קיצור תולדות האור

מהו האור? בלעדיו, חיינו לא היו נראים כמו שהם – או ליתר דיוק הם לא היו נראים כלל, שהרי אי אפשר לראות בלי אור. אבל תהיתם פעם ממה האור מורכב? עד המאה ה-17 היה מקובל לחשוב שהאור מורכב מחלקיקים. התומך הגדול ביותר של התיאוריה הזאת זו היה אייזק ניוטון, שפיתח במשך כשלושים שנה מודל העוסק בכך. הוא ביסס את טענתו על כך שכאשר האור משתקף מעצם כלשהו, הוא נע בקו ישר. הוא הניח שרק חלקיקים יכולים לנוע בקווים ישרים בלבד, ולפיכך האור חייב להיות מורכב מחלקיקים.

עם זאת, במשך השנים היו מדענים שטענו כי האור אינו מורכב מחלקיקים, אלא הוא גל. הם הביאו לשם כך דוגמאות שאפשר להסביר רק אם האור הוא גל – למשל העובדה שכאשר האור עובר מתווך אחד אל תווך אחר, הוא נשבר ומשנה את כיוונו, כפי שאכן קורה כשקרני אור נשברות בכוס מים. למרות זאת, טענותיהם נדחו, והתפיסה שלפיה האור מורכב מחלקיקים נשארה התיאוריה המקובלת עד תחילת המאה ה-19.

האור כגל

הראשון שהצליח לספק תמיכה לטענה שהאור הוא גל היה המדען האנגלי תומס יאנג (Young). טענתו התבססה על כך שהאור נשבר כשהוא עובר דרך חריץ צר, תופעה שלא הייתה אמורה לקרות אם האור היה מורכב מחלקיקים. אם מעבירים את האור בחריץ אנכי ומציבים מאחוריו מסך, שבירת האור תיצור על המסך פס אופקי שיהיה בהיר במרכזו וייחלש ככל שנתרחק מהמרכז.

יאנג השתמש בתופעה הזאת בניסוי שני הסדקים, שתמך בקביעה שהאור הוא גל. בניסוי הוא פיצל את החריץ לשניים, ויצר כך שני מקורות זהים שהאור יוצא מהם באופן זהה לחלוטין.

את התופעה הזאת אפשר להסביר רק אם מתייחסים לאור כגל: כששני גלים נפגשים, הם יכולים להעצים זה את זה או לבטל אחד את השני. התוצאה תלויה באופן שבו הגלים משני החריצים נפגשים. לשם כך עלינו להבין תחילה מה קורה כששני גלים נפגשים. כאשר פסגת גל נמצאת באותו מישור (אותה פאזה) של גל אחר, הגלים יתחברו ויעצימו זה את זה. לתופעה הזאת קוראים "התאבכות בונה". לעומת זאת, אם פסגת גל פוגשת "עמק" של גל אחר, הם מבטלים זה את זה ואז נקבל "התאבכות הורסת".

הגלים שעוברים דרך שני החריצים פוגשים זה את זה במקומות רבים על גבי המסך, ויוצרים כך צורה שנקראת "תבנית התאבכות". במקומות שבהם מתרחשת התאבכות בונה מתקבל פס בהיר, ואילו באלה שבהם מתרחשת התאבכות הורסת אין אור. כך הראה יאנג שהאור הוא גל.

האור כחלקיק

התיאוריה של יאנג החזיקה מעמד עד תחילת המאה ה-20, כשאלברט איינשטיין, מקס פלאנק ואחרים הראו שהתמונה מורכבת יותר. פלאנק שיער שהאור אינו גל רציף, אלא מורכב ממקבצי גלים בעלי אנרגיה קבועה. למקבצים הללו הוא קרא "קוונטות אור" (קוונטה=כמות), מפני שלפי השערתו האנרגיה של האור יכולה להיות אך ורק מספר שלם של יחידות כאלה. לא ייתכן למשל שיימצא אור שהאנרגיה שלו היא מחצית מהיחידות שקבע פלאנק. מהמושג הזה צמחה תורת הקוונטים. בהמשך זכו קוונטות האור הללו לשם "פוטונים" והתגלה שיש להם תכונות של חלקיקים: יש להם תנע, הם יכולים להתנגש זה בזה ולהסיט אחד את השני ממסלולו, ועוד.

