אנטמן והפיזיקה של הבלתי-אפשרי

"אנטמן והצרעה" הוא סרט חמוד ומשעשע, גם אם לא פעם הדיוק המדעי בו מתכופף בפני החופש האמנותי. למרות זאת, באופן מפתיע מעט, עדיין אפשר ללמוד ממנו פה ושם פיזיקה, ובמיוחד על החוקים המשונים של תורת הקוונטים. הוא מצליח לעשות את זה בזכות ההפרדה הברורה שהוא עושה בין דברים קטנים סתם לאלה שקטנים באמת.

כשאנחנו מסתכלים על העולם הסובב אותנו אנחנו מבינים באופן אינטואיטיבי שיש קשר סיבתי בין פעולה לתוצאה, וכך יכולים לחזות את מה שיתרחש או לכוון אותו. לדוגמה, אם מישהו זורק לעברנו כדור (פעולה), אנחנו יודעים לנבא לאן הכדור יגיע (תוצאה) ולתפוס אותו. באופן דומה, כששחקן כדורסל זורק כדור לטבעת, הוא יודע בדיוק באיזה כוח ובאיזה כיוון לזרוק את הכדור כדי לקלוע. למעשה, אפשר לבנות מכונה שתקלע תמיד את הכדור לסל: אם היא תפעיל על הכדור את הכוח הנכון בכיוון הנכון, וכל עוד התנאים יישארו זהים, היא לא תחטיא לעולם.

במילים יותר מדעיות נאמר שתנאי ההתחלה של הכדור (המהירות והכיוון שלו ברגע הזריקה, יחד עם תנאי הסביבה) מאפשרים לנו לדעת בדיוק לאן הוא יגיע. התפיסה הזאת של העולם, שבה אם יודעים את תנאי ההתחלה אז אפשר לנבא את התוצאה הסופית, נקראת דטרמיניזם - כלומר שהעבר קובע את העתיד באופן מוחלט, ובהתאם לגישה הזו נוסחו חוקי הפיזיקה הקלאסית, מימי ניוטון עד תחילת המאה ה-20.

הפיזיקה של הדברים הקטנים

כל זה נכון עבור הדברים שאותם אנחנו יכולים לראות ולהרגיש ישירות בחושינו. אבל מה קורה כשמסתכלים על דברים הרבה יותר קטנים?

הדבר המדעי הראשון שאפשר ללמוד מ"אנטמן והצרעה" הוא שבקנה המידה הקטן מאוד, כללי המציאות משתנים. כל עוד אנטמן פועל בקנה מידה שאנחנו מסוגלים עדיין לראות ולתפוס – למשל מתכווץ לגודל של נמלה – כללי המציאות המוכרים לנו ממשיכים להתקיים. גם בגודל הזה עדיין אפשר לנבא (אינטואיטיבית) היכן יפגע סכין שנזרק אליו במהירות וכיוון מסוימים, וכך להתחמק ממנו. אולם כשהוא מתכווץ עוד יותר, לגודל של החלקיקים הבסיסיים ביותר, הסרט ממחיש בצורה ויזואלית מאוד ונכונה ביסודה שחוקי העולם משתנים מהותית.

ראשית עלינו להבין מה הכוונה ב"קטנים". אבני הבניין של החומר נקראות אטומים, שגודלם אינו עולה על עשירית מיליארדית המטר. זהו גודל קטן פי מיליון ממה שהעין האנושית מסוגלת לראות. הדבר המופלא הוא שכשבוחנים אטומים בודדים או קבוצות קטנות של אטומים שמחוברים זה לזה (מולקולות), ובוודאי כשמסתכלים על חלקיקים עוד יותר קטנים, כל ההבנה שלנו על העולם משתנה. החוקים שפועלים על חלקיקים קטנים כאלה שונים מאוד מאלה שחלים על העולם המוכר לנו. מערכת החוקים שמתארים את העצמים הקטנים נקראת תורת הקוונטים.

מהם חוקי הפיזיקה של העולם הקטן? מתברר לדוגמה שבניגוד לכדורסל, גם אם אנחנו יודעים את תנאי ההתחלה של אטום מסוים עדיין לא נוכל לדעת בוודאות לאן הוא יגיע בעתיד. במקום זה ידוע לנו רק שיש הסתברות מסוימת שהוא יגיע למקום אחד והסתברות אחרת שהוא יגיע למקום אחר.

