היקום הקוונטי

1 
משהו מוזר מתרחש 

קוונטום. מילה מעוררת מחשבה, אבל גם מבלבלת ומרתקת. היא עשויה להיות עדות להצלחה האדירה של המדע או דווקא סמל לטווח המוגבל של האינטואיציה האנושית הנאבקת להבין את המוזרות הבלתי נמנעת של העולם התת־אטומי - תלוי בהשקפה שלכם. עבור פיזיקאים, מכניקת הקוונטים היא אחד משלושת עמודי התווך שעליהם מושתתת ההבנה שלנו את הטבע; השניים האחרים הם תורת היחסות הפרטית ותורת היחסות הכללית של איינשטיין. התיאוריות של איינשטיין עוסקות בטבעם של החלל והזמן ובכוח המשיכה. מכניקת הקוונטים עוסקת בכל השאר, ואפשר לטעון כי בכלל לא חשוב אם היא מעוררת מחשבה, מבלבלת או מרתקת; זוהי פשוט תיאוריה פיזיקלית שמתארת את האופן שדברים מתנהגים. אם מעריכים אותה לפי קנה המידה הפרגמטי הזה, היא מדהימה בדיוק ובכוח ההסברי שלה. יש מבחן של האלקטרודינמיקה הקוונטית - התיאוריה הוותיקה והמובנת ביותר מבין תורות הקוונטים המודרניות - שמודדים בו התנהגות של אלקטרון בקרבת מגנט. פיזיקאים עיוניים עמלו במשך שנים, בעזרת עטים וניירות ומחשבים, כדי לנבא מה יהיו ממצאי הניסויים. במקביל, נסיינים בנו והריצו ניסויים עדינים שנועדו לחלץ את הפרטים הקטנים ביותר של הטבע. שני המחנות השיגו, באופן עצמאי, תוצאות מדויקות כל כך עד שהן שקולות למדידת המרחק מניו יורק למנצ'סטר בדיוק של סנטימטרים. עניין מרשים במיוחד הוא שהמספר שגילו הנסיינים דומה להפליא למספר שחישבו התיאורטיקנים; יש התאמה מוחלטת בין המדידה לחישוב.
מדובר בהישג מרשים, אבל גם אזוטרי, ואילו היה מיפוי העולם הזעיר עניינה היחיד של תורת הקוונטים, אפשר היה לסלוח לכל מי שתוהה על מה כל המהומה. המדע לא מחויב, כמובן, להיות שימושי, אבל רבים מהשינויים הטכנולוגיים והחברתיים שחוללו מהפכות בחיינו היו תוצאה של מחקר עומק שערכו חוקרים מודרניים מתוך מניע אחד ויחיד: להבין טוב יותר את העולם הסובב אותם. מסעות גילוי אלה בכל מחוזות המדע, מסעות שנולדו מתוך סקרנות, הביאו להארכה של תוחלת החיים, לטיסות בין־יבשתיות, למערכות תקשורת מודרניות, לשיחרור מהעמל המפרך של חקלאות המִחיה ולתמונה כוללת, מלהיבה ומעוררת השתאות של מקומנו בתוך ים אינסופי של כוכבים. אבל במובן מסוים, כל אלה תוצרי לוואי. אנחנו חוקרים משום שאנחנו סקרנים, לא משום שאנחנו שואפים לרכוש ראייה רחבה של המציאות או לפתח מכשירים טובים יותר.
תורת הקוונטים היא אולי הדוגמה הטובה ביותר למשהו אזוטרי לחלוטין שיכול להיהפך לשימושי עד מאוד. אזוטרי, משום שהיא מתארת עולם שבו חלקיק באמת יכול להיות בכמה מקומות בו זמנית, ויכול לנוע ממקום למקום דרך כל היקום בבת אחת. שימושי, משום שהבנת ההתנהגות של אבני הבניין הקטנות ביותר של היקום עומדת בבסיס ההבנה שלנו את כל שאר הדברים. טענה כזאת גובלת בהיבְּריס, שהרי העולם מלא תופעות מגוונות ומורכבות. אבל למרות המורכבות הזאת, גילינו שכל דבר מורכב מקומץ של חלקיקים זעירים המתנועעים בהתאם לחוקי תורת הקוונטים. חוקים אלה כה פשוטים עד שניתן לסכם אותם על גבי מעטפה. והעובדה שאיננו זקוקים לספרייה שלמה כדי להסביר את טבעם היסודי של הדברים היא אחת התעלומות הגדולות ביותר.
