399: שזירה קוונטית

5.6.23

אלברט איינשטיין נחשב לאחד מאבותיה המייסדים של תורת הקוונטים - אבל חוסר הנכונות שלו לקבל את המוזרוּת של התיאוריה הזו כפשוטה יצרה פער הולך וגדל בינו ובין קהילת הפיזיקאים.
איינשטיין לא ויתר: כשנה לאחר שברח מגרמניה הנאצית והצטרף למכון למחקר מתקדם בפרינסטון, ארה"ב, הוא חבר לשני פיזיקאים אחרים - בוריס פודולסקי ונתן רוזן - ויחד, השלושה הסתערו על תופעה נוספת ובעייתית במיוחד של תורת הקוונטים, מתוך כוונה ברורה להשתמש בה כדי להוכיח לכל שאר עולם הפיזיקה שתורת הקוונטים לא נכונה - או לכל הפחות, שחסר בה משהו מהותי ועמוק מאוד.

האזנה נעימה :-)

תודה לארבעת החוקרים שסייעו לי בהכנת הפרק: ממכון וייצמן - ד"ר ברק זכאי, ד"ר עופר פירסטנברג וד"ר בועז כץ - ומהאוניברסיטה העברית, ד"ר שלומי קוטלר.

399: שזירה קוונטית

00:00 / 01:04

להורדת הפרק

לרשימת הפרקים המלאה

הרשמה לרשימת תפוצה בדוא"ל | אפליקציית עושים היסטוריה (אנדרואיד) | iTunes

את אלברט איינשטיין אני לא ממש צריך להציג לכם, אני מניח: תורת היחסות, שאת עקרונותיה הציג איינשטיין לעולם בשני מאמרים פורצי דרך בשנת 1905, הפכה את הפיזיקאי הגרמני לאחד המדענים המפורסמים ביותר בהיסטוריה והציבה אותו בשורה אחת עם דמויות כדוגמת אייזיק ניוטון וצ'ארלס דרווין.

לא רבים יודעים זאת, אבל באותה שנה פרסם איינשטיין עוד שני מאמרים, שכל אחד מהם היה גם כן מהפכני ופורץ דרך בתחומו: זו הסיבה ש-1905 מכונה לעיתים 'השנה המופלאה' של אלברט איינשטיין (Annus Mirabilis, בלטינית). מאמר אחד עסק בתנועתם של גופים זעירים הנעים במים וסיפק, בפעם הראשונה, הוכחה מעשית לכך שאטומים ומולקולות הם לא סתם רעיון מופשט שרק עוזר לנו לבצע חישובים וסימולציות, כפי שטענו עדיין חלק מהמדענים באותם הימים - אלא שהם באמת קיימים במציאות, גם אם אנחנו לא יכולים לראות אותם במו עינינו.

המאמר החשוב הרביעי שפרסם איינשטיין באותה שנה מופלאה עסק באור, ובו הוא הוכיח שקרני האור מתנהגות לעיתים כמו גלים ולעיתים כמו חלקיקים - או אם תרצו, שהאור הוא גם גל, וגם חלקיק. למרות שרמזים ועדויות לתופעה המשונה הזו צצו כבר בראשית המאה ה-19, ההוכחה שסיפק איינשטיין הניחה את היסודות לתיאוריה שחוללה מהפכה באופן שבו אנחנו מבינים את המציאות שסביבנו: תורת הקוונטים. זו הסיבה שאיינשטיין מכונה לעיתים 'אבי תורת הקוונטים.'

אבל אולי המשפט הקודם שאמרתי, 'מהפכה באופן שבו אנחנו מבינים את המציאות שסביבנו', הוא לא ממש מדויק מכיוון שבתכלס - תורת הקוונטים לא ממש עוזרת לנו להבין את המציאות. הרעיונות והתובנות שנובעים ממנה הם כל כך מוזרים, עד שנדמה שאם כבר - הם יותר מבלבלים אותנו מאשר מסייעים לנו להבין משהו. למשל - מה זה אומר שמשהו הוא גם גל וגם חלקיק? אנחנו מכירים גלים, ואנחנו מכירים חלקיקים - אבל אף אחד מאיתנו לא ראה משהו שהוא גם גל וגם חלקיק, ואנחנו אפילו לא מסוגלים לדמיין לעצמנו איך עשוי להיראות דבר שכזה.

הקושי התפיסתי שמציבה בפנינו תורת הקוונטים הוא הסיבה לכך שבמשך רוב שנות המאה העשרים העדיפו פיזיקאים רבים להתעלם מהשלכותיה של תורת הקוונטים על האופן שבו אנחנו מבינים את העולם שסביבנו. זה לא שאף אחד לא דיבר על האתגרים האלה או על המוזרות של תורת הקוונטים - אבל הגישה הכללית בעולם הפיזיקה הייתה שאין כל כך טעם לנסות ולחפור בשאלות כמו 'מה זה אומר שמשהו הוא גם גל וגם חלקיק?' כי המוח שלנו פשוט לא בנוי להבין דברים כאלה. לכן עדיף לשים את השאלות האלה בצד - ולהתרכז בצדדים המעשיים של תורת הקוונטים: בחישובים ובנוסחאות בעזרתם אנחנו מפתחים שבבים אלקטרוניים, עושים כימיה מתקדמת וכדומה. כפי שניסח זאת הפיזיקאי דיוויד מרמין (Mermin) - 'תהיה בשקט, ותֵחשב.'

אבל לפני שנה (ביחס לזמן שבו אני כותב את המילים האלה) צצו וחזרו השאלות הקשות האלה לתודעה הקולקטיבית שלנו - וזאת בעקבות החלטתה של האקדמיה השוודית למדעים להעניק את פרס הנובל בפיזיקה לשנת 2022 לשלושה מדענים שהניסויים שערכו מכריחים אותנו להרים את העיניים מהדף, להניח את העיפרון - ולחשוב. לחשוב על המציאות שלנו, על העולם שבתוכו אנחנו חיים ועל הדברים המשונים והפנטסטיים שמגלה לנו תורת הקוונטים - ולשאול את עצמנו, 'מה כל זה אומר?...'

גם אלברט איינשטיין לא אהב את הגישה של 'תהיה בשקט ותחשב.' איינשטיין היה אדם של אינטואיציה: הוא מפורסם בזכות ה"ניסויים המחשבתיים" (Gedankenexperiment, כפי שכינה אותם בגרמנית) שערך כדי לחלץ תובנות פיזיקליות מתוך האינטואיציות שלו. הוא אמנם היה זה שהניח את היסודות לפיתוחה של תורת הקוונטים, אבל עם חלוף השנים, כשפיזיקאים כדוגמת נילס בוהר ו-ורנר הייזנברג הרחיבו את התאוריה הזו וניסחו את הכללים והחוקים שלה, איינשטיין הלך ונעשה מוטרד יותר מהפער שהלך ונפער בין העולם כפי שאנחנו מבינים אותו - ובין מה שאומרת לנו תורת הקוונטים.

קחו, למשל, את האקראיות. הגובה שלי הוא 175 ס"מ. למה? ככה. כולנו מבינים שהגובה שלנו הוא די אקראי ואין דרך לחזות אותו מראש. אבל…זה לא מדויק: כשאנחנו רואים ילד גבוה במיוחד, אנחנו מיד חושדים בכך שההורים שלו כנראה גבוהים - ובמקרים רבים, זה גם יהיה נכון. במילים אחרות, התפיסה הבסיסית שלנו - גם אם אנחנו לא מנסחים אותה במילים בצורה הזו - היא שהגובה שלנו אינו באמת אקראי אלא הוא רק נראה אקראי מכיוון שהוא מושפע על ידי המון גורמים - גנטיקה, תזונה, סביבה וכדומה - שאת תרומתו המדוייקת של כל אחד מהם אנחנו לא יכולים לכמת. לו היינו יודעים את כל הגורמים שמשפיעים על גובהו של אדם והיינו מסוגלים למדוד אותם ולחשב את השפעתם, היינו יכולים לנבא בדיוק לא רע לאיזה גובה יגיע כל ילד לכשיגדל.

