top of page

לא רק אור: הכל הוא גל, כולל אתם

בשנת 1905, אלברט איינשטיין בן ה-26 הציע רעיון די שערורייתי: האור יכול להיות גם גל וגם חלקיק. הרעיון הזה מוזר בדיוק כפי שהוא נשמע. איך יכול להיות שמשהו הוא שני דברים כל כך שונים? חלקיק הוא קטן ומוגבל לחלל זעיר, בעוד שגל הוא משהו שמתפשט החוצה. חלקיקים פוגעים זה בזה ומתפזרים. גלים נשברים ומתפרקים. הם מוסיפים או מבטלים זה את זה בסופרפוזיציות. אלו התנהגויות שונות מאד.


הבעיה עם דואליות גל-חלקיק זו היא שלשפה יש בעיות להכיל את שתי ההתנהגויות המגיעות מאותו אובייקט. אחרי הכל, השפה בנויה מהחוויות והרגשות שלנו, מהדברים שאנחנו רואים ומרגישים. אנחנו לא רואים או מרגישים פוטונים באופן ישיר. אנו בודקים את טבעם באמצעות מערכי ניסוי, אוספים מידע באמצעות מוניטורים, מונים וכדומה.

ההתנהגות הכפולה של הפוטונים מופיעה כתגובה לאופן שבו אנו מקימים את הניסוי שלנו. אם יש לנו אור שעובר דרך חריצים צרים, הוא יוסט כמו גל. אם הוא מתנגש באלקטרונים, הוא יתפזר כמו חלקיק. אז, במובן מסוים, הניסוי שלנו, השאלה שאנו שואלים, הם שקובעים את הטבע הפיזי של האור. זה מכניס אלמנט חדש לפיזיקה: האינטראקציה של הצופה עם הנצפה. בפרשנויות קיצוניות יותר, נוכל כמעט לומר שכוונת הנסיין קובעת את הטבע הפיזי של מה שנצפה - שהמוח קובע את המציאות הפיזית. קשה לתפוס זאת, אבל מה שאנחנו יכולים לומר בוודאות הוא שהאור מגיב לשאלה שאנו שואלים בדרכים שונות. במובן מסוים, האור הוא גם גל וגם חלקיק, והוא לא שניהם.


זה מביא אותנו למודל האטום של בוהר. המודל שלו מצמיד אלקטרונים המקיפים את גרעין האטום למסלולים ספציפיים. האלקטרון יכול להיות רק באחד מהמסלולים האלה, כאילו הוא ממוקם על מסילת רכבת. הוא יכול לקפוץ בין מסלולים, אבל הוא לא יכול להיות ביניהם. איך זה עובד, בדיוק? בעיני בוהר זו הייתה שאלה פתוחה. התשובה הגיעה מהישג מדהים של אינטואיציה פיזיקלית, והוא חולל מהפכה בהבנתנו את העולם.


בשנת 1924, לואי דה ברויי, היסטוריון שהפך לפיזיקאי, הראה באופן מרשים למדי שהמסלולים דמויי השלבים של האלקטרון במודל האטומי של בוהר ניתנים להבנה אם האלקטרון מוצג כמורכב מגלים עומדים המקיפים את הגרעין. אלו גלים דומים לאלה שאנו רואים כאשר אנו מנערים חבל שמחובר בקצה השני. במקרה של החבל, תבנית הגלים העומדים מופיעה עקב ההפרעה הבונה וההורסת בין גלים ההולכים וחוזרים לאורך החבל. עבור האלקטרון, הגלים העומדים מופיעים מאותה סיבה, אך כעת גל האלקטרון סוגר על עצמו כמו אורובורוס, הנחש המיתולוגי שבולע את זנבו. כאשר אנו מנערים את החבל שלנו בעוצמה רבה יותר, תבנית הגלים העומדים מציגה יותר פסגות. אלקטרון במסלולים גבוהים יותר מתאים לגל עומד עם יותר פסגות.

שרטוט של תומס יאנג של עקיפה של גלים בשני חריצים, 1803

בתמיכתו הנלהבת של איינשטיין, דה ברויי הרחיב באומץ את הרעיון של דואליות גל-חלקיק מאור לאלקטרונים, ובהרחבה לכל עצם חומרי נע. לא רק אור, אלא חומר מכל סוג נקשר לגלים. דה ברויי הציע נוסחה המכונה אורך גל דה ברויי לחישוב אורך הגל של כל חומר עם מסה m שנע במהירות v. הוא שייך את אורך הגל λ ל-m ו-v - ובכך למומנטום p = mv - לפי היחס λ = h/ p, כאשר h הוא קבוע פלאנק. ניתן לדייק את הנוסחה עבור עצמים הנעים קרוב למהירות האור.


כדוגמה, לכדור בייסבול שנע במהירות 70 קמ"ש יש אורך גל דה ברויי משויך של כ-22 מיליארדית טריליון טריליון סנטימטר. ברור שאין הרבה גלים שם, ואנחנו צודקים בתיאור הבייסבול כאובייקט מוצק. לעומת זאת, לאלקטרון שנע בעשירית ממהירות האור יש אורך גל של כמחצית מגודלו של אטום מימן (ליתר דיוק, חצי מגודל המרחק הסביר ביותר בין גרעין אטום לאלקטרון במצב האנרגיה הנמוך ביותר שלו). בעוד שאופי הגל של בייסבול נע אינו רלוונטי להבנת התנהגותו, אופי הגל של האלקטרון חיוני להבנת התנהגותו באטומים. הנקודה המכרעת, עם זאת, היא שהכל גל. אלקטרון, בייסבול, ואתם.


הרעיון המדהים של דה ברויי אושר באינספור ניסויים. בשיעורי פיזיקה מדגימים כיצד אלקטרונים העוברים דרך גביש מוסטים כמו גלים, כאשר סופרפוזיציות יוצרות כתמים כהים ובהירים עקב התאבכות הורסת ובונה. אנטון ציילינגר, שחלק את פרס הנובל לפיזיקה בשנת 2022, דגל בהשתברות אובייקטים גדולים יותר, ממולקולת C60 בצורת כדור כדורגל (עם 60 אטומי פחמן) ועד מקרומולקולות ביולוגיות.


השאלה היא איך חיים תחת ניסוי השתברות כזה יתנהגו ברמה הקוונטית. ביולוגיה קוונטית היא חזית חדשה, כזו שבה דואליות הגל-חלקיק ממלאת תפקיד מפתח בהתנהגותם של יצורים חיים. האם חיים יכולים לשרוד סופרפוזיציה קוונטית? האם פיזיקת הקוונטים יכולה לומר לנו משהו על טבע החיים?

מקורות:

204 צפיות0 תגובות
bottom of page