מידי שבוע נעמיק ברעיון פיזיקאלי המוכר בספרות הפופולארית ונגשר בין מה שמוצג בתקשורת לבין מה שהמדע באמת קובע. הפעם נפתח בדואליות גל-חלקיק, מושג חמקמק שלעיתים מעלה יותר שאלות מתשובות, אך למען האמת כבר מזמן לא מדאיג את המדענים.
עד תחילת המאה ה-20, פיזיקאים האמינו שעולם בנוי מחלקיקים. מבחינתם, חלקיקים הם גופים אלמנטריים שלא ניתנים לחלוקה ומהווים את אבני הבניין של החומר ביקום. כדי שאותם חלקיקים ינועו במרחב הם חייבים להיטען אנרגטית. החלקיקים יכולים להגדיל את המאגר האנרגטי שלהם דרך משיכה כבידתית, קרני אור, או ישירות משדות חשמליים ומגנטיים. משיכה כבידתית או חשמלית נובעת מכוח יסודי בטבע אבל לגבי האור? באותן שנים, הקהילה המדעית הכירה באור כאובייקט גלי. פיזיקאים הגדירו את הגל כתופעה המסיעה אנרגיה בתווך פיזי ולכן האור בהכרח מסיע אנרגיה במרחב. לא צריכים להיות פיזיקאים כדי להכיר בעובדה שהאור מסיע אנרגיה, חום השמש מספיק כדי להבין זאת. לאורך השנים ההגדרה הגלית התרחבה בעיקר לאחר שפיזיקאים הפנימו שהאור לא זקוק לתווך כדי לנוע - האור למעשה נוצר כגל בשדה החשמלי והמגנטי, כלומר הוא בסך הכול ביטוי שונה לכוח האלקטרומגנטי. יחד עם זאת העובדה שהאור מתנהג כגל מעניקה לו יכולות מיוחדות – הוא יכול להתפזר, להישבר, להתאבך והמוזר מכולם, הוא יכול לעבור דרך קירות.
חלקיק או גל?
התפיסה הגלית של האור התערערה במאה העשרים בזכות כמה תגליות, הראשונה מבניהן פורסמה בשנת 1905 על ידי אלברט איינשטיין במאמר שהסביר את האפקט הפוטואלקטרי. הרעיון הגאוני שעמד מאחוריו הוא דווקא דיי מיושן. להבדיל מהתפיסה המקובלת במאה ה-20, ניוטון האמין שהאור מורכב מזרם חלקיקים. איינשטיין הלביש על האפקט הפוטואלקטרי את הרעיון השנוי במחלוקת ופרסם מאמר שזיכה אותו בפרס נובל. באפקט זה, אור יכול לקרוע אלקטרונים מפיסה מתכתית ולעורר זרם שניתן למדידה. המפתיע הוא שבניגוד לתפיסה הגלית, עוצמת הזרם מושפעת מתדר האור. תצפית זו עומדת בניגוד לרעיון הקלאסי שהאנרגיה פרופורציונלית אך ורק לבהיקות האור. באפקט הפוטואלקטרי אלקטרונים מתחילים להשתחרר רק מעל תדר קריטי. מעל תדר זה, ככל שהאור "כחול יותר" האלקטרונים החופשיים יותר אנרגטיים והזרם החשמלי גדל (במקביל יותר אלקטרונים משתחררים בהסתברות גבוהה יותר). משום שהזרם גדל באופן משמעותי עם שינוי התדר, איינשטיין הבין שמבנה האור שגוי והחלק החסר בפאזל הוא בתהליך המיקרוסקופי המתחולל בין האור לאלקטרון. כדי שהאלקטרון ישתחרר מהמתכת הוא זקוק לאנרגיה הגדולה מהכוח שקושר אותו לחומר. אם האור הוא גל, זה רק עניין של זמן עד שהאלקטרון ישתחרר. אם האור בנוי מחלקיקים, האלקטרון, בהסתברות הגדולה ביותר, יבלע מנה אחת של אנרגיה בכל פעם שהוא בא במגע עם חלקיקי האור (או במשם המקובל - פוטונים. כמה מנות אפשריות אבל בסבירות מאוד מאוד נמוכה). אם מנת האנרגיה לא מספיקה לשחרור, האור יתפזר במקום להיבלע. ההסבר לכך שצבע האור משפיע על הזרם החשמלי הוא משום שצבעים כחולים יותר (כלומר לכיוון הכחול בספקטרום) אנרגתיים יותר - מנת האנרגיה של הפוטון פרופורציונלית לתדר אותו הוא נושא. ככל שהאור כחול יותר הוא מגדיל את הזרם כי האנרגיה שנבלעת על ידי האלקטרון גדולה יותר. במקביל, עוצמת ההארה משחררת יותר פוטונים ומגדילה את כמות האלקטרונים שמתנתקים מהמתכת (בהנחה שהאנרגיה גדולה מספיק לשחרר את האלקטרון). שני התהליכים מגדילים את הזרם אבל תדר הסף נובע מהתכונה החלקיקית של האור והחומר. אם אתם מרגישים מבולבלים מהנטייה לחשוב לפעמים על האור כחלקיק ולפעמים כגל אתם לא לבד. זו התמצית של דואליות הגל-חלקיק. אם רק הקשר לאנרגיה מפריע לכם, המושג "תדר" לא משנה ממש, העיקר שישנה דרך לסווג אנרגטית את האור.