זו גם הייתה התפיסה של אלברט איינשטיין לגבי הפיסיקה בכללותה: כל דבר בעולמנו נשלט על ידי חוקי הפיזיקה, ואם משהו נדמה לנו כאקראי - זה רק מכיוון שאנחנו לא מבינים אותו טוב מספיק. כשאני זורק שתי קוביות שש-בש, למשל, התוצאה נדמית לי כאקראית רק מכיוון שאני לא מסוגל לחשב בדיוק מספיק גבוה את כל הכוחות שפועלים על כל הקוביות כשהן פוגעות בלוח המשחק וניתזות ממנו לכאן ולכאן. לו הייתי מסוגל לחשב את כל הכוחות האלה - הייתי מסוגל לנבא בדיוק מה יראו הקוביות לכשיעצרו.

נילס בוהר ועמיתיו, לעומת זאת, דגלו בתפיסה שונה: היקום שלנו, הם טענו, הוא בבסיסו אקראי. לא בכאילו ולא בערך: באמת אקראי. נניח, לדוגמא, שיש לנו אטום של אורניום, ואנחנו רוצים לדעת מתי יתפרק האטום הרדיואקטיבי הזה. על פי תורת הקוונטים, אין דרך לדעת את זה - ולא משנה כמה מידע נאסוף על האטום או איך נמדוד אותו: התפרקות רדיואקטיבית היא באמת ובתמים תופעה אקראית, במובן העמוק ביותר של המילה.

אבל איינשטיין לא היה מוכן לקבל את זה. מבחינתו, לומר על משהו שהוא 'אקראי לחלוטין' זו רמאות, כי לשיטתו לכל דבר בטבע יש הסבר הגיוני - גם אם אנחנו עדיין לא יודעים מהו. זה הבסיס לאימרה המפורסמת שלו - 'אלוהים לא משחק בקוביות.'

חוסר נכונותו של איינשטיין לקבל האקסיומות היסודיות של תורת הקוונטים כפשוטן יצרה, כאמור, פער הולך וגדל בין הפיזיקאי המהולל ובין מרבית עמיתיו למקצוע מכיוון שבסופו של דבר, תורת הקוונטים עובדת. זאת אומרת, בין אם האקסיומות האלה מוצאות חן בעינינו ובין אם לאו - הנוסחאות שנובעות מהן מנבאות את תוצאות הניסויים בצורה כמעט מושלמת, ולכן האקסיומות האלה נכונות - גם אם איינשטיין לא מוכן לקבל את ההשלכות שלהן על תמונת העולם שלנו. או כפי שניסח זאת נילס בוהר - 'אלברט, תפסיק להגיד לאלוהים מה לעשות.'

אבל איינשטיין לא ויתר. כשנה לאחר שברח מגרמניה הנאצית והצטרף למכון למחקר מתקדם בפרינסטון, ארה"ב, הוא חבר לשני פיזיקאים אחרים - בוריס פודולסקי (Podolsky) ונתן רוזן (Rosen) - ויחד, השלושה הסתערו על תופעה נוספת ובעייתית במיוחד של תורת הקוונטים, מתוך כוונה ברורה להשתמש בה כדי להוכיח לכל שאר עולם הפיזיקה שתורת הקוונטים לא נכונה - או לכל הפחות, שחסר בה משהו מהותי ועמוק מאוד.

כדרכו, נעזר איינשטיין - שהיה הרוח החיה מאחורי שיתוף הפעולה המשולש - בניסוי מחשבתי. במקור, הניסוי הזה מתאר תופעות שמתרחשות בחלקיקים תת-אטומיים, אבל כדי להסביר את הרעיון שמאחוריו אני אשתמש באחת הפדיחות הכי מביכות שהיו לי בחיים.

החבר'ה במשרדים של עושים היסטוריה כבר מכירים אותי די הרבה זמן, והם יודעים שאני לא ממש שם לב למה שאני לובש: החולצות שלי תמיד הפוכות, במכנסיים יש חורים… בואו נגיד שבגדול, סגנון הלבוש שלי מזכיר את הכיסא הזה שיושב בפינת החדר ואתם זורקים עליו את הבגדים המקומטים עד שאין ברירה וצריך לשים בכביסה. אבל לפני שנה ומשהו הגיע השיא, כששלי נוי, המפיקה שלי, נכנסה אלי לחדר ושאלה אותי למה הנעליים שלי לא אותו הדבר… רק אז גיליתי שעל רגל אחת נעלתי נעל רגילה, ועל השניה נעל ספורט. בחיי.

אז לצורך ההסבר, נאמר שיש לי בבית מכונה שמייצרת זוגות של נעליים ואורזת אותן בשתי קופסאות: בקופסא אחת את נעל ימין ובשניה את נעל שמאל - אבל לי אין מושג איזו נעל נמצאת באיזו קופסא. אני לוקח את אחת הקופסאות איתי לעבודה, וכשאני מגיע למשרד, אני ושלי פותחים את הקופסא שהבאתי ומגלים איזו נעל נמצאת בפנים: נעל ימין או נעל שמאל. נאמר ומצאנו בקופסא את נעל שמאל. איזו נעל נמצאת בקופסא שהשארתי בבית? ברור - נעל ימין, שהרי הנעל השמאלית נמצאת איתי במשרד. הסיבה לכך שאנחנו בטוחים לגמרי שאם אנחנו מחזיקים את נעל שמאל אז הנעל השניה חייבת להיות נעל ימין, היא שהניסיון מלמד אותנו שלכל נעל יש תכונה מוגדרת - הכיווניות שלה, במקרה הזה - והתכונה הזו נקבעת ברגע שמייצרים את הנעל. במילים אחרות, כשהמכונה הדמיונית שלי הניחה את הנעליים בקופסאות, אני אולי לא ידעתי איזו נעל נמצאת באיזו קופסא - אבל הכיווניות של כל נעל כבר הייתה מוגדרת וברורה.

לא כך על פי תורת הקוונטים. על פי התיאוריה הזו כשמדובר בחלקיקים קטנים מספיק, תכונותיהם של החלקיקים לא תמיד מוגדרות. זאת אומרת, אם הנעליים שלי הן נעליים קוונטיות, אז כשהמכונה מייצרת נעל ומכניסה אותה לקופסא - הכיווניות של הנעל עדיין לא נקבעה. שימו לב לאופן שבו ניסחתי את ההצהרה הזו, כי זהו בדיוק לב העניין: זה לא שלנעל בתוך הקופסא יש כיווניות ואני פשוט לא יודע מהי כי עדיין לא הצצתי פנימה - אלא לנעל אין כיווניות מוגדרת כלל. או בניסוח אחר, כל עוד לא פתחתי את הקופסא והבטתי פנימה, הנעל שבתוכה היא גם נעל ימין וגם נעל שמאל. בעגה הקוונטית אנחנו אומרים שכל נעל נמצאת ב"סופרפוזיציה" של שני המצבים האפשריים - ימין ושמאל, בעת ובעונה אחת. עוד אומרת תורת הקוונטים שרק ברגע שפתחתי את הקופסא והצצתי לתוכה - רק ברגע הזה הנעל "מחליטה" באופן כלשהו מה היא רוצה להיות, ואז הופכת לנעל ימין או נעל שמאל.

