בואו נדבר על פיזיקת קוונטים

1.

במורד מחילת הארנב

כיצד גילו הפיזיקאים שעולם הקוונטים מוזר כל כך?

במילה אחת: ניסויים. הם ערכו ניסויים שתוצאותיהם היו מוזרות ומבלבלות כל כך, שהיה בהן היגיון רק אם יקבלו את הטענה שהטבע עצמו משחק לפי כללים משונים ברמה הקוונטית. וכשבסופו של דבר הם קיבלו את זה, הם פתחו תיבת פנדורה שהעמידה את הבנת המציאות שלנו על ראשה. כדי להבין מה מצוי בתיבה הזאת אנחנו צריכים להבין לעומק את הניסויים שהובילו אותנו אליה.

בואו נדבר על הניסויים האלה. בכנות, הפיזיקה הניסויית משמימה ומאלחשת את המוח. נכון, היא כרוכה בבחינה של שאלות יסוד הנוגעות לטבע היקום, אבל בפועל התשובות לשאלות האלה כמעט תמיד ידועות מראש.

למעשה יש רק שתי דרכים שבהן תוצאה של ניסוי יכולה להפתיע:

1) אם אלפי מדענים, שעבדו מסביב לשעון מאות בשנים, שגו בהבנת האופן הפעולה של הטבע, ואנחנו — סטודנטים לתואר שני שמרוויחים שכר מינימום — במקרה חיטטנו בנבכי היקום בדיוק בדרך הנכונה שמוכיחה שכולם טועים.

2) אם דפקנו את הניסוי.

מוחו של סטודנט ממוצע לתואר שני פועל על מנות חמות, בירה זולה וארבע שעות שינה בלילה, כך שהגיוני יותר להניח שתוצאה מפתיעה של ניסוי נגרמה בגלל האפשרות השנייה ולא בגלל האפשרות הראשונה. הדרך היחידה שבה האופציה הראשונה תתאפשר באופן עקבי היא אם יהיה לנו ידע מדעי רלוונטי כה רב, עד שנוכל להתחרות בהבנה הקולקטיבית של כל עמיתינו בתחום.

בימינו זאת דרישה מוגזמת, אבל בתחילת המאה ה־19 היא לא היתה עד כדי כך בלתי אפשרית, ומישהו הצליח לעשות בערך את זה. תומאס יאנג היה רופא, בלשן, מומחה לתיאוריה של המוזיקה והאגיפטולוג שפענח את אבן הרוזטה, וגם היה אחד המדענים המובילים של תקופתו. מערכת הכישורים שלו היתה רחבה ומעמיקה כל כך, עד שלביוגרפיה שלו, שפורסמה ב־2006, קוראים The Last Man Who Knew Everything ("האיש האחרון שידע הכול"), ופרופיל הלינקדאין שלו היה בוודאי עמוס לעייפה.

ב־1801 ערך יאנג ניסוי שהדגים לראשונה את אחד ההיבטים המסתוריים ביותר של מכניקת הקוונטים — אף שבאותה עת הוא לא קלט שעשה זאת. לניסוי הפשוט שלו עתידות להיות השלכות אדירות, המנוגדות לאינטואיציה, על ההבנה שלנו את היקום. ואף שכל זה קרה לפני יותר ממאתיים שנה, יאנג הניח בכך את היסודות הניסוייים לתיאוריות שישמשו יום אחד כדי לחזות את קיומם של יקומים מקבילים, ההפרדה הברורה בין גוף ונפש, ועוד כל מיני דברים מרתקים בטירוף ושנויים במחלוקת.

הנה מה שהוא עשה.

ניקוב חורים בפיזיקה הקלאסית

יאנג התחיל בכך שלקח מסך וניקב בו שני סדקים:

אחר כך הוא כיוון לעבר המסך קרן אור, שהיתה רחבה מספיק כדי לעבור דרך שני הסדקים:

בהמשך הוא חסם את הסדק השמאלי, כך שהאור היה יכול לעבור רק דרך הסדק הימני.

לסיום הוא הניח מסך צפייה בצד השני כדי לראות איך האור נראה אחרי שהוא חולף בסדק.

התוצאה לא היתה מרשימה במיוחד: הוא ראה נקודה בהירה אחת על מסך הצפייה, בדיוק במקום שבו היה מצופה שהאור ינחת אם חלף דרך הסדק הימני. הוא קיבל את אותה תוצאה כשחסם את הסדק הימני: נקודה בהירה, הפעם מצידו השמאלי של המסך, בדיוק במקום שבו היה מצופה שינחת האור אם חלף דרך הסדק השמאלי.

עד כה למדנו משהו פשוט: אור יכול לנוע אך ורק דרך סדקים פתוחים בחומר אטום. יופי של התחלה יש לספר הזה.

אבל בשלב הזה העניינים מתחילים להיות... מוזרים. בשלב האחרון חשף יאנג את שני הסדקים, כך שהאור מהקרן יוכל להגיע אל מסך הצפייה דרך סדק 1 או דרך סדק 2. מה לדעכם קרה אז?

אני מנחש שאתם חושבים שזה טיפשי. יש נקודה בהירה בצד ימין של מסך הצפייה אם הסדק הימני פתוח, ונקודה בהירה בצד שמאל שלו אם הסדק השמאלי פתוח, כך שברור שאם שני הסדקים פתוחים, יתקבלו שתי נקודות בהירות, אחת בצד ימין ואחת בצד שמאל.

