האזינו לפודקאסט על המאמר: קישור לפודקאסט

איך הֵחֵלָּה תורת הקוונטים?

במאמר שלפניכם אשתדל לענות על השאלה מהי התפיסה שמְשקפת תורת הקוונטים. מה עושה פיזיקאי טוב, בעל מחשבה חופשית ויצירתית, כשמתגלות תופעות שאינן עולות בקנה אחד עם מה שהיה ידוע לו עד כה? ראשית, הוא מנסה להסביר את התיאוֹריה הקיימת כך שתתאים לתופעות החדשות, אך לעיתים הוא מֵעֵז ומציע נקודת מבט חדשה לגמרי. זאת ממש כשם שאייזק ניוּטוֹן, הפיזיקאי והמתמטיקאי האנגלי בן המאה ה-17, הציע השקפה שהייתה שונה לחלוטין מהאופן שבו התבונן בעולם אָרִיסְטוֹ, שחי ביוון לפני 2,000 שנים ונחשב אבי המדע המודרני. אריסטו תפס את העולם כגוף אוֹרגני שבו הכול קשור להכול, כמו למשל צמח פורח, או גוף האדם. בסוף המאה ה-19, שני פיזיקאים גרמנים, מקס פּלאנק ואלברט איינשטיין (שמוצָאו יהודי), הציעו להתבונן בתופעות הבלתי-מוסברות בדרך חדשה, מפתיעה ולא צפויה. התופעות שאותן ניסו להסביר היו קרינה של גוף שחור, והאפקט הפוֹטוֹאֶלֶקְטְרִִי (איור 1).

מה בדיוק התרחש בשתי התופעות הללו? מעט קשה לתאר זאת בכמה מילים, אך את האפקט הפוטואלקטרי ניתן לראות בתמצית באיור 1, ואילו קרינת גוף שחור קשורה בקרינה שפולט גוף, אשר בולע בצורה מושלמת קרינה בכל אורכי הגל (מכונה 'גוף שחור'). התפלגות הקרינה שנפלטת מגוף שחור הייתה שונה לחלוטין ממה שחזתה תורת הגלים שהתפתחה במאה ה-19.

חשוב לדעת כי כל מה שהיה ידוע בפיזיקה באותו זמן, לא יכול היה להסביר תופעות אלו. נקודות המבט שהציעו פלאנק ואיינשטיין מסמנות את ראשיתה של תיאוריה חדשה ומהפכנית–תורת הקוונטים. תיאוריה זו, שצמחה צעד אחר צעד, הייתה שונה לגמרי מכל מה שפיזיקאים חשבו וציפו לו עד אז. באותה תקופה של תחילת המאה ה-20 שׂררו בתחום הפיזיקה שִׂמחה ויצירה לצד מבוכה ואי-וודאות. זה מה שקורה לא פעם כשמהפכה חדשה מתחוללת, לא רק במדע.

עד אז חשבו על האור כגל. פלאנק ואיינשטיין הציעו לחשוב על האור כעל 'חבילה' של אנרגיה ללא חומר בכלל, אשר לא ניתן לְחַלְּקָהּ כלל–או שהחומר מקבל את כל החבילה בבת אחת, או שאינו מקבל דבר. לחבילה קראו פוֹטוֹן או קְוַנְט של אנרגיה ('חלקיק' שאין בו חומר אלא אנרגיה בלבד). באופן מפתיע התברר כי ההצעה המוזרה הזו, אפשרה לפתור את הבעיות שצצו ועלו בשתי התופעות שהזכרתי קודם לכן, וכמו כן הצליח צֶמֶד המדענים לפתור באמצעותה תופעות מוזרות נוספות. אולם הדברים לא הסתיימו ברעיון המפתיע והחדשני של איינשטיין ופלאנק. אט-אט התגלו עוד ועוד תופעות חדשות וחריגוֹת, ובדיעבד ניתן לחשוב על כך כעל קרחון שרק קצהו בָּלַט מעל פני המים, ורובו הגדול היה שקוע בהם. על שתי התופעות המוזרות שתוארו לעיל התווסף בתוך שנים מועטות אוסף עצום של תופעות שעד אז לא נודעו ולא הוכרו. הֵחֵלָּה להתגלות 'יַבֶּשֶׁת' חדשה בעלת חוקים חדשים–בדומה לגילוי יבשת אמריקה על ידי כּריסטוֹפר קוֹלוּמבּוּס, במאה ה-15. העולם המסודר והצפוי של ניוטון, שהזכיר מכונה ענקית המורכבת מהמון חלקים קטנים, התחלף בארץ לא נוֹשֶׁבֶת, מלאה הפתעות... [1].