כן, זה נשמע מוזר ולחלוטין לא הגיוני - וזו גם הסיבה שאיינשטיין בחר להשתמש דווקא באקסיומה הזו כדי לתקוף את תורת הקוונטים. בעולם שלנו, טענו איינשטיין, פודולסקי ורוזן, לעצמים יש תכונות מוגדרות: נעל יכולה להיות או ימנית או שמאלית - היא לא יכולה להיות גם וגם, ועל אחת כמה וכמה שהכיווניות של הנעל לא תלויה בזה שרן ושלי פתחו את הקופסא והציצו לתוכה, בדיוק באותו האופן שבו הגובה שלי הוא 175 ס"מ גם אם אף אחד לא לוקח מטר ומודד אותי. איינשטיין ועמיתיו קראו לתפיסה הזו 'אמיתיות' (Realness): הנעל היא אמיתית, במובן של התכונות שלה שנקבעו מראש בזמן שיצרו אותה, גם אם אף אחד לא בא ובדק את התכונות האלה.

כדי להדגים את הבעייתיות בתורת הקוונטים, הציע איינשטיין את הניסוי המחשבתי הבא - שוב, בגרסה שלי עם נעליים קוונטיות.

נניח שהמכונה שלי מייצרת שתי נעליים קוונטיות, והנעליים האלה הן "לא אמיתיות" במובן הקוונטי: זאת אומרת, כל עוד לא פתחתי את הקופסאות, כל נעל בזוג שיצרתי היא מעין שילוב מוזר כזה של שני הכיוונים, סופרפוזיציה של ימין ושמאל. כמקודם, אני לוקח את אחת הקופסאות איתי למשרד - ושם אני ושלי סוף סוף פותחים את הקופסא ומציצים פנימה. על פי תורת הקוונטים, ברגע הזה ממש הנעל "מחליטה" מה היא רוצה להיות כשתהייה גדולה, והופכת להיות נעל ימין או נעל שמאל.

נעליים, נזכור, מגיעות תמיד בזוגות: נעל ימין ונעל שמאל. אם הנעל במשרד "החליטה" שהיא נעל ימין - המשמעות היא שהנעל השניה, זו שנשארה בבית, חייבת להיות נעל שמאל. ולחילופין, אם הנעל במשרד החליטה שהיא נעל שמאל - הנעל בבית חייבת להיות נעל ימין. זכרו מה אומרת תורת הקוונטים: זה לא שהנעליים היו מראש אחת שמאל ואחת ימין, אלא כל הזמן הזה שהן היו סגורות בקופסאות הן היו, כל אחת, גם ימין וגם שמאל. רק ברגע שהבטנו לתוך הקופסא במשרד, הנעל שבתוכה "התממשה" באופן כלשהו להיות נעל ימין, ובדיוק ברגע הזה גם הנעל שנשארה בבית "גילתה" שהיא נעל שמאל, מהסיבה הפשוטה שאין לה ברירה: היא חלק מזוג שבו הנעל השניה היא נעל ימין.

לתופעה הזו אנחנו קוראים 'שזירה קוונטית': מצב שבו שניים או יותר חלקיקים קשורים זה בזה באופן כה עמוק, עד שאי אפשר לתאר אותם בנפרד. באנלוגיה שלנו, הנעל במשרד והנעל בבית שזורות זו בזו: יש להן תכונה משותפת - כיווניות, במקרה הזה - אבל אי אפשר לומר שום דבר על הכיווניות של כל נעל בנפרד, אלא רק על התכונה המשותפת שלהן כזוג, דהיינו שאחת מהנעליים חייבת להיות שמאלית והשניה ימנית. רק ברגע שמדדנו את התכונה הזו אצל אחד מהחלקיקים - באנלוגיה שלנו, פתחנו את הקופסא במשרד והצצנו פנימה - רק ברגע הזה הנעליים מחליטות, באקראי לגמרי, מי מהן תהיה ימנית ומי השמאלית.

וכאן מגיע הקצ' שאיינשטיין קיווה שימוטט את תורת הקוונטים. כאמור, כשאני ושלי מציצים לתוך הקופסא במשרד הנעל שבתוכה מקבלת כיווניות מוגדרת - נאמר, ימין - ואז הנעל בבית הופכת מיד לנעל שמאל. הדגש כאן הוא על המילה "מיד": לא 'מהר', לא 'בתוך זמן קצר', לא 'יש לי רק שאלה לדוקטור, זה ייקח שתי שניות...,' מיד. מילולית. באותו הרגע. והמידע הזה יעבור בין הנעליים באופן מיידי ללא תלות במרחק ביניהן: נעל אחת יכולה להיות בכדור הארץ ונעל אחת בצידה השני של הגלקסיה - ועדיין, ההסכמה ביניהן תעשה מיד, באפס זמן.

אבל זה, אומר איינשטיין, לא יכול להיות. למה? מכיוון שבין הנעל שבהרצליה והנעל בעתלית מפרידים בערך מאה קילומטרים. כשאני פותח את הקופסא בהרצליה ובוחן את הכיווניות של הנעל שבתוכה, אני משפיע באופן כלשהו על הנעל שבעתלית - אבל על פי תורת היחסות, המהירות הגבוהה ביותר שבה ההשפעה הזו יכולה להתרחש היא מהירות האור. זה לא משנה, לצורך העניין, איך בדיוק "יודעת" הנעל שנשארה בבית שהיא חייבת להפוך להיות נעל שמאל: אולי גמד קוונטי קטן גילה לה, אולי היא קיבלה הודעת סמס - 'קנאביס רפואי ללא צורך ברשיון! אה, ואגב, אחותי, את נעל שמאל' - בכל דרך שלא מתקיימת ההשפעה הזו, חייב לחלוף פרק זמן כלשהו מהרגע שבו משהו קרה בהרצליה ומשהו אחר קרה בעתלית. גם אם זה היה מיקרו-שניות או ננו-שניות, זה עדיין לא היה מיד, באותו הרגע.

בעגה המקצועית של הפיסיקה, התכונה הזו נקראת 'עקרון המקומיות' (Locality): ההנחה שעצם יכול להיות מושפע רק על ידי עצמים שנמצאים בסביבתו המיידית, ואם ההשפעה הזו נעשית באמצעות מתווכים - כמו, למשל, כוחות כלשהם - היא לא יכולה לנוע מהר יותר ממהירות האור.

עקרון המקומיות הוא אחת האקסיומות הבסיסיות ביותר ביותר בפיזיקה הקלאסית, אבל אם שזירה קוונטית היא תופעה אמיתית, טענו איינשטין, פודולסקי ורוזן, אזי היא מפרה את האקסיומה הבסיסית הזו: שום דבר לא נע מהר יותר ממהירות האור. איינשטיין כינה את ההפרה הזו 'Spooky action at a distance', בתרגום חופשי - השפעה לא הגיונית ממרחק.

אולי אתם שואלים את עצמכם: אז מה? אולי איינשטיין טועה? אולי יש דברים שכן יכולים לנוע מהר יותר ממהירות האור?

אז זהו, שזה לא כזה פשוט. לא סתם טען איינשטיין שמהירות האור היא המהירות הגבוהה ביותר האפשרית ביקום: החישובים שלו הוכיחו שאם מידע יכול לנוע מהר יותר ממהירות האור, אנחנו מקבלים פרדוקסים הזויים שהיו הופכים את העולם שלנו למעין גרסת live action של עולם המראה ב'עליזה בארץ הפלאות.' למשל, עיקרון בסיסי בעולמנו - כפי שאנחנו מכירים אותו - הוא 'סיבתיות': דהיינו, הסיבה תמיד קודמת למסובב. אני בועט בכדור - ורק אז הכדור מתגלגל. אני לוחץ על המתג - ורק אז האור בחדר נדלק. אבל אם מהירות האור אינה המהירות הגבוהה ביותר האפשרית, אפשר להוכיח שיש מצבים שבהם המסובב יופיע לפני הסיבה: הכדור יתגלגל לפני שבעטתי בו, והאור בחדר ידלק לפני שלחצתי על המתג… במילים אחרות, אבסורד - וזו בדיוק הייתה טענתם של איינשטיין ועמיתיו: אם שזירה קוונטית אפשרית, אזי תיתכן השפעה מרחוק במהירות גבוהה יותר ממהירות האור - על כל הפרדוקסים הנובעים מכך. אבל מכיוון שאנחנו לא רואים את הפרדוקסים המשונים האלה מתרחשים מסביבנו, סימן שמשהו לא בסדר בתורת הקוונטים.