אבל לא! זה לא מה שקורה — לפחות לא אם שני הסדקים קטנים וקרובים מספיק זה לזה ואם ממקמים את קרן האור כהלכה. במקום לראות את נקודת האור מהסדק הימני ואת נקודת האור מהסדק השמאלי, יאנג ראה תבנית מוזרה ומורכבת של אורות, שלא נראתה כמו שום דבר שראה קודם לכן:

אם הייתם פיזיקאי במאה ה־18, בטח הייתם מסתכלים על התמונה הזאת ושואלים את עצמכם, "מה זה לעזאזל? אין בזה שום היגיון. פותחים סדק אחד ומקבלים נקודה באותו צד של המסך, בסדר. אבל כשפותחים את שני הסדקים, מקבלים קבוצה משונה של נקודות שיש ביניהן מרווח קבוע? מה לעזאזל קרה כאן?"

הניסוי הזה קיבל את השם המקורי "ניסוי שני הסדקים של יאנג" והוא מפורסם בדיוק בגלל מה שקלטתם הרגע: התוצאות שלו משונות. אבל באופן מדהים למדי, תומאס יאנג מצא להן הסבר.

כששני הסדקים פתוחים, מצפים לראות שתי נקודות בהירות, אבל במקומן רואים דפוס מורכב בהרבה. לפי יאנג, דבר כזה יכול לקרות אך ורק אם האור מסדק 1 מתערבב עם האור מסדק 2 באיזושהי דרך מעניינת, שגורמת לתבנית הנקודות הבהירות שעל המסך להיראות אחרת מהצפוי.

בואו נשתמש באנלוגיה: מכירים את הניסוי הקלאסי שעורכים בשיעור מדעים, שבמסגרתו מערבבים אבקת סודה לשתייה עם חומץ ויוצרים דייסת קצף? אם לא הייתם יודעים מראש שכאשר משלבים בין סודה לשתייה וחומץ מתרחשת תגובה כימית, אולי הייתם מצפים שערבוב שלהם יפיק הרבה אבקה רטובה ומשעממת. כלומר שהשלם יהיה שווה לסכום חלקיו, פשוטו כמשמעו.

אבל ברור שמשהו אחר קורה. התערובת תוססת ומבעבעת ויוצרת את המקבילה הביתית לדבר הממש משונה שעל המסך של יאנג. ומן העובדה שהתערובת לא נראית כמו האבקה הרטובה שציפינו לה, אנחנו למדים שהתקיימה איזושהי אינטראקציה בין שני הרכיבים. באותו אופן, הדבר הממש משונה על המסך של יאנג גילה לו שמתקיימת אינטראקציה בין האור שבוקע מסדק 1 והאור שבוקע מסדק 2.

איכשהו, האור התערבב ויצר תוצאה גדולה מסך חלקיה — או לפחות שונה מהם.

אבל פיזיקאים לא אוהבים מילים כמו "ערבוב". הם מעדיפים להגיד שהאור מסדק 1 בוודאי "מתאבך" עם האור מסדק 2. כך שהמונח הטכני שמתאר את הדבר הממש משונה על המסך של יאנג הוא "תבנית התאבכות".

בפיזיקאית, ההצהרה "ניקבתי במסך שני סדקים וקיבלתי דפוס של משהו ממש משונה ופסיכדלי בצד השני!" מיתרגמת ל"פרופסור, שעתקתי את ניסוי שני הסדקים של יאנג והבחנתי בתבנית התאבכות על גבי המסך. האם כעת אני זכאית לתואר? ההחזר של הלוואת הסטודנטים מכביד עלי."

יאנג לא עצר שם. אחרי שהבין שהתבנית המוזרה על המסך שלו נוצרה עקב התאבכות בין שני הסדקים, הוא הצליח גם לחזות באילו דפוסים יבחין כשישתמש במקורות אור אחרים ובסדקים שונים.

הפרטים המדויקים כרוכים במעט מתמטיקה וגיאומטריה ואין לנו זמן להיכנס לזה עכשיו. בינתיים נגיד רק שהעבודה של יאנג נחשבה בעיני אנשים חכמים ומובילים בתחומם למרשימה ברמות־על. במשך מאה שנים בערך הוא סיפק את התשובה הטובה ביותר לשאלה, "למה יש משהו ממש משונה על המסך שלי?"

אבל אז הגיע אלברט איינשטיין והרס הכול.

איינשטיין הכריז בגאווה בפני העולם שהוא גילה תגלית ממש מציקה: "היי, חבר'ה, זוכרים שמקס פלאנק הראה שאנרגיה מורכבת ממנות בדידות ואינה באמת רציפה? ז'רמי כתב על זה בסוף הפרק הקודם. אז הרגע הוכחתי שגם אור מורכב ממנות בדידות. אני מכנה אותן 'פוֹטוֹנים'. כן, יש דבר כזה עכשיו. תיהנו מהשכתוב של כל ספרי הלימוד, שמוקים."

יכול להיות שלא ברור לכם למה זה מפריע לניסוי שני הסדקים של יאנג. אולי אתם אפילו חושבים, "נו, זה לא עד כדי כך גרוע, נכון? אולי פוטונים מסדק 1 ומסדק 2 מתערבבים אלה עם אלה או נהדפים אלה מאלה באיזושהי דרך מוזרה שיוצרת את התבנית הזאת."

אבל אם זה היה נכון, התבנית הזאת היתה נעלמת כשהיינו שולחים רק פוטון אחד בכל פעם דרך הסדקים. אם הפוטונים לא עוברים דרך שני הסדקים, הם בוודאי לא יכולים להתערבב אלה באלה או להדוף אלה את אלה, והתוצאה שאנחנו אמורים לראות היא שני הכתמים שציפינו לראות מלכתחילה. נכון?

זה בדיוק מה שניסו לעשות: חוקרים השתמשו במקור אור עמום מאוד כדי להאיר על החריצים פוטון אחד בלבד בכל פעם.

ונחשו איזו צורה יצרו יחד הפוטונים, ככל שיותר ויותר מהם נחתו על המסך?

