מהי תורת הקוונטים?

מכניקת הקוונטים היא תיאוריה מרכזית בפיזיקה המודרנית אשר הופעתה הייתה בגדר המהפכה המתמשכת ביותר בפיזיקה של המאה העשרים. תורת הקוונטים מגלה פנים חדשות בכל דבר שהיא נוגעת בו וכל הזמן מוסיפים עליה החוקרים רבדים חדשים. בין תורה זו ובין תורת היחסות יש השלמה הדדית, אך בנקודות מסויימות יש סתירה בין תורת הקוונטים ותורת היחסות הכללית, אשר פותחה כחלופה לתורת הקוונטים. הקושי הגדול ביותר בהבנתה של תורת הקוונטים הוא שרבות מקביעותיה מנוגדות לשכל הישר. גם אם ניתן לנסח את כלליה באמצעות משוואות מתמטיות מופשטות, עדיין קשה מאוד לפרש את המשוואות הללו באופן שיהלום את מושגי היומיום.

תורת הקוונטים אומרת כי בסתירה לכלל הידוע מהפיזיקה הקלאסית, שעל פיו הטבע אינו מהלך בקפיצות, תהליכים מסויימים וגדלים פיזיקליים מסויימים אינם משתנים באופן רציף אלא במנות בדידות. בנוסף לכך, התורה אומרת כי חלקיקי החומר מתנהגים לעתים כגלים; ולגלי האור יש לפעמים תכונות של חלקיקים.

ישנה דואליות (שְנִיוּת) בין חלקיק לגל. אי אפשר לחזות בביטחון מלא את התפתחותה של מערכת מסויימת, אלא במונחים הסתברותיים בלבד. חלקיקים עשויים לעבור מנקודה לנקודה רחוקה ממנה יחסית מבלי לעבור דרך שום נקודה בין השתיים, כלומר להעלם מנקודה אחת ולהופיע באחרת.

ראשיתה של הפיזיקה הקוונטית הייתה צנועה למדי. הפיזיקאי הגרמני מקס פלנק (Max Planck) (1858-1947) התלבט בבעיה מסויימת בתורת החום הקרויה "קרינת גוף שחור". הבעיה הייתה שלפי הנוסחאות שהיו מקובלות אז בפיזיקה, גוף הבולע את כל האנרגיה המגיעה אליו אמור לקלוט קרינה אינסופית, מה שאינו מתקבל על הדעת.

פלנק קבע כי מקור הסתירה נעוץ בהנחת הפיזיקאים שדופנותיו של גוף המקרינים אנרגיה, עושים זאת בצורה רציפה ובלתי מקוטעת, בדומה לזרימה הרציפה והבלתי רצופה של מים מברז פתוח, כפי שאנו רואים אותה. הוא טען שכל אנרגיה מוקרנת במעין צרורות, שנקראו בפיו "קוונטים" (השם לקוח מהמילה הלטינית קוונטוּם, שפרושה מנה, במובן של כמות קבועה), בדומה לטפטוף מים מברז דולף, בזו אחר זו. בעזרת הנחה חדשה זו עלה בידיו ליישב את בעיית קרינת הגוף השחור.

כמות הקרינה הכלולה בקוונט אחד של צורת קרינה מסויימת תלויה בתדירותה של קרינה זו. כמות זו היא מכפלת התדירות במספר קטן ביותר הנקרא "הקבוע של פלנק" וגודלו של קבוע זה הוא 6.626 x 10^-34. קבוע זה נמדד ביחידות של ג'ול (יחידת אנרגיה) כפול שנייה.

הטענה הקוונטית של פלנק עוררה מחלוקת גדולה, שכן כאמור, היא עמדה בניגוד לתפיסה שלפיה הטבע רציף ולא מקוטע. אולם כבר במאמרו הראשון הראה פלנק כיצד אפשר לגזור מן הקבוע שלו כמה מספרי יסוד אחרים של הפיזיקה, כמו למשל מטען האלקטרון וקבועים אחרים. עשרים שנה עברו בין הודעתו של פלנק על תגליתו בשנת 1900, ועד שניתן לו פרס נובל, אך בסוף כולם הכירו בצדקת טענתו.

