זה אור זה?

במשך מאות שנים, נחלקה הפיזיקה בין חוקרים שטענו כי האור הוא גל, לעומת אחרים שטענו כי האור מורכב מחלקיקים. המחלוקת נפתרה כשהתברר שהאור יכול להתנהג כגל או חלקיק, תלוי באופן שבו מודדים אותו.

כעת, מחקר חדש שפורסם בכתב העת science טוען כי ניתן למדוד את תכונות האור גם כגל וגם כחלקיק בו-זמנית. המחקר בוצע על ידי קבוצת חוקרים בהובלת פרופ' אלברטו פרוזו ופיטר שלדבוט מאוניברסיטת בריסטול שבבריטניה, והשתתף בו גם הישראלי פרופ' סנדו פופסקו, לשעבר מאוניברסיטת תל אביב.

מה המשמעות של היות האור חלקיק או גל? ניתן לחשוב על חלקיק כגוף נקודתי, למשל כדור פינג-פונג. גל, לעומת זאת, הוא תנועה משותפת של הרבה חלקיקים בו-זמנית. אינטואיטיבית, הגל אינו יכול להיות גם החלקיק בו-זמנית, אבל האור כן מתנהג לעיתים כמו גל. כך למשל, יש לו את תופעת ההתאבכות, בה שני גלים נפגשים כששניהם בשיאם ויכולים להשתלב ולהעצים זה את זה. התכונה הזו הודגמה בניסוי שבו נורתה אלומה של אור לייזר אל עבר לוח עם שני חריצים, שבצדו השני הוצבה יריעת פילם שהתבהרה בכל מקום שהאור פגע בה.

במקום שייווצרו שני פסים ברורים של אור, כמו שהיינו מצפים לו היינו יורים אלומה של חלקיקים, נוצר דפוס של אור וצל לסירוגין על המסך, כאילו שתי האלומות זרמו בחדר כמו גל, נפגשו והתאבכו.

אבל, גם לתיאור של האור כחלקיק יש אישושים אמפיריים. למשל, ניסויים שבוצעו בתחילת המאה ה-20, הראו כי פגיעה של קרן אור בשטח מתכתי משחררת מן השטח אלקטרונים. "המדידות בניסוים אלה הראו כי האור מתנהג כחלקיק: הוא מתנגש בחלקיק אחר (האלקטרון) ומעניק לו את האנרגיה שלו בדיוק לפי התחזית של התנהגות חלקיקים", אומר פרופ' ירון עוז, דיקאן הפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב. אזי הפוטון (יחידת האור), מתנהג לעיתים כחלקיק ולפעמים כגל. "עם הזמן התברר כי לא רק לפוטון אלא לכל החלקיקים יש תכונות של גל", אומר עוז. "גם לי ולך יש אורך גל, אבל אנחנו גדולים מבחינת מסה ולכן אורכי הגל שלנו הם קטנים, עד כדי כך שהם לא מורגשים. לחלקיק הקטן יש אורך גל יותר גדול".

ולו היינו קלים מספיק כדי להציג התנהגות של גל, איך זה היה מרגיש?

"אז אם היינו בבית, היינו בו-זמנית במטבח ובסלון. כמו שגל של ים שנכנס הביתה הוא גם במטבח וגם בסלון".

אולם, ברגע שמתבצעת מדידה מוצאים את החלקיק רק במקום אחד. כך, בניסויי המשך שבוצעו לגבי מעבר של אור דרך חריצים, ברגע שתועד בחיישן מיקומו של כל פוטון (חלקיק אור), לא נוצרה התנהגות של גל. עצם המדידה לא אפשרה לפוטון להיות בשני מקומות בו-זמנית כגל, אלא גרמה לו להתנהג רק כחלקיק. "זה עוד יותר מורכב מזה", אומר עוז. "הפירוש הרווח הוא שבתהליך המדידה נוצרים עולמות מרובים. הפוטון שלך הוא גל שנמצא גם במטבח וגם בסלון בו-זמנית, אבל כשמבצעים מדידה מוכרע כי הפוטון יהיה קיים בעולם הזה רק בסלון. בעולם אחר, הוא מתמקם רק במטבח. על פי פונקציית הגל שלו, ניתן לגזור את הסיכוי שלו להיות בכל אחד מן המקומות הללו. כמובן שיש גם פרשנויות אחרות".

אז מה קרה בניסוי הנוכחי?

"הוא התחיל כמו ניסויים קודמים שבוצעו בשנים האחרונות: שתי אלומות פוטונים נורו דרך צינור אחד ונתקלו במפצל שפיצל אותם לשני צינורות מקבילים. בחלק מהמקרים, הם פשוט יצאו משני הצינורות, כלומר לא נפגשו והציגו תמונה של חלקיקים. במקרים אחרים, הם התנגשו בעוד מפצל שגרם לכך שהאלומות שבו והתנגשו זו בזו, ואז הייתה ביניהן התאבכות - כלומר, הם הציגו תמונה של גל.

"בניסוי הנוכחי, חיברו החוקרים למפצל השני פוטון עם פונקציית גל משלו, שיכול בו-זמנית להדליק ולכבות את המפצל. כתוצאה מכך, נמצא דפוס חלקי של התאבכות, כלומר האור התנהג כמו גל וגם כמו חלקיק".

מה המשמעות של הניסוי הזה?

"החלקיקים התנהגו בדיוק כמו שהפיזיקה הקוונטית חזתה. התיאוריה הזו, עם הניבויים המוזרים כ"כ שלה, שוב הצליחה לנבא באופן מושלם את ההתנהגות של חלקיקים בעולם האמיתי".