המכניקה הקלאסית, שפותחה לראשונה ע"י אייזק ניוטון במאה ה-17 [1], הייתה הצעד הראשון בדרך למדע הפיזיקה כפי שאנו מכירים אותו. בעקבותיה, נוצרו האופטיקה, האלקטרומגנטיות, התרמודינמיקה והרדיואקטיביות. בכולם נצפתה התאמה מופלאה בין החיזויים לתוצאות הניסוי. בתחילת המאה ה-20 נדמה היה שכל השאלות הגדולות של המדע כבר נענ. עם זאת, עדיין נותרו שאלות ללא מענה מספק. כפי שניסח זאת הלורד קלווין [2]: "היופי והצלילות של התיאוריה הדינמית, אשר טוענת כי החום והאור הינם אופנים של תנועה, כעת מעורפלים על ידי שני עננים...".
מה הם אותם "עננים" שהטילו ערפל על ההבנה המלאה? כיצד הם שינו לחלוטין את תפיסת העולם שלנו?

מעבר לפיזיקה הקלאסית
המכניקה הקלאסית והתורה האלקטרומגנטית הם כלים חזקים גם בימינו. בכל זאת, הן כשלו לענות על שתי בעיות מרכזיות בעולם הפיזיקה. בעיות אלו הן "העננים מערפלי ההבנה" אותם ציין הלורד קלווין בנאומו:

1. כיצד מתקדם הגל האלקטרומגנטי (הא"מ) בריק?
במאה ה-19, ניסויים רבים (למשל [3]) הראו שהאור (גל א"מ) נע בריק. לעומתו, כל הגלים האחרים שהיו מוכרים לאנושות התקדמו רק בתוך תווך כלשהו. למשל, גלי קול התקדמו באוויר, וגלי ים התקדמו בים. לכן הועלתה הסברה לפיה גם הגל האלקטרומגנטי צריך תווך כדי להתקדם. כלומר, קיים תווך בשם אתר העוטף הכל ושבו האור מתקדם. אחד הנסיונות החשובים לחקר האתר, ניסוי מיקלסון ומורלי [4], הוביל לפיתוחה של תורת היחסות הפרטית והכללית. כל הניסיונות למצוא את האתר כשלו [5][6], ולבסוף פותחו גישות אחרות להבנת תופעה זו. כיום אנו יודעים יודעים כי הגלים אכן מתקדמים בריק, כפי שיוסבר במאמר נפרד[7].

2. תופעות חשובות הקשורות לאור:
א. התפלגות הקרינה היוצאת מגוף שחור [8]: כל גוף בעל טמפרטורה גבוהה מהאפס המוחלט פולט קרינה. ניקח למשל גוף שחור, שהוא גוף הבולע קרינה באופן מושלם (ולכן הוא שחור) ופולט קרינה כתלות בטמפרטורה שלו בלבד. התורה הא"מ הקלאסית ניבאה שבאורכי גל הולכים וקטנים (שקול לאנרגיות הולכות וגדלות או לתדרים הולכים וגדלים), הפליטה תגדל לא גבול. בפועל הפליטה דווקא יורדת ככל שאנרגיית הקרינה הנפלטת גדלה. שוני זה נודע בתור קטסטרופת העל-סגול, שכן אור על-סגול הוא בעל תדר גבוה יותר מאשר האור הנראה, ולכן האפקט חזק יותר באור על סגול מאשר באור הנראה.

ב. האפקט הפוטואלקטרי [9]: תצפיות הראו שקרינה א"מ הפוגעת בחומר עשויה לשחרר ממנו אלקטרונים, אך רק אם לקרינה יש אנרגיה הגבוהה מאנרגיית סף כלשהי. כמו כן, זמני הפליטה מרגע ההארה הם מיידים. בפיזיקה קלאסית, הקרינה מעבירה אנרגיה לאטום באופן רציף, ולכן ניתן להמשיך ולהקרין את האטום עד שתועבר אנרגייה מספיקה לשחרור האלקטרון. לפיכך, התורה הא"מ הקלאסית שללה את קיומו של סף שהחל ממנו הפליטה מתרחשת. בנוסף, התורה הקלאסית לא ידעה להתמודד עם זמני הפליטה הקצרים.

ג. ספקטרומי הפליטה והבליעה עבור יסודות שונים [10]: בניסויים התגלה כי האנרגיות בהן אור נפלט או נבלע ביסודות מסוימים הן בדידות. כלומר, ישנה בליעה/פליטה רק עבור צבעים מסוימים של אור ולא עבור כל הספקטרום. לפי האלקטרומגנטיות הקלאסית, פליטה ובליעה תתרחש בכל הספקטרום, בניגוד לנצפה בניסוי.

שני נושאים מרכזיים אלו, שבסוף המאה ה-19 עדיין לא היו פתורים, הובילו לבסוף ליצירת שתי התורות הפיזיקליות החשובות ביותר של המאה ה-20: תורת היחסות ותורת הקוונטים. מתוך הכישלונות למצוא את "האתר האלקטרומגנטי" נולדה לה תורת היחסות הפרטית – הכלי המדויק ביותר של האנושות למדידת אורכים וזמנים בין מאורעות שונים המתרחשים ביקום. מתוך הכשלון להבין את התופעות שפירטנו להבנת האור, קמה תורת הקוונטים.

הקוונטום
אז מדוע לא מתרחשת קטסטרופת התדרים הגבוהים בספקטרום הגוף השחור?

מקס פלנק סיפק את הסנונית הראשונה שבישרה על בואה של המכניקה הקוונטית. פלנק ניסה להתאים ביטויים מתמטיים לתופעת הגוף השחור ומצא לבסוף פתרון שמעלים את קטסטרופת העל סגול. פתרון זה דרש לבצע הנחה שנראתה תמוהה מאוד לאותה תקופה: במקום להתייחס אל האור כגל רציף, עלינו לחשוב עליו כמורכב מפולסים בדידים! במילים אחרות – האור, או הגל האלקטרומגנטי, מורכב ממנות בדידות של אנרגיה, או מ"חלקיקים". מנות האנרגיה (energy quanta) הללו נקראו בשם "פוטונים" (photons), כלומר חלקיקי אור. הפוטונים היו הדוגמא הראשונה לחלקיקים בעלי מכניקה שונה לגמרי מהמכניקה הקלאסית, ולכן השם מכניקת הקוונטים.

עולם חדש בפתח
הנחה זו, של דיסקרטיות אל מול רציפות, הצליחה להסביר תופעות רבות במקומות בהם המכניקה הקלאסית כשלה. אולם, במקום בו מתקבלות תשובות, נוצרות שאלות חדשות, כמו למשל מהי הסיבה לבדידות הזו ואיך מגשרים בין הגדלים הבדידים של מכניקת הקוונטים לבין הרציפות של המכניקה הקלאסית? האם בהכרח הכל בדיד ביסוד? או שעדיין ישנם גדלים שהם רציפים?

במאמרים הבאים בסדרה נדון בשאלות אלו ובעוד רבות נוספות.