אבל מצד שני, זה לא יכול להיות כל הסיפור - שהרי תורת הקוונטים עובדת. למשל, כשהפיזיקאים מחשבים את האופן שבו מסתדרים אלקטרונים סביב גרעין האטום, הם חייבים לכלול בחישובים שלהם את השפעותיה של השזירה הקוונטית בין האלקטרונים האלה - אחרת תוצאות החישובים תהיינה שגויות. זה אומר שגם אם שזירה קוונטית לא באמת קיימת, יש איזשהו מנגנון פיזיקלי לא מוכר שגורם לכך שכשאנחנו מציצים לתוך קופסת הנעליים במשרד - זה נראה לנו כאילו שהנעל בתוך הקופסא מחליטה לאיזה כיוון היא שייכת, והנעל שנשארה בבית כאילו מושפעת מההחלטה הזו והופכת לנעל ההופכית בדיוק באותו הזמן.

מה יכול להיות אותו מנגנון פיזיקלי לא מוכר? לאיינשטיין לא היה שמץ של מושג, אבל הוא כינה את המנגנון ההיפותטי הזה בשם 'משתנה חבוי' (Hidden Variable), כדי להדגיש את הרעיון שאולי יש מידע סמוי ולא ידוע שמסתתר בתוך אותם חלקיקים זעירים ושגורם להם להתנהג באופן המשונה שבו הם מתנהגים.

אנלוגיה טובה לרעיון של 'משתנה חבוי' היא תאומים זהים. נגיד שאני לוקח מישהו שלא למד ביולוגיה, מראה לו תמונה של תאומים זהים ושואל אותו - 'תגיד, למה השניים האלה נראים בדיוק אותו הדבר?' - כנראה שהוא לא יידע את התשובה…אולי הוא היה חושב שזה סוג של קסם. אבל מי שמבין בביולוגיה יידע לומר שהתאומים זהים כי יש להם את אותו הדנ"א: זאת אומרת, אין צורך בקסם כדי להסביר את הזהות המפתיעה - הדנ"א הוא המשתנה החבוי שגורם להם להיות זהים. באותו האופן, הציע איינשטיין, אולי יש משהו חבוי בתוך הנעליים הקוונטיות שגורם להן להתנהג בצורה שהן מתנהגות, ואנחנו רק לא יודעים מהו כרגע.

איינשטיין, פודולסקי ורוזן פרסמו את טיעוניהם במאמר בשנת 1935 שכותרתו הרשמית הייתה 'האם תיאור קוונטי של המציאות הפיזיקלית יכול להיחשב כמושלם?', אבל כולם מכנים אותו 'המאמר של EPR' - על שום ראשי התיבות של מחבריו.

ברבות השנים נחשף שאיינשטיין לא היה מרוצה מתוכנו של המאמר שפרסמו השלושה. מי שכתב את המאמר בפועל וניסח את הטיעונים שהופיעו בו היה בוריס פודולסקי, ואיינשטיין הרגיש שהאופן שבו בחר פודולסקי לנסח את הפרדוקס היה לא מוצלח: שהוא מתמקד יותר מדי בפרטים הטכניים, במקום להדגיש את הבעיה הבסיסית שהניסוי המחשבתי חושף - הפרת עקרון המקומיות.

ואכן, שנה לאחר שהתפרסם מאמר EPR הגיב לו נילס בוהר במאמר משלו - שהתפרסם באותו המגזין ותחת אותו השם בדיוק - שבו הצביע על כשל פוטנציאלי כלשהו בטיעוניהם של איינשטיין ועמיתיו, בדיוק באותם פרטים טכניים בהם התמקד פודולסקי. התגובה המבטלת הזו הצטרפה למאמר שפרסם ג'ון פון-נוימן, אחד מהגאונים הגדולים של המאה העשרים, שלוש שנים קודם למאמר EPR ובו הוכיח שהמנגנון ההיפותטי של 'משתנה חבוי' הוא בלתי אפשרי מבחינה פיזיקלית.

תגובתו של נילס בוהר וההוכחה של פון-נוימן שכנעו את רוב הקהילה המדעית שאפשר להתעלם מהפרדוקס שחשף איינשטיין. אמנם זמן לא רב לאחר מכן גילתה מתמטיקאית גרמנית צעירה בשם גרטֵה הרמן (Hermann) טעות בהוכחה של פון-נוימן והראתה שמנגנון המשתנה החבוי הוא בכל זאת אפשרי, לפחות בתיאוריה - אבל בשלב הזה הגאות נטתה לרעתם של איינשטין ועמיתיו: פיזיקאים רבים חשו שההתנגדות של איינשטיין לרעיונותיה של תורת הקוונטים נובעת מתוך שמרנות גרידא. המאמר של EPR נדחק לקרן זווית, ונזנח.

ג'ון סטיוארט בל (Bell) נולד באירלנד בשנת 1928, ולכולם במשפחתו היה ברור שמדובר בילד מבריק באופן יוצא דופן: כינוי החיבה שלו בבית היה 'הפרופסור.' אבל אירלנד של המחצית הראשונה של המאה העשרים לא הייתה מקום טוב לגאון להיוולד בו: המדינה הייתה ענייה יחסית, ולהוריו של בל לא היה מספיק כסף כדי לשלוח אותו לבית ספר טוב, כזה שיעזור לבל הצעיר למצות את הפוטנציאל הגלום בו. על כן הם שלחו אותו לבית ספר מקצועי, כזה שאתה לומד בו מקצוע מעשי לחיים - ובל למד להיות טכנאי.

אבל ג'ון בל, שכבר בתור ילד ידע שהוא רוצה להיות מדען, לא ויתר על החלום ללמוד באוניברסיטה. בגיל 16 הוא אכן הצטרף לאוניברסיטת Queens היוקרית בבלפאסט - אבל לא בתור סטודנט מן המניין, כי אם בתור טכנאי במעבדה לפיזיקה. כטכנאי, בל כל כך הרשים את המרצים בידיעותיו עד שהם הירשו לו להשתתף בהרצאות לצד העבודה השוטפת במעבדה, ואפילו הילוו לו את הספרים הנדרשים. בל סיים את השנה הזו כמצטיין, ובשנה שלאחריה כבר התקבל ללימודים באופן רשמי.

כשסיים בל את לימודיו הצטרף למכון המחקר לאנרגיה אטומית באנגליה, ובמרוצת השנים הפך למומחה בתחום מאיצי חלקיקים, מומחיות שבזכותה הוזמן ב-1960 להצטרף למכון CERN היוקרתי שבשוויץ. אבל למרות שבמסגרת עבודתו היום-יומית הוא נעזר בתורת הקוונטים כדי לבצע את חישוביו - מה שבאמת עניינו אותו היו הצדדים הפילוסופיים יותר של התיאוריה הזו, וההשלכות שלה על האופן שבו אנחנו מבינים את עולמנו.

ובמישור הזה, בל לא היה מרוצה במיוחד. כמו איינשטיין לפניו, גם ג'ון בל לא אהב את העמימות של הפרשנות המקובלת לתורת הקוונטים - את גישת 'תהיה בשקט ותחשב' שאומרת שאנחנו לא מסוגלים להבין את ההשלכות של התאוריה הזו, ולכן עדיף לא לשאול יותר מדי שאלות ולהתרכז במה שאנחנו כן יכולים להבין.