אותה תבנית התאבכות שנראתה קודם!

איך זה יכול להיות? מצד אחד, נראה שבאמת אור מסדק 1 משפיע על אור מסדק 2 — אין שום דרך אחרת להסביר את תבנית ההתאבכות.

ומצד שני, באמת נראה שההתאבכות מתרחשת גם כאשר חלקיק אור אחד בלבד חולף דרך הסדק בכל פעם. איך יכול החלקיק האחד הזה לתרום לתבנית ההתאבכות? האם הוא התאבך עם עצמו? האם זה אפשרי?

ואם הוא מתאבך עם עצמו, דרך איזה סדק הוא עבר? הימני? השמאלי? שניהם?

אוי לא, הוא עבר דרך שניהם, נכון?

כן, כן, זה בדיוק מה שהוא עשה. הפוטון הזערורי והפרחחי הזה עבר דרך שני הסדקים בו־זמנית.

הבעיה היא שהשילוב בין העובדה שהאור מורכב מחלקיקים לבין תוצאות ניסוי שני הסדקים של יאנג העמיד בפני הפיזיקאים אפשרות מבהילה: חלקיקים קוונטיים, כמו פוטונים, עשויים להיות קיימים בשני מקומות בו־זמנית.

ולא היה מדובר בעניין חד־פעמי או משהו כזה. מאז התגליות של איינשטיין ושל פלאנק, ניסויים רבים אחרים הראו שחלקיקים תת־אטומיים (אבני היסוד של האטומים) מתנהגים כאילו הם נמצאים בשני מקומות באותו זמן, או נעים במהירויות שונות או בכיוונים שונים בעת ובעונה אחת.

הניסויים האלה לא מראים רק שחלקיקים יכולים להיות בהרבה מקומות בו־זמנית או לעשות הרבה דברים שונים באותו זמן, אלא גם שחלקיקים בעצם מעדיפים להתקיים באופן הזה. אם יוכל לעשות כל מה שמתחשק לו, חלקיק שנמצא במקור במיקום אחד יתחיל להתמרח בחלל ולתפוס עוד ועוד שטחים סמוכים. בסופו של דבר הוא יתפשט על פני אזורים גדולים, אלא אם ייתקל בחומה או במשהו אחר שיעצור אותו.

אמנם הפרעת אישיות תת־אטומית דיסוציאטיבית אינה מופיעה ב־DSM5, אבל היא נמצאת בכל ספר לימוד שעוסק במכניקת הקוונטים.

היא גם חוט קטן שאפשר למשוך רק זמן קצר לפני שחושפים את מארג המציאות. היא נמצאת בשורש כל דבר קסום ובלתי נתפס שקשור במכניקת הקוונטים ושימשה כדי לטעון לטובת הקיום של נשמות, יקומים מקבילים, שכבות מציאות חבויות במעמקים וכל דבר שביניהם.

לשם בדיוק אנחנו הולכים. אבל לפני זה אני צריך לספר לכם משהו מביך.

מכניקת הקוונטים: סוד קטן ומלוכלך

פיזיקאים אוהבים איורים. למען האמת, שמונים אחוז מהעבודה במכניקת הקוונטים כרוכה בציור ציורים שמראים איך משהו שאנחנו מתעניינים בו משתנה עם הזמן.

אבל לפיזיקאים יש אגו שברירי והם לא רוצים שידעו את זה. לכן הם מוסיפים סביב הציורים שלהם קופסאות מיוחדות ("קֵטים"), שנראות ככה: < |. זה עוזר להם לחשוב שהם עושים משהו מסובך בהרבה ממה שהם עושים בפועל.

המשמעות של הקט היא שכאן מדברים על "המצב הקוונטי" של מה שמצויר בתוכו, יהיה אשר יהיה. ו"מצב קוונטי" הוא סתם דרך מפונפנת להגיד "מצב", שזו בעצם דרך אחרת להגיד "הדבר כמות שהוא".

לדוגמה:

ההבדל העיקרי בין איזה אידיוט שמצייר דמויות גפרורים לתיאורטיקן קוונטים, הוא השימוש שנעשה בקט באיור הימני. הקט בסך הכול אומר שאנחנו מדברים על העצם שציירנו בהקשר של מכניקת הקוונטים.

אנחנו נשתמש בסימנים של הקט המפונפן הזה כדי להתמזג בקהל הפיזיקאים. אבל תזכרו, אלה בסך הכול ציורים.

עכשיו בואו נראה איך הציורים הפשוטים האלה יכולים לעזור לנו לנקב חורים במארג היקום.

נעים מאוד, אלקטרון

דיברנו על פוטונים — חלקיקי האור שבגללם היה קשה כל כך להסביר את ניסוי שני הסדקים של יאנג.

הם נהדרים וכל זה, אבל כדי להבין למה יכול להיות שעותקים שלנו מתרוצצים ברחבי אינספור יקומים מקבילים, או למה פיזיקאים מסוימים חושבים שהמשמעות של מכניקת הקוונטים היא שיש לנו נשמות ללא גוף, כדאי שנכיר סוג נוסף של חלקיק שמשתמשים בו במכניקת הקוונטים — האלקטרון.

אלקטרונים הם חלקיקים תת־אטומיים זעירים. לצורך העניין, אפשר לחשוב עליהם כעל כדורים זערערים.

כדורים יכולים להסתחרר עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון, וכך גם אלקטרונים.

כך נרשום אלקטרון מסתובב בעזרת סימן קט:

הדבר המוזר — היחיד — במכניקת הקוונטים

במכניקת הקוונטים יש בעצם רק משהו מוזר אחד, ואתם כבר יודעים מה הוא: החלקיקים הקוונטיים יכולים לעשות בו־זמנית הרבה דברים שנראים כאילו אינם יכולים להתקיים בו־זמנית.

