תורת הקוונטים היא תחום מסתורי במדעי הפיסיקה, שלמעשה סותר את התיאוריות הפיסיקליות הקלאסיות של ניוטון ומקסוול. מהתיאוריה הזו עולה שלא קיימת רציפות של חומר או אנרגיה. הסרטון שלפנינו מציג את אחת התעלומות העומדות ביסוד הפיסיקה הקוונטית ניסוי שני החרכים.

 

הסרטון הופק במסגרת הסרט  "What the bleep to we know?"  ותורגם בידי צוות האתר דוידסון אונליין.
לכניסה לאתר הסרטן

 

והנה סרטון נוסף שמסביר את הניסוי:

 

הסרטון הופק בידי Cassiopeia Project ותורגם בידי צוות האתר דוידסון אונליין

כל דבר אפשר לפרק למנות בסיסיות קוונטים. כשמסתכלים על התמונה הגדולה, קיומן של המנות האלו הוא עניין זניח ואפשר להניח שהחומר רציף, כמו שקורה למשל במים או באור. רק כך יכולות למעשה להתקיים התיאוריות של הפיסיקה הקלאסית, כמו חוקי ניוטון במכניקה או חוקי מקסוול בחשמל. אולם כשיורדים לרמות האטומיות, אפשר לראות שכל דבר ניתן לפרק לרמה הקטנה והבסיסית ביותר, כמו מולקולות שמהן מורכבים המים, הפוטונים שמרכיבים אור, חלקיקים שמרכיבים את האטום, ועוד.

 

הפיסיקה הקוונטית היא תיאוריה מסתורית וסבוכה שמכילה סתירות ותעלומות רבות. שתיים מהן מוצגות בסרטון עקרון הדואליות (דו-ערכיות), שלפיו כל חומר יכול לקיים גם תכונות של גל וגם תכונות של חלקיק, ועקרון אי-הוודאות שאומר שעצם המדידה של חלקיק משנה את תכונותיו. תופעה נוספת, שמופיעה  בסרטון, היא ההסתברות שחלקיק יהיה בכמה מקומות, גם אם יש מחסום כלשהו שאמור למנוע ממנו להיות שם. התופעה הזו נקראת "מנהור קוונטי" (Quantum Tunneling)

ירון גרוס
המחלקה לפיסיקה של חומר 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.

69 תגובות

  • אלון

    ללא שימוש באטומים

    לגבי המשך השאלה אינני מבין אותה. מה הכוונה לעשות את הניסוי ללא שימו באטומים

    זה השאלה החשובה ביותר שלי.
    ההנחה שלי שבגלל שבאטום יש אלקטרונים(אלקטרון). בעיקבות הפגיעה של אלקטרון משתחררים אלקטרונים מאטום עצמו בצורה יחודית או לא... לא ברור לי לא נעשה ניסוי כזה/דומה?

    "זה לא משנה באיזה אטום בקיר פוטון נבלע" - (אלקטרון)
    זה מענין לדעת עם זה הראשון שהוא נפגש איתו.
    הוא מישהו אחר ועם זה מישהו אחר למה?

    אפקט אהרונוב - בוהם אני יקרא ויחזור.

  • אלון

    המשך: ללא שימוש באטום

    עם אפשר לבנות קיר מאלקטרונים ללא שימוש בזכוכית.

    כלומר לירות אלקטרונים שְׁתִי וָעֵרֶב כך שפוטון לא יחדור דרכם זה היה ניסוי מצוין לדעתי שיכול לתת תוצעות מענינות וחשובות מאוד.

    אולי גם אפשר לבדוק גם הפוך ע"י שימוש בליזר ובאלקטרון

  • אלון

    המשך: ללא שימוש באטום: הסבר

    עם היריה של אלקטרון פוגעת באטום
    אולי התוצעה היא שיחרור של אלקטרונים.
    עם זה נכון... אז
    אולי "הצופה" יוצר מצב של נעילת האלקטרונים באטום.

    ואז זה נישמע יותר הגיוני.

    דרך נוספת שאלי אפשר לנסות
    זה לבנות מיתקן ואלי עם יש דרך לספור את כמות
    האלקטרונים שיש בו לירות אלקטרון ולראות עם חסרים אלקטרנים ב"קיר". כלומר השתחרורו
    ובמצב שני לבנות את אותו מתקן עם צופה ולבדוק תתוצעות.

