מכניקת הקוונטים

מכניקת הקוונטים (באנגלית: Quantum mechanics), או בשמות אחרים: פיזיקה קוונטית, תורת הקוונטים, מֵכָנִיקָה קְוַנְטִית או QM, היא תורה פיזיקלית המתארת את התנהגות הטבע בקני מידה קטנים ביותר, עם השלכות על תחומי הפיזיקה בכל הסקאלות. התורה מספקת תיאור כמותי ויכולת ניבוי של שלל תופעות שלא ניתנות להסבר במסגרת המכניקה הקלאסית (זו שקדמה למכניקת הקוונטים) והאלקטרודינמיקה הקלאסית. את מרבית התאוריות הקלאסיות ניתן לקבל כגבול של מכניקת הקוונטים, ממש כשם שהמכניקה הניוטונית מתקבלת כגבול של תורת היחסות הכללית. התאוריות המודרניות הללו, שהפכו את פני הפיזיקה בתחילת המאה ה-20, מכילות את שקדם להן כמקרה קצה ומרחיבות לתיאור נכון יותר של הטבע.
על אף ניסיונות רבים (כמו תורת המיתרים ותורת כבידה קוונטית), טרם נמצאה חד-משמעית תורה המאחדת את תורת הקוונטים עם תורת היחסות הכללית.
במכניקת הקוונטים, תכונות פיזיקליות מדידות מסוימות, כמו רמות האנרגיה באטום מימן, מקבלות ערכים בדידים (דיסקרטיים, "מקוונטטים") ולא רציפים. תופעה זו נקראת קווינטוט, או קוונטיזציה, והמרווחים הקטנים ביותר בין הערכים הבדידים נקראים קוונטות (קוונט - מלטינית: כמות). גודל של קוונט טיפוסי משתנה ממערכת למערכת.
תחת תנאים ניסיוניים מסוימים עצמים מיקרוסקופיים כמו אטומים או אלקטרונים מגלים התנהגות גלית, כמו התאבכות. תחת תנאים אחרים, אותם עצמים מגלים תכונות של חלקיק (עצם שניתן לומר בוודאות באיזה תחום מרחבי הוא נמצא), למשל פיזור. תופעה זו נקראת דואליות גל-חלקיק. על פי מכניקת הקוונטים, דואליות זו קיימת בעצמים מכל סדר גודל. עבור עצמים מאקרוסקופיים אורכי הגל כה קצרים עד כי לא ניתן להבחין בתכונות הגליות כלל.
מכניקת הקוונטים היא תורה הסתברותית. כלומר, בניגוד למכניקה הקלאסית, במקרה הכללי מכניקת הקוונטים אינה יכולה לחזות איזו תוצאה תתקבל בניסוי, אלא רק את ההסתברות לקבל אותה. מבדיקות שנעשו על צבר של ניסויים זהים, התפלגות התוצאות שהתקבלה התאימה בדיוק רב לחיזוי שסיפקה מכניקת הקוונטים.
יישומים של התאוריה הקוונטית כוללים לייזרים, שבבים מוליכים למחצה, מוליכי על, מחשוב קוונטי, מכשור רפואי (כמו MRI), מכשירי תקשורת ועוד. חלק גדול מהטכנולוגיה שבה משתמשים כיום מבוסס על מכניקה קוונטית.