כמו ניסוי שני הסדקים של יאנג, שהראה שפוטונים יכולים להיות בשני מקומות באותו הזמן, מספר עצום של ניסויים מדהימים דומים הראו שאלקטרונים הם בעלי כוחות־על דומים. גם הם יכולים להיות בהרבה מקומות בעת ובעונה אחת ולהסתובב עם כיוון השעון ונגד כיוון השעון באותו הזמן.

כדי לדמיין איך זה עובד, אולי יעזור לכם לחשוב על צבעים: אם כיוון השעון הוא "לבן" ונגד כיוון השעון הוא "שחור", אני בעצם אומר שאלקטרונים יכולים להיות "אפורים".

הרעיון הזה נשמע מדהים, לא ייאמן אפילו. הרי אף פעם לא ראינו שום דבר מסתובב לשני הכיוונים בבת אחת, אבל המתמטיקה והניסויים מציעים ראיות משכנעות מאוד לכך שזה בדיוק מה שקורה.

בואו נראה איך אפשר לצייר את המצב הזה בעזרת סימני הקט. נַראה שהאלקטרון שלנו עושה שני דברים בבת אחת על ידי חיבור בין שני הקטים שלו בעזרת סימן "ועוד":

על פי מכניקת הקוונטים, החלקיקים ה"אפורים" האלה נמצאים בכל מקום ומסתובבים לשני הכיוונים בו־זמנית.

"רגע!" אתם אומרים. "אם העולם מלא בעצמים מוזרים שמסתובבים עם כיוון השעון ונגד כיוון השעון באותו הזמן, איך זה שאף פעם לא ראיתי את זה קורה?"

השאלה המצוינת הזאת נמצאת בליבו של מה שידוע כפרדוקס בעיית המדידה הקוונטית. יכול מאוד להיות שזאת השאלה החשובה ביותר בפיזיקה כיום.

והתשובה לשאלה הזאת תוביל אותנו היישר לאפשרויות של רב־יקום ותודעות קוונטיות.

מספרים סיפורים בעזרת קטים

רק עוד דבר אחד לפני שנוכל לפתוח את תיבת הפנדורה של מכניקת הקוונטים: אנחנו צריכים לעצור לרגע ולדבר על הדרך שבה מספרים סיפורים באמצעות קטים.

נניח שיש לנו אלקטרון בתוך קופסה סגורה. דמיינו שלצד האלקטרון יש בה גלאי מיוחד שמשמיע נקישה אם האלקטרון מסתחרר עם כיוון השעון, ולא עושה שום דבר אם האלקטרון מסתחרר נגד כיוון השעון.

אם הגלאי ישמיע נקישה, הוא ישלח אות אל אקדח (שגם הוא נמצא בקופסה), והוא יירה ויהרוג חתול (שהוכנס פנימה אף הוא).

בואו נצייר את התרחיש הזה בעזרת קטים. אם האלקטרון שלנו מסתחרר עם כיוון השעון, ככה נראים הדברים לפני שהגלאי מופעל:

כעבור רגע אנחנו מפעילים את הגלאי. מכיוון שהאלקטרון מסתחרר עם כיוון השעון, הגלאי משמיע נקישה. אנחנו מציינים אותה בעזרת סימן וי קטן ():

הגלאי שולח כעת את האות אל האקדח, שיורה כעבור שבריר שנייה. בשלב הזה הקופסה שלנו נראית ככה:

הקליע עף באוויר ובחלוף רגע מגיע לחתול, שהוא למרבה הצער הקורבן של הניסוי שלנו:

בהשוואה לכך, המקרה שבו האלקטרון מסתחרר בכיוון ההפוך הוא פשוט. מכיוון שהאלקטרון מסתחרר נגד כיוון השעון, הוא לא מפעיל את הגלאי ושום דבר לא קורה:

שני הסיפורים האלה — זה שבו החתול חי וזה שבו הוא מת — הגיוניים לחלוטין עד כה.

אבל מה קורה אם האלקטרון שלנו לא מסתחרר בכיוון אחד או בכיוון השני, אלא בשני הכיוונים בו־זמנית?

שתי מילים: חתול זומבי.

חתולים זומבים קוונטיים

בואו נספר סיפור חדש. הפעם הוא מתחיל בכך שהאלקטרון שלנו מסתחרר עם כיוון השעון ונגד כיוון השעון באותו זמן. ככה זה ייראה ברישום באמצעות קטים:

ועכשיו לשאלת מיליון הדולר: מה קורה כשאנחנו מפעילים את גלאי הסיחרורים? האם הוא ישמיע נקישה או לא?

על פי מכניקת הקוונטים, הוא יעשה את שני הדברים. חלקו יראה סיחרור עם כיוון השעון, וחלקו יראה סיחרור נגד כיוון השעון. זה כמעט כאילו האלקטרון שלנו מפצל את הגלאי לשניים.

שוב, באמצעות קטים:

שימו לב ששני סיפורונים מתהווים בתוך הסוגריים האפורים שלנו: בראשון, האלקטרון מסתחרר עם כיוון השעון והגלאי משמיע נקישה. בשני, האלקטרון מסתחרר נגד כיוון השעון והגלאי לא עושה כלום.

עכשיו אנחנו מחכים שהאות ינוע מהגלאי אל האקדח. האם האקדח יירה או שהקליע יישאר בבית הבליעה?

התשובה היא אותה תשובה כמו בשאלת הגלאי: שני הדברים יקרו. האקדח יתפצל לשניים. גרסה אחת שלו תירה, והגרסה השנייה לא:

...וזה מביא אותנו אל החתול שלנו.

בטח כבר ניחשתם מה יעלה בגורלו. כמו גלאי הסיחרורים והאקדח, החתול יתפצל לשניים: גרסה אחת שלו תיהרג על ידי הקליע, והגרסה השנייה שלו תזכה לעשות דברים חתוליים נפלאים.