הפיזיקאים לא גנזו את חוקי ניוטון, הם עדיין יכלו להסביר ולחזות באמצעותם הרבה מאוד תופעות ותנועות (למשל את תנועת הירח סביב כדור הארץ, ואת נפילת האבן על פני האדמה). אולם מתחת לעולם הזה התגלתה 'יבשת' עצומה שהיוותה את הבסיס לעולם שאותו גילה ניוטון, יבשת אשר עד לאותה עת הייתה חבויה מעיני הפיזיקאים.

תעלומת הקפיצה הקוונטית

נתאר כעת את האָטוֹםָ: בתחילת המאה הקודמת התגלה האטום כחלקיק היסודי העומד בבסיסו של כל החומר הקיים. משמע, כל חומר שאתם מכירים התברר כמורכב מאינספור אטוֹמים שדומים במבניהם למערכות שמש (מערכות שבהן גופים שאינם כוכבי-שבת כגון שביטים, אסטרוֹאידים או כוכבי לֶכֶת מצויים במסלול המקיף כוכב). אך בניגוד למערכות שמש אמיתיות, האטומים כמובן קטנים כל כך שלא ניתן לראותם אפילו בעזרת מיקרוסקופ עוצמתי מאוד. החלקיקים הדומים ל'כוכבי הלכת' ב'מערכות השמש' הקטנות סביב לגרעין, היו אלקטרונים. התגלה כי אלו יכולים לעבור ממסלול קרוב יותר לגרעין למסלול רחוק יותר ממנו, ולהפך. זאת בדומה ללוויינים שנעים במסלול קרוב לכדור הארץ ומאיצים ועוברים למסלול רחוק יותר מהכדור שלנו, ויכולים להאט ולעבור שוב למסלול קרוב יותר. הפלא שהתגלה בעולם הקוונטי הוא שאותם 'לוויינים קטנטנים' (האלקטרונים) עוברים ממסלול למסלול בבת אחת, בקפיצה אחת בלתי-מחולקת, ותמיד יימצאו במסלול קרוב יותר לגרעין האטום או רחוק יותר ממנו, ולא באמצע הדרך, או בשליש הדרך, או ברבע ממנה. כמעשה קסמים, רגע אחד הם קרובים ל'שמש'–גרעין האטום, אותו חֵלֶק באטום שנמצא במרכז ולכן דומה לשמש במערכת כוכבים אמיתית, ובמשנהו הם במסלול מרוחק יותר. לתופעה הזו ניתן השם 'קפיצה קוונטית' (איור 2).

ומה קורה בין לבין? נכון להיום, לאף אחד אין תשובה טובה על כך. זו אחת התעלומות הגדולות של תורת הקוונטים: מה קורה לאלקטרון בזמן הקפיצה ממסלול למסלול, האם הוא 'מת' ו'נולד' שוב מחדש במסלול רחוק יותר? האם הוא נע מהר כל כך שהמכשירים שלנו לא מצליחים לעקוב אחריו?

ואולי תוכלו אתם לחשוב על רעיון יצירתי לפתרון התעלומה?

בכך לא תם המסתורין של ה'יבשת' הקוונטית, ולאורך השנים היא זימנה תעלומות מסעירות נוספות.