אינדטרמיניזם

מכניקת הקוונטים לא מאפשרת לחזות תוצאות של מדידה במדויק, אלא רק באופן הסתברותי. מכיוון שכך, לא ניתן לאשש או להפריך חיזוי של מכניקת הקוונטים בניסוי אחד, אלא רק בסדרה של ניסויים חוזרים, וניתוח סטטיסטי של התוצאות.
לדוגמה, נחזור שוב לדוגמת החלקיק הלכוד בתוך קופסה. פונקציית הגל של חלקיק במצב זה תכיל את כל המידע הידוע אודותיו, ובפרט היכן בתוך הקופסה הוא נמצא, אך מידע זה הסתברותי בלבד. היא לא תגדיר נקודה ספציפית שבה החלקיק נמצא, אבל נוכל לגזור ממנה את ההסתברות למצוא את החלקיק בכל נקודה ונקודה במרחב. גזירת ההסתברות נעשית על ידי העלאת פונקציית הגל בריבוע, דבר הידוע כפירוש בורן לפונקציית הגל.
נניח שלפי פונקציית הגל ההסתברות למצוא את החלקיק בחציה השמאלי של הקופסה היא 90% (כדי לקבל נתון זה עלינו להעלות את הפונקציה בריבוע, ולבצע אינטגרציה שלה על המרחב הכלול בחצי זה של הקופסה, פעולה הדומה לסכימה). כמו כן נניח שברשותנו מכשיר גילוי המסוגל לבדוק האם החלקיק נמצא בחציה הימני של הקופסה, או בשמאלי, כלומר כשנפעיל את המכשיר נקבל כפלט "ימין" או "שמאל". על פי מכניקת הקוונטים, בניסוי בודד אין כל דרך לדעת מראש מה תהיה התוצאה, כי היא תבחר באופן אקראי, ולכן גם לא נוכל להסיק ממנה דבר. אך בסדרה ארוכה של ניסויים, למשל אם נחזור על הניסוי מיליון פעם, אז לפי חוק המספרים הגדולים, מספר הפעמים שנקבל כפלט "שמאל" צפוי להיות קרוב מאוד ל-90%, כפי שחישבנו מתוך פונקציית הגל. זוהי תחזית שניתן לאשש או להפריך, ולכן זהו חיזוי בעל משמעות מדעית.
בזמן שאנחנו מפעילים את מכשיר המדידה פונקציית הגל עוברת תהליך הקרוי קריסת פונקציית הגל, שבו היא משתנה בבת אחת. אם מכשיר המדידה החזיר לנו תשובה "שמאל", כלומר אכן החלקיק התגלה בחצי השמאלי, אז פונקציית הגל תשתנה כדי לשקף את המידע החדש הזה, וכעת היא תגדיר שהחלקיק נמצא בוודאות בחצייה השמאלי של הקופסה. ההסתברות למוצאו כעת בחצי הימני תצנח לאפס. וגם להפך: אם מכשיר המדידה החזיר "ימין", אז פונקציית הגל תקרוס כך שכעת ההסתברות למצוא את החלקיק בחצי השמאלי תצנח לאפס.
לכן כדי לבצע סדרה של ניסויים על מנת לאשש חיזוי של מכניקת הקוונטים, כפי שתואר לעיל, צריך להתחיל כל ניסוי בתהליך של הכנה שבו אנחנו מביאים את פונקציית הגל לערך ההתחלתי הרצוי שלה.
מצב בו לחלקיק אין לתכונה מסוימת ערך אחד מוגדר, אלא התפלגות הסתברותית מעל אוסף ערכים אפשריים, קרוי סופרפוזיציה קוונטית. סופרפוזיציה יכולה להיות עבור תכונת המיקום במרחב, או לכל תכונה פיזיקלית אחרת. במחשב קוונטי למשל, יחידת המידע הבסיסית במחשב כזה היא קיוביט, ביט קוונטי היכול לקבל ערך של 0, 1, או להיות בסופרפוזיציה של קומבינציה כלשהי של שניהם.

