Particles and waves: The central mystery of quantum mechanics - Chad Orzel

תרגום: Ido Dekkers עריכה: Tal Dekkers

One of the most amazing facts in physics is this:

אחת העובדות הכי מדהימות בפיזיקה היא זו:

everything in the universe, from light to electrons to atoms,

הכל ביקום, מאור לאלקטרונים לאטומים,

behaves like both a particle and a wave at the same time.

מתנהג גם כמו חלקיקים וגם כמו גלים באותו הזמן.

All of the other weird stuff you might have heard about quantum physics,

כל הדברים המוזרים שאולי שמעתם עליהם בפיזיקה קואנטית,

Schrodinger's Cat, God playing dice, spooky action at a distance,

החתול של שרודינגר, אלוהים משחק בקוביות, פעולה מוזרה מרחוק,

all of it follows directly from the fact

כולם נובעים ישירות מהעובדה

that everything has both particle and wave nature.

שלהכל יש תכונות גם של חלקיקים וגם של גלים.

This might sound crazy.

זה אולי נשמע מטורף.

If you look around, you'll see waves in water and particles of rock,

אם אתם מביטים סביב, אתם תראו גלים במים וחלקיקים של סלעים,

and they're nothing alike.

והם בכלל לא דומים.

So why would you think to combine them?

אז למה תחשבו לשלב אותם?

Physicists didn't just decide to mash these things together out of no where.

פיזיקאים לא פשוט החליטו לחבר את הדברים האלה יחד סתם כך.

Rather, they were led to the dual nature of the universe

במקום, הם הובלו לטבע הכפול של היקום

through a process of small steps,

דרך תהליך של שלבים קטנים,

fitting together lots of bits of evidence, like pieces in a puzzle.

התאימו יחד הרבה חלקים של עדויות, כמו חלקים של פאזל,

The first person to seriously suggest the dual nature of light

האדם הראשון שהציע ברצינות את הטבע הכפול של אור

was Albert Einstein in 1905,

היה אלברט איינשטיין ב 1905,

but he was picking up an earlier idea from Max Planck.

אבל הוא המשיך רעיונות של מקס פלאנק.

Planck explained the colors of light emitted by hot objects,

פלאנק הסביר את הצבעים של האור שמופץ מעצמים חמים,

like the filament in a light bulb,

כמו הסליל בתוך נורה,

but to do it, he needed a desperate trick:

אבל כדי לעשות את זה, הוא היה צריך טריק נואש:

he said the object was made up of oscillators

הוא אמר שהאוביקט היה עשוי ממתנדים

that could only emit light in discrete chunks,

שיכלו להפיץ אור בחלקים בודדים,

units of energy that depend on the frequency of the light.

יחידות של אנרגיה שתלויות בתדירות של האור.

Planck was never really happy with this, but Einstein picked it up and ran with it.

פלאנק מעולם לא היה שמח עם זה, אבל איינשטיין לקח את זה והמשיך עם זה.

He applied Planck's idea to light itself, saying that light,

הוא ישם את הרעיון של פלאנק לאור עצמו, ואמר שאור,

which everybody knew was a wave, is really a stream of photons,

שכולם ידעו שהוא גל, הוא בעצם זרם של פוטונים,

each with a discrete amount of energy.

כל אחד עם כמות קבועה של אנרגיה.

Einstein himself called this the only truly revolutionary thing he did,

איינשטיין עצמו קרא לזה הדבר המהפכני היחידי באמת שעשה,

but it explains the way light shining on a metal surface knocks loose electrons.

אבל זה מסביר את הדרך בה אור שמאיר על משטח מתכתי משחרר אלקטרונים.

Even people who hated the idea had to agree that it works brilliantly.

אפילו אנשים ששנאו את הרעיון היו חייבים להסכים שהוא עבד בצורה מבריקה.

The next puzzle piece came from Ernest Rutherford in England.

פיסת הפאזל הבאה הגיעה מארנסט רטרפורד באנגליה.

In 1909, Ernest Marsden and Hans Geiger, working for Rutherford,

ב 1909, ארנסט מרסדן והאנס גייגר, שעבדו עבור רתרפורד,

shot alpha particles at gold atoms

שיגרו חלקיקי אלפא אל אטומי זהב

and were stunned to find that some bounced straight backwards.

והיו המומים למצוא שכמה מהם חזרו ישר חזרה.

This showed that most of the mass of the atom is concentrated in a tiny nucleus.

זה הראה שרוב המאסה של האטום מרוכזת בגלעין זעיר.

The cartoon atom you learn in grade school,

האטום המאוייר שאתם לומדים עליו בבית הספר היסודי,

with electrons orbiting like a miniature solar system,

עם אלקטרונים שמקיפים כמו מערכת שמש קטנה,

that's Rutherford's.

זה מרתרפורד.