  • עידו קמינסקי

    הקיר אינו חשוב, רק הסדקים

    היתי תחת הרושם שעניתי לשאלות שלך. אם יש עוד דבר לא ברור שאל שוב

    כמו שאמרתי, אתה מנסה להכנס לפרטים הקטנים של ממה עשוי הקיר, כיצד המגע בין האלקטרון לאטומים של הקיר משפיע על התוצאה הסופית וכך הלאה. ואני מנסה להבהיר לך שאין כל משמעות לפרטים האלו.

    הקיר לצורך העניין יכול להיות מורכב ממתכת מוארקת, כלומר מתכת עצומה בגודלה או מחוברת לכדור הארץ עצמו שהוא עצום בגודלו. במקרה כזה אם אלקטרון פוגע בקיר הוא ייספג לתוכו. וזהו. לא תיהיה השפעה אחרת עקב פגיעת האלקטרון בקיר (הטעינה של הקיר תיהיה זניחה כי הוא מכיל כמויות אסטרונומיות של אלקטרונים ואין לו בעיה לספוג עוד אלקטרון בודד).

    כל מה שחשוב בניסוי זה הוא קיומו של הקיר, ושני סדקים בקיר

    אתה יכול לחשוב באופן דומה על שוברי גלים בים. אם תיקח שובר גלים ארוך ותעשה בו שני חורים גדולים תראה מצב דומה למדי בו הגלים עוברים דרך שני הסדקים ומתאבכים. החלק מהגל שפגע בשובר הגלים אינו משפיע.. הוא אינו מרעיד את האטומים בשובר הגלים וגורם להם להעביר גלים הלאה כי השובר מאוד מאוד מאסיבי לעומת הגל ולכן תופעה כזו זניחה, וכל מה שחשוב הוא העובדה שיש חורים בשובר הגלים והמים עברו דרכם.

  • עידו קמינסקי

    תשובה 1

    אין כאן שום תלות באינרטקציה בין האלקטרון שנורה לקיר. התופעה קורית כאשר הקיר לחלוטין בולע או לחלוטין מחזיר את האלקטרונים שפגועים בו ואלטקרונים עוברים לצד השני רק אם הם עוברים דרך אחד משני הסדקים
    לא מדובר בתוצאה ניסיונאית בלבד ישנם משואות מתמטיות המתארות את התופעה והן אינן מתייחסות כלל לקיר עצמו אלא רק לסדקים שבו (המיקום שלהם) התופעה הנחזית על ידי משוואות אלו תואמת לתופעה הנמדדת בניסוי

  • מנתניה

    איך אפשר למדוד?

    האם כשמודדים את הפוטון (בסרט הראשון) הוא צריך להבלע או שיש אינטרקציה 'מרחוק'?
    אם יש אינטרקציה, איך הפוטון ממשיך אח"כ לעבר הלוח?

  • עידו קמינסקי

    החיישן והחריץ

    דבר ראשון שימו לב כי הניסוי עוסק באלקטרונים ולא בפוטונים, אין לזה משמעות רבה אפשר לעשות את אותו הניסוי עם כל חלקיק (תיאורטית), אבל האפקט היה מפתיע יותר כשנצפה עבר אלקטרונים מאחר ופוטונים הינם חלקיקי אור והיה ידוע כי אור מתנהג כמו גל, לעומת זאת אלקטרונים הינם חלקיקי חומר, והעובדה שחומר יכול להתנהג כמו גל הינה מפתיעה במבט ראשון

    לגבי שאלתך ספציפית. אם הגלאי יבלע את האלקטרון, אז ברור כי תבנית ההתאבכות תהרס מסיבה הגיונית לגמרי, בליעה של אלקטרון באחד מהחריצים הינה זהה לסתימה של החריץ הזה, ואז אנו חוזרים לניסוי עם חריץ בודד. הרעיון המעניין כאן הינו כי אם אנו רק מגלים כי האלקטרון נע דרך חריץ מסוים על ידי אינטרקציות מרחוק כפי שרשמת, אך משתדלים לא להפריע כלל להתקדמותו במרחב, עד נהרוס את תבנית ההתאבכות

    במקרה של אלקטרונים הדרך לעשות זאת הינה באמצעות חיישן כלשהו אשר יהיה רגיש למטען האלקטרון אותו הוא יכול לחוש מרחוק. כמובן שחישן שכזה ישפיע במקצת על תנועת האלקטרון גם כן, אך נוכל להשתדל ולהקטין השפעה זו ככל האפשר.

