נוסח השאלה המלא:" בפיסיקה, איוּן (Annihilation) הוא תהליך שבו חלקיק ואנטי-חלקיק נפגשים והופכים לחלקיק אחר. החלקיק האחרון חייב להיות אנטי-חלקיק של עצמו, והוא בדרך כלל נשא של אחד הכוחות הפיסיקליים. לדוגמה, כאשר אלקטרון ופוזיטרון נפגשים הם הופכים לשני פוטונים.
השאלה שלי היא: האם אפשר להסיק מהתגובה הזאת שגם את "חלקיקי היסוד" לכאורה מרכיבים חלקיקים קטנים יותר. הרי הפוטון נוצר, אך לא ברור מאיפה הוא בא. אז מאיפה הוא בא?
ריצ'רד פיינמן. הסופרסטאר של האלקטרודינמיקה הקוונטית | התמונה לקוחה מוויקיפדיה
שלום דן,
אתה רוצה להסיק מאיון של אלקטרון-פוזיטרון שפוטון מורכב מאלקטרון ופוזיטרון. אך הרי פוטונים יכולים להיווצר גם מאיון של מואון ואנטי-מואון, וכיוון שהפוטונים האלה זהים (והם זהים), ברור שזו הסקה שגויה.
אבל שאלה טובה שאלת, 'הפוטון נוצר אך לא ברור מאיפה הוא בא, אז מאיפה הוא בא??'. בספרו האוטוביוגרפי למחצה 'מה אכפת לך מה אחרים חושבים?' מספר ריצ'רד פיינמן איך השפיע עליו אביו ולימד אותו לשאול ולחקור. הוא גם מתאר שם את האכזבה שחש כשלא הצליח להסביר לו מאיפה בא הפוטון כאשר אלקטרון מאבד אנרגיה ופולט פוטון.
ויש גם שאלה לא פחות קשה – לאן האלקטרון והפוזיטרון הולכים? אנטי-חלקיק זה לא אנטי-וירוס או אנטיביוטיקה, ואין לו מנגנון שנצמד לחלקיק ו'מעלים' אותו. ננסה להסביר בפשטות את הפיסיקה העמוקה העומדת מאחורי התהליך הזה.
פוטון הוא מצב אנרגטי מסוים של השדה האלקטרומגנטי. אנרגיה אלקטרומגנטית באה בצורה של פוטונים, יחידות אנרגיה שמקיימות את המשוואה של יחס הנפיצה: E=|p|c, כאשר E היא אנרגיית הפוטון, p הוא התנע שלו, ו-c היא מהירות האור בריק.
פול דיראק, מפתח משוואת דיראק של השדה הפרמיוני | התמונה לקוחה מוויקיפדיה
אלקטרון הוא מצב אנרגטי של השדה הפרמיוני. כפי שפוטון מתואר על ידי משוואות השדה האלקטרומגנטי, האלקטרון והפוזיטרון מתוארים על ידי השדה הפרמיוני. אלקטרון ופוזיטרון הם 'פתרונות' שונים של השדה הזה, כך שלאלקטרון מטען שלילי, לפוזיטרון מטען חיובי ושניהם מקיימים את יחס הנפיצה
כש-mהיא מסת האלקטרון או הפוזיטרון.
העובדה שלאלקטרון יש מסה לא הופכת אותו ליותר 'חלקיק' מפוטון. בתורת השדות המשמעות של מסה היא פשוט המשוואה שהבאנו למעלה. בעוד שאצל פוטון, ככל שהתנע שלו יפחת, כך תקטן האנרגיה שלו, עד למצב מנוחה שבו אין לפוטון כל אנרגיה, לאלקטרון תהיה תמיד אנרגיה של לפחות E0=mc2. המשוואה המפורסמת לא אומרת שמסה יכולה להפוך לאנרגיה ולהפך – היא אומרת שהמסה עצמה היא סוג של אנרגיה.
לכן אלקטרון, פוזיטרון ופוטון הם פשוט (פשוט מאוד, לא?) צורות של אנרגיה, ואותו דבר נכון גם למואון, גלואון וחלקיק היגס המפורסם. לכל אחד מ"חלקיקי היסוד" יש שדה משלו שהם המצבים האנרגטיים שלו.
תהליך ה'איון' המתואר כאן הוא מעבר של אנרגיה מהשדה הפרמיוני לשדה האלקטרומגנטי. גם בתהליך הזה חוקי השימור צריכים להישמר: שימור אנרגיה, שימור תנע, שימור מטען חשמלי ושימור תנע זוויתי, ולכן אלקטרון ופוזיטרון אינם יכולים לפלוט פוטון בודד (למה?) אלא רק שניים.
האנרגיה עוברת בין שני שדות על ידי 'צימוד' בין השדות, שמופיע במשוואה כאיבר שמחבר את שני השדות. פיינמן פיתח שיטה גרפית לתאר תהליכים באלקטרודינמיקה קוונטית כך שכל חלקיק מיוצג ע"י 'קו' אופייני והקווים נפגשים בצמתי צימוד שמאפשרים מעבר אנרגיה בין שדה לשדה. כדי להבין מה השיטה הזו תורמת צריך ללמוד את התורה ברצינות, עם המתמטיקה הדרושה, אבל הנה לך 'דיאגרמת פיינמן', שמתארת איון של אלקטרון ופוזיטרון:
התרשים לקוח מוויקיפדיה
הקווים האדומים הם אלקטרון (משמאל) ופוזיטרון (מימין), שהופכים בתהליך כפול שמתווך על ידי "אלקטרון ביניים", לשני פוטונים המיוצגים על ידי קווים גליים.
אני מקווה מאוד שהצלחתי להגיש מעין הקדמה להקדמה לפיסיקה הכל כך שונה הזאת, שהכל בה מתואר על ידי שדות ויחידות אנרגיה.
אלעד יעקבי
המחלקה לחומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה יתקבלו תמיד בברכה.