החומר מקבל תכונות גליות
התצפית השנייה הגיע בעקבות הפיזיקאי דה ברולי שהרחיב את עיקרון הדואליות לחלקיקי החומר וייחס להם תכונות גליות. אם האנרגיה של חלקיק האור תלויה בתדר הקלאסי, אולי האנרגיה של חלקיקי החומר מכתיבה תדר אופייני, או אורך גל מסוים? עיקרון דה ברולי מגדיר לפיזיקאים את הגבול האנרגטי שממנו החומר מתנהג כגל, או במילים אחרות מתי תורת הקוונטים חייבת להילקח בחשבון. היא אף מסבירה מדוע גופים גדולים לא מתנהגים כגלים. ככל שגופים מאסיביים יותר, אורך הגל קטן יותר. למשל, אורך הגל האופייני של אדם ממוצע הוא פחות או יותר שקול לעשר בחזקת מינוס שלושים וארבע מטר, כלומר מאה מיליארדית המיליארדית המיליארדית של מיליארדית המטר, קטן לאין שיעור. כדי שתופעות גליות יתגלו בטבע, אורך הגל האופייני צריך להיות פחות או יותר בסדר גודל של המערכת הפיזיקאלית. אם הוא קטן יותר, תכונות גליות לא משנות ואפשר להתייחס לגוף כאל אובייקט מרחבי. עיקרון דה ברולי אינו רק רעיון דמיוני של מדען מפוזר, אלא רעיון שאושש שוב ושוב בניסויי פיזור אלקטרונים וחלקיקים כבדים יותר. בניסויים אלו מדענים מראים שהאלקטרונים הנעים אל עבר חריצים מזעריים יוצרים תבנית התאבכות בדומה לגלי אור.
הפרשנות המודרנית לדואליות
אז האם האור הוא גל או חלקיק? האם חלקיקים מתנהגים לעיתים כגלים ולהיפך? התפתחותה של מכניקת הקוונטים העמיקה את הבנתנו במבנים הבסיסיים של הטבע והסירה את הבלבול. נתחיל עם עיקרון דה ברולי - עיקרון זה מרמז על גודל אופייני שכונה "אורך גל". על אף הפיתוי, צריך להיזהר מלהניח שחלקיקי החומר מתנהגים כגלים רק משום שאנחנו יכולים לחשב אורך גל בדומה לאור. התמונה התבהרה כשרדינגר הראה שאורך הגל האופייני שייך ל"גל מתמטי". במונחים אלו, גל הוא לא יותר מפיתרון מחזורי למשוואה דיפרנציאלית (המכילה נגזרות). הגל המתמטי הוא למעשה פונקציה המשערכת את ההסתברות של החלקיק להימצא בכל נקודה במרחב. אם כך, התשובה המקובלת לדואליות שהספרות המדעית הפופולארית אוהבת לצטט היא זו ששרדינגר או הייזנברג הנחילו לפיזיקאים – האור והחומר הם חלקיקים שתנועתם במרחב מוכתבת על ידי גל המלווה אותם (הגל לעיתים מכונה פונקצית הגל של החלקיק). הגל אינו גודל פיזיקאלי מדיד אבל כן מושפע מהסביבה. בכל נקודה במרחב לגל גובה מסוים שגודלו מכתיב את ההסתברות של החלקיק להימצא באזור זה. תשובה זו לא מספקת מהמון מובנים, גם מתמטיים וגם פיזיקאליים. התשובה האמיתית נוסחה עם הופעתה של תורת שדות קוונטית ומוסברת בספרות המדעית המודרנית - אבני היסוד בטבע אינם חלקיקים, או גלים, אלא שדות של גבם נוצרים גלים. לגלים אלו תכונות חלקיקיות בסקאלות אנרגיה נמוכות, אך בסקאלות אנרגיה גדולות יש לקחת בחשבון תיקונים הנובעים מהתורה הקוונטית של השדות בטבע. האיחוד בין חלקיקי החומר וחלקיקי הכוח לשפה מתמטית אחידה (תורת השדות הקוונטית) נחשב כפתרון מספק לפרדוקס הדואליות ולכן גם רבים מהספרים במכניקת הקוונטים כמעט ולא מקדישים פרקים לדואליות זו.
בכל שבוע אקדיש כתבה לרעיון או למושג שגור בפיזיקה מודרנית. אם יש לכם הצעות או בקשות לפינה זו אתם מוזמנים לפנות אליי בכתובת המייל: [email protected]
עוד בנושא באתר הידען: