אינטרנט  |  ynet  |  בעלי מקצוע  |  קניות  |  ספקים למשרד
|שלום אורח
התחבר
|הירשמו ל-ynet

   חדשות תוכן ועדכונים 24 שעות - Ynet


שרדינגר. חישוב הסתברויות
שרדינגר. חישוב הסתברויות 
 
בור. הקוונטים עושים כאב ראש
בור. הקוונטים עושים כאב ראש 
 
 פורמט להדפסה  הדפס

ערכים קשורים
 מקס קרל ארנסט לודוויג פלנק
 קוונט
 גוף שחור
 חום
 אנרגיה
  הדוכס לואי-ויקטור-פייר-ריימון דה ברויי
 חומר
 גל
 אלקטרומגנטיות
 אור
 אלברט איינשטיין
 תוצא פוטו-חשמלי
 קרני רנטגן
 אלקטרון
 תנע
 נילס הנדריק דוויד בור
 אטום
 מימן
 גרעין האטום
 וולפגנג פאולי
 ארווין רודולף יוזף אלכסנדר שרדינגר
 הסתברות
 ורנר קרל הייזנברג
 אי-ודאות
 מטריצה
 פול אדריאן מוריס דירק
 דטרמיניזם
 פיסיקה סטטיסטית
 פרוטון
 היתוך גרעיני
 כוכבים
 מסה
 ריק
 כוחות יסוד
 שדה
 חלקיקים תת-אטומיים
 תורת היחסות
 סימטריה
 בוזונים
 פוטון
 ריצ'רד פיליפס פיינמן
 פרס נובל
 חלקיק ביתא
 סטיבן ויינברג
 עבדוס סלאם
 שלדון לי גלשו
 קוורקים
 צבע
 גלואון
 כבידה
 תורת המיתרים
 רדוקציוניזם
 ג'ון ארצ'יבולד וילר
 מולקולה
 קשר כימי
 מוצק
 לייזר ומייזר
 טרנזיסטור
 פיסיקה
 מכניקה
 אופטיקה
 סר אייזיק ניוטון
 תרמודינמיקה
 לודוויג אדוארד בולצמן


תחומים קשורים
 פיסיקה


 
 
 

תורת הקוונטים


Quantum Theory

היסטוריה |  דטרמיניזם והסתברות |  תיאוריות קוונטיות וכוחות היסוד |  הפרשנות הקוונטית |  יישום

תורת הקוונטים, תיאוריה מרכזית של הפיסיקה. התפתחותה של תורת הקוונטים היא בבחינת המהפכה המתמשכת החשובה ביותר בפיסיקה של המאה ה-20, והיא עדיין נמשכת בפרוס המאה ה-21. בתורה זו כרוכים חידושים עקרוניים, שמשמעותם היא שינוי מרחיק-לכת במושגי היסוד של הפיסיקה.


בראשית דרכה נקראה תיאוריה זו בשם "מכניקת הקוונטים" (quantum mechanics). יש המקפידים על ההבחנה בין תורת הקוונטים הגורפת לבין מכניקת הקוונטים המצומצמת יותר, העוסקת בתופעות מתחום המכניקה, כאשר הן מתרחשות בקני המידה התת-אטומיים. אולם רוב המשתמשים במונחים אלה אינם מבדילים ביניהם.

 

התפתחותה של תורת הקוונטים לא שמה קץ לפיסיקה המכוּנה "קלסית" שקדמה לה. ההסברים שנותנות התיאוריות הקלסיות השונות שפותחו לפני הופעתה, ושהתפתחותן עדיין נמשכת - המכניקה והאופטיקה מיסודו של אייזיק ניוטון, תורת היחסות הפרטית והכללית של אלברט איינשטיין, התרמודינמיקה מיסודו של לודוויג בולצמן, ועוד - עדיין תקפים כיום. תיאוריות אלה מסבירות את התופעות בקני מידה גדולים, מאקרוסקופיים. אך אין בכוחן להסביר כהלכה את המתרחש בקני המידה הזעירים ביותר, מרמת האטום ומטה. בתופעות המתרחשות בתחום זה עוסקת תורת הקוונטים.

