TED2011
Aaron O'Connell: Making sense of a visible quantum object
ארון או'קונל: ההיגיון מאחורי גוף קוונטי הנראה לעין
Filmed:
Readability: 3.2
1,482,555 views
פיזיקאים התרגלו לרעיון שחלקיקים תת-אטומיים מתנהגים על-פי חוקים מוזרים של מכניקה קוונטית, בשונה לגמרי מעצמים בסדר גודל אנושי. בניסוי פורץ דרך, ארון או'קונל טישטש הבחנה זו בכך שיצר עצם הנראה לעין בלתי-מזויינת, אבל הנמצא באופן מוכח בשני מקומות בו-זמנית. בהרצאה זו, הוא מציע דרך מעוררת-עניין ומסקרנת לחשוב על הנושא.
Aaron O'Connell - Physicist
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio
Aaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds. Full bio
Double-click the English transcript below to play the video.
00:15
This is a representation of your brain,
0
0
3000
זוהי תצוגת המוח שלנו.
00:18
and your brain can be broken into two parts.
1
3000
3000
ניתן לחלק את מוחנו לשני חלקים.
00:21
There's the left half, which is the logical side,
2
6000
2000
שם זה החצי השמאלי, שהוא הצד של ההיגיון,
00:23
and then the right half,
3
8000
2000
וכאן זה החצי הימני,
00:25
which is the intuitive.
4
10000
2000
שהוא הצד האינטואיטיבי.
00:27
And so if we had a scale to measure the aptitude of each hemisphere,
5
12000
3000
אם היה לנו סרגל כדי למדוד את היכולות של כל חצי,
00:30
then we can plot our brain.
6
15000
2000
היינו יכולים להציב את מוחנו על גרף.
00:32
And for example, this would be somebody who's completely logical.
7
17000
3000
לדוגמא, זה היה מישהו שהוא כולו היגיון.
00:35
This would be someone who's entirely intuitive.
8
20000
3000
וזה היה מישהו שהוא כולו אינטואיציה.
00:39
So where would you put your brain on this scale?
9
24000
3000
היכן כל אחד היה שם את מוחו על גרף זה?
00:42
Some of us may have opted for one of these extremes,
10
27000
3000
חלקנו היו מעדיפים אולי את אחד הקצוות הללו.
00:45
but I think for most people in the audience,
11
30000
2000
אבל אני חושב שאצל רוב האנשים בקהל זה,
00:47
your brain is something like this --
12
32000
2000
המוח הוא משהו כזה --
00:49
with a high aptitude in both hemispheres at the same time.
13
34000
3000
בעל יכולות גבוהות של שני החצאים בו-זמנית.
00:52
It's not like they're mutually exclusive or anything.
14
37000
2000
זה לא שהם מבטלים אחד את השני.
00:54
You can be logical and intuitive.
15
39000
2000
ניתן להיות גם הגיוני וגם אינטואיטיבי.
00:56
And so I consider myself one of these people,
16
41000
3000
וכך,אני מחשיב את עצמי כאחד מאנשים כאלה.
00:59
along with most of the other experimental quantum physicists,
17
44000
3000
ביחד עם רוב הפיזיקאים הניסיוניים בתורת הקוונטים,
01:02
who need a good deal of logic
18
47000
2000
אנו זקוקים להרבה מאוד היגיון
01:04
to string together these complex ideas.
19
49000
2000
כדי לחבר ביחד רעיונות מורכבים אלה.
01:06
But at the same time, we need a good deal of intuition
20
51000
3000
אבל באותו זמן, אנו גם זקוקים להרבה מאוד אינטואיציה
01:09
to actually make the experiments work.
21
54000
2000
כדי לגרום לניסויים לעבוד.
01:11
How do we develop this intuition? Well we like to play with stuff.
22
56000
3000
כיצד אנו מפתחים אינטואיציה זו? ובכן, אנו אוהבים לשחק עם דברים.
01:14
So we go out and play with it, and then we see how it acts,
23
59000
3000
אנו משחקים עם זה ורואים כיצד זה עובד.
01:17
and then we develop our intuition from there.
24
62000
3000
ומזה אנו מפתחים את האינטואיציה שלנו.
01:20
And really you do the same thing.
25
65000
2000
גם אתם עושים ממש אותו הדבר.
01:22
So some intuition
26
67000
2000
כך שחלק מהאינטואיציה
01:24
that you may have developed over the years
27
69000
2000
שאולי פיתחתם במשך השנים
01:26
is that one thing is only in one place at a time.
28
71000
4000
היא שדבר מסויים נמצא אך ורק במקום אחד ברגע מסויים.