הטלפתיה שבין צמדי חלקיקים

תופעה נוספת מוזרה ומופלאה מתרחשת בין צמדים של חלקיקים מיקרוסקופיים, למשל בין שני אלקטרונים, או שני אטומים. תופעה זו מזכירה מאוד טלפתיה בין שני אנשים.

האם אתם מאמינים בטלפתיה? ייתכן; אך מדענים מתחום הפיזיקה הם אנשים רציונליים והגיוניים מאוד, ורובם הגדול סבור כי טלפתיה בין אנשים היא תופעה לא מדעית, לא רציונלית ובלתי הגיונית. במקרה זה, 'היבשת החדשה' של תורת הקוונטים הִפְגישה את הפיזיקאים עם טלפתיה בין חלקיקים. תָּאֲרוּ לעצמכם שני חלקיקים שנְדַמֶּה אותם לשני אנשים, המצויים במרחק רב זה מזה, נניח קילומטר ואף הרבה יותר מכך, ואנו מודדים תכונה מסוימת של אחד החלקיקים (למשל את המהירות של החלקיק השמאלי). באינספור ניסויים שנערכו התברר כי בחלק מהתכונות שנמדדו, אם מצאנו בחלקיק השמאלי שהערך של התכונה הנמדדת הוא (1+) אז תמיד כאשר נמדוד את הערך של אותה התכונה מימין הוא ייצא הפוך, כלומר (1-). לְמָה הדבר דומה? אם האיש משמאל ירים את יד ימין אז באותו רגע ממש האיש מימין ירים את יד שמאל, ואם יקרה ההפך והאיש משמאל ירים את יד שמאל אז האיש מימין ירים תמיד את יד ימין; וזאת למרות ששניהם אינם יודעים איזו יד ירים כל אחד מהם [2].

אתם עשויים לחשוב כי אולי החלקיקים היו מתואמים מלכתחילה באותן תכונות כך שתתקבלנה תוצאות הפוכות. אולם ניסויים רבים שנערכו הובילו למסקנה הברורה שלא ייתכן כי היה כאן תיאום מראש, אלא שברגע הבדיקה של החלקיק השמאלי נניח, הושפע מיידית החלקיק הימני גם אם הוא נמצא במרחק גדול מאוד מהחלקיק השמאלי. לתופעה הכל כך מוזרה ומיוחדת הזו ניתן השם 'שְׁזִירָה קוונטית'. אפשר לשאול האם כל שני חלקיקים מיקרוסקופיים נמצאים במצב של שזירה קוונטית? התשובה היא שלא. מצב זה מתרחש בצמדים של חלקיקים המצויים מלכתחילה במצב מיוחד (כמו תאומים), שנקרא מצב סִינְגְלֶט. יתרה מזו, המצב האמור רגיש ו'שביר' מאוד, וכל כניסה של חלקיקים חיצוניים למערכת הניסוי גורמת לשזירה להיהרס. נדרש שמערכת הניסוי תהיה מבודדת לחלוטין מהעולם החיצוני. בעת הזו נעשה מאמץ אדיר ויקר לִבְנות מחשב קוונטי. מאמץ זה קשור קשר הדוק ליכולת של מחשב כזה להיות מבודד לחלוטין מהפרעות מחוץ למחשב שגורמות להֶרֶס ה'שזירה הקוונטית', אשר עומדת בלב פעולת המחשב הקוונטי.

שאלות קיומיות לגבי חתולים

מסתורין נוסף הכרוך ב'יבשת' הקוונטית חָקַר הפיזיקאי האוסטרי ארווין שרדינגר. שרדינגר תיאר סיטואציה מוזרה מאוד, שבה חתול שקשור עם מערכת קוונטית עשוי להיות במצב שהוא גם חי וגם מת, ורק כשאנו פותחים את מערכת הניסוי ומתבוננים בו נמצא אותו באחד המצבים: חי או מת (איור 3).