אבל באותה התקופה, מי ששאל יותר מדי שאלות פילוסופיות לגבי תורת הקוונטים נתפס בקרב חברי קהילת הפיזיקאים כמדען לא רציני, שמעדיף להתעסק בשטויות לא רלוונטיות במקום לעשות עבודה תכל'ס. מי שהטיל ספק בפרשנות האורתודוקסית של תורת הקוונטים, הפרשנות שהובילו נילס בוהר וחלוצים אחרים של התחום, נדחק לשוליים - ממש כמו שקרה לאלברט איינשטיין בזמנו. בל חווה את החשש הזה על בשרו ב-1960, כשמצא את עצמו באחד הימים עולה במעלית ב-CERN עם לא אחר מאשר נילס בוהר הגדול. בל רצה לנצל את ההזדמנות ולשוחח עם הפיזיקאי המפורסם על הבעיות הקשות שעולות מתוך הפרשנות שלו לתורת הקוונטים - אבל…לא היה לו אומץ לפתוח את הפה. כשהגיעה המעלית ליעדה ונילס בוהר יצא מהדלת, בל שאל את עצמו כמה מעמיתיו חוו את אותן הספקות ושאלו את עצמם את אותן השאלות - אבל לא היה להם אומץ להעלות אותן בפומבי.

בל גמר אומר להפנות את מרצו לחקר אותן שאלות פילוסופיות - אבל באותה תקופה העבודה השוטפת ב-CERN לא אפשרה לו להקדיש די זמן לעניין. רק ב-1963 התפנה בל לעסוק בעניין, ובשלב הזה גם הייתה לו קביעות (Tenure) בעבודה - מה שאומר שהיה לו את החופש האקדמי לחקור נושאים ורעיונות שלא נמצאים בקונצנזוס המדעי, ולכן הוא יכול היה להרשות לעצמו לבחור נושא עיסוק כל כך לא פופולרי מבלי לחשוש שיפוטר.

כשקרא בל את המאמר של EPR, הוא מצא את עצמו מסכים עם טענותיו של איינשטיין לגבי האבסורד והפרדוקס שנובעים מתוך הרעיון של 'שזירה קוונטית.'

"חשתי שאיינשטיין היה, בעניין הזה, עליון על נילס בוהר מבחינה אינטלקטואלית. פער גדול נמתח בין האיש שראה בברור מה נדרש היה לעשות, ובין מי שניסה לטשטש [את השאלות הקשות.]"

הוא הסכים עם המסקנה שככל הנראה ישנו איזשהו משתנה חבוי שמסתתר בתוך החלקיקים הקוונטיים וגורם להם להתנהג באופן שבו הם מתנהגים - ושאל את עצמו אם אפשר לתכנן ניסוי שיבדיל בין שתי האפשרויות האלה: או שקיים משתנה חבוי כלשהו, או שתורת הקוונטים צודקת וחלקיקים שזורים באמת שומרים על קשר כלשהו גם כשהם רחוקים מאוד זה מזה. וב-1964 הצליח בל לעמוד במשימה הזו.

בקווים כלליים, ומבלי להיכנס לפרטים הטכניים של הרעיון שהציג במאמרו המיתולוגי משנת 1964, בל הגה ניסוי - תיאורטי בלבד, בשלב הזה, שכן הטכנולוגיה לבצע אותו עדיין לא הייתה קיימת - שבו יוצרים המון זוגות של חלקיקים שזורים, ושולחים אותם לחיישנים שמודדים את מצבם. באנלוגיה שלנו, מכונת הנעליים פולטת המון זוגות של נעליים קוונטיות, שאז עוברות דרך חיישן שמודד אותן וקובע עבור כל נעל באיזו כיווניות היא נמצאת, ימין או שמאל. כל מדידה שכזו בפני עצמה לא אומרת לנו יותר מדי, אבל אם נבצע המון ניסויים כאלה על המון זוגות של חלקיקים שזורים, נמדוד את את הסטטיסטיקה של כל המדידות האלה ונבצע עליה חישוב כלשהו - נקבל מספר. אם איינשטיין צודק וישנו משתנה חבוי כלשהו ששולט על התנהגותם של החלקיקים, המספר הזה יכול להיות לכל 2, לא יותר. אבל אם המספר המתקבל גדול מ-2 - אזי נילס בוהר צודק ובעולם הקוונטי חלקיקים שזורים משפיעים אחד על השני במהירות גדולה ממהירות האור.

זו הייתה תובנה מדהימה, שבאורח נדיר הפכה סוגיה פילוסופית עמוקה - לניסוי בעל תוצאה ברורה וחדה: היה פיזיקאי שכינה אותה "התובנה העמוקה ביותר בתולדות המדע." אבל למרבה האירוניה, למרות שמטרתו הראשונית של בל הייתה להוכיח שאיינשטיין צודק ובוהר טועה - התוצאה הייתה הפוכה לגמרי.

---

שלוש שנים מאוחר יותר, ב-1967, נתקל פיזיקאי צעיר בשם ג'ון קלאוזר (Clauser) במאמרו של ג'ון בל בספריה באוניברסיטה בה למד, אוני' קולומביה. קלאוזר בדיוק חיפש נושא מעניין למחקר והסעירה אותו המחשבה שניתן, באמצעות ניסוי מעשי, לחשוף אמת כה עמוקה ומשמעותית על האופן שבו עובד היקום שלנו. קלאוזר כתב לג'ון בל ושאל אותו אם מישהו כבר יישם בפועל את הניסוי התיאורטי שהציע במאמרו. בל, שעבורו המכתב של קלאוזר היה אחד התגובות הראשונות שקיבל בכלל למאמר שכתב, השיב שהניסוי טרם בוצע ועודד את קלאוזר להפוך אותו למציאות.

אבל התמיכה לה זכה מבל לא בדיוק סייעה לקלאוזר. כזכור, קהילת הפיזיקה לא ראתה בעין יפה חוקרים ש"השחיתו את זמנם" בהתעסקות עם האקסיומות הבסיסיות של תורת הקוונטים, ועמיתיו של קלאוזר באוני' קולומביה יעצו לו בחום לחפש נושא מחקר אחר, משהו שקשור לפיזיקה "אמיתית." למזלו של קלאוזר, זמן לא רב לאחר מכן הוא פגש בכנס כלשהו שלושה חוקרים נוספים שגם הם גילו עניין במאמרו של בל, ויחד הצליחו ארבעתם למצוא דרך עקרונית ליישם את הרעיון שהציג בל במסגרת ניסוי מעשי עם הטכנולוגיה הקיימת באותה התקופה. שנה לאחר מכן עבר ג'ון קלאוזר לאוני' ברקלי, שם הוא וסטודנט שלו - סטיוארט פרידמן (Freedman) - החלו לבנות את מתקן הניסוי. הגישה הפסימית כלפי מחקרו של קלאוזר הביאה לכך שהרבה תקציב בשביל הניסוי הזה הם לא קיבלו, וכך הפך קלאוזר ל"מומחה עולמי" - כפי שהגדיר את עצמו - בלמצוא ג'אנק שימושי בארונות אחסון ישנים במרתפי אוניברסיטת ברקלי.

