חדשים כאן? ברוכים הבאים! קוראים לי נעה ואני דוקטורנטית לפיזיקה באוניברסיטת תל אביב. אני כותבת כאן על קוונטים לקהל הרחב. לא צריך רקע במתמטיקה או בפיזיקה, אבל כן מומלץ מאד לקרוא את שני פוסטים קודמים מהבלוג לפני שקוראים את הפוסט הזה. הפוסט הראשון כאן והשני כאן. מקווה שתהנו!
בפוסט הקודם ראינו את הקשר הקוונטי בין חלקיקים לבין גלים. למדנו שפונקציית ההסתברות של אלקטרונים (או חלקיקים קוונטיים אחרים) מתנהגת כמו עוצמה של גל, עד שמודדים אותה ואז היא קורסת לפונקציית הסתברות של חלקיק. למדנו על ניסוי שני הסדקים, שהדגים את התכונה הזו בתנאי מעבדה. אבל אף אחד לא היה מנסה לערוך את ניסוי שני הסדקים עם אלקטרונים, אם הוא לא היה חושד שתורת הקוונטים מתקיימת. איך למישהו בכלל היה חשד כזה? מאיפה הגיעו המדענים במאה שעברה לרעיון הזה בכלל?
עכשיו כשאתם מכירים את פונקציית הגל, יש לכם את הכלים להבין את הניסויים שהובילו לתגלית של תורת הקוונטים.
בסוף המאה ה - 19 היו שתי בעיות גדולות בפיזיקה. בעצם היו שתי תופעות שנצפו בניסוי, שהפיזיקה הקלאסית לא הצליחה להסביר. לתופעות האלו קראו קרינת גוף שחור והאפקט הפוטואלקטרי. אני אתמקד באפקט הפוטואלקטרי, שהוא לדעתי יותר מעניין.
אז מה שקרה הוא דבר כזה: בניסוי לקחו חתיכת מתכת והאירו עליה (ואנחנו זוכרים שאור הוא גל אלקטרומגנטי). את המתכת חיברו למעגל חשמלי כלשהו שלא היתה לו סוללה או מקור מתח. האור מספק אנרגיה שמשחררת מטענים מהמערכת ויוצרים זרם במעגל. אנחנו מצפים שככל שלאור תהיה יותר אנרגיה ככה נוכל לשחרר יותר מטענים ונקבל יותר זרם.
מה זה בעצם אומר, שיש לאור יותר אנרגיה? האנרגיה של האור תלויה בשני דברים, עוצמת האור והתדירות של האור. עוצמת האור היא משהו מוכר - פשוט כמה חזק האור. תדירות של אור היא גם משהו שיצא לכם בטח לשמוע - אור נראה בתדרים שונים יהיה בצבעים שונים. התדירות היא בעצם תדירות ההפרעה של השדה האלקטרומגנטי. אנלוגיה טובה היא לחשוב על קפה. ככל שהקפה חזק יותר, הוא יצליח להעיר אותנו יותר. החוזק של הקפה מקביל לתדירות של האור. אבל אם נשתה הרבה מאד קפה חלש, עדיין נצליח להתעורר. כמות הקפה מקבילה לעוצמת האור. לפי האנלוגיה שלנו, אנחנו מנסים להעיר את המטענים במתכת ולגרום להם לייצר זרם. אז אנחנו צריכים שהקפה יהיה מספיק חזק, או שיהיה לנו קפה בכמות גדולה מספיק, זה לא חשוב. העיקר שהמטענים יקבלו מספיק קפאין וישתחררו. ככל שניתן למתכת יותר קפאין, ישתחררו יותר מטענים.
אז אנחנו מצפים שאם נשאיר את עוצמת האור (כמות הקפה) קבועה, אבל נגדיל ונגדיל את התדירות של האור (החוזק של הקפה), עוצמת הזרם תגדל. אנחנו גם מצפים שאם נשאיר את התדירות קבועה ונגדיל ונגדיל את עוצמת האור, עוצמת הזרם גם תגדל.