 


היסטוריה

ראשיתה של תורת הקוונטים בשנת 1900, כאשר גילה מקס פלנק סתירה לכלל ידוע של הפיסיקה הקלסית - "הטבע אינו מהלך בקפיצות". התברר לו כי תהליכי הפיסיקה אינם "חלקים", שכן גדלים פיסיקליים אינם משתנים באופן רציף, אלא בקפיצות - במנות בדידות שאינן ניתנות לחלוקה, אשר נקראו בפיו קוונטים (quanta, צורת הרבים של המילה הלטינית quantum שפירושה "כמה?"). הוא הגיע למסקנה זו מתוך התעמקותו בתופעה הקרויה "קרינת גוף שחור", שהיתה בגדר פרדוקס בזמנו: גוף היפותטי הבולע קרינת חום בשלמות, היה אמור לפי התיאוריה המקובלת דאז לפלוט כמות אינסופית של אנרגיה. הדבר אינו אפשרי, כמובן, ופלנק יישב את הפרדוקס בקביעתו כי גופים אינם קולטים ופולטים אנרגיה באורח רציף, אלא במנות בדידות - קוונטים. חידוש זה, שהיה בלתי-צפוי לחלוטין, זעזע את הפיסיקה הקלסית וחִייב להנהיג בה שינויים. אחת מהשלכותיו (שעליה עמד לואי דה ברויי ב-1924) היתה שחלקיקי חומר מתנהגים לעתים כגלים, ואילו גלים אלקטרומגנטיים (למשל גלי אור) מפגינים לעתים תכונות חלקיקיות; יש שניוּת (דואליות) בין חלקיק לגל. על שניות זו עמד לראשונה אלברט איינשטיין, בהתייחס לאור, ודה ברויי הרחיב והכליל אותה.

 

איינשטיין הציע ב-1905 הסבר לתופעה שהיתה ידועה לפיסיקאים, אך לא היה ביכולתם להסבירה - התוצא הפוטו-חשמלי. הוא הסתייע ברעיון הקוונטי של פלנק במתן ההסבר לתופעה זו, ובכך העניק חיזוק חשוב להמשך פיתוחו של הרעיון. בהמשך נמצא הסבר קוונטי לתופעה אחרת שלא ניתן לה הסבר מניח את הדעת לפני כן, פיזור קומפטון - שינויים בתנועתם של פוטונים עתירי אנרגיה, כגון קרני רנטגן, כשהם חולפים בקרבת אלקטרונים. בעקבות זאת הובהר כי האור מעניק לחומר תנע ואנרגיה ב"חפיסות" - מנות בדידות - והגישה הקוונטית התבססה כעובדה שאין עליה עוררין.

נילס בור הציע ב-1913 דגם למבנהו של אטום המימן, שהתבסס על העיקרון הקוונטי; אולם הניסיון להרחיבו לאטומים מורכבים מזה של המימן עורר שאלות קשות נוספות, שלא היה אפשר להשיב עליהן במסגרת הפיסיקה הקלסית; לדוגמה, מדוע אין האלקטרונים המקיפים את גרעין האטום שוקעים ונצמדים אליו בהשפעת כוח המשיכה בין מטעניהם השליליים של האלקטרונים לבין המטענים החיוביים של הפרוטונים שבגרעין. את התשובה על כך נתן וולפגנג פאולי בעקרון האיסור שלו (1925).

