במשך מאות שנים, הפיזיקה הקלאסית (זו של אייזק ניוטון) תיארה עולם הגיוני וצפוי. עולם שבו אובייקטים נעים במסלולים ברורים, סיבה מובילה לתוצאה, והכל רציף. אבל בתחילת המאה ה-20, כשמדענים הצליחו להציץ אל הרמה החלקיקית ביותר של היקום - אל תוך האטומים וחלקיקי האור - הם גילו שהחוקים הללו פשוט מפסיקים לעבוד. הם גילו מציאות שונה לחלוטין שמתנהגת לפי חוקים מוזרים, הסתברותיים, ולעיתים קרובות נוגדים את ההיגיון הבריא. זהו עולמה של מכניקת הקוונטים.
כדי להבין איך הכל התחיל, צריך להבין את שבירת הרציפות. בפיזיקה הקלאסית, אם תרצה להאיץ כדור, אתה יכול להעניק לו כל כמות של אנרגיה שתרצה (כמו לחיצה על דוושת גז רציפה במכונית).
אבל כשהמדענים (כמו מקס פלאנק ואלברט איינשטיין) חקרו את האור והחומר, הם גילו שזה לא עובד ככה. האנרגיה לא זורמת ברצף, אלא מגיעה ב"מנות" קטנות ומדויקות הנקראות קוונטות (Quanta).
כשהסתכלו על האלקטרון בתוך האטום, הבינו שהוא לא יכול לקבל כל כמות של אנרגיה, אלא רק "מנות" ספציפיות. כשהוא מקבל אנרגיה ועובר מרמה אחת לשנייה, הוא עושה "קפיצה קוונטית":
הוא לא נע במסלול רציף, אלא משנה את המצב שלו באופן מידי, כמו מיתר גיטרה שעובר מצליל אחד לצליל אחר מבלי להשמיע את התדרים שבאמצע.
ברגע שהבנו שאי אפשר להגדיר מסלול רציף לאלקטרון, כל המכניקה הניוטונית של "מיקום ומהירות" פשוט קרסה. אבל למה האנרגיה מגיעה במנות? ואיך זה מדרדר לעולם של הסתברויות וחתולים חיים-מתים? בואו נעבור על העקרונות:
כדי להסביר למה האנרגיה מקונטטת, הפיזיקאי לואי דה-ברויי הציע רעיון מטורף: אם האור (שהוא גל) יכול להתנהג לפעמים כמו חלקיק, אולי חלקיק חומר (כמו אלקטרון) יכול להתנהג גם כמו גל שמתפרס במרחב?
איך זה קשור למנות? תחשוב על מיתר של גיטרה. כשאתה פורט עליו, הוא כלוא בין שני קצות הגיטרה, ולכן הוא יכול להפיק רק צלילים ספציפיים (תדרים שלמים, הרמוניות). הוא לעולם לא יוכל להפיק "חצי תדר". באופן דומה, האלקטרון הוא "גל" שכלוא סביב גרעין האטום. בגלל שהוא גל שסגור במעגל, הוא יכול להתקיים רק בתדרים ספציפיים (כלומר, ברמות אנרגיה ספציפיות).
המסקנה: האופי הגלי של החומר הוא הסיבה הישירה לכך שהאנרגיה אינה רציפה ומגיעה ב"הילוכים"!
אז הבנו שהאלקטרון הוא לא נקודה, אלא גל. אבל איזה מן גל זה? הפיזיקאי מקס בורן גילה שזהו גל של הסתברות.
במקום להגיד "האלקטרון נע במסלול הזה והזה" (כמו כוכב לכת סביב השמש), הפיזיקה הקוונטית אומרת: האלקטרון הוא "ענן הסתברות" בצורת גל סביב הגרעין. המשמעות היא שאנחנו אומרים: "יש הסתברות של 70% שהוא כאן, ו-30% שהוא שם".
איך זה קשור? ברגע שהסכמנו שהעולם בנוי מגלים כדי להסביר את "מנות האנרגיה", איבדנו את היכולת לחשב מסלולים מדויקים, ונאלצנו לעבור לשפת ההסתברויות.
