בטח שמעתם שפיזיקת הקוונטים היא מוזרה ומשונה ואינה מצייתת לחוקי הפיזיקה שהתרגלתם אליהם. זה בהחלט נכון במידה רבה. יש סיבה שפיזיקאים נאלצו לפתח תיאוריה חדשה ולא לסמוך על הישנים שיסבירו מה קורה בעולם של הקטנים ביותר.
במבוא זה למכניקת הקוונטים תלמד כיצד מדענים ניגשים להתנהגות קוונטית ולתופעות קוונטיות וכן מאיפה נובעים הרעיונות הללו.
מהי מכניקת קוונטים?
אכן יש הרבה מוזרות בעולם הקוונטים. מכניקת הקוונטים היא ענף הפיזיקה שמנסה להסביר את המוזרות הזו ולספק מסגרת המאפשרת חיזויים והסברים על תופעות שנצפו.
היבטים בסיסיים של מכניקת הקוונטים כוללים את מושג הכימות. כלומר, קיימת יחידה קטנה ביותר של משהו שאי אפשר לפרק עוד יותר. אנרגיה היא כימות, כלומר היא מגיעה ביחידות דיסקרטיות.
גודל היחידות הכמותיות נכתב בדרך כלל במונחים של קבוע של פלאנק, ח = 6.62607004 × 10-34 M2ק"ג / שנייה.
היבט נוסף של מכניקת הקוונטים הוא התפיסה שלכל החלקיקים יש למעשה דואליות של גל חלקיקים, כלומר לפעמים הם פועלים כחלקיקים ופעמים אחרות פועלים כגלים. למעשה, הם מתוארים על ידי פונקציית גל כביכול.
המוזרות הקוונטית כוללת את התפיסה שאם חלקיק מתנהג כמו גל או לא, איכשהו תלוי באופן בו אתה מחליט להסתכל עליו. כמו כן, נראה כי לתכונות מסוימות של חלקיק - כמו כיוון הסיבוב שלו - אין ערך מוגדר היטב עד שמודדים אותם.
זה נכון, זה לא רק שאתה לא יודע עד למדידה, אבל הערך המובהק בפועל לא קיים עד המדידה.
השווה והשווה בין פיזיקה קוונטית לפיזיקה קלאסית
ניתן להבין את מכניקת הקוונטים בצורה הטובה ביותר על ידי השוואתה לפיזיקה קלאסית, שהיא הפיזיקה של אובייקטים יומיומיים שכנראה שאתה מכיר יותר.
ההבדל העיקרי הראשון הוא באילו תחומים כל ענף מתייחס. הפיזיקה הקלאסית מתאימה מאוד לחפצים בגדלים יומיומיים, כגון כדור מושלך. מכניקת הקוונטים חלה על עצמים קטנים מאוד, כמו פרוטונים, אלקטרונים וכן הלאה.
בפיזיקה הקלאסית, לחלקיקים ולאובייקטים מיקום ומומנטום מובחנים בכל נקודת זמן נתונה, ושניהם תמיד יכולים להיות ידועים במדויק. במכניקת הקוונטים, ככל שאתה מכיר את מיקום האובייקט באופן מדויק יותר, אתה יודע פחות את המומנטום שלו. לא תמיד יש חלקיקים ומומנטום מוגדרים היטב. זה נקרא עקרון אי הוודאות של הייזנברג.
הפיזיקה הקלאסית מניחה שערכי האנרגיה שמשהו יכול להיות רציפים. אולם במכניקת הקוונטים אנרגיה קיימת בנתחים בדידים. חלקיקים תת-אטומיים כגון אלקטרונים באטומים, למשל, יכולים לתפוס רק רמות אנרגיה מובחנות ולא שום ערכים שביניהם.
גם האופן שבו עובדת סיבתיות שונה. הפיזיקה הקלאסית היא סיבית לחלוטין, כלומר הידע על מצבים ראשוניים מאפשר לך לחזות בדיוק מה יקרה.
למכניקת הקוונטים יש גרסה אחרת של סיבתיות. חלקיקים מתוארים על ידי מכני קוונטי תפקוד גלים, אשר נותן הסתברויות יחסית למה שהוא עשוי לעשות במדידה. פונקציית גל זו עוקבת אחר חוקים מסוימים בפיזיקה כיצד היא "מתפתחת" בזמן ומשאירה אותך עם "ענני הסתברות" צפויים של מה שהמדידה עשויה לתת.