נשאלת השאלה–מה היה מצב החתול כאשר לא התבונַנּוּּּּ בו, כלומר אחרי שהחתול כבר הוכנס לתוך הקופסה וזו נסגרה? האם הוא היה גם חי וגם מת? האם רק בכך שהתבונַנּוּ בו גרמנו לו להימצא במצב אחד ויחיד?

חשוב להבהיר כי שרדינגר הציע ניסוי מחשבתי זה כדי להבהיר שתורת הקוונטים הנוכחית אינה נותנת הסבר מְסַפֵּק. זאת כיוון שעל פי המתמטיקה של תורת הקוונטים, ששרדינגר עצמו היה מהמְּפתחים הראשונים והמרכזיים שלה, כדי לנתח במדויק מה צפוי להתרחש בניסוי כזה, עָלֵינו להניח שהחתול בקופסה נמצא במצב של גם חי וגם מת עד לרגע שבו הקופסה נפתחת. מצב כזה מכונה סוּפרפוֹזיציה, ובו החלקיק הקוונטי נמצא מתמטית בכל המצבים האפשריים לו. המוּזרוּת במקרה זה נובעת מכך שהחלקיק הקוונטי נמצא בשזירה עם החתול כולו, ואמור לגרום לכך שגם החתול הופך להיות בעל שתי משמעויות בו בזמן–הן חי הן מת.

האם תיתכן אי-ודאות בעולם הפיזיקה?

תופעה קוונטית מרהיבה נוספת היא עיקרון שניסח פיזיקאי גרמני בשם ורנר הייזנברג, המכונה 'עיקרון אי-הוודאות'. במסגרת עיקרון זה קבע הייזנברג כי ישנם מצבים קוונטיים מיוחדים שבהם אם אנו יודעים לדוגמה מהי בדיוק המהירות של חלקיק קוונטי (אלקטרון למשל), אנו מאבדים כל ידיעה לגבי באיזה מקום הוא נמצא. לפי עיקרון זה גם ההפך נכון–אם אנו מודדים ויודעים בדיוק היכן נמצא האלקטרון, אנו מאבדים כל יכולת לדעת ולומר מהי המהירות שלו! אבל, אם אנו יודעים פחות או יותר מהי מהירות האלקטרון, יש באפשרותנו לדעת פחות או יותר מה מקומו [1].

בכלל, המדידה בעולם הקוונטי היא משהו מוזר ושונה לחלוטין מהמדידה שהפיזיקה הקלאסית הכירה עד אז. ב'יבשת' היְּשָׁנָה יכולנו לצלֵּם אבן נופלת, והצילום לא היה משפיע על האבן–היא הייתה ממשיכה ליפול כאילו לא קרה דבר. לא כך כאשר מצלמים אלקטרון–הצילום משפיע באופן מהותי על המקום של האלקטרון או על מהירותו. עד היום פיזיקאים לא הצליחו למצוא דרך 'לעקוף' את ההפרעה הזו של המדידה.

בהקשֵׁר זה עולה השאלה: מהי המשמעות של המדידה? האם היא מודדת משהו, או אולי הופכת להיות חֵלֶק מהדבר שאותו היא מנסה למדוד, וככזו היא למעשה תמיד מְשַׁנָּה את מה שהיא מנסה למדוד? אם כן, מה היה האלקטרון לפני שמדדנו אותו? אולי הוא היה דבר-מה שונה לגמרי שאין לנו שום מושג מהו, ורק עצם המדידה גרמה לו 'להיות אלקטרון'?

פיזיקאים אוהבים לשאול שאלה מוזרה בהקשֵׁר תורת הקוונטים, המעוררת תהייה–אם עץ נפל ביער ואף אחד לא שמע אותו נופל, האם הוא השמיע קול?

אומנם חידה כזו נדמית מוזרה וכמעט מופרכת, אך כשחושבים על עולם התופעות הקוונטיות, אין זה מופרך כל כך. זו גרסה אחרת של השאלה: 'אם הכנסנו חתול לקופסה כפי שמוצגת באיור 3, וערכנו את הניסוי המתואר שָׁם, מה היה מצב החתול לפני שפתחנו את הקופסה?' [3].

