ראשית, מהו אפקט קוונטי? 

זוהי תופעה שאינה יכולה להתרחש על פי חוקי הפיזיקה הקלאסית. אפשר לזהות תופעות קוונטיות רק בהתנהגות של גופים קלים או קטנים מאוד: מאלקטרונים, דרך פרוטונים ועד מולקולות. לדוגמה, חלקיקים כאלה מתנהגים כאילו הם קיימים בו-זמנית בכמה מצבים, ובמעבר מנקודה לנקודה הם יכולים לנוע בכמה מסלולים בעת ובעונה אחת. בשונה מפיזיקה קוונטית, שעוסקת בחלקיקים הקטנים ביותר בטבע - כוכבים, או בשם אחר שמשות, הם בין הגופים הגדולים ביותר שבנמצא, ולכן זה מאוד לא צפוי שחוקים קוונטיים ישלטו בחייו של כוכב.

שמשות הן בתי חרושת לאטומים. 

מחזור החיים של כוכב נפתח בענן מימן שמתכווץ ונדחס בהדרגה. הדחיסה מעלה את הטמפרטורה במרכז הענן, והיא ממשיכה לעלות עד לשלב שבו היא גבוהה מספיק כדי להטיח את גרעיני אטומי המימן זה בזה. התהליך גורם להם להיצמד זה לזה ולהפוך להליום שהוא אטום כבד יותר ממימן, ומייצר אנרגיה עודפת שמתדלקת את המשך התהליך עצמו. בשלבים הבאים אטומי ההליום מותכים ביחד, חוברים זה לזה והופכים לאטומים כבדים יותר ויותר: פחמן, חמצן וכך הלאה, עד שנוצרים אטומים של ברזל. מכאן התהליך כבר איננו מייצר עודף אנרגיה ולכן הוא נעצר. הכוכב מתחיל להתקרר ומתכווץ מבפנים עד שהמעטפת שלו נשארת "תלויה באוויר". בסופו של דבר המעטפת קורסת ומתרסקת על ליבת הכוכב בפיצוץ אדיר שנקרא סופרנובה (לקריאה בהרחבה על מוות של כוכבים [1]).

תוך כדי הפיצוץ ומן האנרגיות העצומות הנובעות ממנו נוצרים היסודות הכבדים יותר מברזל, כגון זהב ואורניום. כל השמחה הזאת נזרקת לחלל בעננה של חומר שמתפזרת לכל עבר. לכוכב גדול מספיקות כמה עשרות מיליוני שנים לעבור את כל התהליך, ואילו השמש שלנו היא כוכב קטן וקל שמייצר הליום בלבד במשך מיליארדי השנים האחרונות ולא תתקדם מעבר לזה. 

למעשה, השמש כל כך קטנה, שמבחינת הפיזיקה הקלאסית הלחץ והטמפרטורה בתוכה כלל לא היו אמורים להדליק את תהליך ההיתוך [2]. תנאי הלחץ והטמפרטורה שבשמש אינם גבוהים מספיק כדי להצמיד את גרעיני המימן זה לזה. הקושי להצמיד את גרעיני המימן נובע מכך שיש ביניהם דחייה הדדית חזקה עקב מטענם החשמלי.  

אז מדוע בכל זאת הם מתנגשים? בזכות אפקט המנהרה הקוונטי (או בשם אחר, תופעת המנהור הקוונטי) שעליו תוכלו ללמוד מן הסרטון ולקרוא כאן [3] .

כאשר בין גרעיני המימן פועל כוח הדחייה הם באמת שומרים מרחק, חוץ משיעור קטן מאוד מהם. החלק הקטן הזה מתוך כלל אטומי המימן נע בכיוון שהוא בלתי אפשרי לפי התפיסה הקלאסית אבל אפשרי לפי אפקט המנהרה הקוונטי - הפוך לכוח הדחייה הפועל עליהם, והם נצמדים זה לזה. ההסתברות לכך נמוכה מאוד, מה שמסביר את השיעור הנמוך של אטומי המימן המשתתפים בתהליך. כתוצאה מכך השמש שלנו מכלה את המימן שלה בקצב איטי מאוד ויציב. לכן השמש יכלה להמשיך בזה במשך מיליארדי שנים כדי לאפשר מספיק זמן להתפתחות החיים כאן. כידוע, נדרשו כחצי מיליארד שנים עד להופעת החיים הראשונים בכדור הארץ, בצורת יצורים חד-תאיים, ועוד כשני מיליארד שנים עד להופעת חיים רב-תאיים. 

אם השמש שלנו מייצרת רק הליום, מאיפה הגיעו שאר היסודות - חמצן, פחמן, ברזל - שמהם אנו מורכבים? התשובה היא מהסופרנובה בתחילת הסיפור. כוכב גדול שהתפוצץ ופיזר אטומים של כל היסודות בחלל, בסביבת השמש הקדומה שלנו. האטומים התקבצו והפכו לכוכבי לכת, ועל אחד מהם (לפחות) התפתחו חיים. אז בפעם הבאה שאתם מסתכלים במראה, תדעו שמה שנשקף ממנה הוא אסופה של חומרים שהיו בתוך שמש ענקית שהתפוצצה לפני כחמישה מיליארד שנים. כל אחד מאיתנו הוא חלק ממה שנשאר ממנה. מגניב, נכון?! [4]

מאת: איל כהן. בוגר הטכניון בפיזיקה ובעל התמחות בתחום שעונים קוונטיים וגלאי כבידה. דוקטור לפסיכולוגיה בתחום מדעי העצב. כיום מורה לפיזיקה ובינה מלאכותית במרכז לחינוך מדעי (חמד"ע) בתל אביב.

עריכה: גליה הלוי שדה

מקורות

1. כוכבים: כרוניקה של מוות ידוע מראש
2. השמש היא כור היתוך גרעיני
3. מנהור קוונטי
4. השמש לא הייתה זורחת ללא פיזיקה קוונטית