01:30
I mean, it can sound weird to think about
29
75000
3000
כלומר, זה עשוי להיות מוזר לחשוב על כך
01:33
one thing being in two different places at the same time,
30
78000
4000
שדבר מסויים נמצא בשני מקומות שונים בו-זמנית,
01:37
but you weren't born with this notion, you developed it.
31
82000
3000
אבל לא נולדנו עם הרעיון הזה, אלא פיתחנו אותו.
01:40
And I remember watching a kid playing on a car stop.
32
85000
3000
אני זוכר שראיתי ילד משחק על חוסם מכוניות.
01:43
He was just a toddler and he wasn't very good at it, and he kept falling over.
33
88000
3000
הוא היה פעוט והוא נפל הרבה.
01:46
But I bet playing with this car stop taught him a really valuable lesson,
34
91000
3000
אבל אני בטוח שהמשחק הזה לימד אותו שיעור בעל ערך,
01:49
and that's that large things don't let you get right past them,
35
94000
4000
והוא שדברים גדולים לא נותנים לך לעבור דרכם,
01:53
and that they stay in one place.
36
98000
3000
ושהם נשארים במקום אחד.
01:56
And so this is a great conceptual model to have of the world,
37
101000
3000
וזהו מודל תפיסתי חשוב על העולם,
01:59
unless you're a particle physicist.
38
104000
2000
אלא אם אתה פיזיקאי חלקיקים.
02:01
It'd be a terrible model for a particle physicist,
39
106000
2000
כי אז זה יהיה מודל איום בשביל פיזיקאי חלקיקים,
02:03
because they don't play with car stops,
40
108000
2000
מאחר והם לא משחקים עם חוסמי מכוניות,
02:05
they play with these little weird particles.
41
110000
3000
אלא עם חלקיקים זעירים ומוזרים.
02:08
And when they play with their particles,
42
113000
2000
וכאשר הם משחקים עם החלקיקים שלהם,
02:10
they find they do all sorts of really weird things --
43
115000
2000
הם מוצאים אותם עושים כל מיני דברים באמת מוזרים --
02:12
like they can fly right through walls,
44
117000
3000
לדוגמא, הם יכולים לעבור דרך קירות,
02:15
or they can be in two different places at the same time.
45
120000
4000
או, הם יכולים להיות בשני מקומות שונים בו-זמנית.
02:19
And so they wrote down all these observations,
46
124000
3000
הם רשמו את כל התצפיות הללו,
02:22
and they called it the theory of quantum mechanics.
47
127000
4000
והם כינו אותן מכניקה קוונטית.
02:26
And so that's where physics was at a few years ago;
48
131000
3000
וזה המצב שהפיזיקה היתה בו עד לפני כמה שנים;
02:29
you needed quantum mechanics
49
134000
2000
היינו זקוקים למכניקה קוונטית
02:31
to describe little, tiny particles.
50
136000
2000
כדי לתאר חלקיקים זעירים.
02:33
But you didn't need it
51
138000
2000
אבל לא היה בה צורך
02:35
to describe the large, everyday objects around us.
52
140000
4000
כדי לתאר עצמים גדולים ויומיומיים סביבנו.
02:39
This didn't really sit well with my intuition,
53
144000
3000
זה לא הסתדר לי עם האינטואיציה שלי,
02:42
and maybe it's just because I don't play with particles very often.
54
147000
3000
ואולי זה רק כי אני לא משחק עם חלקיקים לעיתים קרובות.
02:45
Well, I play with them sometimes,
55
150000
2000
טוב, אני משחק איתם לפעמים,
02:47
but not very often.
56
152000
2000
אבל לא לעיתים קרובות.
02:49
And I've never seen them.
57
154000
2000
ואף פעם לא ראיתי אותם.
02:51
I mean, nobody's ever seen a particle.
58
156000
3000
כלומר, אף אחד לא ראה אי-פעם חלקיק.
02:54
But it didn't sit well with my logical side either.
59
159000
3000
אבל זה גם לא הסתדר לי עם ההיגיון.
02:57
Because if everything is made up of little particles
60
162000
3000
מכיוון שאם הכל בנוי מחלקיקים קטנים
03:00
and all the little particles
61
165000
2000
וכל החלקיקים הקטנים
03:02
follow quantum mechanics,
62
167000
2000
מצייתים למכניקה קוונטית,
03:04
then shouldn't everything just follow quantum mechanics?
63
169000
3000
אז האם לא כל דבר צריך לציית למכניקה קוונטית?
03:09
I don't see any reason why it shouldn't.
64
174000
3000
איני רואה סיבה מדוע לא.
