיכוי עדיין להראות תכונות קוונטיות.
"קרני ניוטרונים, כפי שאנו משתמשים בהן באינטרפרומטר נויטרונים, מושלמות לכך", אומר הרטמוט למל, מכשיר אחראי במכשיר S18 ב-Institut Laue-Langevin (ILL) בגרנובל, שם נערך הניסוי. באינטרפרומטר נויטרונים, אינטרפרומטר קריסטל מושלם של סיליקון ששימש לראשונה בהצלחה במכון האטומי של TU Wien בתחילת שנות ה-70, קרן הנייטרונים המתרחשת מפוצלת לשתי אלומות חלקיות בלוח הגביש הראשון ולאחר מכן משולבת מחדש על ידי פיסת סיליקון נוספת. . לכן ישנן שתי דרכים שונות שבהן ניוטרונים יכולים לעבור מהמקור לגלאי.
"תורת הקוונטים אומרת שכל נויטרון נע בשני הנתיבים בו-זמנית", אומר נילס גיריטס. "עם זאת, שתי הקורות החלקיות מרוחקות כמה סנטימטרים זה מזה. במובן מסוים, יש לנו עסק עם אובייקט קוונטי שהוא ענק בסטנדרטים קוונטיים".
הפרת אי השוויון של לגט-גרג עם ניוטרונים
באמצעות שילוב מתוחכם של מספר מדידות נויטרונים, הצוות ב-TU Wien הצליח לבדוק את אי השוויון של Leggett-Garg – והתוצאה הייתה ברורה: אי השוויון מופר. הנייטרונים מתנהגים באופן שלא ניתן להסביר על ידי שום תיאוריה מציאותית מקרוסקופית אפשרית. הם למעשה נוסעים בשני שבילים בו זמנית, הם ממוקמים בו זמנית במקומות שונים, סנטימטרים זה מזה. הרעיון ש"אולי הנייטרון נע רק באחד משני הנתיבים, אנחנו פשוט לא יודעים איזה מהם" הופרך.
"הניסוי שלנו מראה: הטבע באמת מוזר כמו שטוענת תורת הקוונטים", אומר סטפן ספונר. "לא משנה עם איזו תיאוריה קלאסית ומקרוסקופית ריאליסטית תמציא: היא לעולם לא תוכל להסביר את המציאות. זה לא עובד בלי פיזיקת קוונטים".
