What can Schrödinger's cat teach us about quantum mechanics? - Josh Samani

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Tal Dekkers

Consider throwing a ball straight into the air.

חשבו שאתם זורקים כדור ישר לאויר.

Can you predict the motion of the ball after it leaves your hand?

האם אתם יכולים לצפות את התנועה של הכדור אחרי שהוא עוזב את היד שלכם?

Sure, that's easy.

ברור, זה קל.

The ball will move upward until it gets to some highest point,

הכדור ינוע למעלה עד שיגיע לנקודה הגבוהה ביותר,

then it will come back down and land in your hand again.

אז הוא ירד חזרה למטה וינחת שוב ביד שלכם.

Of course, that's what happens,

כמובן, זה מה שקורה,

and you know this because you have witnessed events like this countless times.

ואתם יודעים את זה מפני שהייתם עדים לארועים כאלה אין ספור פעמים.

You've been observing the physics of everyday phenomena your entire life.

צפיתם בפיזיקה של תופעות יום יומיות כל חייכם.

But suppose we explore a question about the physics of atoms,

אבל נניח שנחקור שאלה על הפיזיקה של אטומים,

like what does the motion of an electron

כמו איך התנועה של אלקטרון

around the nucleus of a hydrogen atom look like?

סביב גלעין של אטום מימן נראית?

Could we answer that question based on our experience with everyday physics?

האם נוכל לענות על השאלה הזו בהתבסס על ניסיון עם פיזיקה יום יומית?

Definietly not. Why?

בהחלט לא. למה?

Because the physics that governs the behavior of systems at such small scales

מפני שהפיזיקה ששולטת בהתנהגות של מערכות בקנה מידה כזה קטן

is much different than the physics of the macroscopic objects

שונה מאוד מהפיזיקה של אובייקטים מאקרוסקופיים

you see around you all the time.

שאתם רואים סביבכם כל זמן.

The everyday world you know and love

העולם היום יומי שאתם מכירים ואוהבים

behaves according to the laws of classical mechanics.

מתנהג לפי חוקים של מכאניקה קלאסית.

But systems on the scale of atoms

אבל מערכות בקנה מידה של אטומים

behave according to the laws of quantum mechanics.

מתנהגות לפי חוקים של מכאניקה קוואנטית.

This quantum world turns out to be a very strange place.

מסתבר שהעולם הקוואנטי הזה הוא מקום מאוד מוזר.

An illustration of quantum strangeness is given by a famous thought experiment:

אילוסטרציה של המוזרות הקוואנטית ניתנת בניסוי מחשבתי ידוע:

Schrödinger's cat.

החתול של שרודינגר.

A physicist, who doesn't particularly like cats, puts a cat in a box,

פיזיקאי, שלא ממש אוהב חתולים, שם חתול בקופסה,

along with a bomb that has a 50% chance of blowing up after the lid is closed.

יחד עם פצצה שיש לה 50% סיכוי להתפוצץ אחרי שהמכסה נסגר.

Until we reopen the lid, there is no way of knowing

עד שאנחנו פותחים את המכסה, אין דרך לדעת

whether the bomb exploded or not,

אם הפצצה התפוצצה או לא,

and thus, no way of knowing if the cat is alive or dead.

ולכן, אין דרך לדעת אם החתול חי או מת.

In quantum physics, we could say that before our observation

בפיזיקה קוואנטית, נוכל להגיד שלפני התצפית שלנו

the cat was in a superposition state.

החתול היה במצב של סופרפוזיציה.

It was neither alive nor dead but rather in a mixture of both possibilities,

הוא לא היה חי או מת אלא ערוב של שתי האפשרויות,

with a 50% chance for each.

עם 50% סיכוי לכל אחת.

The same sort of thing happens to physical systems at quantum scales,

אותו סוג של התרחשות קורה למערכות פיזיקליות בקנה מידה קוואנטי,

like an electron orbiting in a hydrogen atom.

כמו אלקטרון שמקיף אטום מימן.

The electron isn't really orbiting at all.

האלקטרון לא באמת מקיף בכלל.

It's sort of everywhere in space, all at once,

הוא סוג של בכל מקום בחלל, באותו רגע,

with more of a probability of being at some places than others,

עם הסתברות גבוהה יותר להיות במקומות מסויימים מאחרים,

and it's only after we measure its position

וזה רק אחרי שמדדנו את המיקום שלו

that we can pinpoint where it is at that moment.

שאנחנו יכולים להצביע על מיקומו באותו הרגע.

A lot like how we didn't know whether the cat was alive or dead

מאוד דומה לאיך שלא ידענו אם החתול חי או מת

until we opened the box.

עד שפתחנו את הקופסה.

This brings us to the strange and beautiful phenomenon

זה מביא אותנו לתופעה המוזרה והיפה

of quantum entanglement.

של סיבוכיות קוואנטית.

Suppose that instead of one cat in a box, we have two cats in two different boxes.

נניח שבמקום חתול אחד בקופסה, יש לנו שני חתולים בשתי קופסאות שונות.