האנשים שמאחורי תורת הקוונטים
מדענים מפורסמים רבים תרמו לאורך השנים לתורת הקוונטים, ורבים זכו בפרסי נובל על תרומתם. ואכן, גילוי ופיתוח מכניקת הקוונטים היה מהפכני. ראשיתה של תורת הקוונטים ניתן לייחס לשנות ה -1800.
- הפיזיקאי מקס פלאנק הצליח להסביר את תופעת קרינת הגוף השחורה על ידי כימות האנרגיה.
- מאוחר יותר פיתח אלברט איינשטיין הסבר על אפקט פוטואלקטרי על ידי התייחסות לאור לחלקיק במקום לגל ולהעניק לו ערכי אנרגיה מכמתים.
- נילס בוהר מפורסם בעבודתו על אטום המימן, שם הצליח להסביר קווי ספקטרום במונחים של עקרונות מכניים קוונטיים.
- לואי דה ברוגלי הציג את הרעיון כי חלקיקים קטנים מספיק - כמו אלקטרונים - מציגים גם דואליות של גל חלקיקים.
- ארווין שרדינגר פיתח את המפורסם שלו משוואת שרודינגר, המתאר כיצד פונקציות גל מתפתחות בזמן.
- ורנר הייזנברג פיתח את עקרון אי - הוודאות, שהוכיחו כי לא ניתן לדעת בוודאות לא על מיקום או מומנטום של חלקיק קוונטי.
- פול דיראק ניבא קיומו של חומר אנטי-חומר ועשה צעדים לקראת התאמת תורת היחסות הכללית עם תורת הקוונטים.
- ג'ון בל ידוע במשפט בל, שהוכיח כי לא היו משתנים נסתרים. (במילים אחרות, זה לא רק שאתה לא יודע חלקיק קוונטי סיבוב או מאפיין אחר לפני המדידה, אך למעשה אין לו ערך מוגדר היטב לפני המדידה.)
- ריצ'רד פיינמן פיתח את תורת האלקטרודינמיקה הקוונטית.
פרשנויות שונות של מכניקת הקוונטים
מכיוון שמכניקת הקוונטים כל כך מוזרה וכל כך אינטואיטיבית, מדענים שונים פיתחו פרשנויות שונות שלה. המשוואות המנבאות מה קורה הן דבר אחד - אנו יודעים שהן עובדות מכיוון שהן עולות בקנה אחד עם תצפיות - אך להבין למה הם באמת מתכוונים הוא עניין פילוסופי יותר והיה נתון להרבה עימות.
איינשטיין אפיין את הפרשנויות השונות על בסיס ארבע תכונות:
- ריאליזם, הנוגע לשאלה האם מאפיינים באמת קיימים לפני המדידה.
- שלמות, העוסקת בשאלה האם תורת הקוונטים הנוכחית שלמה או לא.
- ריאליזם מקומי, תת קטגוריה של ריאליזם הנוגעת האם ריאליזם קיים ברמה מקומית ומיידית.
- דטרמיניזם, הנוגע למידת האמונה שמכניקת הקוונטים היא דטרמיניסטית.
הפרשנות הסטנדרטית של מכניקת הקוונטים נקראת פרשנות קופנהגן. הוא גובש על ידי בוהר והייזנברג בעת שהותם בקופנהגן בשנת 1927. במהותו, פרשנות זו קובעת כי כל מה שחלקיק קוונטי הוא וכל מה שניתן לדעת עליו מתוארים על ידי פונקציית הגל. במילים אחרות, כל המוזרות של מכניקת הקוונטים היא באמת כל כך מוזרה וכך הדברים באמת.
נקודת מבט חלופית היא הפרשנות של עולמות רבים, המבטלת את התוצאות ההסתברותיות של הקוונטים תצפיות בקביעה כי כל התוצאות האפשריות אכן מתרחשות, אך בעולמות שונים שהם ענפים של הזרם שלנו מְצִיאוּת.
תיאוריות משתנות נסתרות קובעות כי יש יותר בעולם הקוונטי שיאפשר לנו לחזות זאת אינם מבוססים על הסתברויות, אך עלינו לחשוף משתנים נסתרים מסוימים אשר יתנו לנו את התחזיות הללו. במילים אחרות, מכניקת הקוונטים אינה שלמה. משפט בל, לעומת זאת, הוכיח שמשתנים נסתרים אינם קיימים ברמה המקומית.
תיאוריית דה ברוגלי-בוהם, המכונה גם תורת גלי הפיילוט, מתייחסת לרעיון המשתנים הנסתרים בגישה גלובלית שאינה מנוגדת למשפט של בל.