03:12
And so I'd feel a lot better about the whole thing
65
177000
2000
לכן הייתי מרגיש הרבה יותר טוב בכל הנושא הזה
03:14
if we could somehow show
66
179000
2000
אם היינו יכולים להראות איכשהו
03:16
that an everyday object
67
181000
2000
שגם עצם רגיל
03:18
also follows quantum mechanics.
68
183000
2000
מציית למכניקה קוונטית.
03:20
So a few years ago, I set off to do just that.
69
185000
3000
לכן לפני מספר שנים התחלתי לפעול בעניין
03:23
So I made one.
70
188000
3000
ויצרתי אחד כזה.
03:26
This is the first object
71
191000
2000
זהו העצם הראשון
03:28
that you can see
72
193000
2000
שאתם מסוגלים לראות
03:30
that has been in a mechanical quantum superposition.
73
195000
3000
שהיה תחת סופרפוזיציה (ריבוי מיקומים) קוונטית.
03:33
So what we're looking at here
74
198000
2000
מה שרואים כאן
03:35
is a tiny computer chip.
75
200000
2000
הוא שבב מחשב קטנטן.
03:37
And you can sort of see this green dot right in the middle.
76
202000
3000
וניתן לראות בערך את הנקודה הירוקה ממש במרכז.
03:40
And that's this piece of metal I'm going to be talking about in a minute.
77
205000
3000
וזוהי חתיכת המתכת שאני עומד לדבר עליה עוד מעט.
03:43
This is a photograph of the object.
78
208000
2000
זהו צילום של הדבר.
03:45
And here I'll zoom in a little bit. We're looking right there in the center.
79
210000
3000
ואני אתקרב קצת. אנו צופים ממש ישר במרכז.
03:48
And then here's a really, really big close-up of the little piece of metal.
80
213000
3000
והנה תקריב ממש, ממש גדול של פיסת המתכת הקטנה.
03:51
So what we're looking at is a little chunk of metal,
81
216000
2000
מה שאנו צופים בו היא חתיכת מתכת קטנה,
03:53
and it's shaped like a diving board, and it's sticking out over a ledge.
82
218000
3000
וצורתה כשל מקפצת בריכה והיא בולטת החוצה על-פני האדן.
03:56
And so I made this thing
83
221000
2000
יצרתי דבר זה
03:58
in nearly the same way as you make a computer chip.
84
223000
2000
כמעט באותה דרך שבה יוצרים שבב מחשב.
04:00
I went into a clean room with a fresh silicon wafer,
85
225000
3000
נכנסתי לחדר נקי עם שבב סיליקון טרי,
04:03
and then I just cranked away at all the big machines for about 100 hours.
86
228000
3000
ואז פשוט התעסקתי עם כל המכונות הגדולות במשך כ-100 שעות.
04:06
For the last stuff, I had to build my own machine --
87
231000
2000
בשלב האחרון, היה עליי לבנות מכונה משלי --
04:08
to make this swimming pool-shaped hole
88
233000
3000
כדי לייצר את הקדח בצורת בריכת-שחיה
04:11
underneath the device.
89
236000
2000
תחת ההתקן.
04:13
This device has the ability
90
238000
2000
להתקן זה יש היכולת
04:15
to be in a quantum superposition,
91
240000
2000
להיות בריבוי-מיקומים קוונטי,
04:17
but it needs a little help to do it.
92
242000
2000
אבל הוא זקוק למעט עזרה כדי לעשות זאת.
04:19
Here, let me give you an analogy.
93
244000
2000
ברשותכם אעשה לכם אנלוגיה.
04:21
You know how uncomfortable it is to be in a crowded elevator?
94
246000
3000
יודעים עד כמה זה לא נוח להיות במעלית דחוסה באנשים?
04:24
I mean, when I'm in an elevator all alone, I do all sorts of weird things,
95
249000
3000
כלומר, כאשר אני לבד במעלית, אני עושה כל מיני דברים מוזרים,
04:27
but then other people get on board
96
252000
2000
אבל אז נכנסים אנשים אחרים
04:29
and I stop doing those things
97
254000
2000
ואני מפסיק לעשות את אותם הדברים,
04:31
because I don't want to bother them,
98
256000
2000
כי אני לא רוצה להטרידם,
04:33
or, frankly, scare them.
99
258000
3000
או, יותר נכון, להפחידם.
04:36
So quantum mechanics says
100
261000
2000
אז מכניקה קוונטית אומרת
04:38
that inanimate objects feel the same way.
101
263000
3000
שעצמים דוממים מרגישים אותו הדבר.