חוסר לוקליות

על פי הפרדוקס של איינשטיין-פודולסקי-רוזן, ניתן לתאר במכניקת הקוונטים מצב שבו שני חלקיקים עוברים הכנה כלשהי יחדיו, ולאחר מכן אפשר להפריד ביניהם למרחק שרירותי, ובכל זאת הם יישארו קשורים זה לזה באופן כלשהו. הקשר ביניהם מתבטא בכך שתוצאת מדידה המתבצעת על אחד מהם, תשליך על תוצאת המדידה שתתבצע לאחר מכן על השני, דבר הסותר לכאורה את עקרון המקומיות.
באחד מהניסוחים השונים של הפרדוקס, החלקיקים עוברים הכנה כזו שהספין שלהם ביחס לציר נתון נמצא במצב לא ידוע, אך בהכרח מנוגד זה לזה. כלומר על פי פונקציית הגל שלהם הספין שלהם הוא או כלפי מעלה או כלפי מטה, בהסתברויות שוות, וידוע רק שאם לאחד ספין כלפי מעלה אז לשני ספין כלפי מטה, ולהפך. לאחר מכן מפרידים ביניהם למרחק גדול מאוד, ומודדים את הספין של האחד ביחס לציר הנתון. אם התקבלה תוצאה 'למעלה', אז מתחייב מכך שמדידת החלקיק השני תניב תוצאה 'למטה', ולהפך.
על פי פרשנות קופנהגן, הספין של שני החלקיקים לא היה מוגדר כלל עד ביצוע המדידה הראשונה. אם המדידה של החלקיק הראשון הניבה תוצאה 'למעלה', הרי שבאותו רגע הספין שלו הפך למוגדר, ומופנה כלפי מעלה. המידע הזה לכאורה שודר בזמן אפס למרחק רב לעבר החלקיק השני, כך שהוא 'ידע' להתאים את עצמו ולהגדיר לעצמו את הספין בכיוון ההפוך.
איינשטיין ועמיתיו התכוונו בפרדוקס זה להפריך את פרשנות קופנהגן, מכיוון ששידור מידע מהר יותר ממהירות האור סותר את תורת היחסות הפרטית. הם הציעו פרשנות אלטרנטיבית: הספין של החלקיקים בעצם כבר נקבע מראש, והעובדה שפונקציית הגל שלהם לא כללה מידע זה היא הוכחה שמכניקת הקוונטים עצמה אינה שלמה. הפרשנות הזו היא דוגמה לתאוריות משתנים חבויים, לפיהן העצמים מכילים מידע נוסף, שאינו מתואר על ידי פונקציית הגל שלהם.
לבסוף הופרכה הפרשנות של איינשטיין על ידי תוצאה הידועה כמשפט בל. המשפט הפריך את הפרשנות של איינשטיין כמו גם חלק מתאוריות המשתנים החבויים האחרות. התופעה של קשר בין חלקיקים מרוחקים כונתה לאחר מכן שזירה קוונטית, והוכח שעל אף שהיא קיימת, אין אפשרות להשתמש בה על מנת לשדר מידע מהר יותר ממהירות האור, ולכן אין בה סתירה מהותית לתורת היחסות הפרטית, כפי שחשבו איינשטיין ועמיתיו בתחילה.

קנה מידה ועקרון ההתאמה

מכניקת הקוונטים פותחה על מנת להתמודד עם תופעות הקשורות בעצמים בקנה מידה קטן, אטומים וחלקיקים תת-אטומיים. עם זאת, היא מקיימת את עקרון ההתאמה של בוהר, לפיו אם מציבים בנוסחאות של מכניקת הקוונטים גדלים המתארים עצמים בקנה מידה אנושי רגיל, כגון כדור טניס או מכונית, אזי מקבלים תוצאות זהות בקירוב לאלה של הפיזיקה הקלאסית.
לדוגמה, לפי עקרון האי-ודאות מכפלת האי-וודאויות של מיקום ותנע אינה יכולה להיות נמוכה מ-

כאשר h הוא קבוע פלאנק השווה בערך ל-

ביחידות של ג'ול לשנייה. זהו גודל משמעותי רק עבור קנה מידה אטומי או תת-אטומי, ולכן עקרון האי-ודאות לא מורגש בקנה המידה של הפיזיקה הקלאסית.

