כבר אלפי שנים שבני האדם תוהים אם קיימים חלקיקי יסוד ומהו אופיים. במהלך המאה העשרים, בעקבות הולדתה של תורת הקוונטים, חלה התפתחות חשובה בנושא ונמצאה תשובה מפתיעה, שבה נדון בפוסט זה.

כבר לפני אלפי שנים החלו בני האדם לתהות אם ניתן לחלק את החומר עוד ועוד, או שמא קיימים חלקיקי יסוד שאינם ניתנים לחלוקה יותר. המפורסם שבהוגים היה הפילוסוף היווני דמוקריטוס, שהעלה את ההשערה שאכן קיימים ״אטומים״ שאינם ניתנים לחלוקה [1]. זוהי השערה כלל לא פשוטה ואינטואיטיבית, שהרי הניסיון היומיומי שלנו הוא שניתן לחלק כל כמות חומר שהיא לחלקים קטנים יותר. אם כך, מדוע שלא ניתן יהיה לחלק גוף קטנטן כלשהו לתתי גופים?

כאשר חושבים על הנושא מבחינה מתמטית, נראה שהחומר צריך להיות רציף, שהרי המספרים הממשיים הם רציפים, וכל מספר ניתן לחלק לשניים (או למספר אחר). אם כמות החומר מיוצגת על ידי מספר ממשי, מדוע שלא ניתן יהיה לחלק את החומר?

במשך שנים רבות נשארה השאלה בגדר פילוסופיה בלבד, אולם עם התפתחותה של הכימיה המודרנית, הפיזיקה הניסיונית והפיזיקה התאורטית, נראה שניתנה תשובה לשאלה. במהלך המאה התשע עשרה התגבשה הטבלה המחזורית של מנדלייב [2]. הטבלה רמזה על כך שחומרי היסוד בטבע מורכבים מאטומים, שהרכבם קובע את התכונות הכימיות של החומר. בראשית המאה העשרים ערך הפיזיקאי ארנסט רת׳רפורד [3] ניסוי של התנגשות חלקיקי אלפא (גרעין המכיל שני פרוטונים ושני נויטרונים) בחומר. ניתוח פיזור החלקיקים אישש את ההשערה שקיימים אטומים שבמרכזם גרעין קטנטן, שרדיוסו אחד חלקי עשרת אלפים מגודל האטום כולו.

בה בעת פיתח הפיזיקאי נילס בוהר מודל תיאורטי שהסביר את מבנה האטום: במודל של בוהר קיימים אלקטרונים (חלקיקים הטעונים במטען חשמלי שלילי) הסובבים באליפסות את הגרעין הטעון במטען חיובי, בדומה לסיבוב כוכבי הלכת סביב השמש. התפתחויות תיאורטיות וניסיוניות אלו רמזו לכך שייתכן שהחומר אכן לא ניתן לחלוקה אינסופית, כלומר שהוא איננו רציף אלא מורכב מחלקיקי יסוד, אולם הן לא ענו על השאלה: אם קיימים חלקיקי יסוד, מהי מהותם?

בתחילת המאה העשרים טען פיזיקאי צעיר בשם אלברט איינשטיין שהאור איננו רציף אלא מגיע במנות אנרגיה בדידות הנקראות "פוטונים". הטענה הנועזת הזאת הייתה קריטית בהסבר ה״אפקט הפוטואלקטרי״, שבגינו זכה איינשטיין בפרס נובל בפיזיקה. בכך הניח איינשטיין את היסודות לתורת הקוונטים, שאת אופיה המוזר (קרי האקראיות שמובנית בה) הוא דחה בהמשך חייו.

במהלך המחצית הראשונה של המאה העשרים התפתחה ונוסחה תורת הקוונטים בידי שרדינגר והייזנברג. לדידה של המכניקה הקוונטית, גדלים מסוימים, למשל אנרגיה, אינם בהכרח רציפים, אלא ניתנים באופן בדיד לעיתים. דוגמה לכך היא רמות האנרגיה באטומים, שחלקן בדידות וחלקן רציפות.

בעקבות התפתחותה של המכניקה הקוונטית התפתחה תורה מופשטת ונועזת עוד יותר הנקראת "תורת השדות הקוונטית". תורת השדות מדמה את כל מה שקיים בטבע למעין ים שקט. מדי פעם מופיע בים גל. הגל הזה הוא אנלוגיה לחלקיקי היסוד בטבע. על פי תורת השדות הקוונטית, קיימים חלקיקי יסוד הנושאים אנרגיה בסיסית. כל אנרגיה שנמדדת בטבע תהיה כפולה של האנרגיה היסודית, כלומר כל חומר מורכב מכפולה של חלקיקי היסוד (זהו תיאור מפושט, שבו אני מזניח אנרגיה הדדית בין חלקיקים).

הדבר המעניין בהסבר המופשט שמספקת תורת השדות, הוא שחלקיקי היסוד הם חסרי ממד, כלומר בעלי רדיוס אפס. האלקטרון למשל הוא ממש נקודה, במובן הגיאומטרי של המילה: אין לו נפח, אין לו רדיוס, הוא ממש בגודל אפס, אולם יש לו מסה [4]. כל הניסויים המתבצעים מדי יום במאיצי החלקיקים מאששים השערה זו: נראה שהאלקטרון הוא נקודה ואין לו שום מבנה פנימי. 

אף שנראה שלמרכיבי החומר אין גודל, כלומר החומר מורכב מנקודות חסרות נפח, הרי שהאלקטרון והגרעין מקיימים מבנה הנקרא אטום, והוא עצמו בעל נפח. זוהי הסיבה שאנו סבורים, מבחינה אינטואיטיבית, שלכל מסה יש נפח. אם אכן, כפי שנראה בניסוי וכפי שגורסת התאוריה, חלקיקי היסוד הם נקודתיים, הרי שנמצאה תשובה לשאלה הפילוסופית של דמוקריטוס: החומר איננו רציף ואיננו ניתן לחלוקה אינסופית, אלא מורכב מאבני בניין נקודתיות, חסרות מבנה פנימי, שאינן ניתנות לחלוקה. 

האם זהו סופו של הסיפור? לא ולא. אי אפשר לשלול את האפשרות שהאלקטרון נראה נקודתי, אבל הוא בעצם קטנטן ויום אחד יימצא שיש לו מבנה פנימי. מעבר לזה, על פי תורת המיתרים, חלקיקי היסוד הם בעצם אינם חלקיקים אלא מיתרים קטנטנים, שרוטטים בכמה אופני תנודה. כל אחד מאופני התנודה נראה כחלקיק מסוג אחר [5].

אם תורת המיתרים תאושש, ויתברר לנו שאבני היסוד של החומר הן מיתרים ולא חלקיקים, תהיה זאת מהפכה עצומה בפיזיקה.

בתמונת הנושא: התנגשות של חלקיקים, כפי שנצפתה בגלאי החלקיק "אליס" במאיץ של מעבדת החלקיקים CERN בז׳נבה. מקור: Pcharito - CC BY-SA 3.0, commons.wikimedia.org

עריכה: ינון קחטן

הערות והרחבות:

[1] אטום 

[2] הטבלה המחזורית 

[3] ארנסט רתפורד 

[4] גודלו של האלקטרון 

[5] תורת המיתרים