    ניסוי מענין שנערך במכון וייצמן (גילוי נאות - במעבדה בה אני עובד) הראה כי אם אפשר לכוון את הרגישות של החיישן, ממצב בו הוא מגלה כל אלקטרון העובר דרך החריץ דרך אחוז גילוי כלשהו, כלומר רק אחד מכל כמה אלקטרונים מזוהה, ועד למצב בו החיישן לא פעיל כלומר לא מזהה אלקטרונים ,אזי גם ניתן לעבור באופן רציף ממצב בו לא רואים תבנית התאבכות כלל (כאשר החיישן מגלה כל אלקטרון) דרך מצב בו רואים תבנית התאבכות אך מוחלשת (במצב בו החיישן מגלה רק חלק מן האלקטרונים) ועד למצב בו תבנית ההתאבכות מופיעה במלוא עוצמתה (כאשר החיישן אינו רגיש ואינו מצליח לזהות אלקטרונים כלל).

    ירון גרוס

  • עינת

    המשך למה ששאלו חלקיק וגל

    אנחנו כבני אדם שמורכבים מחלקיקים גם
    במצב חלקיק גל כל הזמן? כלומר החלקיקים
    שאנחנו בנויים מהם?

  • עידו קמינסקי

    בני אדם ופונקציית הגל שלהם

    אני מפנה אותך לתגובה לי בעמוד זה, המכונה קוואנטים בחיי היומיום המסבירה למעשה מדוע לא כדאי לנו סמוך על היותנו גלים ולא עצמים קשיחים בחיי היומיום

  • עידית

    חלקיק-גל

    "כל חומר" זה אומר שכל סוגי החלקיקים נכללים בלי יוצא מן הכלל בדואליות : חלקיק - גל
    עפ"י תורת הקוואנטים?

  • עידו קמינסקי

    חלקיק-גל - תשובה

    ברמה הבסיסית ביותר, התשובה הינה פשוטה - כל חומר בלי יוצא מן הכלל נכלל בדואליות חלקיק גל. כלומר כל החלקיקים, אולם מעבר לכך, גם חומרים מורכבים יותר מחלקיקים - אטומים, מולקולות, כל חומר שהוא נכלל בדואליות זו.

    כמובן, שככל שהחומר גדול יותר, ועקב כך מאסיבי יותר, אפקט זה פחות משמעותי, מאחר ואורך הגל של החומר עומד ביחס הפוך לתנע. ככל שמאסת החומר גדולה יותר התנע שלו גדול יותר, ועל כן אורך הגל קטן יותר ויותר.

    אחד מהמבחנים הטובים לעובדה שהחומר הינו גל, הוא ניסוי שני הסדקים שתואר לעיל. הניסוי הזה תואר עבור אלקטרונים, אולם בשנים האחרונות מתבצעים ניסויים שכאלו בחומרים גדולים בהרבה. בין היתר התבצע ניסוי שכזה במולקולות המורכבות מ108 אטומים!

    זוהי כאמור הרמה הפשוטה אם נכנסים לפרטים עמוקים יותר, הרי שבשלב מסוים ככל שנגדיל את מאסת החומר אורך הגל ילך ויקטן, עד אשר והיא יקטן מאורך הנקרא "אורך פלאנק". כיום כל התיאוריות שמתארות את היקום, מתארות אותו רק עבור גדלים הגדולים מאורך זה, לכן לא ברור מה קורה כאשר אורך הגל של החומר קטן מאורך זה.