04:41
The fellow passengers for inanimate objects
102
266000
2000
הנוסעים האחרים בשביל עצמים דוממים
04:43
are not just people,
103
268000
2000
הם לא רק האנשים,
04:45
but it's also the light shining on it
104
270000
2000
אלא גם האור שמאיר עליהם
04:47
and the wind blowing past it and the heat of the room.
105
272000
3000
והרוח הנושבת עליהם וחום החדר.
04:50
And so we knew, if we wanted to see
106
275000
2000
לכן ידענו שאם רוצים לראות
04:52
this piece of metal behave quantum mechanically,
107
277000
3000
את פיסת המתכת הזו מתנהגת לפי מכניקה קוונטית,
04:55
we're going to have to kick out all the other passengers.
108
280000
2000
עלינו לסלק החוצה את כל הנוסעים האחרים.
04:57
And so that's what we did.
109
282000
2000
ולכן זה מה שעשיתי.
04:59
We turned off the lights,
110
284000
2000
כיבינו את האורות,
05:01
and then we put it in a vacuum and sucked out all the air,
111
286000
2000
ואז שמנו אותה בתא-ואקום ושאבנו את כל האויר,
05:03
and then we cooled it down
112
288000
2000
ואחר-כך קיררנו אותה
05:05
to just a fraction of a degree above absolute zero.
113
290000
2000
עד פחות ממעלה אחת מעל לאפס המוחלט.
05:07
Now, all alone in the elevator,
114
292000
2000
עכשיו, כל כולה לבדה במעלית,
05:09
the little chunk of metal is free to act however it wanted.
115
294000
2000
פיסת המתכת הקטנה היתה חופשיה להתנהג איך שהיא רוצה.
05:11
And so we measured its motion.
116
296000
2000
וכך מדדנו את תנועתה.
05:13
We found it was moving in really weird ways.
117
298000
2000
מצאנו שהיא נעה באופן מאוד מוזר.
05:15
Instead of just sitting perfectly still, it was vibrating,
118
300000
3000
במקום פשוט להיות במנוחה, היא רטטה.
05:18
and the way it was vibrating was breathing something like this --
119
303000
3000
והאופן בו רטטה היה לנשום ככה --
05:21
like expanding and contracting bellows.
120
306000
2000
כאילו מפוח שמתפשט ומתכווץ.
05:23
And by giving it a gentle nudge,
121
308000
2000
ובכך שנתננו לה טפיחה קלה,
05:25
we were able to make it both vibrate
122
310000
2000
היינו מסוגלים לגרום גם לרטוט
05:27
and not vibrate
123
312000
2000
וגם לא לרטוט
05:29
at the same time --
124
314000
2000
בו-זמנית --
05:31
something that's only allowed with quantum mechanics.
125
316000
3000
משהו שיכול להתרחש רק במכניקה קוונטית.
05:34
So what I'm telling you here is something truly fantastic.
126
319000
3000
מה שאני מספר לכם כאן זה באמת משהו פנטסטי.
05:37
What does it mean for one thing
127
322000
2000
מה המשמעות של גם לרטוט
05:39
to be both vibrating and not vibrating
128
324000
2000
וגם לא לרטוט
05:41
at the same time?
129
326000
2000
בו-זמנית?
05:43
So let's think about the atoms.
130
328000
2000
הבה נחשוב על האטומים.
05:45
So in one case:
131
330000
2000
במצב אחד:
05:47
all the trillions of atoms that make up that chunk of metal
132
332000
3000
כל טריליוני האטומים היוצרים את פיסת המתכת
05:50
are sitting still
133
335000
2000
יושבים בשקט
05:52
and at the same time those same atoms
134
337000
2000
ובאותו הזמן אותם האטומים
05:54
are moving up and down.
135
339000
2000
נעים מעלה מטה.
05:56
Now it's only at precise times when they align.
136
341000
3000
רק בזמנים מאוד מסויימים הם מסודרים ביחד.
05:59
The rest of the time they're delocalized.
137
344000
2000
בשאר הזמן, הם מוסטים ממקומם.
06:01
That means that every atom
138
346000
2000
זה אומר שכל אטום
06:03
is in two different places at the same time,
139
348000
2000
נמצא בשני מקומות שונים בו-זמנית,
06:05
which in turn means the entire chunk of metal
140
350000
3000
שזה אומר שכל פיסת המתכת
06:08
is in two different places.
141
353000
2000
נמצאת בשני מקומות שונים.
06:10
I think this is really cool.
142
355000
2000
אני חושב שזה ממש מדליק.
06:12
(Laughter)
143
357000
2000
(צחוק)
06:14
Really.