 
ארווין שרדינגר הציע ב-1926 לתאר חלקיקים באמצעות משוואה המתארת את ההסתברויות למצבים שונים שלהם - פונקציית גל - ועל כך הוסיף ורנר הייזנברג ב-1927 את עקרון האי-ודאות, המציב גבולות ליכולת לדעת בוודאות את גודליהן של תכונות קוונטיות. הייזנברג גם הציע את השימוש במכניקת המטריצות לתיאור מערכות קוונטיות (מכאן שמה הנרדף של תורת הקוונטים, "מכניקת הקוונטים"), ומקס בורן סיפק שיטות סטטיסטיות לתיאור המערכות. עוד לפני כן, ב-1925, פיתח פול דירק מערכת משוואות אלגנטית משלו, ולבסוף (בסביבות 1930) הוברר כי כל התיאורים המתמטיים השונים של מערכות קוונטיות שקולים זה כנגד זה. כך נולדה תורת הקוונטים.

 

 


דטרמיניזם והסתברות

תורת הקוונטים שמה קץ למושג חשוב שהיה מקובל על הפיסיקה של המאות הקודמות - דטרמיניזם, כלומר היכולת לדעת במלואם את העבר והעתיד של מערכת, אם ידועים במלואם ההווה שלה והחוקים המכתיבים את התנהגותה. התברר עתה כי אי-אפשר לנבא בביטחון מלא את התפתחותה העתידית של מערכת, אלא במונחים הסתברותיים בלבד. התנהגותן הקולקטיבית של מערכות חלקיקים נוהגת לפי כללי הפיסיקה הסטטיסטית, השונים מכלליה של הפיסיקה הקלסית.

אחת ההשלכות היא שחלקיקים עשויים להיעלם במקום אחד ולהופיע במקום אחר, בלא שעברו בשום נקודה בין זה לזה (זהו תוצא המנהרה, tunnel effect). לכן יכולים, למשל, פרוטונים "לזחול תחת" מחסום קולון - הדחייה ההדדית בין מטעניהם החשמליים - ולהתמזג בתהליך ההיתוך הגרעיני. משוואת שרדינגר קובעת כי תכונות החלקיקים ניתנות לתיאור, בטרם נמדדו, רק כהסתברויות של ערכים שונים, ולכן יש הסתברות מסוימת ששני פרוטונים יימצאו בקרבה הדדית שאינה אפשרית לפי הפיסיקה הקלסית. אם נתון מספר גדול מאוד של פרוטונים (למשל בליבת כוכב), חלקם יוכלו להינתך על אף שהפיסיקה הקלסית אוסרת על כך.

 

השלכה אחרת היא שנפח קטן מאוד של חלל ריק, יש הסתברות מסוימת שבמשך זמן קצר מאוד תהיה בו אנרגיה או מסה (השתיים, קבע איינשטיין, שקולות זו לזו). כלומר, אפילו הרִיק (ואקום) אינו רֵיק.

 

אלברט איינשטיין התנגד בחריפות לצביונה ההסתברותי של תורת הקוונטים. ידועה אמרתו המפורסמת, "אלוהים אינו משחק בקובייה", שפירושה הוא "הטבע אינו נוהג בדרכים הסתברותיות". הגם שהוא הרים תרומות חשובות לראשית התפתחותה של תורת הקוונטים, הסתייגותו זו גרמה לכך שתרומותיו הבאות להתפתחות זו היו על דרך השלילה - הוא הציג טענות קשות כנגד התיאוריה, אשר חייבו את הדוגלים בה (ובראשם חברו הטוב נילס בור) לשקוד על הפרכתן, ומתוך כך לוטשו היבטים שונים של תורת הקוונטים.

 


תיאוריות קוונטיות וכוחות היסוד

המדע מכיר בארבעה כוחות בסיסיים (הקרויים גם פעולות גומלין, interactions), האחראים במשותף לכל התופעות המתרחשות בחומר ובאנרגיה: הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש והכבידה. בשאיפתם להסביר את כוחות היסוד הללו ולנסח את החוקים השולטים בהם, פיתחו המדענים שלוש תיאוריות קוונטיות עיקריות. כולן הן תיאוריות שדה קוונטיות-יחסותיות: הן מציגות את חלקיקי היסוד של הטבע כמחוללי שדות בעלי מספר אינסופי של דרגות חופש, ומשלבות בתוכן מרכיבים של תורת הקוונטים ושל תורת היחסות הפרטית.

