דואליות החומר

מכאניקת הקוונטים

המכאניקה הקלאסית (או המכאניקה הניוטונית) יודעת לתאר היטב מבחינה מתמטית את העולם הסובב אותנו כשמדובר בגופים גדולים. כפי שראינו, כאשר אנו באים לתאר מבחינה מתמטית את התנהגותם של קרינה ושל חומר ברמה האטומית נראה שהחוקים המוכרים לנו מהמכאניקה הקלאסית מתנהלים באופן שונה ולפעמים אף משונה.

כדי להסביר את ההתנהלות השונה שלפיה מתנהגים הקרינה והחומר ברמה האטומית פותחה תורה פיזיקאלית חדשה והיא מכאניקת הקוונטים.

מכאניקת הקוונטים התפתחה בתחילת המאה העשרים ופיתוחה נמשך כשלושה עשורים על-ידי מספר מצומצם של פיזיקאים ומתמטיקאים. בבסיסה של התורה הפיזיקאלית החדשה עומדים העקרונות החדשים הבאים, שאותם כבר למדנו ואנו מכירים. בפרק זה רק נציג אותם יחד במרוכז ובקצרה:

קוונטות – אנרגיה, מהירות, מיקום פיזי וזמן כל אלו נמדדים לא בצורה רציפה, אלא במנות – קוונטות.

עיקרון זה התגלה לראשונה על-ידי מקס פלאנק שחקר את הקרינה הנפלטת מגוף שחור. אלברט איינשטיין אימץ עיקרון זה בבואו להסביר את האפקט הפוטו-אלקטרי. נילס בוהר השתמש בו כדי לתאר את המסלולים הבדידים סביב הגרעין שהאלקטרון יכול להימצא בהם.

האור כמנות אנרגיה – את האור (וכל קרינה אלקטרומגנטית) ניתן לראות כמורכב ממנות אנרגיה הנקראות פוטונים.

בהסבר שנתן לתופעת האפקט הפוטואלקטרי השתמש אלברט איינשטיין לראשונה במושג מנת אנרגיה כדי לתאר את תופעת האור. בעזרת הקניית המושג פוטון, שהינו מנת אנרגיה, ניתן היה להשאיר את דואליות האור בעינה, שכן מנת האנרגיה אינה מחייבת שהאור יהיה גל או חלקיק. נילס בוהר השתמש במודל אטום המימן שלו במנות האנרגיה כדי לתאר כיצד האלקטרון יכול לעבור בין המסלולים הבדידים שסביב הגרעין תוך כדי פליטת או קליטת פוטון.

גליות החומר – לחומר יש אורך גל המאפיין אותו.

ההתנהגות הדואלית של האור גרמה לתהייה האם גם לחומר יש התנהגות דואלית. לואי דה ברויי היה הראשון שפיתח קדימה נושא מחקר זה. הוא מצא כי ניתן למצוא את אורך הגל המתאים להתנהגות הגלית של חומר. אכן נמצא כי לאלקטרונים יש התנהגות גלית, כדוגמת התאבכות, המאופיינת באורך גל מסוים. גילוי התכונה הגלית של האלקטרונים אפשר לוורנר הייזנברג ולארווין שרדינגר לבנות מודל קוונטי למבנה האטום בו האלקטרונים מתקיימים סביב הגרעין כפונקצית גל.

עיקרון אי-הוודאות – לא ניתן לדעת בו-זמנית בוודאות את מיקומו של חלקיק וגם את מהירותו.

וורנר הייזנברג גילה עיקרון זה הנובע מהגדלים הקטנים בהם עוסקת מכאניקת הקוונטים. עיקרון זה מגלם בתוכו את העובדה שלא ניתן לצפות מראש את מסלול תנועתו של החלקיק. למרות זאת, כן ניתן להעריך את ההסתברות של החלקיק להתקדם בכל מסלול אפשרי מתוך סך המסלולים האפשריים העומדים בפניו.

מכל העקרונות שלעיל ניתן לתאר עבור הישות הגלקיק, המחליפה את החלקיק ואת הגל, אוסף של מצבים קוונטים בדידים אליהם היא יכולה להגיע ברגע הבא. לאוסף המצבים הקוונטים הללו יש פונקצית הסתברות המתארת את הסיכוי של הגלקיק להגיע לכל מצב ומצב.

הישות הקוונטית מתקדמת בזמן ממצב קוונטי בדיד אחד למצב קוונטי בדיד שני לפי פונקצית הסתברות. לא ניתן לחזות מראש את התוצאה הסופית של התהליך ההסתברותי הזה וגם לא ניתן על סמך התוצאה הסופית להקיש אחורה לגבי מסלול ההתקדמות המדויק.

במכאניקה הקלאסית כל התהליכים הם דטרמיניסטיים וכל התוצאות הן וודאיות. במכאניקה הקלאסית יש סיבתיות – בהתקיים סיבה מסוימת יתבצע מעבר ממצב א' למצב ב'. במכאניקת הקוונטים אין סיבתיות, התהליכים אינם דטרמיניסטיים והתוצאות אינו וודאיות. הכול תלוי בפונקצית ההסתברות. הכנסת פונקצית הסתברות לתהליך פיזיקאלי היא דבר מהפכני. לא קל היה לקבל את העובדה שבענף המדע, שוודאות ודיוק תמיד עמדו בבסיסו, תהיה קיימת תורה פיזיקאלית חדשה שבה ההסתברות משחקת תפקיד מרכזי ושהתוצאות אינן ידועות מראש בוודאות. אמרתו המפורסמת של איינשטיין ש- "אלוהים לא משחק בקוביות" מייצגת בצורה יפה קושי תפיסתי זה.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - קרינה וחומר | קרינה וחומר - דואליות החומר : גלי דה ברויי | עקרון אי-הוודאות | המודל הקוונטי למבנה האטום | מכאניקת הקוונטים | המודל הקוונטי-הסתברותי של אור וחלקיקים | עקרונות ההשלמה וההתאמה של בוהר | סיכום ]