הנה המצב הסופי של כל מה שנמצא בתוך הקופסה:

שימו לב שכעת יש לנו שני סיפורים עצמאיים לחלוטין שאנחנו יכולים לספר על תכולתה של הקופסה. בסיפור אחד, האלקטרון הסתחרר עם כיוון השעון, האקדח ירה והחתול מת. בסיפור האחר, האלקטרון הסתחרר נגד כיוון השעון, האקדח לא ירה והחתול חי.

שניהם אמיתיים. אף אחד מהם אינו אמיתי יותר ממשנהו. הם מתקיימים יחד בתוך הקופסה.

האם האלקטרון מסתחרר עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון? גם וגם.

האם הגלאי השמיע נקישה או לא? גם וגם.

האם החתול חי או מת? גם וגם. #חתולזומבי

במורד מחילת הארנב

בסדר, הסיפור שהרגע סיפרתי לכם מעורר בכם ספקנות. אף פעם לא ראיתם חתול חצי מת וחצי חי.

אולי אפילו תגידו, "ברור שמכניקת הקוונטים לא עובדת, כי אף פעם לא ראיתי חתול זומבי, אז בוא נשכח מזה."

אבל הבעיה היא שמבין כל התיאוריות הקיימות בפיזיקה, מכניקת הקוונטים נותנת לנו את התחזיות הטובות ביותר בנוגע ליקום (זאת אומרת, אי־פעם). אי־אפשר לשפוך את התינוק עם מי האמבט.

נצטרך למצוא דרך להסביר למה מכניקת הקוונטים אומרת שאמורים להיות חתולים זומבים, אפילו שאף אחד בעולם לא ראה אף פעם חתול כזה.

בשנות העשרים של המאה הקודמת, נילס בּוֹהְר, פיזיקאי דני שאהב להשתמש במילים ארוכות, ניסה לראשונה להסביר למה דבר כזה יכול לקרות.

"מעולם לא ראיתי חתול זומבי, אבל המתמטיקה טוענת שחתול כזה קיים," אמר בוהר לעצמו, כנראה בדנית. "אם החתול הזומבי קיים עד לרגע שבו אני מסתכל עליו, כנראה יש משהו מיוחד בי או בציוד שאני משתמש בו לצפייה בחתול, שמחייב אותו לבחור באחד המצבים (מת או חי) כשאני מסתכל עליו. פעולת הצפייה בו כנראה מחייבת את החתול הזומבי 'לקרוס' מתוך המצב ההיברידי של מוות/חיים בו־זמנית ולהיות חי או מת, אבל לא גם וגם. קריסה — זאת התשובה, שכה אחיה!"

הנה מה שהציע בוהר:

אחת הבעיות ברעיון הקריסה של בוהר היתה שלא ממש הבהיר מה שנחשב ל"צופה" או מה שיכול לעמוד בתנאים של "צופה". הוא רמז שעצמים "גדולים", כמו מיקרוסקופים ומצלמות, ככל הנראה מאלצים מערכות קטנות יותר לקרוס, אבל הוא היה מעורפל למדי לגבי הפרטים.

הוא רק ידע שתהליך הקריסה חייב לקרות מוקדם מספיק כדי להימנע ממצב שבו עצמים "גדולים", כמו כדורי בייסבול, מתקיימים בהרבה מקומות באותו הזמן, או מסתחררים להרבה כיוונים שונים בבת אחת, משום שאלֶה אינם דברים שאנחנו רואים בעולם סביבנו.

היו כמה פיזיקאים עצבניים שחששו שהם מאבדים את האחיזה הבטוחה במציאות שנהנו ממנה עד תחילת המאה העשרים, ומבחינתם רעיון הקריסה הבלתי מגובש של בוהר היה עדיף על כלום. הוא הרגיע את החרדות שלהם ואִפשר לכולם לחזור לעבודה בלי לחלום בהקיץ על חתולים זומבים. זה לפחות מה שבוהר קיווה שיקרה.

אבל לא כולם היו מרוצים מתמונת הקריסה שלו. והיריב הגדול ביותר שלה עתיד להתגלות כלא אחר מאשר הפרסומת המהלכת למרכך שיער, אלברט איינשטיין.

הפרשנות של איינשטיין

לפתרון של בוהר לבעיית החתול הזומבי היה מאפיין שאיינשטיין ממש, אבל ממש, לא אהב: אקראיות.

על פי בוהר, הצפייה בחתול הזומבי מחייבת את היקום לבחור באופן רנדומלי לתוך איזה מצב הוא יקרוס. הוא האמין שהאקראיות הזאת היא תכונה יסודית של המערכת. לדבריו, מבחינה תיאורטית בלתי אפשרי לחזות תוצאה של קריסה, גם אם נשתמש במכשירי המדידה המתוחכמים ביותר. היקום עצמו חווה אי־ודאות לגבי התוצאה שתופיע ברגע הצפייה.

אבל איינשטיין גדל בעידן הפיזיקה הניוטונית — תקופה שבה האמינו שהיקום צפוי מיסודו וחשבו שניתן לאתר את מקורותיו של כל מאורע בגורמים מוקדמים יותר. בעולם הניוטוני, אם היה לנו מספיק מידע על היקום בנקודה מסוימת בעבר, היינו אמורים להיות מסוגלים לחזות את העתיד בוודאות, עד רמה של כל אלקטרון שמסתחרר עם כיוון השעון וכל חתול מת או חי.

איינשטיין אהב מאוד את יכולת החיזוי הזאת. הוא חשב שהיא יפה. והוא חשב שהתמונה של בוהר, עם כל הקריסות הלא צפויות והאקראיות שלה, מכוערת. ולכן הוא סירב לקבל אותה.