 

תחילה פותחה התיאוריה הקוונטית של הקרינה האלקטרומגנטית – האלקטרודינמיקה הקוונטית (quantum electrodynamics; יש הטוענים ששם זה נבחר משום שראשי התיבות שלו, QED, מייצגים את הביטוי השגור במתמטיקה, "מה שרצינו להוכיח" – מש"ל – המופיע בסופה של כל הוכחה מתמטית). זוהי תיאוריית כיול (gauge theory), כלומר תיאוריה המבוססת על חבורת סימטריה שמייצגת את השדות ואת הפוטנציאלים שלהם. בתיאוריה זו, החלקיק נושא הכוח (בוזון הכיול) הוא הפוטון, וניתן לייצג את פעולות הגומלין שלו באמצעות תרשים המרחב-זמן שפיתח ריצ'רד פיינמן, הקרוי על שמו. QED מסבירה את תופעות האלקטרומגנטיות ברמת דיוק שאין כדוגמתה, כאשר משווים את ניבויי התיאוריה עם תוצאות הניסויים – במקרים רבים, ההפרש הוא פחות ממיליארדית אחת. לפיכך, זוהי התיאוריה המדויקת ביותר במדע. התיאוריה הוצגה לראשונה ב-1948 ע"י האמריקאים פיינמן וג'וליאן שווינגר והיפני שינאיצ'ירו טומונגה, שפיתחו אותה בנפרד. השלושה זכו בפרס נובל לפיסיקה ב-1965 על הישגם זה.

 

התיאוריה הבאה אחריה נועדה להסביר את פעולתו של הכוח הגרעיני החלש, האחראי בין השאר להתפרקויות ביתא של גרעין האטום. תוך כדי פיתוחה נוכחו מגליה, האמריקאי סטיבן ויינברג והפקיסטני עבדוס סלאם – שהסתמכו בין השאר על רעיונות שהעלה האמריקאי שלדון גלשו – כי תיאוריה זו משלבת את הכוח החלש עם הכוח האלקטרומגנטי, ולפיכך היא קרויה התיאוריה האלקטרוחלשה (electroweak). גם זו היא תיאוריית כיול, אלא שבה חבורת הסימטריה אינה אַבֶּלית (בניגוד לחבורת הסימטריה של QED, שהיא אבלית). לפיכך, בוזוני הכיול שלה כוללים לא רק את הפוטון, אלא גם שני חלקיקים נוספים, הקרויים W ו-Z. התיאוריה הוצגה לראשונה ב-1967, וכאשר נתגלו בניסויים בוזוני הכיול W ו-Z, בשנים 1983 – 1984, הכיר בה עולם המדע כתרומה חשובה ביותר לקידום הפיסיקה, מה גם שעלה בידה לשלב שני כוחות יסוד שנחשבו נפרדים עד אז. הדבר הפיח תקווה במדענים המבקשים לשלב את כל כוחות היסוד במסגרתה של תיאוריה יחידה, שכינויה "תיאוריה מאוחדת גדולה" או "תיאוריה של הכול". גם שלושת החוקרים הללו זכו בפרס נובל לפיסיקה, ב-1979.

 

לקראת סוף שנות ה-60, בעיקר הודות לעבודתם של האמריקאים צ'ן-נינג ינג ורוברט מילס, החלה להתפתח התיאוריה החשובה השלישית – תיאוריית הכוח הגרעיני החזק, המיועדת להסביר את הקשרים בין מרכיביו של גרעין האטום. תיאוריה זו מבוססת על מושגי הקוורק והצבע, וקרויה משום כך "כרומודינמיקה קוונטית" (quantum chromodynamics, ובקיצור QCD). נשא הכוח שלה הוא הגלואון. הואיל וחבורת הסימטריה שלה גם היא לא-אבלית, והואיל והגלואון נושא "מטען צבע" בעצמו (בניגוד לפוטון של QED, שאין לו מטען חשמלי), המתמטיקה של תיאוריה זו קשה ומסובכת, ועדיין יש בה בעיות רבות שטרם נמצא להן פתרון. עם זאת מקובל על החוקרים בתחום כי התיאוריה נכונה ביסודה, ובעבודה קשה יעלה בידם ליישב את בעיותיה בבוא היום.

