תורת הקוונטים גורסת שלא ניתן לחזות את התוצאות של מדידה מסוימת בוודאות, אלא רק לחשב מה ההסתברות לתוצאה מסוימת. עוד מראשיתה של תורת הקוונטים האופי ההסתברותי הזה הטריד את הפיזיקאים ובמיוחד את איינשטיין. בשנת 1935, הציעו איינשטיין, פודולסקי ורוזן (EPR) ניסוי מחשבתי אשר נועד להדגים שתורת הקוונטים לוקה בחסר.
לפני שנכנס לפרטי הניסוי של EPR, ננסה להבין את האופי ההסתברותי של תורת הקוונטים בעזרת דוגמה פשוטה. לפי תורת הקוונטים, לחלקיקים כגון האלקטרונים יש תכונה בשם "ספין", מעין חץ אשר יכול להיות באחד משני מצבים -- למעלה, או למטה ביחס לכיוון מסוים. כתבנו בעבר [1] על המשמעות הפיזיקלית של ספין, אבל המהות שלו לא חשובה לדיון הנוכחי, רק העובדה שהוא יכול להיות רק באחד משני מצבים.
לפי תורת הקוונטים, כל עוד אנחנו לא יודעים האם הספין למעלה או למטה, הוא יכול להיות במעין תערובת הנקראת "סופרפוזיציה". המשמעות של התערובת הזאת היא שאם נמדוד את הספין של האלקטרון הוא ״יקרוס״ לאחת מהאפשרויות. אנחנו יודעים לייצר במעבדה אלקטרונים שהספין שלהם הוא סופרפוזיציה אחידה בין ספין למעלה וספין למטה, ואנחנו אכן רואים שאם אנחנו חוזרים על התהליך הזה הרבה פעמים אז כמחצית מהספינים שנמדוד יהיו כלפי מעלה והחצי השני יהיה כלפי מטה -- תורת הקוונטים מאפשרת לנו להבין את הסטטיסטיקות של חזרה על הניסוי הרבה פעמים מבלי להגיד לנו שום דבר לגבי התוצאה של ניסוי בודד. איינשטיין לא קיבל את התפיסה הקוונטית לפיה הדרך ה"נכונה" לתאר את היקום היא דרך מבנה הסתברותי כזה, ומחה על כך באמירתו המפורסמת כי ״אלוהים לא משחק בקוביות״. כדי לחדד את הבעייתיות בתורת הקוונטים הציע איינשטיין בשנת 1935, ביחד עם עמיתיו פודולסקי ורוזן (EPR), את הניסוי המחשבתי הבא [2]:
מתחילים בשני אלקטרונים, שמסודרים כך שהספין של האלקטרון הראשון הפוך מהספין של האלקטרון השני, אבל כך שאנחנו לא יודעים מי מצביע למעלה ומי מצביע למטה. במילים אחרות, המערכת בסופרפוזיציה בין שני המצבים הבאים: המצב שבו האלקטרון הראשון הוא עם ספין מעלה והשני עם ספין מטה, והמצב שבו האלקטרון הראשון הוא עם ספין מטה והשני עם ספין מעלה.
על פי תורת הקוונטים, במערכת זו מתקיימת תופעה מעניינת הנקראת "שזירה": אם נמדוד את הספין של אחד האלקטרונים, יש סיכוי של חצי שנמדוד ספין מטה וסיכוי של חצי שנמדוד ספין מעלה. אותו הדבר נכון אם נמדוד במקום זאת את הספין של האלקטרון השני (מבלי למדוד קודם את האלקטרון הראשון). אבל אחרי שמדדנו את אחד האלקטרונים, אנחנו כבר יודעים בוודאות מה תתן לנו המדידה של האלקטרון השני - את ההפך מתוצאת המדידה של האלקטרון הראשון. למעשה, גם אם נפריד את שני האלקטרונים מרחק מאה שנות אור ונמדוד אותם בו-זמנית, תוצאת המדידה של אלקטרון אחד תהיה הפוכה מהתוצאה של האלקטרון השני.
לטענתם של EPR, מאחר ולא עברו מאה שנים בין המדידות, אם נניח שתוצאת המדידה של אלקטרון אחד השפיעה על התוצאה של אלקטרון שני זה מוביל אותנו לאחת משתי האפשרויות הבאות -- או שהמידע על תוצאת המדידה של אלקטרון אחד הגיע לאלקטרון השני מהר יותר ממהירות האור, או שהאלקטרונים איכשהו ידעו מראש מה תוצאת המדידה אמורה להיות.
לדידם של EPR, זה מראה כי מכניקת הקוונטים אינה "שלמה", משום שאיננה מתארת לחלוטין את מצבם של הספינים של האלקטרונים. האופי ההסתברותי שאנחנו רואים הוא לא תכונה של הטבע אלא פשוט תוצאה של התיאור הלוקה בחסר שלנו. קביעתם של EPR עוררה ביקורת בקהילת הפיזיקאים. הביקורת המרכזית הייתה שמכניקת הקוונטים מאפשרת לנו לחזות הסתברויות בצורה מדויקת, יותר מכל תאוריה פיזיקלית אחרת, אז מדוע לא להסתפק בכך? כמו כן, לא ממש נראתה באופק תאוריה שלמה יותר שתוכל לספק לנו יותר מידע.
למעשה, EPR קידמו גישה שבהמשך נטבע לה השם "תורת משתנים חבויים". לפי הרעיון הזה, לכל חלקיק ביקום יש תכונות מוחלטות (המתוארות על ידי משתנים) שאנחנו פשוט לא מכירים (ועל כן הם "חבויים"), ואילו רק נדע מה התכונות האלו ואיך למדוד אותם אי-הודאות תתפוגג מתמונת הטבע שלנו ואיתה גם האופי הסטטיסטי של תורת הקוונטים. תאוריית המשתנים החבויים החזיקה במעמדה כהסבר פוטנציאלי לצפונות היקום במשך 29 שנים, עד שבשנת 1964 הגה פיזיקאי בשם ג'והן סטוארט בל ניסוי מחשבתי מזהיר שערער את המעמד הזה (ואף יש שיגידו שריסק אותו לחלוטין). מאמר ההמשך, שיפורסם מחר, יעסוק ברעיון המבריק של בל.
מקורות:
[1] לקריאת הפוסט שלנו על ספין
[2] לקריאת המאמר המקורי של EPR