ברצינות, זאת היתה הסיבה שלו. לא איזה חישוב מתמטי חכם. לא הבחנה גאונית לגבי המסלול של שבתאי או לגבי ליקוי חמה. סתם "אני חושב שהתיאוריה שלך מגעילה".

מצחיק שרובנו חושבים על פיזיקאים כעל שוחרי אמת מדעית אצילים, כשבפועל לאנשים כמו בוהר ואיינשטיין היו דעות קדומות בדיוק כמו לכל אחד ואחת מאיתנו. פיזיקאי אחד עשוי לחשוב שהיקום דטרמיניסטי ואינו משאיר מקום לאקראיות, בעוד פיזיקאי אחר מאמין שהאקראיות מובנית בטבע ושלישי סבור שחוקי הפיזיקה תוכננו על ידי בורא כול־יכול כדי למקסם את מספר הזיכיונות של רשת מזון מהיר כלשהי ביקום. פעמים רבות, דעתו של פיזיקאי מסוים על הנושאים האלה היא תוצאה של תחושת בטן ושל דעה קדומה מובנית, לא פחות מכל סיבה אחרת, ועוד נרחיב על זה בהמשך.

כשאיינשטיין ובוהר התווכחו על קריסה ועל דטרמיניזם, כבר היו קומץ ניסויים שהראו שחלקיקים קוונטיים יכולים להתנהג בדרכים שנדמות רנדומליות לחלוטין. איכשהו, איינשטיין היה צריך להראות שהאקראיות הזאת היא אשליה.

ייתכן שהמשימה לא היתה מסובכת כפי שנדמה. כי בעצם, מתברר שרוב הדברים שאתם ואני מחשיבים לאקראיים, כמו הטלות מטבע, כלל אינם אקראיים.

רגע... הטלות מטבע אינן אקראיות? אני כל כך שמח ששאלתם!

לא, הטלת מטבע לא מפיקה תוצאה רנדומלית. אם היה לנו מספיק מידע על המטבע — כמו הגודל וחלוקת המשקל המדויקים שלו, האופן שבו תשפיע התנגדות הרוח על התעופה שלו וכיוצא באלה — ואם היה בהישג ידנו מחשב־על שיכול לבצע הדמיה של ההטלה, היינו יכולים בסופו של דבר לקבוע בוודאות מוחלטת אם הטלה כלשהי תסתכם בעץ או בפלי. האקראיות של הטלת מטבע היא אשליה: אנחנו חושבים שעץ או פלי יתקבלו באופן אקראי רק משום שהחישוב שנצטרך לבצע כדי לחזות את התוצאה מורכב בטירוף. לכן אנחנו פשוט מניפים את הידיים באוויר ואומרים, "לא משנה, בואו נגיד שזה אקראי."

אם היינו מספיק אובססיביים, היינו יכולים להציע בביטחון תחזיות לגבי התוצאה של הטלת מטבע, אבל לרובנו יש הרבה דברים אחרים על הראש כרגע ואנחנו צריכים ללכת לעבודה או לאנשהו, כך שעדיין לא התפנינו לזה.

איינשטיין טען שאם נתבונן בקפידה, בסופו של דבר נגלה שתוצאות ניסוי "אקראיות" (כמו "חתול חי" או "חתול מת", "סיבוב עם כיוון השעון" או "סיבוב נגד כיוון השעון") נשלטות באופן חבוי על ידי משתנים שלא היינו מודעים אליהם. המשתנים החבויים האלה הם כמו חלוקת המשקל של המטבע, המסה שלו וכיוצא באלה: אילו נוכל לגלות מה הערכים שלהם, מכניקת הקוונטים לא תכלול עוד אקראיות.

את השנים האחרונות לחייו העביר איינשטיין בחיפוש קדחתני אחר תיאוריה שתוכיח את זה, אבל מעולם לא הצליח לנסח פרשנות מוצלחת למשתנים החבויים. עם זאת, בסופו של דבר הצליחו אחרים לעשות זאת.

הוויכוח בין איינשטיין ובוהר הצית קרב יחסי ציבור פומבי על ליבה ועל נשמתה של הפיזיקה הקוונטית. בשנים הבאות יצא בוהר לסיבוב הרצאות בכל מחלקות הפיזיקה בעולם והטיף על רעיון הקריסה שלו לכל מי שרק היה מוכן להקשיב. עם הזמן, הרעיונות שלו נעשו מקובלים למדי בתור הדרך ה"שמרנית" לפרש את חוקי מכניקת הקוונטים. הסיבה לכך טמונה בהתעקשות, בהתמדה ובהתנהלות הפוליטית המיומנת שלו לא פחות מאשר בכל דבר אחר.

אבל הרעיונות האלה יסללו דרך לדור חדש של ספקולציות במכניקת הקוונטים, ואלה יעבירו את התודעה למרכז הבמה.

התודעה נעשית קוונטית

קהילת הפיזיקה התחרפנה קצת מבעיית החתול הזומבי והיתה נואשת לפתרון. חבריה היו נואשים כל כך, עד שהם היו מוכנים לקבל כמעט כל הסבר, כל עוד קידם אותו מישהו עם תסרוקת נורמלית (סליחה, איינשטיין) ואישיות כריזמטית. גם בתקופות הכי טובות, יש אספקה מצומצמת בלבד של כריזמה בקרב הפיזיקאים, וכך נותרו נילס בוהר ותיאוריית הקריסה שלו האפשרות הרלוונטית היחידה.

הבעיה היתה שהתמונה שצייר בוהר העלתה כמה שאלות לא נוחות:

מה הופך בני אדם או את מכשירי המדידה שהם בנו לייחודיים כל כך, שהם יכולים לאלץ מערכת קוונטית (כמו מערכת האלקטרון/גלאי/אקדח/חתול שלנו) לקרוס לתוך מצב יחיד ומוגדר היטב (כמו "מת" או "חי")?