נראה כי ככל שאנחנו מבינים יותר את טבעו היסודי של העולם, כך הוא נראה פשוט יותר. בהמשך הדברים נסביר מהם החוקים הבסיסיים האלה, ואיך אבני הבניין הזעירות בונות בסתר את העולם. אבל כדי שלא נסתנוור מהפשטות המצויה בבסיס היקום, מן הראוי להשמיע אזהרה: חוקי המשחק הבסיסיים אכן פשוטים, אבל התוצאות שלהם לא בהכרח קלות לחישוב. החוויה היומיומית שלנו מוכתבת על ידי היחסים בין צבירים עצומים של טריליונים רבים של אטומים, וכל ניסיון להסיק התנהגות של צמחים ושל אנשים מתוך העקרונות הראשונים האלה משול לטירוף. אבל בהודאה הזאת אין משום צמצום של מה שנאמר קודם - כל התופעות באמת מבוססות על פיזיקת הקוונטים של חלקיקים זעירים. חִשבו על העולם הסובב אתכם. אתם מחזיקים ספר עשוי מנייר, שהוא עיסת עץ.₁ עצים הם מכונות המסוגלות לקבל אספקה של אטומים ומולקולות, לשבור אותם, ולסדר אותם מחדש במושבות המשתפות פעולה זו עם זו ומורכבות מטריליונים רבים של חלקים בודדים. הם עושים זאת בעזרת מולקולה שנקראת כלורופיל, המורכבת מיותר ממאה אטומי פחמן, מימן וחמצן המלופפים לכדי צורה מסובכת שנעוצים בתוכה כמה אטומי מגנזיום וחנקן. מקבץ זה של חלקיקים מסוגל ללכוד את האור שעובר את 150 מיליון הקילומטרים המפרידים בינינו לבין השמש שלנו, כבשן גרעיני בעל נפח כשל מיליון כדורי ארץ, ולהעביר את האנרגיה הזאת ללב התאים, שם היא משמשת לבניית מולקולות מפחמן דו־חמצני וממים - ותוך כדי כך לפלוט חמצן מעשיר חיים. שרשרות מולקולריות אלה הן שמהוות את התשתית של עצים וכל שאר הדברים החיים, וגם של הנייר בספר שבידיכם. אתם מצליחים לקרוא את הספר ולהבין את המילים משום שיש לכם עיניים שיכולות להמיר את האור המפוזר מהדפים לכדי דחפים חשמליים שאותם מפרש המוח - המבנה המורכב ביותר שאנחנו מכירים ביקום. גילינו שכל הדברים האלה אינם יותר מאשר מקבצים של אטומים, וכי המגוון הרחב של אטומים בנוי משלושה חלקיקים בלבד: אלקטרונים, פרוטונים וניטרונים. גילינו גם שהפרוטונים והניטרונים עצמם מורכבים מיֵשויות קטנות יותר שנקראות קווארקים, ובזה מסתכם הסיפור, ככל שאנחנו יכולים לומר כיום. ביסוד כל הדברים האלה עומדת תורת הקוונטים.