 

ועדיין נותר כוח יסוד אחד, הכבידה, שאין לו תיאוריה קוונטית. תורת היחסות הכללית של איינשטיין מסבירה היטב את הכבידה, אבל אינה עולה בקנה אחד עם עקרונות היסוד של תורת הקוונטים. החוקרים מדברים אמנם על "תיאוריית כבידה קוונטית" שטרם נתגלתה, אבל איש אינו יודע מה טיבה. זוהי אבן נגף כבדה מאין כמוה על דרכה של הפיסיקה, השואפת כאמור לאחד את ארבעת הכוחות במסגרת תיאורטית יחידה. רבים תולים תקוות בתורת המיתרים כדרך המבטיחה ביותר לפיתוחה של "התיאוריה של הכול", אבל הבטחות אלה עדיין רחווקת מהגשמה.

 

 


הפרשנות הקוונטית

משהתבררו מוזרויותיה של הפיסיקה הקוונטית, שרק מקצתן תוארו לעיל, ונמצא כי הן סותרות את מה שנחשב קודם לכן לשכל הישר, נולד הצורך במתן פרשנות לתורת הקוונטים. חשוב לציין כי אין מחלוקת באשר ל"נכונותה" של תורת הקוונטים. המשוואות הוכיחו את תוקפן בכל ניסוי וניסוי, ואיש אינו מעלה על דעתו לערער עליהן. שאלת הפרשנות מתייחסת רק לסוגיית המחשתם של התהליכים המתוארים במשוואות מתמטיות באמצעות מושגים שהשכל האנושי מסוגל להבינם. כדברי נילס בור, "מי שהתעמק בתורת הקוונטים ולא קיבל כאב ראש נורא, אות הוא שלא הבין מאומה."

הזרם המרכזי בתחום זה, מבית מדרשם של בור ותלמידיו, מכוּנה "פרשנות קופנהגן". לפי בור, האי-ודאות היא עקרונית, ואין אפשרות להימלט ממנה. הואיל ויש גדלים פיסיקליים קומפלמנטריים (משלימים) שאי-אפשר למדוד אותם בעת ובעונה אחת בדיוק, אין טעם ומשמעות לשאלה מהו התהליך האובייקטיבי המלא שאירע. כל מה שמותר לשאול הוא מה מראים מכשירי המדידה; מעבר לזה אין שום מציאות אובייקטיבית. אין גם אפשרות לנתח את המערכת הנצפית באופן מבודד, בגלל התערבותו של מכשיר המדידה (ושל המודד עצמו). לתכונות הקוונטיות אין קיום ממשי כלל, אלא בעת שהן נמדדות כל אחת לגופה. הכוללנות (הוליזם) הזאת סותרת גישה מקובלת בפיסיקה, הקרויה
רדוקציוניזם, ולפיה אפשר להבין מערכת בשלמותה אם מבינים את כל מרכיביה. הפיסיקה הקוונטית קושרת את כל חלקי המערכת זה בזה, לרבות חלקים המרוחקים זה מזה במידה שאינה מאפשרת מעבר מידע ביניהם. בלשון הפיסיקה, התהליכים אינם "מקומיים".

