Ran Levi@ranlevi
מה זה 'קוונטים'?
------------------------
בטח שמעתם על "תורת הקוונטים", התיאוריה הפיזיקלית. אבל מה זו המילה הזו 'קוונטים'? מה זה בכלל אומר? בואו נדבר על הבסיס של הבסיס של תורת הקוונטים.
מקס פלאנק נולד בגרמניה ב-1858. כנער, פלאנק מאוד אהב פיזיקה. אבל המרצה שלו באוניברסיטה המליץ לו לא ללכת להיות חוקר בתחום מכיוון שאין יותר מה לגלות בפיזיקה. ובאמת, זה מה שהרבה מדענים חשבו אז: חוקי המכניקה של ניוטון, שבשלב הזה כבר בני יותר ממאתיים שנה, עשו עבודה ממש טובה בלהסביר את כמעט כל מה שאפשר היה למדוד, והייתה תחושה שזהו, גמרנו עם הפיזיקה: פה ושם עוד היו כמה בעיות קטנות שהיה צריך לפתור, אבל בגדול אין יותר מה לגלות. זה כמו באולינג - אתה מגיע לשלוש מאות נקודות, וזהו, אי אפשר יותר.
אבל מקס פלאנק החליט שלא להקשיב לעיצה הזו: הוא למד פיזיקה, והתחיל לעבוד על אחת מאותן "בעיות קטנות" שהיה צריך לפתור, בעיה בשם "קרינת גוף שחור".
מה זו 'קרינת גוף שחור'? נכון שכשמחממים ברזל, הוא מתחיל לזרוח באור אדום? אז מסתבר שזה נכון לגבי כל דבר, לא רק ברזל, והמדענים אפילו גילו את המשוואה שאומרת מה הקשר בין הטמפרטורה של העצם - לתדר של האור שנפלט ממנו. אבל מה הבעיה? הנוסחא הזו לא התאימה לחוקים של ניוטון: אני לא אכנס להסבר מפורט אבל בגדול, אם המשוואה נכונה - אז החוקים של ניוטון לא יכולים נכונים. איך זה יכול להיות?!... בעיה.
פלאנק היה שמרן. לא היה לו ספק שהחוקים של ניוטון נכונים ושמשהו במשוואה של קרינת הגוף השחור לא בסדר. אז הוא חקר, ובדק, וחקר, ובדק ועוד חקר ועוד בדק…ולא הצליח למצוא משהו לא בסדר במשוואה. אז אחרי המון בדיקות והמון מחקרים, הוא חשב על פתרון שהוא קרא לו "פתרון מתוך ייאוש". מה היה הפתרון הזה?
בפיזיקה של ניוטון, מה שנקרא 'פיזיקה קלאסית', אנרגיה היא משהו רציף. 'רציף' זה אומר שאם משנים את כמות האנרגיה של מערכת כלשהי - אז האנרגיה משתנה בצורה חלקה והדרגתית, כמו שיפוע של רמפה.
פאלנק חשב לעצמו: מה יקרה אם אני אניח שהאנרגיה לא משתנה בצורה רציפה, אלא משתנה בקפיצות - זאת אומרת, במקום רמפה, מדרגות? אם מניחים שאנרגיה משתנה בקפיצות, זה משנה קצת המתמטיקה - ואז, הפלא ופלא, המשוואה של קרינת הגוף השחור פתאום כן מסתדרת עם המכניקה של ניוטון. עכשיו, כשמשהו משתנה בקפיצות אז הוא משתנה בכמות מסוימת בכל קפיצה: "קוונטה", בלטינית, זה "כמות" - אז כמשהו משתנה בקפיצות, במקום בצורה רציפה, אנחנו אומרים שהוא משתנה בצורה קוונטית.
שיהיה ברור: פלאנק לא חשב שאנרגיה באמת משתנה בצורה קוונטית, ז"א בקפיצות. מבחינתו זה היה סתם טריק מתמטי: במציאות, הוא היה בטוח שאנרגיה בכל זאת משתנה בצורה רציפה. למה? נניח שיש לנו רכב נוסע: לרכב הזה יש אנרגיה קינטית, אנרגיה של תנועה, שתלויה במהירות שלו - יותר מהירות, יותר אנרגיה. אם האנרגיה משתנה בקפיצות, זה אומר שגם המהירות חייבת להשתנות בקפיצות - וזה לא הגיוני. מה, אפשר לנסוע רק ב-10 קמ"ש, ואז 11 קמ"ש, אבל אי אפשר לנסוע ב-10.5 קמ"ש?... זה שטויות, ברור שאפשר לנסוע בכל מהירות שרוצים. ואם מהירות משתנה בצורה רציפה, גם האנרגיה משתנה בצורה רציפה.
פלאנק פרסם את הרעיון שלו בשנת 1900, אבל חמש שנים אחר כך קרה משהו מאד לא צפוי: אלברט איינשטיין פרסם מאמר על תופעה פיזיקלית כלשהי - והוכיח שאנרגיה של אלקטרונים באמת משתנה בקפיצות. למשל, אלקטרון יכול לנוע סביב הגרעין של האטום במסלול מסוים, והוא יכול לקפוץ למסלול אחר גבוה יותר - אבל הוא לא יכול להיות באמצע, בין המסלולים. במילים אחרות, הרעיון של פלאנק הוא לא סתם טריק מתמטי: למרות שזה נראה לנו לא הגיוני - מסתבר שבקנה המידה של חלקיקים זעירים, דברים באמת משתנים בקפיצות. אור, למשל, מגיע בחבילות קטנות שנקראות פוטונים: אין דבר כזה 'חצי פוטון'. מטען חשמלי מגיע במכפלות קבועות - אין דבר כזה "חצי מטען חשמלי של אלקטרון".
והמשמעות של התובנה הזו היתה מדהימה: זה אומר שבקנה המידה של חלקיקים קטנים, החוקים של ניוטון לא תופסים - כי ניוטון הניח שאנרגיה היא רציפה, והיא לא - ולכן צריך להמציא תיאוריה פיזיקלית חדשה שתסביר מה קורה בעולם של החלקיקים הקטנים. והתיאוריה הזו היא "תורת הקוונטים."
לסיכום: תורת הקוונטים היא תיאוריה פיזיקלית שמתארת עולם שבו דברים מסוימים משתנים בקפיצות. בעולם שלנו, העולם של הדברים הגדולים, זה נשמע אבסורד ולא הגיוני: אנחנו רגילים שדברים כמו מקום, מהירות ואנרגיה משתנים בצורה חלקה ורציפה. אבל בעולם של החלקיקים הקטנטנים, ככה באמת העולם עובד.
זהו, תודה על הצפייה. מוזמנים להרצאתי הקרובה בקריית טבעון: 'החיפוש אחר שפה משותפת ביקום' - 18.5.26, שעה 20:00, ספריה ומרכז הנצחה ק. טבעון. קישור לכרטיסים בציוץ הבא.
נשתמע,
רן