בסופו של דבר הצליחו קלאוזר ופרידמן במשימתם. הם בנו מתקן שירה קרן של אטומי סידן דרך מנורה לוהטת: האור החזק עורר את האלקטרונים שבאטומי הסידן וגרם להם לפלוט שני פוטונים: מכיוון ששני הפוטונים האלה נוצרו באותו הזמן, הם גם היו שזורים זה בזה, על פי עקרונות תורת הקוונטים. התכונה המשותפת לשני הפוטונים האלה - המקבילה ל'כיווניות' של הנעליים הקוונטיות שלי - היא ה"קיטוב" שלהם, הכיוון אליו פונה השדה החשמלי שלהם. לצורך העניין שלנו, לא כל כך משנה מה זה בדיוק קיטוב - אלא רק העובדה שלשני הפוטונים השזורים חייבים להיות קיטובים הפוכים זה מזה, באותו האופן שבו נעליים תמיד מגיעות בזוג שכולל נעל שמאל ונעל ימין. קלאוזר ופרידמן תכננו את הניסוי כך שהפוטונים השזורים יעברו דרך חיישנים מיוחדים שמדדו את הקיטוב שלהם, ואספו את הסטטיסטיקה המתקבלת.

כמו ג'ון בל, גם קלאוזר היה בצד של איינשטיין: הוא היה בטוח שתוצאת החישוב שיקבל תהיה קטנה מ-2 - משמע, ישנו איזה שהוא משתנה חבוי בתוך הפוטונים. כל כך בטוח, למעשה, עד שהוא התערב עם מישהו שזו תהייה תוצאת הניסוי, התערבות על סך… שני דולר. תצחקו, תצחקו, אבל כנראה שבשביל פיזיקאים זה הרבה כסף. מה רבה הייתה תדהמתו כשהתוצאה שקיבל בפועל הייתה בברור גדולה מ-2! "הייתי עצוב מאוד לגלות שהניסוי שלי הוכיח שאיינשטיין טעה." אמר קלאוזר בראיון עיתונאי, שנים רבות לאחר מכן.

אבל במבט לאחור, שני הדולרים שהפסיד קלאזור בהתערבות היו אולי שני הדולרים הכי משמעותיים שמישהו אי פעם השקיע על ניסוי מדעי, מכיוון שהמסקנה שעלתה מהניסוי של קלאוזר הייתה לא פחות ממדהימה: שזירה קוונטית היא תופעה אמיתית, ובעולם הקוונטי חלקיקים שזורים אכן משפיעים מיידית אחד על מצבו של השני. במילים אחרות, עולמם של החלקיקים הקוונטיים הזערוריים לא רק נראה לנו זר ומשונה - הוא באמת שונה מהמציאות כפי שהיא מוכרת לנו בעולם ה'קלאסי', העולם של עצמים גדולים. חוקי הפיזיקה שם אחרים לגמרי, כולל בין היתר הפרה של עקרון המקומיות המקודש.

ואולי עובדה מדהימה לא פחות היא שהניסוי של קלאוזר לא ממש היכה גלים בעולם הפיזיקה. קלאוזר מספר איך מיהר למשרדו של ריצ'רד פיינמן, עוד פיזיקאי אגדי, לספר לו על תוצאות הניסוי שלו - ופיינמן פחות או יותר זרק אותו מהמשרד וגער בו על כך שהעז בכלל להטיל ספק בנכונותה של תורת הקוונטים. "עכשיו, לך תעשה פיזיקה אמיתית," הוא אמר לקלאוזר.

אחת הסיבות לכך שהניסוי פורץ הדרך של קלאוזר לא זכה לתהודה הרחבה לה היה ראוי, היא שההוכחה שסיפק לתופעת השזירה הקוונטית לא הייתה מושלמת. מבקריו של קלאוזר הצביעו על מספר כשלים טכניים בניסוי שהיו יכולים להטות את תוצאותיו, וגם על בעיה עמוקה ומהותית יותר. כזכור, קלאוזר ניסה להוכיח שהפוטונים בניסוי אינם מכילים משתנה חבוי כלשהו בתוכם - אבל מי אמר שהמשתנה החבוי הזה מסתתר דווקא בתוך הפוטונים עצמם? אולי, תהו חוקרים שביקרו את הניסוי שלו, המשתנה החבוי הזה מסתתר דווקא בקונפיגורציה הספציפית של החיישנים שבהם נעזר קלאוזר כדי למדוד את הקיטוב של הפוטונים שלו? אמנם הסיכוי לכך היה נמוך מאוד, אבל זו הייתה אפשרות שאי אפשר להתעלם ממנה - וכשמדובר בניסוי שיש לו השלכות כל כך דרמטיות על האופן שבו אנחנו תופסים את המציאות שסביבנו, זה חור (loophole) שחייבים לסגור. זאת ועוד, זמן מה לאחר שערך קלאוזר את הניסוי שלו, ניסתה קבוצת חוקרים אחרת לשחזר אותו - והתוצאות שלהם היו מנוגדות לתוצאות שקיבל קלאוזר.

בשורה התחתונה, כדי לשכנע את הקהילה המדעית ששזירה קוונטית היא תופעה אמיתית - מישהו היה צריך לחזור על הניסוי של קלאוזר, אבל הפעם עם סט-אפ מוצלח יותר ותוצאות מובהקות יותר.

המשימה הזו נפלה על כתפיו של אלֵא אספֶה (Aspect), פיזיקאי צרפתי שב-1975 נתקל אף הוא במאמרו של ג'ון בל - שאליו היה משודך, במקרה, גם תיאור הניסוי של ג'ון קלאוזר. כמו אצל קלאוזר, גם במקרה של אספה הייתה זו 'אהבה ממבט ראשון', כפי שהגדיר זאת: האפשרות לבצע ניסוי מעשי שיחשוף אמת פילוסופית עמוקה כל כך קסמה לו מאוד.

אספה ניצל את העובדה שצרפת ושוויץ הן מדינות שכנות, ונסע ל- CERN כדי להיפגש עם ג'ון בל ולהתייעץ איתו לגבי האופן שבו כדאי לערוך את הניסוי שוב. כשבל שמע מה מתכנן אספה לעשות, השאלה הראשונה ששאל אותו הייתה אם יש לו קביעות באוניברסיטה. 'קביעות? למה?' תהה הפיזיקאי הצרפתי. 'כי כולם יגידו עליך שאתה Crackpot', השיב בל. אספה הצרפתי לא הכיר את המילה הזו, ובל התנדב לבאר לו אותה - 'יחשבו שאתה מטורף. Crazy guy…'

אבל למזלו של אֵלא אספה הייתה לו קביעות באקדמיה, ולא פחות חשוב - הוא היה מומחה ברמה עולמית באופטיקה, עובדה שהעניקה לו גישה לציוד וטכניקות הרבה יותר מתקדמים מהג'אנק שעמד לרשותו של ג'ון קראוזר: מדידות שקראוזר עשה במשך שבוע, אספה היה מסוגל לעשות בתוך שניות. אספה גם מצא דרך לסגור את הפרצה בניסוי המקורי: הוא חיבר את החיישנים למכשיר אלקטרוני שגרם להם לשנות את הקונפיגורציה שלהם באופן אקראי לאחר שהפוטונים כבר נוצרו והיו בדרכם, כמו שוער שמזיז את השער אחרי שהשחקן כבר בעט את הכדור. אם ישנו משתנה חבוי שמשפיע על האינטראקציה בין הפוטונים והחיישנים - השינוי הפתאומי הזה אמור היה לגרום לניסוי להיכשל.

אבל הוא לא. לא רק שתוצאות הניסוי של אספה איששו את התוצאות המקוריות של קלאוזר - הן גם שיפרו אותן והפכו אותן למובהקות עוד יותר.

ועדיין, היו מי שהטילו ספק גם בתוצאות הניסוי הזה. טענות חריגות, גורסת הקלישאה, דורשות הוכחות חריגות - והטענה להפרה של עקרון המקומיות, אחד העקרונות הכי בסיסיים במדע, היא בהחלט טענה חריגה… בניסויים של קלאוזר ואספה המנגנון שמייצר את הפוטונים והחיישנים שמודדים אותם היו קרובים זה לזה, באותו החדר. אולי, טענו המבקרים, מנגנון הייצור והחיישנים קשורים זה בזה באופן כלשהו - למשל, באמצעות זרמים חשמליים חלשים שעוברים ביניהם, מי יודע - והקשר הסמוי הזה מטה את תוצאות הניסוי?

פרופ' אוסטרי בשם אנטון זיילינגר (Zeilinger) היה זה שהסיר גם את הספקות האלה, באמצעות סדרה של ניסויים שבהם הציב את הרכיבים השונים במרחקים הולכים וגדלים זה מזה. בהתחלה מאות מטרים, ואז עשרות קילומטרים - והשיא היה ב 2016, בניסוי שבו נעזר זיילינגר באור שנפלט מכוכבים במרחק של 600 שנות אור ויותר, כדי לקבוע את הקונפיגורציה של החיישנים: דהיינו, אור שיצא לדרכו לעברנו יותר משש מאות שנה לפני שזיילינגר הציב את הניסוי שלו.

שלושת הניסויים האלה סתמו את הגולל על הויכוח שהחלו איינשטיין ונילס בוהר לפני מאה שנה, והוכיחו מעל ומעבר לכל ספק סביר שבוהר צדק. בעולם הקוונטי, אין אמיתיות ואין מקומיות: לחלקיקים אין תכונות מוגדרות עד שלא מודדים אותן, וחלקיקים שזורים יכולים להשפיע אחד על השני באופן מיידי, ללא כל התחשבות במהירות האור. יותר מזה, ניסויים נוספים שנערכו מאז הוכיחו שחלקיקים יכולים להיות שזורים לא רק במרחב - אלא גם בזמן: זאת אומרת, הקשר המסתורי בין חלקיקים נשמר לא רק כשהחלקיקים נמצאים במקומות מרוחקים זה מזה, אלא גם כשהם נמדדים בזמנים שונים. כפי שניסח זאת אנטון זיילינגר: "עושה רושם שלתורת הקוונטים לא אכפת מזמן ומרחב." התובנה הזו הייתה לא פחות מרעידת אדמה בעולם הפיזיקה, וההוכחה שסיפקו לה קלאוזר, אספה וזיילינגר זיכתה אותם בפרס נובל לפיסיקה בשנת 2022. ג'ון בל, לרוע המזל, הלך לעולמו ב-1990, ומכיוון שפרס נובל מוענק אך ורק לאנשים חיים - הוא לא זכה להיכלל בין מקבלי הפרס.

ייתכן ואתם שואלים את עצמכם אם אולי השזירה הקוונטית פותחת פתח עבורנו לעקוף את המגבלה של איינשטיין, ולאפשר לנו ביום מן הימים לפתח חללית שתנוע במהירות גבוהה יותר ממהירות האור. למרבה הצער, התשובה היא לא: לא רק ששזירה קוונטית לא מאפשרת להעביר עצמים פיזיים ממקום למקום - היא אפילו לא מאפשרת לנו להעביר מידע במהירות גבוהה יותר ממהירות האור. מדוע?

ובכן, בואו ניזכר באנלוגיה שלנו. אני ושלי נמצאים במשרד בהרצליה, ופותחים את קופסת הנעליים כדי לגלות איזו נעל הבאתי איתי מהבית. נזכור שעד לרגע בו פתחנו את הקופסה, הנעל הקוונטית שבתוכה הייתה במצב מוזר שבו היא גם נעל שמאל וגם נעל ימין - קראנו למצב הזה 'סופרפוזיציה' - ורק ברגע שהצצנו פנימה, הנעל החליטה מה היא רוצה להיות: נאמר, נעל שמאל. באותו הרגע בדיוק גם הנעל שנשארה אצלי בבית, במרחק עשרות קילומטרים משם, החליטה שהיא נעל ימין - וזאת מכיוון שבכל זוג נעליים, יש תמיד נעל ימין וגם נעל שמאל. אז נכון, המדידה בהרצליה השפיעה על מצבה של הנעל בעתלית - אבל תוצאת המדידה הזו - וזה החלק החשוב - היא תמיד אקראית לחלוטין. כשאני ושלי מציצים לתוך הקופסא בהרצליה, הסבירות שהנעל בתוכה תהפוך להיות ימנית או שמאלית היא בדיוק חמישים אחוזים לכל אחת מהאפשרויות: אין שום דרך, גם בתיאוריה, לדעת מראש איזו כיווניות תקבל הנעל. ומכיוון שהבחירה הזו הייתה אקראית לחלוטין - גם מצבה של הנעל שנשארה בעתלית מוכרח להיות אקראי לחלוטין. במילים אחרות, אי אפשר להעביר מידע לא-אקראי בין חלקיקים שזורים, וזו הסיבה שאי אפשר להשתמש בשזירה כערוץ תקשורת מעשי: זה כאילו שיש לך מקלט רדיו, שכל מה שהוא יודע להשמיע זה רעש לבן סטטי.

אבל השזירה הקוונטית כן יכולה להיות שימושית - ושימושית מאוד, אפילו - להמון יישומים אחרים. בשלושים השנים האחרונות, כפועל יוצא של הניסיונות החוזרים להוכיח ששזירה קוונטית היא תופעה אמיתית, הלכו החוקרים וצברו יותר ויותר ניסיון בעבודה עם חלקיקים שזורים - והחלו לגלות דרכים ושיטות להשתמש בתופעה המשונה הזו באופן מעשי: דהיינו, להוציא את השזירה הקוונטית מתחומי המדע הטהור ולהפוך אותה לטכנולוגיה.

דוגמה לשימוש מעשי שכזה בשזירה קוונטית היא בתחום ההצפנה, במה שמכונה 'החלפה קוונטית של מפתחות הצפנה.'

'מפתח הצפנה', בהקשר של תקשורת מודרנית, הוא רצף ארוך של ספרות בינאריות אקראיות: משהו כמו 00101001… וכן הלאה. מבלי להיכנס לפרטים טכניים, אם לשני הצדדים יש את אותו המפתח, והמפתח באמת ובתמים אקראי (דהיינו, אי אפשר לחזות מראש את רצף הספרות) - אזי יש לנו הצפנה מושלמת ובלתי ניתנת לפיצוח.

האתגר כאן, אם כן, הוא כפול: אחד, עלינו ליצור רצף של ספרות בינאריות שיהיה אקראי לחלוטין - וזה, מסתבר, הרבה יותר קשה ממה שנדמה לכם. שניים, עלינו להעביר את מפתח ההצפנה הזה לשני הצדדים, בלי שאף אחד בדרך יהיה מסוגל לגלות מהו - וגם זה לא קל, מכיוון שבאופן עקרוני תמיד ישנה סכנה שמישהו מצוטט לנו לערוץ התקשורת ויגלה מהו מפתח ההצפנה.

שזירה קוונטית פותרת עבורנו את שני האתגרים האלה באבחה אחת. נאמר שיש לנו מכונה שמייצרת זוגות של פוטונים שזורים ושולחת אותם לשני הצדדים בערוץ התקשורת - פוטון אחד לכל צד. כל צד בערוץ, אם כן, מקבל רצף של פוטונים ומבצע עליהם מדידות. תוצאות המדידות האלה, בהתאם לאקסיומה הבסיסית של תורת הקוונטים, הן תמיד אקראיות לחלוטין ולא ניתן לחזות אותן מראש - מה שפותר לנו את בעיית האקראיות. בנוסף, מכיוון שמדידת פוטון בצד אחד של ערוץ התקשורת משפיעה באופן מיידי על הפוטון השזור שלו בצידו השני של הערוץ - אנחנו יכולים להיות בטוחים ששני הצדדים מחזיקים בידיהם את אותו הרצף של תוצאות המדידות, או במילים אחרות - את אותו הרצף של ספרות בינאריות.