תמונת היקום שאנחנו חיים בו, כפי שמציירת אותה הפיזיקה המודרנית, היא לפיכך תמונה בעלת בסיס פשוט; תופעות אלגנטיות מרקדות ונמוגות בהדרגה, ובמקומן מופיע העולם המַקרוסקופי על שלל רכיביו. זהו אולי ההישג המזהיר של המדע המודרני - צמצום המורכבות העצומה של העולם, ובכלל זה יצורים אנושיים, לכדי תיאור ההתנהגות של קומץ חלקיקים תת־אטומיים ושל ארבעת הכוחות הפועלים ביניהם. התיאורים הטובים ביותר המצויים בידנו לשלושה מארבעת הכוחות האלה - הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש, הפועלים במעמקי גרעין האטום, והכוח האלקטרומגנטי שמדביק אטומים ומולקולות זה לזה - ניתנים על ידי תורת הקוונטים. רק לכוח הכבידה, הכוח החלש ביותר, אבל גם המוכר ביותר מבין הארבעה, עדיין אין תיאור קוונטי משביע רצון.
יש להודות כי לתורת הקוונטים יצאו מוניטין של מוּזרוּת כלשהי, וערימות של דברי הבל נכתבו בשמה. חתולים יכולים להיות גם חיים וגם מתים; חלקיקים יכולים להיות בשני מקומות בו זמנית; הַייזנברג אומר שהכול לא ודאי. דברים אלה כולם נכונים, אבל המסקנה שמחולצת מהם לעיתים כה קרובות - כי בשל משהו מוזר שקורה בעולם המיקרו, העולם אפוף מסתורין - בהחלט אינה נכונה. תפיסה חוץ־חושית, ריפוי מיסטי, צמידים רוטטים המגינים עלינו מקרינה ומי יודע מה עוד מצורפים תדיר לפנתיאון הדברים האפשריים בחסות המילה "קוונטום". כל אלה שטויות שנולדו מתוך חוסר בהירות מחשבתית, תקווֹת שווא, אי־הבנה אמיתית או זדונית, או צירוף אומלל כלשהו של כל אלה. תורת הקוונטים מתארת את העולם בדייקנות, בעזרת חוקים מתמטיים מוצקים לא פחות מכל מה שהציעו ניוטון או גלילאו. זו הסיבה לכך שאנחנו יכולים לחשב את התגובה המגנטית של אלקטרון בדיוק רב כל כך. תורת הקוונטים מספקת תיאור של הטבע אשר כפי שנגלה, מניב הסברים ותחזיות בעלי כוח עצום, ומקיף מגוון רחב של תופעות, משבבי סיליקון ועד כוכבים.
מטרתנו בספר הזה היא להסיר את המסתורין מעל תורת הקוונטים - מסגרת תיאורטית אשר כידוע, התבררה כמבלבלת אפילו עבור המדענים הראשונים שעסקו בה. הגישה שננקוט בה כאן תהיה לאמץ נקודת מבט מודרנית תוך היעזרות במאה שנים של ניסיון והתפתחויות תיאורטיות. עם זאת, כדי להכשיר את הקרקע, נרצה להתחיל את המסע שלנו בתחילת המאה העשרים, ולסקור כמה מהבעיות שהובילו פיזיקאים לבצע תפנית דרמטית כל כך ביחס לכל מה שקדם להם.
תורת הקוונטים, כפי שקורה לעיתים קרובות במדע, באה לעולם בעקבות גילוי של תופעות טבעיות שאי־אפשר היה להסביר אותן במסגרת הפרדיגמות המדעיות באותו זמן. במקרה של תורת הקוונטים היו אלה תופעות רבות ומגוונות. מבול של תוצאות לא מוסברות עורר התרגשות ובלבול, ושימש זרז לעידן של חדשנות ניסויית ותיאורטית הראוי בהחלט לכינוי השחוק ביותר: תור זהב. שמות הגיבורים צרובים בתודעתו של כל סטודנט לפיזיקה, ושולטים בקורסים לתואר ראשון אפילו בימינו: רָתֶרפוֹרד, בּוֹהְר, פְּלאנְק, איינשטיין, פָּאוּלי, הַייזנברג, שְרֶדינְגֶר, דיראק. בהחלט אפשר שלא תחזור עוד תקופה בהיסטוריה ששמות כה רבים בה נקשרים לגדוּלה מדעית החותרת למטרה אחת: תיאוריה חדשה של האטומים והכוחות שבונים את העולם החומרי. ב-1924, במבט לאחור על העשורים הראשונים של תורת הקוונטים, כתב ארנסט רָתֶרפוֹרד (Rutherford), הפיזיקאי יליד ניו זילנד שגילה את גרעין האטום במנצ'סטר: "שנת 1896... ציינה את תחילתו של מה שזכה לכינוי הקולע 'העידן ההרואי של מדע הפיזיקה'. בכל תולדות הפיזיקה לא היתה תקופה של פעילות כה נמרצת שבה תגליות בעלות חשיבות עצומה אירעו זו אחר זו במהירות מסחררת כל כך".