האם לחתול יש את הכוח לגרום לקריסת המערכת של אלקטרון/גלאי/אקדח לתוך מצב מסוים? האם לקוף יכול להיות הכוח הזה?

ומה לגבי האקדח או הגלאי? למה הם לא יכולים לגרום לקריסת האלקטרון לתוך מצב מסוים?

בקרב הפיזיקאים שרר חוסר הסכמה נרחב בקשר לתשובות על השאלות האלה. היו בהם כאלה שהתחילו לזרוק כל מיני פרשנויות ניו אייג' שיכולות להישמע ממש מפחידות: "אם נראה שדברים כמו חתולים זומבים קורסים רק כשבני אדם צופים בהם, אולי יש משהו מיוחד בצפייה של בני אנוש שמעורר אירועי קריסה, כך שאולי אנחנו, בני האדם, ישויות מיוחדות, והדבר שעושה אותנו מיוחדים, הדבר שנותן לנו גישה לכוח הקריסה הקסום, הוא... תודעה!"

האם דבר כזה אפשרי? האם התודעה יכולה לאלץ עצמים קוונטיים לקרוס כשהיא מפנה את תשומת הלב שלה אליהם? האם ייתכן שאנחנו מחמיצים פיזיקה של תודעה, שבמשך כל הזמן הזה עיצבה בסתר את היקום שאנחנו חיים בו?

קבוצה קטנה של פיזיקאים פעורי עיניים אמרה, "בוודאי. כן, יכול להיות שזה נכון," וכך נולד תחום מכניקת הקוונטים מבוססת התודעה. בתוכו התעוררו ויכוחים בנוגע לשאלות שונות: איזה חלק בגוף האדם מכיל את התודעה? לאילו מינים אחרים עשויה להיות תודעה? מה משמעות הדבר מבחינת החשיבות הקוסמית של האנושות?

אם אתם חושבים שהתכנסויות של פיזיקאים לא אמורות להישמע כמו פרסומת ניו אייג'ית לצמיד אנרגיה, הרעיון שהתודעה מצויה במרכז של מארג המציאות בוודאי גורם לכם להתפתל מעט באי־נוחות. אני מבין אתכם, כי גם אני מתפתל כאן. אבל אי־הנוחות המשותפת שלנו לא משנה את העובדה שפיזיקאים רציניים שקלו את רעיון מכניקת הקוונטים מבוססת התודעה ועושים זאת עד עצם היום הזה. גם על הנושא הזה נוסיף לדבר בהמשך.

לעת עתה, בואו רק נגיד שהקריסה הזאת פתחה תיבת פנדורה של היפותזות וספקולציות. פיזיקאים שקלו כל זווית של הנושא, מתיאוריות מבוססות תודעה ועד התמונה המעורפלת של בוהר, של "קריסה נגרמת כתוצאה מצפייה, אבל אני לא אגיד לכם מה הן 'צפיות' במילים שכוללות פחות מעשר הברות", וכל מה שביניהן. הדבר הקבוע היחיד היה שאיש לא ידע איך, מתי או למה מתרחשת הקריסה.

בסופו של דבר, כמה פיזיקאים שנמאס להם החליטו לשאול שאלה מסוכנת: איך אנחנו יכולים להוציא את הקריסה מחוץ לתמונה הקוונטית?

התשובה, בקצרה: רב־יקום.

רב־יקום

בשנות החמישים של המאה הקודמת, בחור ששמו יו אוורט השלישי הגה דרך חדשה להסביר למה אנחנו לא רואים סביבנו חתולים זומבים.

אוורט אמר, "תקשיבו, מטומטמים. מה גורם לכם לחשוב שאתם טובים יותר מחתולים? אתם לא. אתם חבורת בטלנים עם לוח וגיר."

לא מילה במילה, אבל אם הייתם מחפשים דיוק היסטורי, הייתם הולכים לוויקיפדיה.

אוורט ניסה להגיד שאנחנו לא צריכים לחשוב על בני אדם או על צופים בתור ישויות מיוחדות בשום אופן. במקום זה הוא הציע שנחשוב על עצמנו כעל עצמים קוונטיים שאפשר להכניס לתוך קט, בדיוק כמו שהכנסנו את החתול, את האקדח ואת הגלאי.

בואו נבדוק איך זה ייראה. ניקח את קופסת החתול הזומבי ונוסיף את הנסיין/ הצופה בתור חלק נוסף במערכת, בתוך קט, בדיוק כמו כל דבר אחר.

כך תיראה המערכת שלנו לפני שהנסיין מסתכל לתוך הקופסה:

עכשיו הוא מסתכל לתוכה. בדיוק כמו החתול, האקדח והגלאי, גם הוא מפוצל לשני עותקים מובחנים של עצמו:

עכשיו דמיינו שאתם שואלים את הנסיין — את שתי הגרסאות שלו — מה היו תוצאות הניסוי.

האם החתול מת? גרסה אחת שלו תשיב בנחישות "כן" והשנייה תשיב בנחישות "לא".

האם ראית את החתול חי ומת בו־זמנית? שתי הגרסאות שלו יענו תשובה ברורה מאליה: "מובן שלא. איזו שאלה טיפשית."

בכל אחד מהמקרים, הנסיין רואה רק תוצאה אחת: החתול חי או מת, אבל אף פעם לא גם וגם, אף על פי שחוקי מכניקת הקוונטים אומרים ששתי הגרסאות של החתול אכן קיימות.

הנסיין פשוט לא מבחין בכך כי הוא תקוע באחד משני קווי הזמן האלה ולא יכול לראות את קו הזמן האחר.

