סדרת הזמן - חלק 4
13/05/2018
פרק ד׳ - הזמן במכניקה קוונטית ובתורת השדות הקוונטית
בקטנה: בפוסט הרביעי בסידרת החלל והזמן נבחן איך תיאוריות קוונטיות משנות באופן מהותי את הצורה בה אנו חושבים על החלל והזמן.
מאת: עדי ארמוני ובועז קרני-הראל
בראשית המאה העשרים החלה להתהוות תורת הקוונטים. המכניקה הקוונטית הגיעה לניסוחה במחצית שנות העשרים בידי שרדינגר והייזנברג.
המכניקה הקוונטית, בניסוח הראשוני שלה, לא הצליחה לשלב בתוכה את תורת היחסות הפרטית ולפיכך ההיבטים המעניינים שבהם דנו בפרקים הקודמים על הזמן ועל תורת היחסות לא נכללו במכניקה הקוונטית, אולם המכניקה הקוונטית הכינה לנו הפתעות חדשות בנוגע למושג הזמן.
אחד העקרונות הבסיסיים במכניקה הקוונטית הוא עקרון אי-הודאות של הייזנברג. לפי עקרון זה יש זוגות מסוימים של גדלים פיזיקליים שלא ניתן למדוד במדוייק בו זמנית; ככל שנגדיל את דיוק המדידה של אחד מבני הזוג, כך יגדל אי הוודאות בידיעת בן הזוג השני. מעבר לכך, ככל שאנחנו מודדים את אחד מבני הזוג בדיוק רב יותר, כך נוכל למדוד את השני בדיוק קטן יותר. אחד מהזוגות האלה הוא אנרגיה וזמן. לדוגמה, כאשר אנו מודדים אנרגיה של פוטון הנפלט מאטום כלשהו. ככל שנדע את האנרגיה שלו בדיוק רב יותר, כך נדע מתי הוא נפלט בדיוק נמוך יותר, ולהפך.
הזמן אם כך, על פי הפרוש השמרני של תורת הקוונטים ("פרשנות קופנהגן״), איננו זורם באופן בלתי תלוי בנו, הצופים. ידיעתנו את הזמן תלויה באופן המדידה והיא מוגבלת באופן עקרוני.
לאחר ניסוח המכניקה הקוונטית, עמדה הפיזיקה בפני אתגר גדול: למזג את עקרונות תיאורית הקוונטים עם תיאורית היחסות הפרטית. הבעיה הגיעה לפתרון רק כעבור כ-20 שנה, באמצע שנות הארבעים של המאה הקודמת, עם פיתוחה של תיאורית השדות הקוונטית. אכן, תיאוריה זאת כוללת בתוכה את תיאורית היחסות הפרטית אך כמו בתיאוריות קוונטיות, מאפשרת חישובים של סיכויים לתהליכים בלבד, בהתאם לעקרון אי-הודאות.
תורת השדות הקוונטית הוסיפה אף מספר אלמנטים מפתיעים באשר לזמן. התברר שעל-מנת ליצור תאוריה הממזגת את תורת היחסות הפרטית עם תורת הקוונטים יש לכלול בתאוריה אנטי-חלקיקים. למשל הפוזיטרון הוא חלקיק זהה לאלקטרון במסתו אך מטענו החשמלי הוא הפוך. דרך מעניינת להסתכל על אנטי-חלקיקים היא כעל חלקיקים רגילים הנעים אחורה בזמן: נראה לנו שהפוזיטרון הוא בעל מטען חשמלי הפוך משל האלקטרון מאחר ומדובר באלקטרון הנע אחורה בזמן!
אתגר גדול מאוד הוא לאחד את תיאורית היחסות הכללית עם עקרונות קוונטיים. תורת המיתרים היא תורה שכזאת והיא אכן מספקת לנו הפתעות נוספות בנוגע לזמן. על-כך, ועל הפתעות נוספות, בפרק הבא.
עדי ארמוני הוא פרופסור לפיזיקה תיאורטית.
בועז קרני-הראל הוא דוקטור לפיזיקה תיאורטית.
<< לפוסט הקודם לפוסט הבא והאחרון בסדרה>>
פרופסור לפיזיקה תאורטית של חלקיקים אלמנטריים באוניברסיטת סוונסי. בעבודתו עוסק עדי בכרומודינמיקה קוונטית ובתורת המיתרים