אובדנה של "הסיבתיות המקומית" ואובדן ה"אובייקטיביות" המפרידה בין הצופה והנצפה הם הזעזועים החמורים ביותר שחוללה הפיסיקה הקוונטית. רבים (ובהם אלברט איינשטיין, כאמור) לא אבו לקבל פרשנות זו והציעו פרשנויות חלופיות, כגון "פרשנות המשתנים הנסתרים", הגורסת שהתכונות הקוונטיות אינן אלא השתקפויותיהן של תכונות אחרות שיש למערכות; אלה אינן גלויות לתצפית ישירה, אך אפשר לעמוד עליהן מן התכונות הגלויות, הנמדדות. תכונות נסתרות אלה אינן הסתברותיות אלא מוחלטות, ולכן הן משקמות את המקומיות ואת האובייקטיביות, ולא נותר אלא לגלותן. יש גם פרשנויות אחרות, מופלגות עוד יותר; פרשנות "ריבוי העולמות" מבית מדרשו של ג'ון וילר, לדוגמה, גורסת שכל אירוע קוונטי גורם להתפצלות היקום, כך שביקום אחד תוצאת האירוע הולמת אחת מההסתברויות, וביקום אחר היא הולמת הסתברות אחרת.

לסיכום, סוגיית הפרשנות הקוונטית עדיין פתוחה; אפשר שתינתן לה תשובה אשר תניח את דעת הכול, עם פיתוחה המיוחל של "התיאוריה של הכול"; ואפשר שתהליכי הטבע הבסיסיים יישארו לעד מחוץ לגדר הבנת האדם, ויהיו נגישים רק לכלים האנליטיים שבידיו.

 


יישום

עם כל זה, כאמור, אין הפיסיקאים מפקפקים היום בצדקתה של תורת הקוונטים. למען האמת, אין להם שום אפשרות להבין בלעדיה את מבנה האטום והמולקולה, את הקשרים הכימיים, את מבנה הגביש, ועוד. בלעדיה לא היו בידינו התקנים כגון לייזר ומייזר, או טרנזיסטור. בלעדיה לא היינו מבינים כיצד נותנת השמש את חוּמה, ולא היינו יכולים לנצל את האנרגיה הגרעינית. הפיסיקה הקוונטית עולה בקנה אחד עם המציאות, וכאמור, אחת משלוחותיה (האלקטרודינמיקה הקוונטית) מגיעה לדרגת דיוק שאין דומה לה בכל המדעים, במה שנוגע להתאמה בין ניבויי התיאוריה לבין תוצאות הניסוי.

 


יש לכם הערה לערך ?


חזרה לעמוד הקודם
חזרה לעמוד הראשי של האנציקלופדיה

חדשות
דעות
כלכלה
ספורט
צרכנות
תרבות ובידור
רכילות Pplus
מחשבים
בריאות
ירוק
יהדות
תיירות
רכב
אוכל
יחסים
סרטים
הוט
כלכליסט
משחקים
מקומי
לימודים
מדע
לאישה
דרושים
ynet-shops
ynettours
winwin
בעלי מקצוע
ביגדיל
 

אודות ועזרה
כתבו אלינו
עזרה
מדיניות פרטיות
תנאי שימוש
מפת האתר
ארכיון
מרכזי המבקרים
Israel News
 
אודות האתר
RSS
הפוך לדף הבית
ynet בסלולר
ניוזלטרים
פרסמו אצלנו
אנציקלופדיה
באבלס
ערוצי תוכן
חדשות
כלכלה
ספורט
תרבות
בריאות
מחשבים
נופש
Xnet
Yschool
יהדות
דעות
צרכנות
תיירות
אוכל
רכב
בעלי חיים
שופינג לאשה
כיכר השבת
יחסים
אסטרולוגיה
מעורבות
ירוק
לאשה
דילים
ynetArt
kick
כלכליסט
בלייזר
רכילות Pplus
מנטה
משחקים
mynet
מפות
פרוגי
כלים ושירותים
קניות
מניות
דרושים
מחירון רכב
דירות להשכרה
קופונים
זיכרונט
ידיעות בתי ספר
ידיעות אחרונות
דירות למכירה
לוח רכב
יד שניה
בעלי מקצוע
משחקים Games
עברית
דירות חדשות


YIT  - פיתוח אינטרנט ואפליקציותApplication delivery by radwarePowered by Akamaiהאתר פועל ברישיון אקו"םהאתר פועל ברישיון תל"יאקטיב טרייל
-nc  כל הזכויות שמורות לידיעות אינטרנט ©