שתי עננות שהפילו את הפיזיקה

לפעמים מהפכות גדולות לא מתחילות ברעש גדול. הן מתחילות באיזו בעיה קטנה שאף אחד לא מצליח להסביר. בתחילת המאה ה־20, הפיזיקאים היו די בטוחים שהם סגרו את הסיפור: העולם מובן, החוקים ברורים, ומה שנשאר זה רק לשפר קצת את המדידות.

ואז הגיעו שתי "עננות" קטנות בשמיים הכחולים של הפיזיקה. אחת מהן הייתה קשורה למהירות האור. השנייה קיבלה שם דרמטי במיוחד: הקטסטרופה של האולטרה־סגול.

ומתוך שתי הבעיות האלה, שנראו בהתחלה כמו חריקות שוליות במכונה מושלמת, נולדה אחת התורות הכי מוזרות, מבלבלות ומשנות־עולם במדע: תורת הקוונטים.

כשהפיזיקה חשבה שהיא כבר יודעת הכול

בסביבות שנת 1900 נערך כנס מדעי גדול שנועד לסכם את מאה השנים שחלפו במדע ולחשוב על מאה השנים הבאות. לורד קלווין, כן, זה שעל שמו נקראת יחידת הטמפרטורה קלווין, עלה ודיבר בביטחון גדול.

הרעיון שלו היה פשוט: הפיזיקה כמעט גמורה. גילינו פחות או יותר את כל מה שיש לגלות. נשארו רק כמה תיקונים קטנים, קצת דיוק במדידות, אולי לסדר כמה פינות.

רק שהפינות האלה לא היו באמת פינות. הן היו סדקים בקיר.

הקטסטרופה של התנורים הזוהרים

בסוף המאה ה־19, אחרי המהפכה התעשייתית, הייתה שאלה מאוד מעשית שהעסיקה את התעשייה: כמה חם התנור?

זה נשמע פשוט, אבל זו שאלה קריטית. אם מכניסים פלדה לתנור, צריך לדעת האם הטמפרטורה מדויקת. חם מדי או קר מדי, והתוצאה לא תהיה מה שתכננו. וכמו שקורה הרבה פעמים, מה שמעניין את התעשייה מתחיל לעניין גם את המדע.

מדענים שמו לב שדברים חמים זוהרים. ככל שהם חמים יותר, הם פולטים אור בהיר יותר. אז עלה רעיון מצוין: אם נצליח לקשר בין האור שנפלט לבין הטמפרטורה, נוכל למדוד חום בלי לגעת בשום דבר.

פותח מכשיר שמודד כמה אנרגיה נפלטת בכל אורך גל של האור. עכשיו רק נשאר לפתח נוסחה שתגיד: אם התנור בטמפרטורה מסוימת, איזה אור הוא אמור לפלוט?

קלי קלות, נכון?

אז זהו, שלא.

מיטב המתמטיקאים והפיזיקאים של אותה תקופה ניסו לנסח את הקשר הזה, אבל התוצאה הייתה אבסורדית: לפי החישובים, כל תנור אמור לפלוט אינסוף קרינה אולטרה־סגולה. לא קצת יותר מדי. אינסוף.

וזה לא משנה אם התנור חם, קר, או אפילו כבוי. לפי הנוסחה, הוא עדיין היה אמור להפציץ את העולם בקרינה אולטרה־סגולה בלי סוף.

ברור שזה לא קורה. ולכן הבעיה הזאת קיבלה את השם היפה והמלחיץ: הקטסטרופה של האולטרה־סגול.

פלאנק זורק ניחוש — והעולם משתנה

בדצמבר 1900 פרסם מקס פלאנק נוסחה שהצליחה לפתור את הבעיה. אבל חשוב להבין: פלאנק לא הגיע עם תיאוריה חדשה ומסודרת על טבע המציאות. הוא לא אמר "חברים, גיליתי עולם חדש".