עקרון זה קובע שאי אפשר לדעת בו-זמנית גם את המיקום המדויק וגם את המהירות (התנע) המדויקת של חלקיק. ככל שתדייק באחד, השני יהפוך למטושטש.
איך זה קשור? זה קורה לא בגלל שיש לנו מכשירי מדידה גרועים, אלא בגלל הטבע הגלי! תחשוב על גלים בים: אין להם "מיקום נקודתי" מדויק, הם מרוחים על פני המים. מצד שני, יש להם אורך גל שקשור למהירות שלהם. אי אפשר להצמיד לגל מרוח את המושגים הקלאסיים של "מיקום ומהירות" כאילו הוא היה כדור בייסבול. זהו מחיר הדיוק שאי אפשר לשלם בעולם גלי.
כמו שהאנרגיה מגיעה במנות, כך גם תכונות אחרות של החלקיק - למשל תכונה שנקראת ספין (מעין תכונה מגנטית פנימית). עקרון קוונטי חשוב קובע ששני אלקטרונים לא יכולים להיות באותו מצב קוונטי בדיוק (הם לא יכולים לשבת באותו ענן הסתברות עם אותו ספין).
איך זה קשור? אם הם היו יכולים, כל האלקטרונים היו נופלים לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר והאטום היה קורס לתוך עצמו. בגלל שכל אלקטרון דורש את "המושב המיוחד" שלו, האטומים תופסים נפח. זה מה שנותן לחומר בעולם שלנו מוצקות ומונע ממך ליפול דרך הרצפה!
העקרון הזה אומר שכל עוד לא בוצעה אינטראקציה (מדידה), החלקיק נמצא בכל המצבים והמיקומים האפשריים שלו בו-זמנית (הניסוי המחשבתי של "החתול של שרדינגר" שממחיש מצב בו החתול גם חי וגם מת). החלקיק לא "כאן" או "שם" - הוא בשניהם יחד.
איך זה קשור? זהו השיא של כל הקודמים. בגלל שהחלקיק הוא בסך הכל גל של הסתברויות, הרי שעד שהוא לא מאולץ לבחור, פונקציית הגל שלו קיימת בכל מקום שיש בו סיכוי חיובי. הוא פשוט מכיל את כל האפשרויות בבת אחת.
איינשטיין קרא לזה "פעולת רפאים ממרחק". שני חלקיקים יכולים להיות קשורים זה לזה, כך שברגע שתמדוד אחד מהם במערכת השמש שלנו, מצבו של השני ייקבע מיד באותה שנייה, גם אם הוא בקצה השני של הגלקסיה.
איך זה קשור? כי מבחינה מתמטית, ברגע ששני חלקיקים מגיבים זה עם זה, הם מאבדים את הזהות הנפרדת שלהם ויש להם פונקציית גל הסתברותית אחת משותפת. הם מערכת אחת של הסתברות. כשאתה הופך את ההסתברות למציאות בצד אחד, המערכת כולה (כולל הצד השני) מגיבה מיד.
ומה קורה כשאנחנו מודדים? ברגע שיש ניסיון "לתפוס" את החלקיק - פונקציית הגל הסטטיסטית "קורסת". הטבע נאלץ לבחור. אנחנו עוברים מאותו רגע לעולם קלאסי, ורואים את החלקיק בנקודה אחת ספציפית עם מנה (קוונט) אחת ספציפית של אנרגיה.
(חשוב להבהיר: "מדידה" או "צופה" הם לא בהכרח בן אדם מודע שמסתכל. גם אם פוטון של אור פוגע באקראי באלקטרון, זו נחשבת אינטראקציה שמאלצת את גל ההסתברות לקרוס למציאות מוגדרת).
כדי להבין איך הכל מתחבר לסיפור אחד מושלם, תחשוב על זה כרצף הגיוני שבו שלב אחד מחייב את קיומו של השלב הבא:
לסיכום: ההבנה שלמציאות יש "הילוכים" (מנות אנרגיה) אילצה אותנו להכיר בטבע הגלי וההסתברותי של היקום, מה שיוצר את כל הקסם והמוזרות של הפיזיקה הקוונטית.