סדרת מכניקת הקוונטים - חלק 3
01/06/2017
עקרון הדואליות בין גל לחלקיק הוא אחד העקרונות החשובים בפיזיקה המודרנית, ומהווה אבן יסוד בבסיס מכניקת הקוונטים. עיקרון זה פיצל בעבר את עולם הפיזיקה לשניים – אלו שטענו שהאור מורכב מחלקיקים (הבולט ביותר בצידוד בתאוריה זו הוא אייזק ניוטון), ולחליפין, אלו שטענו שהאור הוא גל (ביניהם רנה דקארט וכריסטיאן הויגנס). במשך זמן רב הביא כל צד תימוכין לטענה שלו, טיעונים שהצד שמנגד התקשה להפריך. עם ניסוח משוואות מקסוול והדגמת תופעות ההתאבכות והעקיפה על ידי הויגנס [1], נראה היה כי התיאוריה הגלית גוברת. זאת מכיוון שהתאבכות ועקיפה הן תופעות האופייניות לגלים.
התמונה התהפכה מספר שנים מאוחר יותר, עם גילויים חדשים שהביאו למסקנה שהאור דווקא עשוי חלקיקים. אחת הדוגמאות הבולטות לגילויים אלו היא ההבנה של תופעת הקרינה הנפלטת על ידי גוף שחור, עליה דיברנו בפוסט קודם [2]. הסבר האפקט הפוטואלקטרי [3] (עליו קיבל איינשטיין פרס נובל), וניסוח עיקרון אי הודאות של הייזנברג [4] (המקורי, לא ההוא משובר שורות...) הביאו למסקנה דומה.
שילוב הגילויים, הן ה"גליים" והן ה"חלקיקיים", הוביל לבסוף להגדרת האור כגל-חלקיק, כלומר לאור יש תכונות שאנו מייחסים לחלקיקים וגם תכונות שאנו מייחסים לגלים. תוצאה זו הייתה בלתי נמנעת, בהתחשב בכך שלכל אחת מהאפשרויות היו עדויות תומכות משמעותיות. עד כאן נשמע קצת מסובך, אבל הגיוני בסך הכל.
מצב זה נמשך תקופה ארוכה, עד לתחילת המאה ה-20, כשמדען צרפתי בשם לואי דה-ברויי טרף את הקלפים ושינה לעד את השקפתנו על השניות הזו. כשלואי דה-ברויי הגיש את עבודת הדוקטורט שלו באוניברסיטת פריז, הוא טען טיעון מהפכני - לא רק שאין יישוב פשוט לעיקרון הדואליות של האור, אלא למעשה עיקרון הדואליות חל על כל החלקיקים ולא רק על אור. כלומר, במקום לקבוע שהאור הוא גל או לחלופין חלקיק, דה ברויי טען כי כל החלקיקים "סובלים" מאותה תופעה - הם למעשה גם חלקיקים וגם גלים. דה ברויי טען שכל חלקיק יתנהג כמו גל.
משמעותה של טענה זו מרחיקת לכת - כל חלקיק (ובאופן דומה, כל גוף) בטבע יתנהג כמו גל ויראה תופעות כמו עקיפה והתאבכות למשל, אם נצליח ליצור מחסומים ומעברים בהתאם לאורך הגל הצפוי לאותו החלקיק. אלקטרון, כדור טניס ואפילו בן-אדם, יכולים לקיים תופעות גליות. תופעה זו הסבירה את שניות גל-חלקיק באופן שהיה מפתיע לתקופתו: האור מורכב מחלקיקים (חסרי מסה, אבל זה כבר סיפור אחר) שמתנהגים כמו גלים.
בשל העניין הרב שעוררה, התזה של דה ברויי נבדקה ואושרה על-ידי לא אחר מאשר אלברט איינשטיין. זאת למרות שבאותה עת עדיין לא היה אישוש ניסיוני לתופעה.
בשנת 1927 עמדה ההשערה של דה ברויי למבחן המעשי בפעם הראשונה, כאשר נבדקה בניסוי במעבדות בל שבארה"ב [5]. בניסוי זה הוכח כי אלקטרונים, שעד אז הוגדרו באופן חד-משמעי כחלקיקים, מסוגלים לבצע התאבכות ביניהם ובכך למעשה מתנהגים כמו גל. הניסוי כלל ירי של אלקטרונים דרך שני חריצים, ומדידת התמונה הנוצרת על מסך שניצב מעבר לחריצים. אכן, התגלה כי האלקטרונים יצרו על המסך תמונת פסים הזהה לתמונת ההתאבכות המצופה מגל. הניסוי העניק תוקף לתיאוריה של דה-ברויי, ובשנת 1929 הוענק ללואי דה-ברויי פרס נובל לפיזיקה על השערתו, ובכך למעשה הפך להיות האדם הראשון שקיבל פרס נובל על עבודת הדוקטורט שלו.
עבודתו המדהימה של דה ברויי שינתה מהיסוד את האופן שבו אנחנו תופסים את העולם שלנו. עבודה זו היא הבסיס להמצאות שימושיות כמו מיקרוסקופ האלקטרונים, שלו יכולת הגדלה הגבוהה פי כמה ממיקרוסקופ אופטי (מסוגל להביא להגדלה של פי 10,000,000 לעומת פי 1000 במיקרוסקופ אור נראה סטנדרטי). אף על פי שההשערה של דה ברויי נצפתה בניסויים מספר פעמים ואף הביאה לשימושים מעשיים, עדיין מכנים אותה "השערה" בשל המהפכניות שלה.
אז האם בני אדם הם בעצם גלים? התשובה היא שתאורטית, גם לישויות מאסיביות מאוד המורכבות ממספר רק מאוד של חלקיקים ניתן ליחס אורך גל, ואם נצליח ליצור מערכת שתהווה מחסום עם חריצים עבור אותו אורך גם, גם להן יהיה אופי גלי. נכון להיום, לא ניתן לצפות בתכונות הגליות של עצמים גדולים מאוד, והמולקולה הגדולה ביותר שהצליחו לראות בה התאבכות עד היום כללה 810 אטומים [6]. עדיין רחוק מבן אדם שלם...
מקורות וקריאה נוספת:
בעל תואר שני בפיזיקה שימושית והנדסת אלקטרואופטיקה. מהנדס מערכת בתחומי האופטיקה, הבקרה והאלקטרוניקה. בימים אלו מתמקד במחקר בתחום הלמידה העמוקה.