הוא בעיקר שיחק עם המשוואות כדי שיתאימו לתוצאות הניסוי.

אבל המשחק הזה הוביל לרעיון מוזר מאוד: האנרגיה של האור לא מגיעה ברצף חלק, אלא במנות. במנות קטנות. לכל אורך גל יש מנה בגודל אחר.

למנה כזאת קוראים קוונטום. מכאן מגיע השם "קוונטים".

באותו רגע זה עדיין לא הספיק כדי להפוך את הפיזיקה על הראש. הרי נוסחה שעובדת זה נחמד, אבל אם היא מגיעה מניחוש, גם אם ניחוש מבריק, צריך להבין מה עומד מאחוריה.

האור מתנהג מוזר מדי

במקביל, הייתה עוד תופעה שפיזיקאים לא הצליחו להסביר כמו שצריך: הניסוי הפוטואלקטרי.

בניסוי הזה מקרינים אור על מתכת, ולפעמים משתחררים ממנה אלקטרונים. לפי ההיגיון של הפיזיקה הקלאסית, אם אור הוא גל, אז ככל שנאיר חזק יותר או לאורך זמן רב יותר, האלקטרונים אמורים לקבל יותר אנרגיה ולהשתחרר.

אבל זה לא מה שקרה.

התברר שלא ממש משנה כמה זמן מאירים על המתכת, וגם לא בהכרח כמה האור חזק. הדבר שבאמת משנה הוא הצבע של האור, כלומר אורך הגל שלו.

גם אור חלש מאוד, אם הוא בצבע הנכון, יכול לשחרר אלקטרונים. ולעומת זאת, אור חזק בצבע הלא נכון לא יעשה את העבודה.

זה היה ההפך ממה שציפו מאנרגיה של גלים אלקטרומגנטיים. טובי הפיזיקאים הסתכלו על התוצאות האלה ו... התגרדו.

ואז הגיע פקיד הפטנטים

בשנת 1905 הגיע אלברט איינשטיין עם הסבר שחיבר את החלקים. באותה תקופה הוא לא היה פרופסור מפורסם. הוא עבד במשרד הפטנטים, רצה להיות מרצה באוניברסיטה, אבל לא ממש נתנו לו להיכנס מהדלת הראשית של האקדמיה.

ההצעה שלו הייתה נועזת: גלים אלקטרומגנטיים, כלומר אור, מתנהגים גם כמו חלקיקים.

לחלקיקים האלה קוראים פוטונים. וכל פוטון נושא כמות אנרגיה שנקבעת לפי אורך הגל שלו. לכן הצבע של האור חשוב כל כך בניסוי הפוטואלקטרי: אם לפוטון יש מספיק אנרגיה, הוא יכול לשחרר אלקטרון. אם אין לו, לא יעזור שנשלח פוטונים רבים לאורך זמן.

היופי הוא שההסבר של איינשטיין התאים בדיוק לחישוב של פלאנק. פתאום הניחוש המתמטי של פלאנק קיבל משמעות פיזיקלית עמוקה.

כך נולדה תורה שאפילו איינשטיין התקשה איתה

תורת הקוונטים לא הופיעה משום מקום. היא לא התחילה כרעיון פילוסופי מוזר על מציאות לא צפויה. היא נולדה כי הפיזיקה הקלאסית, שהייתה בטוחה בעצמה כל כך, לא הצליחה להסביר שתי תוצאות ניסוי פשוטות לכאורה.

תנורים זוהרים שלא התנהגו לפי הנוסחאות. מתכות שפלטו אלקטרונים רק כשהאור היה "בצבע הנכון".

מתוך הניסיונות לפתור את הבעיות האלה נולד הרעיון שאנרגיה מגיעה במנות, ושאור יכול להתנהג גם כמו גל וגם כמו חלקיק.

ומכאן נולדה תורת הקוונטים — זו שהוציאה את איינשטיין מדעתו, ושינתה לגמרי את הדרך שבה אנחנו מבינים את העולם.