פוסטולט ראשון: מרחב המצבים

מערכת פיזיקלית מאופיינת על ידי מרחב הילברט שמהווה את מרחב המצבים שלה. כל אבר במרחב זה מגדיר באופן מלא מצב אפשרי אחד של המערכת.
נסביר פוסטולט זה בתחילה עם דוגמה מהפיזיקה הקלאסית. נניח יש חלקיק בודד בקופסה. ניתן לאפיין את מצבו של החלקיק בפיזיקה קלאסית בעזרת וקטור מיקום p, ווקטור מהירות v. הזוג (p,v) לכן הוא תיאור מלא של מצב אפשרי אחד של המערכת (נניח לשם פשטות שאין תכונות נוספות מלבד מיקום ומהירות שמשפיעות על המערכת). למשל זוג הווקטורים ((0,0,0),(0,0,0)) מתאר מצב בו החלקיק נמצא בראשית הצירים ומהירותו אפס. מרחב המצבים של המערכת הוא קבוצת כל הזוגות (p,v) האפשריים.
במכניקת הקוונטים מצב של המערכת, המכונה גם מצב קוונטי, מיוצג על ידי וקטור בעל ממד גבוה, בדרך כלל אינסופי, או פונקציית גל (שגם בה אפשר לראות וקטור בעל ממד אינסופי). הפוסטולט לא מגדיר באיזה אופן המצב הקוונטי מתאר תכונות מדידות כגון מיקום ומהירות, והדבר יוגדר בפוסטלט השלישי. בסימון דיראק אבר במרחב המצבים מסומן  ומכונה "קֵט" (ket).
הפוסטולט מציין שמרחב המצבים אינו קבוצה סתם אלא מרחב הילברט, וזוהי אמירה משמעותית. למרחב הילברט תכונות מתמטיות מסוימות, ולכן הפוסטולט אומר למעשה שתכונות אלה יתקיימו בכל מערכת פיזיקלית. תכונה אחת כזו למשל היא סגירות לפעולות חיבור וכפל בסקלר. לכן אם  ו-  הם מצבים במרחב, אז בהכרח מצב אפשרי של המערכת הוא כל צירוף ליניארי שלהם, , כאשר a ו-b הם מספרים מרוכבים כלשהם. כפי שנראה בהמשך, הפוסטולט השלישי ייתן לכך משמעות של סופרפוזיציה. תכונה נוספת של מרחב הילברט היא קיומה של פעולה הקרויה מכפלה פנימית בין שני איברים, ומסומנת: . תוצאת המכפלה הזו היא מספר מרוכב (משמע סקלר). הפוסטולטים הבאים יעשו שימוש בתכונות אלה.

פוסטולט שני: התפתחות בזמן

ההתפתחות בזמן של מצב קוונטי מוגדרת על ידי משוואת שרדינגר, , כאשר H הוא ההמילטוניאן המייצג את האנרגיה של המערכת.
במכניקה הקלאסית, אם ידוע מצב המערכת בזמן נתון, ניתן לחשב את מצבה בכל זמן בעתיד על ידי חוקי התנועה של ניוטון.
במכניקת הקוונטים האופן שבו משתנה המערכת מוגדר על ידי משוואת שרדינגר. אם מצב המערכת בזמן 0 הוא מצב ידוע , ניתן בעזרת המשוואה לחשב את מצב המערכת  בכל זמן t בעתיד. משוואת שרדינגר היא דטרמיניסטית, ולכן חישוב זה הוא ודאי ומדויק. זאת בתנאי שלא מתרחשת בפרק הזמן זה מדידה, שעשויה לשנות את המצב באופן לא דטרמיניסטי, כפי שמוגדר בפוסטולט הבא.