שנים ספורות לאחר מכן השתמש איינשטיין במודל של פלאנק כדי לתאר תופעה שלא היה לה הסבר עד אז: האפקט הפוטואלקטרי, כלומר התהליך שבו אנרגיית אור הופכת לאנרגיה חשמלית. התהליך בא לידי ביטוי למשל במכשיר שנקרא מכפילור (Photomultiplier): סוג של גלאי שקולט אור ומגביר את עוצמתו.

עוד לפני התגלית של איינשטיין היה ידוע שכאשר מאירים על אטום באור בתדירות גבוהה מספיק, הוא פולט אלקטרון, שיוצר זרם חשמלי. התופעה מתרחשת מאחר שכאשר פוטון פוגע באלקטרון, האנריגיה שלו עוברת אליו. אם היא גבוהה מספיק, האנרגיה הזאת מאפשרת לאלקטרון להתנתק מהאטום, אחרי שהיא עוברת סף שנקרא "פונקציית העבודה של האלקטרון". האנרגיה הנותרת מומרת לאנרגיית תנועה של האלקטרון וקובעת את מהירותו.

עוצמת האור המוקרן משפיעה על מספר האלקטרונים הנפלטים: אם מקרינים על החומר אור בעוצמה חלשה, כלומר עם מעט פוטונים, ייפלט ממנו מספר מסוים של אלקטרונים. אם יקרינו עליו אור בעוצמה חזקה יותר אך באותה תדירות, מהירות האלקטרונים שנפלטים תישאר זהה, אך ייפלטו יותר אלקטרונים.

איינשטיין הסביר את התופעה בעזרת הפוטונים: כשפוטון פוגע באחד האלקטרונים שבאטום, האנרגיה שלו מועברת לאלקטרון. אם האנרגיה הזאת גבוהה מפונקציית העבודה של האלקטרון - כלומר האנרגיה הדרושה כדי לנתק אותו מהאטום, ההפרש מתורגם לתנועה והאלקטרון יכול להשתחרר מהאטום. כל אלקטרון יכול לקלוט פוטון אחד, והמהירות של האלקטרונים שנפלטים תלויה רק בתדירות הגל של האור, שמגלמת בתוכה את האנרגיה שהאור מכיל, וקובעת את צבעו.

ההסבר של איינשטיין לתופעה סיפק תמיכה נוספת למודל של פלאנק, שלפיו האור קיים במנות קבועות שמתנהגות כחלקיקים וקרויות פוטונים. בשנת 1921 הוא זכה בפרס נובל על כך שהצליח להסביר את האפקט הפוטואלקטרי בעזרת המודל הזה.

גל או חלקיק?

אז איזה מההסברים הוא הנכון? האם הצדק עם יאנג, שהראה שהאור מתנהג כגל בניסוי שני הסדקים, או שמא פלאנק ואיינשטיין הכריעו כשהראו שלאור יש תכונות של חלקיק? לאחר שהציג איינשטיין את התיאוריה שלו נמצא הסבר חדש לתוצאות הניסוי של יאנג, שתומך באפשרות שהאור מורכב מחלקיקים: מאחר שקרן האור שהקרין הורכבה מפוטונים רבים, נטען, הם התנגשו זה בזה, וההתנגשויות גרמו לקרן האור ליצור את תבנית ההתאבכות על המסך כאילו היה גל.

כדי לבחון את התיאוריה ערכו ניסוי נוסף, שבו החלישו את העוצמה של קרן האור עד כדי כך שבכל רגע נתון הוקרן פוטון אחד בלבד. כאשר הפוטון פגע במסך, מקום הפגיעה תועד, וכך אפשר היה לראות את התבנית שהאור יוצר על המסך, בלי צורך להקרין פוטונים רבים בבת אחת. ההשערה היתה שהיות שפוטון אחד משוגר בכל פעם, אין לו במה להתנגש ולא תיווצר תבנית התאבכות. אולם למרבה התדהמה גם הניסוי הזה התקבלה תבנית התאבכות. כלומר, אף שהפוטונים לא היו יכולים להתנגש זה בזה, הם עדיין התנהגו כמו גל.

הגילוי המרעיש העלה שאלות ותיאוריות רבות, לא רק על האור אלא על מהותם של כל החלקיקים: מהי הדרך הנכונה לתיאור ההתנהגות שלהם – האם כחלקיקים או שמא כגלים? כדי לרדת לשורש הבעיה ביצעו המדענים האיטלקים פייר מרלי (Merli), ג'אן מיסירולי (missiroli) וג'וליו פוזי (Pozzi) ניסוי דומה לזה של יאנג, אך הפעם במקום אור השתמשו בקרן אלקטרונים. להפתעתם, גם כאן התקבלה על המסך תבנית התאבכות. מכאן הסיקו שהתופעה שבה חלקיקים מתנהגים כגלים, נשברים ומתאבכים, אינה ייחודית לפוטונים.

למרות זאת, יש הבדל משמעותי בין פוטונים ואלקטרונים: אם ננסה למדוד את מקומו של פוטון ברגע נתון הוא ייבלע, אך אפשר למדוד את מקומם של אלקטרונים בלי להרוס אותם. לשם כך הציבו גלאי ליד אחד החריצים, כך שבכל פעם שאלקטרון נורה לעבר החריצים אפשר יהיה לדעת לאיזה מהם הוא נכנס. באופן מפתיע, הפעם נוצרו על המסך שני פסים, מה שמעיד שהאלקטרונים התנהגו כמו חלקיקים "רגילים" ולא כגלים! האם ייתכן שהאלקטרונים "הרגישו" שצפו בהם ולכן שינו את מסלולם?

סופרפוזיציה – חלקיק יחיד נמצא בכל מקום

הניסוי הזה טלטל את עולם המדע והוליד את עיקרון הסופרפוזיציה, שקובע כי כל חלקיק יכול להימצא בנקודות שונות במרחב ברגע מסוים, אך יש סבירות שונה להימצאותו בכל נקודה. כאשר החלקיק מקיים אינטראקציה עם גוף אחר, למשל כשהוא מתנגש בקיר או בחלקיק אחר, נבחרת נקודה אחת, ושם הוא נמצא. לדוגמה אם יש על הקיר נקודה שהסבירות שהחלקיק יימצא בה היא 50 אחוז, אזי במחצית מהמקרים שבהם החלקיק יתנגש בקיר הוא יהיה בדיוק בנקודה הזאת. יתרה מזאת, התיאוריה טוענת שכל עוד הנקודה לא נבחרה, כלומר כל עוד החלקיק לא פגש בגוף אחר (קיים איתו אינטראקציה) ונבחר עבורו מקום מסוים, הוא נמצא בכל המקומות האפשריים בו-זמנית.

ניסוי ההמשך של הפיזיקאים האיטלקים, שבו הציבו וצב גלאי ליד החריצים, מחזק את התיאוריה הזאת. כדי לבדוק לאיזה חריץ נכנס האלקטרון, הגלאי שיגר פוטון לעבר האלקטרון, הפוטון הוחזר על ידי האלקטרון ונקלט בגלאי. כשהפוטונים פגעו באלקטרונים הם קיימו איתם אינטראקציה. כתוצאה מכך, בכל שיגור של אלקטרון נבחרת רק אפשרות אחת למסלולו, מכל האפשרויות הקיימות – הוא עובר בחריץ הימני, השמאלי או לא עובר באף אחד מהם. לכן עתפ השימוש בגלאי מחייב כל אלקטרון לעבור רק דרך חריץ אחד, ולא דרך שניהם בו-זמנית. ומכיוון שהאלקטרון יצא רק ממקור אחד בכל פעם, לא נוצרה תבנית ההתאבכות. הניסוי נבדק פעמים רבות, עם חלקיקים שונים ואפילו עם מולקולות שלמות), וכולם הובילו לאותה תוצאה.

אז מהו האור? גל או חלקיק? כעת אנו מבינים שהתשובה היא גם וגם. לפוטונים שמרכיבים את האור יש תכונות של גל, כגון תדירות, וגם תכונות של חלקיק, כגון היכולת להתנגש בחלקיקים אחרים. הניסויים שהובילו למסקנה הזאת הולידו תפיסה חדשה, של הכרה ב"דואליות החלקיק-גל", כך שכיום המדע קובע שלכל חלקיק יש גם תכונות גליות, ולהיפך. בנוסף, במהלך החיפוש אחר טבעו האמיתי של האור התגלתה תופעה מרתקת שהפכה לבסיס של פיזיקת הקוונטים: הסופרפוזיציה.