ומה לגבי החשש מפני ציטוט? מה יקרה אם גורם נכלולי כלשהו אורב לפוטונים השזורים האלה לפני שהם מגיעים ליעדם ומבצע עליהם מדידות משלו? האם הוא לא יוכל לגלות באופן הזה את מפתח ההצפנה?

לא, הוא לא יוכל. היזכרו באנלוגיה של הנעליים: ברגע שאני ושלי פתחנו את קופסת הנעליים, הנעל שבתוכה "החליטה" באיזה כיוון היא רוצה להיות - ובתורה גרמה גם לנעל שנראה בבית לשנות את מצבה בהתאם. בניסוח אחר, פעולת המדידה גרמה לשזירה בין הנעליים לקרוס ולהיעלם - וזה גם מה שיקרה אם המצוטט שלנו יארוב לפוטונים השזורים וימדוד אותם לפני שיגיעו ליעדם. אבל בזכות ג'ון בל, יש לנו דרך פשוטה יחסית לוודא אם ישנה שזירה בין הפוטונים או לא: אפשר לקחת חלק מהפוטונים שנתקבלו אצל שני הצדדים, ולבצע עליהם את הניסוי של בל. אם תוצאת החישוב תהיה קטנה מ-2, משמע שהפוטונים לא היו שזורים בזמן המדידה - ומכאן שמישהו כבר מדד אותם, וכך ניתן לדעת בוודאות שמישהו ניסה לצוטט לנו. הקונספט הזה הוכח באופן מעשי בכמה וכמה ניסויים שנערכו בשנים האחרונות, כולל אפילו בערוצי תקשורת לווינית על פני אלפי קילומטרים.

יישום פוטנציאלי נוסף לשזירה קוונטית הוא ביצירת חיישנים מדוייקים ורגישים יותר בסדרי גודל מאשר אלה המוכרים לנו היום, כמו לדוגמה חיישנים המסוגלים להבחין בשינויים זעירים בכוח המשיכה בסביבתו של הר געש כתוצאה מעלייה של מגמה לוהטת מבטן האדמה אל פני השטח - וכך להתריע על התפרצות געשית מתקרבת. שזירה קוונטית היא קריטית על מנת לאפשר מחשוב הקוונטי ועשויה להיות שימושית לתקשורת נתונים. מרבית הרעיונות האלה נמצאים עדיין בחיתוליהם, אבל לכשיבשילו הם עשויים לאפשר לנו טכנולוגיות מהסוג שעד היום ראינו רק בסרטי מדע בדיוני.

אחרי שדיברנו על ההשלכות המעשיות של שזירה קוונטית, הגיע הזמן לחזור אל השאלה שעימה פתחתי את הפרק הזה: 'אז מה כל זה אומר?...'

כפי שראינו, במשך המון שנים מרבית הפיזיקאים נטו להתעלם מהשאלות הקשות שמעלה תורת הקוונטים לגבי המציאות שלנו. רבים האמינו שהמשוואות המתמטיות שבעזרתן אנחנו מתארים את העולם הקוונטי הן רק זה - תיאור מתמטי, ולא בהכרח שיקוף של המציאות כפי שהיא באמת. בניסוח אחר, העולם הקוונטי רק נראה מוזר כי אנחנו לא מבינים אותו - אבל ברגע שנבין אותו כמו שצריך, הכל יהיה ברור ונוכל להסביר את התופעות הקוונטיות המשונות בצורה שמתאימה לתפיסת העולם המקובלת שלנו.

ניסוייהם של קלאוזר, אספה וזיילינגר מכריחים אותנו להודות שזה לא המצב. שזירה קוונטית היא לא רק טריק מתמטי שמאפשר לנו לחשב את תצורת האלקטרונים סביב גרעין של אטום - אלא תופעה אמיתית וקיימת. חלקיקים שנמצאים במרחקים אדירים זה מזה באמת מסוגלים להשפיע אחד על השני באופן מיידי. תכונות של חלקיקים באמת לא קיימות עד שלא מודדים אותן.

והתובנות האלה משפיעות על תפיסות העולם הקיימות שלנו באופן העמוק ביותר האפשרי, ומערערות רבות מהנחות היסוד של הפיזיקאים לגבי המציאות. למשל, אנחנו רגילים לחשוב על תכונות של מערכות פיזיקליות כנובעות מתוך אוסף התכונות של החלקים מהן הן עשויות: לדוגמא, התכונות של מנוע מכונית נקבעות לפי מספר הצילינדרים שלו, סוג הדלק שאנחנו מזריקים לתוכו, כמה מהיר המחשב ששולט עליו וכדומה. אבל השזירה הקוונטית מלמדת אותנו את ההפך: שבמקרים מסוימים, התכונות של החלקים נקבעות על ידי תכונותיו של השלם. ראינו את זה באנלוגיה של הנעליים הקוונטיות, שבה עד לרגע שבו פתחנו את הקופסא והצצנו פנימה לכל אחת מהנעליים אין כיווניות מוגדרת בפני עצמה, אלא יש להן רק תכונה משותפת כמערכת והיא שבזוג נעליים תמיד תהיינה נעל ימין ונעל שמאל.

השזירה הקוונטית גם משנה את האופן שבו אנחנו חושבים על היקום שלנו. דמיינו נמלה שנמצאת בתוך חדר סגור, ומבחינתה החדר הסגור הזה הוא כל היקום, ואין שום דבר מחוצה לו. כעת מישהו לוחץ על כפתור בצד אחד של החדר, ולפתע נדלקת מנורה בצידו השני. נס! הנמלה מגדרת במחושים שלה: הרי למיטב ידיעתה של הנמלה, הכפתור והמנורה לא מחוברים ביניהם בשום צורה - אז איך ידעה המנורה להידלק ברגע שלחצנו על הכפתור?

אם זו נמלה חכמה, היא עשויה לשער שאולי יש כבל חשמל שמחבר בין הכפתור ובין המנורה - אבל מכיוון שהיא לא רואה את הכבל הזה בחדר, היא חייבת להסיק שהכבל הזה עובר מחוץ לחדר, אולי בתוך הקירות. אבל המסקנה הזו מנוגדת בתכלית לתפיסת העולם הקודמת שלה לפיה החדר שבו היא נמצאת הוא הוא כל היקום: אין משהו מחוץ לחדר… אפשרות נוספת היא שהכפתור והמנורה כן מחוברים ביניהם, אבל בקשר מיוחד ובלתי נראה. באנלוגיה של הנעליים היינו אומרים שלמרות שנדמה לנו ששתי הנעליים נפרדות זו מזו - בפועל יש איזשהו 'מסטיק בלתי נראה' שמחבר אותן והופך אותן למין יצור מונוליטי בשם "הנעליים של רן." כשאנחנו מרחיקים את הנעליים זו מזו המסטיק הזה נמתח ונמתח - אבל לעולם לא נקרע, ולא משנה כמה רחוקות יהיו הנעליים.

באותו האופן, העובדה ששני חלקיקים קוונטים מסוגלים להיות מסונכרנים ביניהם באופן מיידי, ללא התחשבות במגבלות של זמן ומרחב, מרמזת לנו שאולי יש משהו מעבר לזמן ולמרחב, משהו שהוא "מעבר" ליקום שלנו באופן כלשהו - או שאולי ישנו חיבור בלתי נראה בין חלקיקים שנראים לנו לא קשורים.

מה יכול להיות אותו "מעבר" מסתורי או חיבור בלתי נראה? לאף אחד אין מושג. אבל כעת, כשאנחנו מבינים שהמציאות שלנו שונה מאוד מכפי שחשבנו שהיא, אנחנו יכולים להתחיל לשאול את השאלות הנכונות - ואולי, יום אחד, לגלות את התשובות.