מהי המשמעות של כל זה?

הבאתי בפניכם רק טעימה קטנה מעולם התופעות הקוונטי, ואני נותר עם השאלה: מָהֵן המשמעות והתפיסה שעולות מתוך עולם התופעות הזה?

במאמר נגענו 'על קצה המזלג' בכמה תופעות קוונטיות מוזרות: האפקט הפוטואלקטרי; 'קפיצה קוונטית' של אלקטרונים באטום; ניסוי 'החתול של שרדינגר'; טלפתיה בין חלקיקים מיקרוסקופיים 'שזורים'; 'עיקרון אי-הוודאות'; המוּזרוּת של מדידה קוונטית. על מה כל זה מצביע? רבים מהפיזיקאים חושבים שתורת הקוונטים אינה אומרת דבר, והיא אך ורק 'מתכון' לחזות תוצאות, בדומה למתכון מעולם הבישול. לְמה הכוונה? שאין לנו הפיזיקאים שום דרך לדעת מה מתרחש במערכת הקוונטית ולדון על כך, כשאיננו מודדים את המערכת הזו. ביכולתנו אך ורק לחשֵּׁב את הסיכוי שיקרה דבר מה (למשל בניסוי 'החתול של שרדינגר' מה הסיכוי שכשנפתח את הקופסה נראה חתול חי, ומה הסיכוי שנראה חתול מת), ולדון לגבי כך.

כשלמדתי פיזיקה באוניברסיטה, לפני יותר משלושים שנה, אחד הפרופסורים אמר לי דברים ברוח זו: תורת הקוונטים היא כמו מכשיר מיקרוגל לעֲקַר הבית או לעקֶרֶת הבית. הם יודעים להשתמש בו נהדר, אבל אין להם שמץ מושג למה ומדוע מנגנון הפעולה שלו וביצועיו הם כפי שהם.

חלק מהפיזיקאים סבורים כי כל התוצאות האפשריות של ניסוי קוונטי מתרחשות בו בזמן, אבל ב'עולמות' נפרדים ונבדלים שאין ביניהם שום קשר. לפי תפיסה זו אנו נמצאים באחד העולמות ויודעים אך ורק עליו, אך עותק שלנו נמצא בכל העולמות האפשריים האחרים. למשל בניסוי 'החתול של שרדינגר', אם מצאתי שהחתול בקופסה חי ישנוֹ עולם נוסף שאין לי שום חיבור אליו ויֶדַע על אודותיו, שבו אני פותח את הקופסה ומוצא חתול מת.

אחרים טוענים כי מה שמיוחד בתורת הקוונטים הוא הצופֶה האנושי, שבגללו נוצרת כל המוּזרוּת. התומכים בטענה הזו חושבים כי כל המוזרויות הקוונטיות לא היו קיימות בעולם שבו לא היו בני אנוש, והתוצאות המוזרות קשורות לכך שאנו בעלי מוח אנושי.

זיכרו את השאלה שהצגתי בפניכם קודם–אם עץ נפל ביער ואף אדם לא היה בסביבה לשמוע אותו נופל, האם הוא השמיע קול? המחזיקים בגישה האחרונה יענו על כך בשלילה–אם אף אחד לא היה בסביבה, העץ לא השמיע קול! לפי גישה זו האדם הוא מידת הדברים ומרכז היקום הפיזיקלי. אלברט איינשטיין לא אהב את התפיסה האמורה, ופעם הפנה לחברו שאלה בסגנון: האם אתה באמת מאמין שהירח איננו קיים כאשר אני לא מביט בו?