    בסופו של דבר השורה התחתונה והפשוטה הינה שהתשובה היא כן, כל החלקיקים נכללים בדואליות חומר - גל

    ירון גרוס

  • יניב

    קוואנטים

    אם כך הכל סופרפוזיציה=כל המציאויות
    ומה הכח שמפיל למציאות אחת בלבד ?
    הרי משהו גורם למציאות אחת להיות כך או כך
    חלקיק או גל במדידה מכוונת, אך ביומיום
    המציאות היא גם מעין קוואטית כי הכל חומר מורכב מחלקיקים.

  • עידו קמינסקי

    קוואנטים בחיי היומיום

    זוהי שאלה מצוינת, והתשובה אליה נעה ע להתחום שבין מדע לפילוסופיה. אחת התשובות המפורסמות (אולי בזכות סדרת הטלוויזיה גולשים בזמן) היא תיאורית העולמות המרובים שגורסת שקימים יקומים מגבילים בהם מתרחשת כל אחת מהמציאויות האפשרויות. אולם כאמור בעיני לפחות תיאוריה כזו היא רעיון פילוסופי ולא מדעי כל עוד אין דרך לאמת אותה באמצעות ניסוי.

    אולי אני אנסה להבהיר לך מדוע בפועל בחיי היומיום שלך אתה נתקל בעיקר באפקטיים קלאסים ולא קוואנטים. אם תחשוב שוב על ניסוי שני הסדקים, אחד מהדרישות החשובות של והוא שהאלקטרון יהיה מאוד מנותק מהסביבה שלו. הכוונה שהוא לא יתקל בדרכו מהסדקים אל המסך בשום גורם אשר יגיב למגע עם האלקטרון (לדוגמא פוטונים של אור, או אם האלקטרון נע בתוך חומר, אז פונונים, גלי קול בחומר וכו') הסיבה לכך היא שאם הסביבה מגיבה למיקומוו של האלקטרון, הרי שעל ידי הסתכלות על הסביבה אנחנו יכולים לדעת איפה האלקטרון עבר, כלומר הסביבה מודדת את מיקומו של האלקטרון ומדידה שכזו גורמת לקריסת פונקציית הגל כפי.

    עכשיו חשוב על גוף מאקרוסקופי ,לדוגמה כדוררגל אותו תרצה לבעוט ולהעביר דרך שני סדקים ולקבל תמונת התאבכות. דבר ראשון אורך הגל שלו יהיה אפסי ויתקרב לאורך פלאנק, אולם גם בהנחה שחוקי מכאניקת הקוונטים עדין רלוונטים, חשוב מה עובר על החלקיקים בכדור. תחילה הם נמצאים בטמפרטורה גבוהה מאוד נעים ומתנגשים זה בזה כל העת. שנית כל העת הם נתקלים ב"סביבה" אור פוגע בכדור, האוויר מתחכך בכדור וכו'. בתנאים אלו לא ניתן לראות שום אפקט קוונטי.

    רק על מנת להדגיש עד כמה האפקטים הקוונטים רגישים, חשוב על כח הכבידה הפועל על הכדור. בפועל חלקו הגבוהה של הכדור נמצא במרחק של כמה סמ גבוה יותר מחלקו הנמוך, המשמעות היא שפועל כח שונה באופן מזערי, אבל שונה על נקודות שונות בכדור, אפילו הפרש זעיר זה מספיק כדי להרוס את תופעת ההתאבכות של הכדור!!! למעשה אפקטים שכאלו נצפים היום בניסויי התאבכות אשר נעשים למולקולות גדולות.

    זו הסיבה הפרקטית לכך שמספר האפקטים הקוונטים אשר תחוש בחיי היומיום הינו קטן ביותר (אך יש אפקטים שכאלו והם חשובים ביותר לעיצוב המציאות בה אנו חיים) .

  • גלית

    המדידה ע"י "צפייה"

    כאשר בסרטון מופיעה "העין " כאנימציה של עין אנושית ,אך האם ה"צפיה" בחלקיקים שהיא המדידה זו הסתכלות אנושית ע"י מכשור בלבד
    שמתצפת ואז "התודעה" היא בעצם של המכשיר
    עצמו שמדד, ולא של האדם, או שה"תודעה" שמשפיעה על החלקיק היא תודעת האדם שמקבל מידע מהמכשור? למה מתכוונים במושג" צפייה"?
    תודה.