זהו הבדל משמעותי ועמוק בין הפיזיקה הקוונטית לפיזיקה הקלאסית. תורת הקוונטים מתארת בדיוק איך לחשב את ההסתברות שהאטום יגיע לכל נקודה, אבל לא יכולה לקבוע מה יקרה בפועל. למעשה, המצב עוד יותר מוזר. לא רק שאיננו יודעים בוודאות לאן יגיע האטום: כל עוד לא מדדנו אותו - כלומר לא בדקנו לאן הוא הלך, הוא נמצא בכל המקומות בבת אחת. נשמע מוזר, נכון? ובכל זאת עד כה נעשו המון ניסויים שבודקים את הניבויים של תורת הקוונטים ובכולם היא יצאה מדויקת להפליא.

תורת הקוונטים מתארת ההסתברויות, אבל לא יכולה לקבוע מה יקרה בפועל | Science Photo Library

כמו כפפה לאנטמן

תופעה קוונטית שנייה שיוצרי הסרט הצליחו פחות או יותר לקלוע בה למטרה היא החיבור שיצרו בין אנטמן לאִמה של "הצרעה", שנתקעה גם היא במציאות הקוונטית. הקשר הזה נבנה כך שברגע שקרה לה משהו, גם אצל אנטמן משהו השתנה. זוהי הדגמה אמנותית של מושג בשם "שזירה קוונטית", שהוכח והודגם בניסויים רבים שעסקו בחלקיקים הקטנים שעליהם חלה תורת הקוונטים.

"שזירה קוונטית" היא מצב שבו שני עצמים קטנים, למשל אטומים, נקשרים זה לזה בצורה שבה אם אנחנו יודעים את המצב של אטום אחד, נדע מיד גם את המצב של האטום האחר. אפשר אולי להקביל את זה לזוג כפפות: אם נחלק את הכפפות בין שני אנשים, מי שקיבל את הכפפה השמאלית יוכל במבט אחד להבין שהלבוש שקיבל חברו הוא כפפה ימנית.

גם בעולם הקוונטים יכולים להיות שני עצמים מקושרים כך שידע על האחד אומר מיד משהו על האחר. זה אולי נשמע מובן מאליו עד שנזכרים שלחלקיק קוונטי אין תכונות מוגדרות עד שמודדים אותו. כיוון שכך, מדידה של חלקיק שזור אחד יכולה להשפיע מיד על חלקיק אחר, גם אם הוא רחוק מאוד ממנו, בלי שעבר ביניהם שום מידע ובלי שיהיה להם זמן להעביר מידע כזה.

התוצאה הזאת, שקיומה אושש בניסויים רבים, נראית אבסורדית עד כדי כך שבמאמר מפורסם של אלברט איינשטיין, בוריס פודולסקי ונתן רוזן משנת 1935, טענו הכותבים שצריך לעדכן את תורת הקוונטים כך שלא תאפשר תופעות כאלה! בפועל, מה שהתעדכן בסופו של דבר לא היה התיאוריה, אלא האופן שבו אנחנו מבינים את המציאות.

אחת השאלות המרתקות בפיזיקה, שעדיין איננו יודעים לגמרי לענות עליה, היא מתי ואיך מתרחש המעבר מהעולם של פיזיקת הקוונטים לעולם המוכר לנו. נכון שפיזיקת הקוונטים מתארת רק עצמים קטנים מאוד, אבל הרי כל עצם גדול מורכב מאטומים וממולקולות. איך זה שכשמחברים מספיק מהם ביחד, העולם מתחיל לפעול לפי כללי סיבה ותוצאה "הגיוניים" יותר? לדוגמה, איך זה שכדורסל, שמורכב מטריליוני אטומים שעל כל אחד חלה תורת הקוונטים, מתנהג בצורה שהפיזיקה הקלאסית יודעת לתאר?

התשובה היא כנראה שהמציאות ה"גדולה" היא התגובה הממוצעת של כל התופעות הקוונטיות הזעירות. נראה שצריך להיות אנטמן כדי להתמודד עם החוקים המשונים של הדברים הקטנים באמת.