במרוצת הזמן התברר שהנחתו המהפכנית של פלנק יש בה כדי להסביר תופעות אחרות, שהיו עד אז בגדר חידה. אחת מתופעות אלו היא תופעת "האפקט הפוטו-אלקטרי": כאשר מקרינים אור על-סגול על מתכות מסויימות הן פולטות אלקטרונים. ההנחה המונחת ביסוד תורת הקוונטים, יש בה כדי להסביר תופעה זו. הפיסיקאי נילס בור (Niels Bohr) עשה גם הוא שימוש בתורת הקוונטים כאשר הסביר באמצעותה את ספקטרום הקרינה של אטום המימן, בשנת 1913.

יש הטוענים, אף על פי שעדיין לא הצליחו להוכיח זאת, כי יש קוונטים אפילו לזמן ולמרחב - "אורך פלנק" (10^-33 ס"מ) ו"זמן פלנק" (10^-34 שניה) - שמתחת להם אי אפשר לחלק את הזמן והמרחב ולמנות קטנות יותר.

השימוש החשוב ביותר של תורת הקוונטים היה בהסברת מבנהו של האטום, ואחר כך בהסברת התנהגותם של חלקיקי היסוד. נילס בור היה החלוץ בתחום ואחריו באו מדענים אחרים, כמו ורנר הייזנברג (Werner Heisenberg), פול דירק (Paul Dirac) וארווין שרדינגר (Erwin Schrodinger), ופיתחו תיאוריות שנועדו להסביר את התנהגותן של מערכות קוונטיות, ובראש ובראשונה האטום.

במהלך שנות העשרים של המאה העשרים, התלבטו הפיזיקאים בין התיאוריות השונות הללו, אך לבסוף התברר כי כולן מסבירות את אותם הדברים באותה הדרך, אם כי נקודות גישה שונות. הדרך היא מכניקת הקוונטים המתארת את התנהגותם של חלקיקים באמצעות "פונקציות גל". פונקצית זו אינה מעניקה לתכונותיו השונות של החלקיק, כמו מטען חשמלי, מקום וכדומה, ערכים מוחלטים אלא ערכים הסתברותיים בלבד. אפשר לקבוע את ערכה של תכונה כלשהי על ידי מדידה במעבדה, ואז "קורסת" הפונקציה ההסתברותית ומקבלת ערך מסויים, אך כל עוד לא נעשתה המדידה, אין ממשות מוחלטת לשום ערך .

בנוסף לכך קבע הייזנברג את עקרון האי ודאות, שעל פיו ישנם זוגות של ערכים הקשורים לחלקיק כך שאין אנו יכולים לדעת את שניהם בוודאות באת ובעונה אחת. אם נקבע ערכו של האחד מהם בוודאות רבה למדי, הרי שערכו של האחר באותו רגע יהיה ידוע בוודאות מועטה ביותר. זו הייתה טענה מרעישה באותה תקופה, מפני שעד אז משל בכל המדעים עקרון הדטרמיניזם שקבע כי אם ידועים בוודאות ערכיהם של כל מרכיביה של מערכת, אפשר לנבא את התנהגותה בדיוק נמרץ. עקרון זה נשען על ההנחה כי אפשר לדעת בוודאות את הערכים הללו, ואם אין הם ידועים, זה בגלל שמכשיר המדידה שבידינו אינם די מדוייקים, או שהתיאוריות שבידינו אינן די משוכללות, והמצב ישתפר במשך הזמן.

והנה בא הייזנברג והוכיח כי יש מערכות שאין אנו יכולים לדעת בוודאות את כל ערכיהן - לא בגלל מכשירי הניסוי ואף לא בגלל מגרעות התיאוריה - אלא משום שכך פועל הטבע.

תועלתה של התורה הקוונטית היא שאין אפשרות להבין את מבנה החומר בלעדיה, הסבר מבנה האטום והמולקולה, הקשר הכימי, מבנה החומר המוצק, הגבישי ועוד, היו מהישגיה הראשונים. בלעדי תורה זו לא היו בידינו התקנים כמו לייזר וטרנזיסטור ולא היה בידינו להסביר את תהליך הבעירה של הכוכבים. התורה הקוונטית עולה בקנה אחד עם המציאות והיא מגיעה לדרגת דיוק שלא הייתה כדוגמתה בפיזיקה, בכל הנוגע להתאמה בין ניבויי התיאוריה לבין תוצאות הניסויים.

מה קשור?

מהי תורת היחסות?  מהם עקרונות תורת היחסות הפרטית?  מהי הפיזיקה של החלקיקים?  מהי תרמודינמיקה?  חוקי פיזיקה

 

 הוסף הערה חדשה    שנה את ההגדרות בנוגע להערות