באופן לא מפתיע, הרבה מאוד פרשנויות אחרות קיימות מכיוון שלמדענים היה יותר ממאה שנה לנסות ולהבין את הטבע המוזר באמת של העולם הקוונטי.
ניסוי ה- EPR
בדרך נערכו ניסויים מפורסמים רבים שהובילו והוכיחו היבטים שונים של תורת הקוונטים.
ניסוי אחד מאוד מפורסם הוא ניסוי ה- EPR, על שם המדענים איינשטיין, פודולסקי ורוזן. ניסוי זה עסק ברעיון ההסתבכות במערכת קוונטית. שקול שני אלקטרונים, לשניהם תכונה הנקראת ספין. הסיבוב שלהם, במדידה, נמצא במצב למעלה או במצב למטה.
כאשר מודדים את הסיבוב של אלקטרון בודד, יש לו סיכוי של 50 אחוז להיות למעלה ו 50 אחוז סיכוי להיות למטה. לא ניתן לחזות מראש את התוצאות לפי מכניקת קוונטים. בניסוי זה, לעומת זאת, שני אלקטרונים מסתבכים כך שהסיבוב המשולב שלהם הוא 0. עם זאת, לפי מכניקת קוונטים, אנחנו עדיין לא יכולים לדעת איזה מהם מסתובב למעלה ואיזו מסתובב למטה, ואכן אף אחד מהם לא נמצא בשני העמדות ובמקום זאת נאמר שהוא נמצא בסופרפוזיציה של שניהם מדינות.
שני האלקטרונים הסבוכים הללו נשלחים לכיוונים מנוגדים למכשירים שונים אשר ימדדו את הסיבובים שלהם בו זמנית. הם רחוקים זה מזה במהלך המדידה, כי אין זמן לאף אלקטרון לשלוח איזה "אות" בלתי נראה לשני כדי ליידע אותו כיצד נמדד הסחרור שלו. ובכל זאת, כאשר המדידה מתרחשת, נמדדת שתיהן בעלות ספין הפוך.
החתול של שרודינגר
החתול של שרודינגר הוא ניסוי מחשבה מפורסם שנועד להמחיש את המוזרות של התנהגות קוונטית וגם את התמונה שאלה למה באמת מתכוונים במדידה והאם אובייקטים גדולים - כמו חתול - יכולים להציג קוונטים התנהגות.
בניסוי זה אומרים כי חתול נמצא בקופסה כך שלא יוכל לצפות בו על ידי המתבונן. חיי החתול תלויים באירוע קוונטי - למשל, אולי כיוון הסיבוב של האלקטרון. אם הוא מסתובב, החתול מת. אם הוא מסתובב למטה, החתול חי.
אבל מצב האלקטרון מוסתר מהמתבונן כמו גם החתול שבתיבה. אז השאלה הופכת, עד שאתה פותח את התיבה, האם החתול חי, מת או גם באיזה סופרפוזיציה מוזרה של מצבים כמו האלקטרון עד למדידה?
היה סמוך ובטוח, עם זאת, אף אחד לא ביצע ניסוי כזה ואף חתול לא נפגע בחיפוש אחר ידע קוונטי!
נושאי פיזיקה קשורים
שנות ה 1900 היו תקופה בה הפיזיקה באמת המריאה. מכניקה קלאסית כבר לא יכלה להסביר את עולמם של הקטנים מאוד, את עולמם של גדולים מאוד או את עולמם של המהירים מאוד. ענפים חדשים רבים של הפיזיקה נולדו. בין אלה:
- תורת השדה הקוונטי:תאוריה המשלבת את רעיון השדות עם מכניקת הקוונטים ותורת היחסות המיוחדת.
- פיזיקת החלקיקים:שדה פיזיקה המתאר את כל חלקיקי היסוד ואת הדרכים בהן הם יכולים לתקשר זה עם זה.
- מחשוב קוונטי:שדה שמנסה ליצור מחשבים קוונטיים שיאפשרו עיבוד מהיר יותר וטוב יותר הצפנה בגלל האופן שבו פעולתו של מחשב כזה תתבסס על מכני קוונטי עקרונות.
- תורת היחסות המיוחדת:התיאוריה המתארת את התנהגותם של עצמים המתקרבים למהירות האור ומבוססת על התפיסה ששום דבר לא יכול לנוע מהר יותר ממהירות האור.
- תורת היחסות הכללית:התיאוריה המתארת את כוח המשיכה כעקמומיות בחלל-זמן.