ניסוי צעיר
(ניסוי סדק כפול)
במשך זמן רב, מדענים תהו לגבי הטבע האמיתי של האור, במשך זמן רב היו לאור כמה פרשנויות שונות לאורך ההיסטוריה, אך איש מעולם לא הצליח להגיע לקונצנזוס. כמה מדענים האמינו שאור מורכב מחלקיקים קטנים, אחרים האמינו שאור הוא גל, ולמעשה, עבור חלקם תופעות אופטיות רבות ההתייחסות לאור כחלקיק או כגלים עזרה להסביר תופעות מסוימות. הסרטון שלהלן יסביר כמה מהפרשנויות לטבע האור לאורך השנים.
כפי שראינו בסרטון, האור לא מתנהג רק בצורה אחת, אלא בשתי צורות, חלקיקים או גלים. אבל איך אותה תופעה פיזיקלית יכולה להציג שני טבעים שונים כל כך? בסביבות 1801, ניסוי משובח שביצע תומס יאנג (1773-1829) יישב את העניין לטובתו של הויגנס.
הניסוי כלל ירי קרן אור תחילה דרך צלחת בעלת חריץ אחד בלבד ומה שייצפה במסך לאחר החריץ הזה כבר היה צפוי, התוצאה מכיוון שרוב הפיזיקאים באותה תקופה עדיין האמינו שאור הוא קרן חלקיקים, אז קרן פשוט תיווצר. אבל כאשר נוסף חרך אחד לניסוי הזה, התוצאה הייתה מפחידה! כדי להבין טוב יותר צפה ב-3 הסרטונים הבאים למטה.
בקיצור... האמינו לפני שנים שחלקיקי אור ותת-אטומיים כמו האלקטרון הם גופים! איך חלקיקים יכולים להתנהג כמו גלים? ראה אפילו לפי ההגדרה של שניהם, מהו חלקיק? בתחום הפיזיקה, המונח חלקיק משמש לציון יסודות קטנים מאוד (המילה עצמה נובעת מהמילה הלטינית particula, שפירושה חלק קטן מאוד, גוף או גוף זעיר מאוד).
בדרך כלל כשמדברים על חלקיקים מדברים על חלקיקים תת-אטומיים, כלומר, חלקיקים קטנים מאטום. ניתן להבחין בין חלקיקי חומר וחלקיקי קרינה. חקר החלקיקים (כלומר של חלקיקים אלמנטריים של חומר וקרינה, כמו גם האינטראקציות ביניהם) נקרא פיזיקת חלקיקים.[*] לפיזיקה, גל הוא הפרעה שמתפשטת בחלל או בכל מקום אחר לגמרי. הם מסווגים ביחס לאופי, כיוון ואנרגיה של ההתפשטות, הם מעבירים אנרגיה ולא חומר.[**]
במילים אחרות חלקיק וגלים הם דברים שונים לגמרי, איך אפשר לרכוש תכונות מהאחר? כדי שפיזיקאים יבינו את התופעות הללו, הם היו צריכים לנסח מחדש את כל המכניקה הקלאסית במכניקה חדשה שיכולה לתאר את התופעות המוזרות הללו בקנה מידה קטן ביותר, שנוצרה אז מכניקת גלים או מכניקת קוונטים.
כדי שתוכל להבין טוב יותר את הרעיון, כרגיל, למטה יש שתי סימולציות הקשורות ל לנסות מאת תומאס יאנג (חריץ כפול). בהם נסו לחקור את התופעות בעצמכם ולהשוות עם תאוריה שאנו מציגים בפניכם. הסימולטור הראשון קשור להפרעות גלים, אם אתה לא מבין מה הם באמת, חקור את הסימולטור הזה. עכשיו הסימולטור השני הוא הכוונה לתופעות קוונטיות, המקושרות באופן מלא עם הסימולטור הראשון. חקור את הכלים, החריצים הכפולים, השיגור הפרטני של חלקיקים תת-אטומיים, הגדל או הקטנת המרווח בין החריצים והבין טוב יותר את התופעות המוסברות כאן.
סימולטור 1: גלים והפרעות גלים
סימולטור 2: גלים קוונטיים
חשוב לזכור שאחד מה הסברים שיש להסביר את תופעת ההתאבכות הזו היא היחס לממדים של האובייקטים שאנו עוסקים בהם! ככה!? תראה! אלקטרונים הם אלמנט כל כך קטן של חומר אבל כל כך קטן שכל הפרעה חיצונית משנה את תכונותיה (מתנהגים כמו גוף או כמו גל), יש הרבה "מיסטיקה" המוטבעת בשאלת הצופה, אבל הנקודה היא שהמדע פועל על בסיס התבוננות, וכדי להיות מסוגלים להתבונן במשהו אנחנו בהכרח צריכים אור!
לדוגמה, אם אתה רואה את המחשב או הטלפון הסלולרי שלך מולך, זה בגלל שהאור שיצא מהמנורה עבר לכל מקום שבו אתה נמצא, פגע בטלפון הנייד שלך ואז משתקף בעיניים שלך (במיוחד על הרשתית שלך, הרגישה לאור). רק אז ידעת לזהות היכן יהיה הטלפון הנייד שלך. אותו דבר מתייחס לכל ניסוי קונבנציונלי.
כדי שהמדען ידע מה קורה בניסוי, הוא צריך לראות, וכתוצאה מכך הוא צריך מקור אור כלשהו כדי לדעת אם משהו נמצא כאן או שם, אך כעת העצם שאנו עוסקים בו הוא קוונטי, כלומר קטן או שווה לגודל האטום עצמו.
כפי שראינו בפרקים הקודמים על האפקט הפוטואלקטרי, אלברט איינשטיין הציל את המאפיין של גופה לאור, מכיוון שיש לו אנרגיה הקשורה לביטוי שלו (תזוזה/התפשטות יותר מומנטום ליניארי במיוחד ).
במילים אחרות, האור הוא גם עצם שהמימד שלו בכל הנוגע להתנהגות הגופנית שלו, הוא בעל ממדים אטומיים, מאפיינים קוונטיים, הפוטון הידוע! אם נגיע למקד אור באלקטרון, תכונותיו ישתנו עקב אינטראקציה זו בין אור לאלקרון.
דרך נוספת להבין זאת תהיה, למשל, לזרוק כדורסל על בסיס בניין גבוה וגדול. מה הכדורסל יפריע לבניין? כל דבר! בדיוק כמו האור לכיוון הפלאפון או המחשב שלפניכם, הוא נופל עליהם אך לא מפריע להם, כי המידות היחסיות של ה"פוטון" עם הגודל הכללי של הפלאפון/מחשב שלכם אינם משמעותיים!
אבל עכשיו אם נזרוק כדורסל אחד נגד השני, אז כן, יהיה לנו שינוי בכדורסל השני, הוא יתחיל לזוז... ירכוש אנרגיה קינטית וכו'. שכן מימדי הבעיה בה אנו עוסקים כעת זהים יחסית. אותו דבר חל על בעיה זו פוטון (אור) ואלקטרון.