זאת היתה הנקודה של אוורט: הסיבה לכך שמעולם לא ראינו חתולים זומבים או אקדחים שחצי יורים, חצי לא יורים, היא שברגע שאנחנו מסתכלים על העצמים האלה, אנחנו עצמנו מתפצלים לקווי זמן מרובים, שבהם גרסאות שונות שלנו רואות תוצאות שונות אבל מוגדרות היטב.

עד עכשיו התייחסתי לשתי קבוצות הקטים — האחת שבה החתול חי והאחרת שבה החתול מת — בתור "סיפורים" או "קווי זמן", אבל מילה נוספת שאפשר להשתמש בה היא "יקום". זאת מכיוון שהכול בקווי הזמן של "חי" ו"מת" ישתנה באופן דרמטי עם הזמן.

לדוגמה, הנסיין שרואה את החתול המת עלול להיות עצוב עד כדי כך שיתפטר מעבודתו ולעולם לא ימציא טכנולוגיה פורצת דרך, שהיתה יכולה לשמש מיליוני אנשים. ההבדל העצום הזה בין היקום של "חי" והיקום של "מת" נגרם בגלל סיחרור של אלקטרון זעיר יחיד.

לפי התמונה הזאת, מכיוון שאלקטרונים וחלקיקים אחרים מנהלים חיים מקבילים סביבנו, מערכת הרב־יקום שלנו מתפצלת ללא הרף ומחוללת קווי זמן או יקומים חדשים, עם תוצאה אפשרית של אינטראקציה.

מיותר לציין שהתמונה של אוורט התרחקה מאוד מהרעיונות המקובלים לגבי טבעה של המציאות. אבל זה לא שהקריסה הקסומה של בוהר, או שכבות המציאות החבויות של איינשטיין, היו דרמטיות פחות. למעשה, אם יש דבר אחד שהפיזיקאים נאלצו להודות בו בוודאות בתוך מלחמת הרעיונות לגבי הדרך הנכונה לספר את הסיפור הקוונטי, הרי זה שהיקום יתברר כמקום מוזר יותר מכל מה שמישהו שיער אי־פעם בנפשו.

וכפי שאתם בוודאי מתארים לעצמכם, כשמציירים מחדש את תמונת היקום כולו על פי התמונות של בוהר, איינשטיין או אוורט, יש לכך השלכות משמעותיות על העצם החשוב ביותר בפינה שלנו בתוך היקום: אנחנו.

המוח הקוונטי

כל תמונה של מכניקת הקוונטים מבקשת מאיתנו להגדיר מחדש — לחלוטין — את תמונת העצמי שלנו.

התמונה של בוהר מעלה את השאלה: האם לבני אדם או לבעלי חיים יש תכונה מיוחדת, שגורמת למערכות קוונטיות להתנער מהאישיויות המרובות שלהן ולקרוס ברגע שאנחנו מסתכלים עליהן? האם ייתכן שיש משהו קסום באמת בתודעה או בצפייה? או שיש לקריסה הסבר פחות מסתורי?

המשתנים החבויים של איינשטיין יכולים לגרום לנו לתהות: אם משתנים חבויים מתכננים את הכוריאוגרפיה של העתיד וקובעים אותו מראש, האין זה אומר בעצם שאנחנו סוג של רובוטים? שאין לנו רצון חופשי? ואם אין לנו רצון חופשי, מה הטעם בתודעה? ומה הם בכלל המשתנים החבויים האלה?

היקומים המקבילים של אוורט קוראים תיגר על הרעיון שיש בכלל משהו כמו "אני". אחרי הכול, אם ה"אני" מיועד להיהפך למיליארדי גרסאות של עצמנו בעוד שבריר שנייה מעכשיו, מי מהן היא "אני"? כולן? אילו השלכות יש לזה על הבחירות שאנחנו עושים בחיים ועל תחושת האחריות שלנו על מעשינו?

השאלות האלה הן רק קצהו של קרחון גדול ומשונה מאוד. התשובה עליהן תוביל אותנו להמון שאלות נוספות, שרבות מהן נחשבו בעבר מחוץ לתחום הפיזיקה. למשל, האם אנחנו לבדנו ביקום? האם היקום נברא מתוך מחשבה על האנושות? האם יש חיים אחרי המוות? האם אנימיזם הוא אמיתי, אחרי הכול? האם לאטומים יש תודעה? ולמה בממרח חמאת הבוטנים הטבעי נוצרת שכבה שמנונית מעצבנת שלוקח נצח לערבב עם השאר?

תיבת הפנדורה של תורת הקוונטים היתה מפתיעה. במשך מאות בשנים, המשמעות של קדמה מדעית היתה ודאות גדולה יותר לגבי טבעו היסודי של היקום ותמונה ברורה יותר של המציאות. לפתע פתאום, מכניקת הקוונטים פתחה לרווחה דלתות שפעם חשבנו שנסגרו לנצח ואיימה להחדיר מחדש ערפול ואי־ודאות לאופן שבו אנחנו מבינים את הפיזיקה.

בהמשך נגלה מחדש את העולם דרך עדשות של תיאוריות קוונטיות שונות. נראה איך הן מספרות סיפורים שונים על היקום, על החיים, על בני האדם ועל החשיבות הקוסמית שלנו. נראה גם שלרעיונות האלה יש השלכות אדירות על דברים שאין להם שום קשר לפיזיקה, כמו חברה ומשפט. במובן מסוים, נחקור את הפיזיקה של טוב ורע.

בדרך ניחשף אל הדרך המבולגנת, הפוליטית והמצחיקה עד אימה שבה מייצרים נקניקייה מדעית, ואיך מבנים אקדמיים מתגלגלים לשחק משחקים פוליטיים בהבנה שלנו את המציאות עצמה.