ישנם כאלו, ואני בהם, שטוענים כי אם חושבים על העולם הקוונטי כמתאֵר מציאות שבה הכול מחובר ושלם ולא נפרד ומחולק, אז התופעות נראות לפתע פתאום טבעיוֹת והגיוניות. לפי גישה זו, בניסוי 'החתול של שרדינגר' גם בזמן שאיננו רואים אותו החתול הוא או חי או מת, במשך כל הזמן. לפי הגישה האמורה ישנוֹ גל שקיים בכל המרחב, ומקשֵּׁר באופן מיידי (טלפתי) את כל החלקים והחלקיקים. למשל בניסוי עם החלקיקים 'התאומים', גל זה יכול לקשֵּׁר באופן מיידי שני מקומות רחוקים מאוד זה מזה (לדוגמה הירח וכדור הארץ) [3].

ומה אתן ואתם חושבים על כל זה?

מילון מונחים

מקס פלאנק (Max Karl Ernst Ludwig Planck): ↑ פיזיקאי גרמני (1947-1858) שזכה בפרס נוֹבֶּל לפיזיקה ב-1918 על פיתוח רעיון קוונט האנרגיה. בזכות רעיון זה הוא הצליח לפתור את הבעיה של קרינת גוף שחור.

האפקט הפוטואלקטרי (Photoelectric Effect): ↑ ב-1887 גילה היינריך הֶרְץ, פיזיקאי גרמני ממוצא יהודי, שכשקרינה על-סגולה פוגעת באטומים, האוויר הופך להיות טעון בחשמל (אלקטרונים בעלי מטען שלילי). בשנת 1905 איינשטיין הסביר את התופעה בעזרת עקרונות חדשים שהניחו את המסד לתורת הקוונטים.

האור כגל (Light as a Wave): ↑ ב-1801 גילה הפיזיקאי האנגלי תומאס יאנג שהאור מתנהג כגלֵי-ים. דַּמְיְנוּ שני גלים הנפגשים: לעיתים תוצאת המפגש היא חיזוק הדדי (הִתְאַבְּכוּת בונה), ולעיתים ביטול הדדי (התאבכות הורסת). תופעה דומה גילה יאנג לגבי אור השמש, אחרי מַעֲברו דרך שני חריצים קטנים.

חוקי התנועה של ניוטון (Newton's Laws of Motion): ↑ הפיזיקאי האנגלי אייזק ניוטון (1727-1642) ניסח את שלושת חוקי המכניקה שחוללו מהפכה בתפיסה של הפיזיקה. החוק הראשון–חוק ההתמדה; החוק השני–חוק התאוצה; החוק השלישי–חוק הפעולה והתגובה.

אטום (Atom): ↑ במרכז כל אטום ישנוֹ גרעין האטום המורכב מחלקיקים קטנטנים (פרוֹטוֹנים ונוֹיטרוֹנים). את הגרעין סובבים חלקיקים מזעריים עוד יותר, בעלי מִטען חשמלי שלילי–האלקטרונים.

קפיצה קוונטית (Quantum Jump/Excitation): ↑ אנו יכולים לחזות בתחילתה או בסופהּ, אך לא בשום נקודה בין ההתחלה לסוף. הדבר היחיד שמתרחש בין ראשית התהליך לסיומו, הוא פליטה או קליטה של 'חבילת אנרגיה' (פוֹטוֹן), שהאלקטרון פולט או קולט.

ארווין שרדינגר (Erwin Schrödinger): ↑ פיזיקאי אוסטרי (1961-1887), מאבות תורת הקוונטים. ב-1926 פיתח את 'משוואת שרדינגר', שהיא כלי מרכזי לחקירַת תורת הקוונטים והבנתה. המציא את הניסוי המחשבתי 'החתול של שרדינגר'. חתן פרס נובל לפיזיקה לשנת 1933.

ורנר הייזנברג (Werner Karl Heisenberg): ↑ פיזיקאי גרמני (1976-1901), מאבות תורת הקוונטים וחתן פרס נובל לפיזיקה לשנת 1932. ניסח את 'עיקרון אי-הוודאות' ומסלול מתמטי מקביל לזה של שרדינגר לחֵקֶר תופעות קוונטיות, שנקרא 'מכניקת המטריצוֹת'. היה שותף בכיר בפרויקט הגרעין של המשטר הנאצי.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כל המחקר נערך בהעדר כי קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.