If we repeat the Schrödinger's cat experiment with this pair of cats,

אם נחזור על ניסוי החתול של שרודינגר עם זוג החתולים הזה,

the outcome of the experiment can be one of four possibilities.

התוצאה של הניסוי יכולה להיות אחת מארבע אפשרויות.

Either both cats will be alive, or both will be dead,

או ששני החתולים חיים, או ששניהם מתים,

or one will be alive and the other dead, or vice versa.

או שאחד יהיה חי והשני מת, או ההפך.

The system of both cats is again in a superposition state,

המערכת של שני החתולים שוב במצב של סופרפוזיציה,

with each outcome having a 25% chance rather than 50%.

עם כל תוצאה בהסתברות של 25% במקום 50%.

But here's the cool thing:

אבל הנה הדבר המגניב:

quantum mechanics tells us it's possible to erase

המכאניקה הקוואנטית אומרת לנו שאפשר למחוק

the both cats alive and both cats dead outcomes from the superposition state.

את התוצאות של שני החתולים החיים ושני החתולים המתים מהסופרפוזיציה.

In other words, there can be a two cat system,

במילים אחרות, יכולה להיות מערכת של שני חתולים,

such that the outcome will always be one cat alive and the other cat dead.

כך שהתוצאה תמיד תהיה חתול אחד חי וחתול אחד מת.

The technical term for this is that the states of the cats are entangled.

המונח הטכני לזה הוא שמצב החתולים סבוך.

But there's something truly mindblowing about quantum entanglement.

אבל יש משהו ממש מדהים בנוגע לסיבוכיות קוואנטית.

If you prepare the system of two cats in boxes in this entangled state,

אם אתם מכינים את המערכת של שני החתולים בקופסאות במצב הסבוך,

then move the boxes to opposite ends of the universe,

ואז מזיזים את הקופסאות לקצוות שונים של היקום,

the outcome of the experiment will still always be the same.

התוצאה של הניסוי תמיד תהיה זהה.

One cat will always come out alive, and the other cat will always end up dead,

חתול אחד תמיד יצא חי, והאחר תמיד ימות,

even though which particular cat lives or dies is completely undetermined

למרות שמי חי ומי מת לחלוטין לא קבוע

before we measure the outcome.

לפני שנמדוד את התוצאה.

How is this possible?

איך זה אפשרי?

How is it that the states of cats on opposite sides of the universe

איך זה שהמצב של חתולים בצדדים שונים של היקום

can be entangled in this way?

יכול להיות קשור בדרך זו?

They're too far away to communicate with each other in time,

הם רחוקים מדי לתקשר אחד עם השני בזמן,

so how do the two bombs always conspire such that

אז איך שתי הפצצות תמיד קושרות

one blows up and the other doesn't?

שאחת מתפוצצת ואחת לא?

You might be thinking,

אתם אולי חושבים,

"This is just some theoretical mumbo jumbo.

"זה רק קישקוש תאורתי.

This sort of thing can't happen in the real world."

כזה דבר לא יכול לקרות בעולם האמיתי."

But it turns out that quantum entanglement

אבל מסתבר שסיבוכיות קוואנטית

has been confirmed in real world lab experiments.

אושרה בעולם האמיתי בניסויי מעבדה.

Two subatomic particles entangled in a superposition state,

שני חלקיקים תת אטומיים סבוכים במצב סופרפוזיציה,

where if one spins one way then the other must spin the other way,

שם אם אחד מסתובב לכיוון אחד אז השני חייב להסתובב לכיוון אחר,

will do just that, even when there's no way

יעשו בדיוק את זה, אפילו שאין דרך

for information to pass from one particle to the other

למידע לעבור מחלקיק אחד לאחר

indicating which way to spin to obey the rules of entanglement.

שיצביע לאיזה כיוון להסתובב כדי לציית לחוקי הסיבוכיות.

It's not surprising then that entanglement is at the core

זה לא מפתיע שסיבוכיות היא הבסיס

of quantum information science,

של מדע המידע הקוואנטי,

a growing field studying how to use the laws of the strange quantum world

תחום מחקר מתפתח של איך להשתמש בחוקים של העולם הקוואנטי המוזר

in our macroscopic world,

בעולם המאקרוסקופי שלנו,

like in quantum cryptography, so spies can send secure messages to each other,

כמו בקריפטוגרפיה קוואנטית,כדי שמרגלים יוכלו לשלוח הודעות מוצפנות אחד לשני,

or quantum computing, for cracking secret codes.

או מחשוב קוואנטי, לפיצוח קודים סודיים.

Everyday physics may start to look a bit more like the strange quantum world.

פיזיקה יום יומית אולי מתחילה להראות מעט יותר כמו העולם הקוואנטי המוזר.

Quantum teleportation may even progress so far,

טלפורטציה קוואנטית אולי אפילו תתפתח כל כך,

that one day your cat will escape to a safer galaxy,

שיום אחד החתול שלכם יברח לגלקסיה בטוחה יותר,

where there are no physicists and no boxes.

שם אין פיזיקאים וקופסאות.