פוסטולט שלישי: מדידה

לכל גודל מדיד קיים אופרטור הרמיטי , ואוסף תוצאות המדידה האפשריות הן אוסף הערכים העצמיים של האופרטור, . אם התקבלה במדידה התוצאה  אז לאחר המדידה המערכת תעבור למצב העצמי המתאים . אם מצב המערכת הנוכחי הוא מצב כלשהו , אז ההסתברות לקבל תוצאה  היא , כלומר ריבוע המכפלה הפנימית בין המצב הנוכחי למצב העצמי המתאים ל-.
פוסטולט זה מגדיר מהי מדידה בעזרת כלים מתמטיים מופשטים, וכמה מקביעותיו הן המוזרות והשנויות במחלוקת ביותר במכניקת הקוונטים.
אופרטור הוא אובייקט מתמטי המתאר פעולה, במקרה שלנו פעולה על המצב הקוונטי של המערכת. הפעלה של אופרטור על המצב הקוונטי גורמת לשינוי למצב קוונטי אחר. לדוגמה האופרטור  משנה את המצב על ידי הכפלתו ב-x. למשל, אם המצב של המערכת מתואר על ידי פונקציית הגל  אז לאחר הפעלת האופרטור פונקציית הגל תשתנה ל-. האופרטור  משנה את המצב על ידי גזירת פונקציית הגל והכפלתה בקבועים . אם נפעיל אותו על אותה פונקציית גל מהדוגמה הקודמת, נקבל: .
לאופרטורים ייתכנו מצבים מיוחדים הקרויים מצבים עצמיים. שכאופרטור יופעל על אחד המצבים העצמיים שלו, השינוי היחיד שיחול בהם הוא הכפלה בקבוע. נסתכל לדוגמה על פונקציית הגל: . אם נפעיל עליה את האופרטור  נקבל:
.
מכאן ש-  היא פונקציית גל המתארת מצב עצמי של . כשמפעילים עליה את האופרטור היא מוכפלת ב-2. הקבוע 2 שבו היא מוכפלת קרוי ערך עצמי.
לפי הפוסטולט, כל גודל מדיד מיוצג על ידי אופרטור הרמיטי כלשהו. למשל, תנע מיוצג על ידי האופרטור  שתואר לעיל. מכאן שלפי הפוסטולט, כשנפעיל מכשיר למדידת תנע, תוצאת המדידה תהיה אחד הערכים העצמיים של האופרטור (למשל, 2), ולאחר המדידה מצב המערכת יהיה המצב העצמי המתאים (כלומר אם קיבלנו 2, מצב המערכת כעת מתואר על ידי פונקציית הגל  שהגדרנו לעיל).
תכונת ההרמיטיות של אופרטור מבטיחה שהערכים העצמיים שלו יהיו תמיד מספרים ממשיים. כך שאף על פי שמכניקת הקוונטים עושה שימוש נרחב במספרים מדומים, היא תמיד תנבא לתוצאות המדידה מספרים ממשיים.
נסתכל כעת על אופרטור כלשהו, , ועל שני מצבים עצמיים שלו  ו-. על פי הפוסטולט הראשון, ניתן להרכיב מצב שהוא סופרפוזיציה של שניהם: . מהפוסטולט השלישי נובע כי אם נפעיל את המדידה אותה  מייצג כאשר המערכת נמצאת במצב , אזי הסופרפוזיציה הזו תקרוס לאחד משני המצבים העצמיים, בהסתברות 
לראשון, ו- לשני, ותוצאת המדידה תהיה הערך העצמי המתאים.
תכונה מתמטית נוספת של אופרטור הרמיטי מבטיחה שאוסף המצבים העצמיים שלו מהווים בסיס למרחב כולו. פירוש הדבר, שעל ידי חיבור המצבים העצמיים עם מקדמים שונים (צירוף ליניארי) ניתן להגיע לכל מצב במרחב המצבים. מכאן שבכל רגע נתון ניתן לראות את מצב המערכת כסופרפוזיציה של המצבים העצמיים של כל אחד מהאופרטורים המייצגים גדלים מדידים.