144
359000
2000
באמת.
06:16
(Applause)
145
361000
3000
(מחיאות כפיים)
06:19
It was worth locking myself in a clean room to do this for all those years
146
364000
5000
זה היה שווה להינעל בחדר נקי לכל השנים האלו כדי לבצע זאת.
06:24
because, check this out,
147
369000
2000
כי, תראו את זה,
06:26
the difference in scale
148
371000
2000
ההבדל במימדים
06:28
between a single atom and that chunk of metal
149
373000
2000
בין אטום בודד ואותה פיסת מתכת
06:30
is about the same as the difference
150
375000
2000
הוא בערך זהה להבדל
06:32
between that chunk of metal and you.
151
377000
2000
בין אותה פיסה ואנחנו.
06:34
So if a single atom can be in two different places at the same time,
152
379000
3000
לכן אם אטום בודד יכול להיות בשני מקומות שונים בו-זמנית,
06:37
that chunk of metal can be in two different places,
153
382000
3000
ואותה פיסת מתכת יכולה להיות בשני מקומות שונים,
06:40
then why not you?
154
385000
2000
אז מדוע לא אנחנו?
06:42
I mean, this is just my logical side talking.
155
387000
3000
כלומר, זהו רק הצד של ההיגיון שלי שמדבר.
06:46
So imagine if you're in multiple places at the same time,
156
391000
4000
לכן דמיינו שאנחנו נמצאים במקומות רבים בו-זמנית,
06:50
what would that be like?
157
395000
3000
איך נרגיש אז?
06:53
How would your consciousness
158
398000
2000
כיצד התודעה שלנו
06:55
handle your body being delocalized in space?
159
400000
4000
תתיחס לגופנו שאינו נמצא במקום מוגדר בחלל?
06:59
There's one more part to the story.
160
404000
2000
ויש צד נוסף לסיפור.
07:01
It's when we warmed it up,
161
406000
2000
כאשר חיממנו אותה,
07:03
and we turned on the lights and looked inside the box,
162
408000
3000
והדלקנו את האורות והסתכלנו פנימה,
07:06
we saw that the piece metal was still there in one piece.
163
411000
4000
ראינו שפיסת המתכת עדיין נשארה שלמה.
07:10
And so I had to develop this new intuition,
164
415000
3000
ולכן היה עליי לפתח אינטואיציה חדשה,
07:13
that it seems like all the objects in the elevator
165
418000
3000
והיא שנראה כאילו כל העצמים במעלית
07:16
are really just quantum objects
166
421000
2000
הם באמת עצמים קוונטיים
07:18
just crammed into a tiny space.
167
423000
2000
הדחוסים בחלל קטנטן.
07:20
You hear a lot of talk
168
425000
2000
שומעים הרבה על כך
07:22
about how quantum mechanics says that everything is all interconnected.
169
427000
3000
שלפי מכניקה קוונטית הכל מקושר ביחד.
07:25
Well, that's not quite right.
170
430000
2000
ובכן, זה לא לגמרי נכון;
07:27
It's more than that; it's deeper.
171
432000
3000
זה יותר מזה, זה יותר עמוק.
07:30
It's that those connections,
172
435000
2000
זה כל אותם הקשרים,
07:32
your connections to all the things around you,
173
437000
3000
הקשרים שלנו עם כל הדברים מסביבנו,
07:35
literally define who you are,
174
440000
3000
פשוטו כמשמעו, מגדירים מי אנחנו.
07:38
and that's the profound weirdness of quantum mechanics.
175
443000
3000
וזו המוזרות התהומית של מכניקה קוונטית.
07:41
Thank you.
176
446000
2000
תודה לכם.
07:43
(Applause)
177
448000
2000
(מחיאות כפיים)
ABOUT THE SPEAKER
Aaron O'Connell - PhysicistAaron O'Connell is the first person to experimentally induce and measure quantum effects in the motion of a humanmade object, bridging the quantum and classical worlds.
Why you should listen
Growing up reading philosophy, playing guitar, and generally not thinking about science, Aaron O’Connell never expected to revolutionize the world of physics. But an inspiring stuffed-monkey-shot-from-a-cannon demonstration and a series of positive research experiences as an undergraduate propelled him to graduate school at UCSB.
While there, in an experiment remarkable both for its conceptual simplicity and technical difficulty, O’Connell was the first person to measure quantum effects in an object large enough to see with the naked eye. Named Breakthrough of the year by Science Magazine, the experiment shattered the previous record for the largest quantum object, showing decisively that there is no hard line between the quantum and everyday worlds.
Aaron O'Connell | Speaker | TED.com