נגישות
headline
Error processing SSI file




דואליות החומר


המודל הקוונטי-הסתברותי של אור וחלקיקים

מכאניקת הקוונטים התפתחה במהלך המאה העשרים. יריית הפתיחה הייתה באבחנה של פלאנק שקרינת גוף שחור נפלטת בתדרים בדידים אותם ניתן לשייך למנות אנרגיה בדידות – קוונטים של אנרגיה. איינשטיין נשען על הגדרת הקוונטים כדי להסביר את התופעה הפוטואלקטרית תוך כדי שהוא מייחס תכונות חלקיקיות לאור – הם הפוטונים. בהמשך הציג בוהר מודל לאטום המימן שכלל מסלולים אפשריים בדידים לאלקטרונים המאופיינים ברמות אנרגיה בדידות. דה-ברויי השלים את התמונה עם הצגת התמונה ההפוכה של חשיפת תכונות גליות של החלקיקים.

האור מתגלה כתופעה גלית מצד אחד וכבעל תכונות חלקיקיות מצד שני. גם בחלקיקים מתגלה דואליות זו בעזרת פיתוח הנוסחה לחישוב אורך הגל של חלקיקים על-ידי דה-ברויי. מושג הגלקיק, שילוב של גל ושל חלקיק, מתאר את הישויות שאנו קוראים להם אור וחלקיקים.

אז מתי האור הוא גל ומתי הוא חלקיק ומתי האלקטרון הוא חלקיק ומתי הוא גל?

התשובה לכך היא שאין לראות את האור כגל פיזיקאלי ואין לראות את החומר כעשוי חלקיקים. במקום זאת יש לראות את האור ואת כלל הקרינה וגם את החלקיק ואת כלל החומר בטבע כישויות מתמטיות או יותר מדויק כישויות קוונטיות. התכונה הגלית או החלקיקית של אותה ישות קוונטית מתגלית בהתאם לאופי המדידה המתבצעת.

ננסה להמחיש זאת בעזרת תיאור הניסוי הבא:

ברשותנו מחסום שבו חריץ אחד ואחריו מסך צילום הרגיש לאור. עוד ברשותנו פנס מיוחד המשחרר פוטון אחד בלבד בכל פעם. כך יעבור דרך החריץ הבודד פוטון אחד בכל פעם. כל פוטון פוגע במסך בנקודה אקראית, אך באזור מוגבל ממול לחריץ. הסתברות גבוהה יותר יש לפגיעת החלקיק בנקודה שממול מרכז החריץ. ההסתברות לפגיעת החלקיק בנקודה המרוחקת מנקודה זו הולכת וקטנה עם המרחק. לאט לאט אחרי מעבר של עוד פוטון דרך החריץ הבודד ופגיעה שלו במסך נתחיל לקבל כתם אור בהיר מאוחד. כתם האור הוא כצורת עיגול שמרכזו בהיר מאוד, עדות לפגיעת פוטונים רבים, ושוליו בהירים במידה ההולכת ופוחתת.

ניסוי עם חריץ ראשון בלבד


נוסיף חריץ שני במחסום, נסגור את החריץ הראשון ונחזור על אותו התהליך בדיוק. כעת נקבל את אותו כתם אור, רק מול החריץ השני.

ניסוי עם חריץ שני בלבד


כעת, נפתח את החריץ הראשון שסגרנו. כך שהפעם יהיו שני חריצים פתוחים במחסום. גם הפעם יפלוט הפנס פוטון בודד אחד בכל פעם. כל פוטון יעבור או דרך החריץ הראשון או דרך החריץ השני. אם היה האור חלקיקי בלבד, אז הרי שהיינו מצפים שזרם חלקיקי הפוטונים יגרום כעת להיווצרות שני כתמי אור על המסך, כתם אחד מול כל חריץ. אך לא כך הדבר. הפעם התקבלה על המסך תבנית של פסי אור ופסי חושך – תמונה של התאבכות של שני גלים.

ניסוי עם שני חריצים (האור כחלקיק)


כדי לקבל את תמונת ההתאבכות הפוטונים הפוגעים במסך צריכים להימנע מלפגוע באזורים במסך שמקודם הם פגעו בהם ולפגוע יותר באזורים אחרים. תמונת ההתאבכות מתקבלת, כאמור, רק כששני החריצים פתוחים. נשאלת השאלה כיצד "יודע" הפוטון העובר דרך אחד החריצים שיש עוד חריץ ולכן עליו להימנע מלפגוע באזורים מסוימים במסך ולהגיע יותר לאזורים אחרים?

התשובה לכך היא שאין לפרש את האור כזרם של חלקיקי פוטונים בלבד, אלא יש לייחס לו תכונות גליות. אין לראות את האור כמורכב מחלקיקים החייבים לעבור פיזית רק דרך חריץ אחד בלבד. במקום זאת, יש לפרש את האור כמורכב מקוונטות של אנרגיית אור (פוטון) שיוצאות מהפנס ושיש להן גם תכונות גליות. התכונות הגליות מעניקות לקוונטות האור את התכונה לעבור בו-זמנית דרך שני החריצים שבמסך וכך מתקבלת תמונת התאבכות על המסך!

ניסוי מחשבתי זה הינו דוגמה טובה לדואליות של האור. מצד אחד האור הינו זרם של חלקיקים נושאי מנת אנרגיה בודדת כל אחד, כלומר פוטונים, הפוגעים כל אחד בנקודה מסוימת במסך ומשאירים סימן פגיעה בה. מצד שני, כאשר ישנם שני חריצים פתוחים באה לידי ביטוי התכונה הגלית של האור. בזכות התכונה הגלית מתקבלת תמונת התאבכות על המסך שלא הייתה יכולה להיווצר לו היה האור רק זרם של חלקיקים. תמונת ההתאבכות מתקבלת בהכרח משני מקורות גליים (לפחות) – לכן לאור גם תכונה גלית שאפשרה לו להתפצל לשני החריצים.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - קרינה וחומר | קרינה וחומר - דואליות החומר : גלי דה ברויי | עקרון אי-הוודאות | המודל הקוונטי למבנה האטום | מכאניקת הקוונטים | המודל הקוונטי-הסתברותי של אור וחלקיקים | עקרונות ההשלמה וההתאמה של בוהר | סיכום ]