אז אנחנו בעצם מצפים לראות משהו כזה:
זה קרה, אבל רק בערך. עבור תדירויות מסוימות, שהצליחו לשחרר מטענים מהמערכת, הזרם באמת גדל כשהגדלנו את העוצמה. אבל תדירויות אחרות, נמוכות יותר, לא הצליחו לשחרר מטענים בכלל. הגדלה והגדלה של עוצמת האור לא שינתה את זה - המטענים פשוט לא השתחררו עבור התדירויות האלו. גם כשכמות האנרגיה כבר היתה ענקית (כי העוצמה היתה מאד גבוהה), לא השתחררו מטענים בכלל. נחזור לאנלוגיית הקפה - עבור קפה חלש, גם חביות ענקיות של קפה לא הספיקו בשביל להעיר את המטענים. עבור תדירויות גבוהות יותר, גם כוס קטנה הספיקה כדי לשחרר מספר קטן של מטענים. בעצם קיבלנו משהו כזה:
אז אם אנחנו חוזרים לעניין הקפה, אנחנו מבינים שזה ממש לא מסתדר. אם הקפה חלש, אנחנו יכולים לפצות על זה על ידי שימוש בהרבה מאד קפה. האור היה בתדירות נמוכה, אבל פיצינו על זה עם עוצמה מאד גבוהה. בסופו של דבר, נתנו למערכת הרבה אנרגיה. למה האנרגיה הזאת לא משחררת מטענים? אם התדירויות גבוהות, המטענים משתחררים בקלות.
הסיפור הזה היה אחת מהשאלות הגדולות ביותר של הפיזיקה בסוף המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20, עד שב - 1905 אלברט איינשטיין (שהיה אז עדיין פיזיקאי צעיר ומבטיח שלא כתב עדיין את תורת היחסות) הציע את הפתרון הבא: האנרגיה מהאור לא מגיעה בצורה רציפה. במקום זה, האור מגיע ב"מנות" של אנרגיה, וכמות האנרגיה בכל מנה תלויה בתדירות. המטענים שבמתכת מבצעים אינטראקציה עם כל מנה כזאת בנפרד, אז אם למנה בודדת יש מספיק אנרגיה, היא תצליח לשחרר מטען. אחרת, לא משנה כמה מנות נזרוק על המתכת, הן לא יצליחו לשחרר מטענים. המנות האלו מתנהגות כמו משהו אחר שהכרנו בפיזיקה: חלקיקים. בעצם מה שהסביר את האפקט הפוטואלקטרי הוא חלקיקים של אור, או הבנה שהאור מתנהג כמו חלקיקים. לחלקיקי אור אנחנו קוראים היום פוטונים. זה בעצם אומר שהדרך שבה חשבנו על אור עד אז (כגל עם תדירות או כמו על קפה, כל אחד והפרשנות שלו), לא היתה נכונה לגמרי.
ההבנה הזאת נתנה לתורת הקוונטים את שמה: המשמעות של קוונטה בלטינית היא מנה (בערך). ההבנה שהאור הוא לא דבר רציף, כמו גל, אלא מחולק למנות בדידות, כמו חלקיקים, היתה ההבנה המשמעותית הראשונה שהובילה להתפתחות של כל תורת הקוונטים.
ההבנה שאור הוא גם חלקיק, הובילה פיזיקאי אחר בשם דה ברולי לחשוב על רעיון מעניין (כותבים דה ברולי אבל מבטאים את זה דה-ברויי, כמו בצרפתית). הוא אמר ככה: אם האור הוא גם חלקיק, אולי האלקטרון הוא גם גל? וחישב איך אמורות להתנהג התכונות הגליות של האלקטרון לפי מה שכבר ידענו על גלי אור. זה בעצם מה שהוביל להבנה שראינו בפוסט הקודם, והוא שחלקיקים כמו אלקטרונים מתנהגים גם כמו גלים. לדבר הזה קוראים היום דואליות חלקיק-גל, והוא מה שהתניע את כל התגלית של מכניקת הקוונטים בסופו של דבר. היה הרבה בלבול בדרך ועוד הרבה ניסויים שתרמו להבנה שיש לנו היום, אבל זו היתה נקודת הפתיחה.
ההבנה העמוקה יותר שיש לנו היום הגיעה, בעצם, מניסויים שלא הצליחו. ציפינו לקבל את התנהגות רציפה של האנרגיה של האור, אבל זה לא הצליח. גם הבעיה עם קרינת הגוף השחור, שדילגתי עליה, עסקה בניסויים שהתיאוריה לא הצליחה להסביר. ההניסויים האלו, שלא הצליחו, פתחו את הדלת לתיאוריה הקוונטית שמסבירה היום המון על איך חומרים עובדים, איך השמש עובדת, איך חשמל ומגנטיות עובדים, ממה עשוי היקום, וגם איך אנחנו יכולים להשתמש בכל זה כדי לקדם את הטכנולוגיה (ונראה דוגמאות כמעט לכל אלו בעתיד!). אז ההבנה הכי חשובה כאן היא לא על תורת הקוונטים אלא דווקא על המדע - ניסויים שלא מצליחים מרגשים אפילו יותר מניסויים שמצליחים. זה סימן שהם ילמדו אותנו משהו חדש.
(על המשפט האחרון מגיע קרדיט לפרופ' רון ליפשיץ מאוניברסיטת תל אביב, שלימד אותי גם קוונטים וגם הרבה על הוראה).