  • עידו קמינסקי

    תשובה

    בסרטון מוצגת העין כאמצעי להמחשה בלבד. הכוונה היא למכשירי מדידה. המדידה נעשית על ידי שימוש בחלקיקים בין אם זה פוטונים, אלקטרונים או כל דבר אחר. על פי עקרון האי וודאות, לא ניתן לקבוע גם מיקום וגם מהירות של חלקיק ברגע נתון, וזאת משום שהמדידה עצמה משנה את אחד הפרמטרים הללו. כך גם כאן, עצם זה שאת מודדת את מיקום או מהירות החלקיק, את גורמת לשינוי המשפיע על מיקומו ומהירותו. התודעה היא תוצאת המדידה, אשר אינה משקפת את מהירותו ומיקומו של החלקיק לולא היה נמדד.

    אני מקווה שעזרתי
    ארז

  • Pinny Gold

    מיקום של ה"עין"

    האם אי אפשר למקם את החיישן מ"אחורי" החריצים? כלומר, במיקום שהאלקטרונים לא "ירגישו" לפני שהם נכנסים לחריצים?
    אם כן, למה לא נעשה?
    אם לא, האם זה אומר שהחלקיקים "מרגישים" את החיישן גם דרך הקיר עם החריצים?

  • ירון גרוס

    העין ופונקציית הגל

    ניתן למקם את החישן בכל מקום, ובכל מקום תיהיה לו השפעה שונה. המשותף לכל המקומות בהם הוא ימוקם הוא שהוא גורם למה שנקרא קריסת פונקציית הגל
    לפני פעולת הגלאי האלקטרון מתואר על ידי פונקציה המתארת את הסיכוי שלו להיות בכל נקודה במרחק. לאחר הבדיקה על ידי הגלאי הפונקצה הזו משתנה אם הגלאי מגלה אותו הפונקציה מרוכזת סביב המקום בו הוא זוהה.. אם הוא לא זוהה על ידי הגלאי המיקום שלו בנקודה זו נפסל
    כעת צריך לחשוב מה המשמעות של מיקום הגלאי במקומות שונים

    אם הגלאי ממוקם על חריץ ספציפי עצם הגילוי/אי גילוי של האלקטרון על ידו יקבע בוודאות דרך איזה חריץ האלקטרון עבר, ותמונת ההתאבכות תהרס
    אם הגלאי ממוקם מאחורי החריצים, אזי האלקטרון כול להגיע אליו מכל אחד מהסדקים או יכול לא להגע אליו כלל (התאבכות הורסת).. במקרה שכזה הגלאי ישפיע בצורה מסובכת על תמונ הההתאבכות שעל הקיר. אם הוא מגלה את האלקטרון אזי האלקטרון נמצא במקום בו הגלאי זיהה אותו ומשם הוא ימשך להתקדם לכיוון הקיר - לא תיהיה תמונת התאבכות
    אם הגלאי לא מזהה את האלקטרון, פונקציית הגל משתנה, כל המסלולום אשר מובילים את האלקטרון לנקודה בה נמצא הגלאי נפסלים, ותמונת ההתאבכות על הקיר משתנה, אבל לאו דווקא נעלמת, הדבר תלוי מאוד במיקומו של הגלאי

  • אנה

    השפעת לוח החריצים

    שלום,
    מההתכתבות לעיל אני מסיקה שגם ללוח החריצים, המוצב "בטווח היריות" אמורה להיות השפעה על התוצאות. מה ידוע על כך??

  • מומחה מצוות מכון דוידסוןאנה גריבנין

    מיקום לוח החריצים

    שלום אנה,
    לוח החריצים בהחלט משפיע על התוצאות - הוא זה שגורם ליצירת תמונת ההתאבכות מלכחתילה. אם לא היה לוח חריצים אז כל האלקטרונים היו מתאבכים זה עם זה מכל המקומות ובסוף לא היינו רואים תמונת התאבכות ברורה על המסך כיוון שהכל היה מתמצע.
    הצבת לוח החריצים גורמת לכך שכל האלקטרונים שלא פוגעים בחריץ מוחזרים חזרה ורק אלו שעוברים את המסך דרך החריצים הם אלו שיוכלים להתאבך זה עם זה וליצור את תמונת ההתאבכות על המסך.

  • עמודים