אבל לפני שנפתח במסע לפריז של המאה התשע־עשרה ולרגע הלידה של תורת הקוונטים, מה בדבר המילה "קוונטום" עצמה? המונח נכנס לפיזיקה ב-1900 דרך עבודתו של מקס פְּלאנְק (Planck). פלאנק ניסה למצוא תיאור תיאורטי של הקרינה הנפלטת מגופים חמים - מה שמכונה "קרינת גוף שחור" - כנראה משום שחברה לייצור נורות חשמל הטילה עליו את המשימה: הדלתות לסודות היקום נפתחות לעיתים בנסיבות פרוזאיות. נדון ביתר פירוט בתובנה המזהירה של פלאנק רק בשלב מתקדם יותר של הספר, אבל לצורך ההקדמה הקצרה הזאת מספיק להזכיר כי גילה שהוא יכול להסביר את התכונות של קרינת גוף שחור אם הניח שהאור נפלט במנות קטנות של אנרגיה, שהוא קרא להן "קוונטים". המובן של המילה עצמה הוא "מנות" או "בדידים". בתחילה הוא ראה בכך רק תרגיל מתמטי, אבל עבודה שביצע אחר כך אלברט איינשטיין, ב-1905, על תופעה הקרויה האפקט הפוֹטוֹאלקטרי, סיפקה תמיכה נוספת להיפותזה הקוונטית. לתוצאות היתה משמעות רבה, שכן אפשר להתייחס אל מנות קטנות אלה של אנרגיה כשקולות לחלקיקים.
הרעיון שלפיו האור מורכב מזרם של כדורים קטנים הוא בעל היסטוריה ארוכה ומפוארת, שתחילתה בהוּלדת הפיזיקה המודרנית ובימיו של אייזיק ניוטון. אבל הפיזיקאי הסקוטי ג'יימס קְלֶרְק מקסוול (Maxwell) הוא שסילק, כנראה, את כל הספקות שנותרו בסדרת מאמרים שפירסם ב-1864, ואשר איינשטיין אמר עליהם אחר כך שהם המאמרים "העמוקים ביותר והפוריים ביותר שידעה הפיזיקה מאז ימיו של ניוטון". מקסוול הראה כי האור הוא גל אלקטרומגנטי המתנחשל דרך החלל, ולכן לרעיון שלפיו האור הוא גל היו תעודות יוחסין ללא רבב, וכנראה גם ללא עוררין. עם זאת, בסדרת ניסויים שנערכו בין 1923 ל-1925 באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, ארתור קוֹמְפְּטוֹן (Compton) ועמיתיו הצליחו להקפיץ קוונטים של אור מאלקטרונים, כלומר חלקיקי האור ניתזו בחזרה מהאלקטרונים שבהם התנגשו. שתי היֵשויות התנהגו כמו כדורי ביליארד, וסיפקו ראיה ברורה לכך שלהשערה התיאורטית של פלאנק יש יסודות מוצקים בעולם הממשי. ב-1926, מנות האור זכו לשם "פוֹטוֹנים". הראיות היו מעבר לכל ספק - האור מתנהג גם כגל וגם כחלקיק. התגלית הזאת בישרה את סופה של הפיזיקה הקלאסית, ואת סוף הילדוּת של תורת הקוונטים.

_{1. אלא אם כן, כמובן, אתם קוראים את המהדורה האלקטרונית של הספר, ובמקרה כזה תצטרכו להפעיל את הדמיון.}