There's one little problem with Rutherford's atom: it can't work.

יש בעיה אחת קטנה עם האטום של רתרפורד: הוא לא יכול לעבוד.

Classical physics tells us that an electron

פיזיקה קלאסית אומרת לנו שאלקטרון

whipping around in a circle emits light,

שמסתובב בעיגול משחרר אור,

and we use this all the time to generate radio waves and X-rays.

ואנחנו משתמשים בזה כל הזמן כדי ליצור גלי רדיו ורנטגן.

Rutherford's atoms should spray X-rays in all directions for a brief instant

האטומים של רתרפורד צריכים להפיץ קרני רנטגן לכל הכיוונים לזמן קצר

before the electron spirals in to crash into the nucleus.

לפני שהאלקטרון יתרסק בספירלה לתוך הגלעין.

But Niels Bohr, a Danish theoretical physicist working with Rutherford,

אבל נילס בוהר, פיזיקאי תאורטי דני שעבד עם רתרפורד,

pointed out that atoms obviously exist,

הראה שאטומים קיימים בברור,

so maybe the rules of physics needed to change.

אז אולי החוקים של הפיזיקה צריכים להשתנות.

Bohr proposed that an electron in certain special orbits

בוהר הציע שהאלקטרון במסלולים מסויימים מיוחדים

doesn't emit any light at all.

לא פולט אור בכלל.

Atoms absorb and emit light only when electrons change orbits,

אטומים קולטים ופולטים אור רק כשהאלקטרון משנה מסלולים,

and the frequency of the light depends on the energy difference

והתדירות של האור תלויה בהפרש האנרגיה

in just the way Planck and Einstein introduced.

בדיוק בדרך שפלנק ואיינשטיין הראו.

Bohr's atom fixes Rutherford's problem

האטום של בוהר מתקן את הבעיה של רתרפורד

and explains why atoms emit only very specific colors of light.

ומסביר למה אטומים פולטים רק צבעים ספציפיים של אור.

Each element has its own special orbits,

לכל אלמנט מסלולים מיוחדים משלו,

and thus its own unique set of frequencies.

וכך את סט התדירויות היחודיות שלו.

The Bohr model has one tiny problem:

למודל בוהר יש בעיה אחת קטנה:

there's no reason for those orbits to be special.

אין סיבה למסלולים האלה להיות מיוחדים.

But Louis de Broglie, a French PhD student,

אבל לואיס דה ברויילי, סטודנט דוקטורט צרפתי,

brought everything full circle.

השלים מעגל שלם.

He pointed out that if light, which everyone knew is a wave,

הוא הציע שאם האור, שכולם ידעו שהוא גל,

behaves like a particle,

מתנהג כמו חלקיק,

maybe the electron, which everyone knew is a particle,

אולי האלקטרון שכולם ידעו שהוא חלקיק,

behaves like a wave.

מתנהג כמו גל.

And if electrons are waves,

ואם אלקטרונים הם גלים,

it's easy to explain Bohr's rule for picking out the special orbits.

זה קל להסביר את החוק של בוהר לבחירת מסלולים יחודיים.

Once you have the idea that electrons behave like waves,

ברגע שיש לכם את הרעיון שאלקטרונים מתנהגים כמו גלים,

you can go look for it.

אתם יכולים לחפש אותם.

And within a few years, scientists in the US and UK

ותוך כמה שנים, מדענים בארצות הברית ואנגליה

had observed wave behavior from electrons.

צפו בהתנהגות של גלים באלקטרונים.

These days we have a wonderfully clear demonstration of this:

כיום יש לנו הדגמה ברורה להפליא של זה:

shooting single electrons at a barrier with slits cut in it.

יריית אלקטרונים למחסום עם שני חתכים.

Each electron is detected at a specific place at a specific time,

כל אלקטרון מזוהה במיקום מסויים בזמן מסויים,

like a particle.

כמו חלקיק.

But when you repeat the experiment many times,

אבל כשאתם חוזרים על הניסוי הרבה פעמים,

all the individual electrons trace out a pattern of stripes,

כל האלקטרונים הבודדים מייצרים תבנית של פסים,

characteristic of wave behavior.

מה שמאפיין התנהגות של גלים.

The idea that particles behave like waves, and vice versa,

הרעיון שחלקיקים מתנהגים כמו גלים, ולהפך,

is one of the strangest and most powerful in physics.

הוא אחד המוזרים והחזקים בפיזיקה.

Richard Feynman famously said

אמרה מפורסמת של ריצ'ארד פיינמן

that this illustrates the central mystery of quantum mechanics.

היא שזה מתאר את המסתורין המרכזי של המכניקה הקוואנטית.

Everything else follows from this,

כל השאר ממשיך מזה,

like pieces of a puzzle falling into place.

כמו חלקים של פאזל שמתאימים למקומם.