אלה תולדות – מהו אור? סקירה היסטורית מקוצרת

דואר, תור ארוך, המתנה ממושכת. החבילה שמתעכבת כבר כמה שבועות. מישהו חותך אל הדלפק בעודו מסנן "אני רק שאלה".

כיצד תנהגו?

שתי דרכי הפעולה המקובלות הן כמובן: 1) מטר קללות ואיומים, 2) יריקה שאינה משתמעת לשתי פנים. נשים לב שמדובר בשתי פעולות שונות בתכלית כדי להעביר את אותו המסר. נדגים זאת על ידי ניסוי מחשבתי. דמיינו שאתם מבצעים שוב את שתי הפעולות, אך הפעם עם שקית על הראש (ניסוי מחשבתי, כן?). הקללה עדיין תעבוד, היריקה לא.

השמש מטיחה בפנינו אור. האם היא יורקת עלינו או שמא מגדפת אותנו?

מהו בכלל אור? איזו סוג תופעה היא זאת?

תמונה 1: ענן מואר על ידי אור השמש. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Ibrahim Iujaz.

***

כאשר אדם מדבר בעוד ראשו עטוף בשקית חומר ודאי אינו יכול להגיע מפיו אל אוזנו של המאזין. הקול הוא דוגמא לתופעה שנקראת 'גל'. גל הוא הפרעה במרחב שמתקדמת בתווך. החומר שמרכיב את התווך אינו מתקדם אלא ההפרעה עצמה. חישבו על 'גל מקסיקני' שעובר בקהל צופי כדורגל. אף צופה אינו משנה את מיקומו אבל משהו שם בהחלט נע מסביב למגרש. בדוגמה הזאת התווך הוא הקהל וההפרעה שנעה היא הצופים שעומדים לזמן קצר. בגל קול התווך הוא האוויר וההפרעה שמתקדמת היא שינוי בצפיפות האוויר. כאשר הפרעה זאת מגיעה לאוזן היא מרעידה את עור התוף וגורמת לסדרה של פעולות שאותן אנחנו מכנים 'שמיעה'.

במילים אחרות, גל הוא דרך להעביר אנרגיה מבלי להעביר חומר.

ומה לגבי אור? האם באלומת אור היוצאת מפנס יש חומר שמתקדם או הפרעה שנעה במרחב?

בסוגיה הזאת התחבטו גדולים ורבים. לאייזיק ניוטון היתה תיאוריה של חלקיקי אור (1704) ולעומתו, לכריסטיאן הויגנס היתה תיאוריה של גלים (1690). שניהם הצליחו להסביר את התופעות המוכרות כגון החזרה ושבירה של אור ושניהם לא שכנעו בלהסביר תכונות אחרות של האור.

ב-1803 ביצע תומאס יאנג את ניסוי שני הסדקים המפורסם שלו והכריע בסוגיה. הוא הראה שהאור מבצע תופעה שנקראת התאבכות. אם נקיש בצורה זהה בשני מצופים המונחים על פני אמבט מים נגלה שלגלים הנוצרים על פני המים באמבט יש מבנה מרחבי מורכב (ראו אנימציה). התופעה קשורה לכך שבכל נקודה במרחב יש חיבור של גלים משני המקורות שכל אחד מהם עבר דרך שונה ולכן נמצא במצב שונה. מכאן שבכל נקודה נקבל עוצמת תנודה שונה של הגל.

אנימציה 2: תמונת התאבכות של אור משני מקורות קוהרנטיים. המקור לאנימציה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Oleg Alexandrov.

עבור גלי מים התופעה צפויה, אך מדוע ראה אותה יאנג באור שעובר דרך שני סדקים? המסקנה הבלתי נמנעת היתה שאור הוא גל עם אורך גל קצר מאוד (המרחק בין תנודה לתנודה במרחב עבור האור הוא מאות ננומטרים).

בסביבות 1817, עם עבודתו של אוגוסטן ז'אן פרנל התיאוריה הגלית של האור התקבלה והתיאוריה החלקיקית נזנחה לחלוטין.

***

אם אור הוא גל, מהו התווך שבו הוא מתקדם ומהי ההפרעה משיווי משקל שמתקדמת בתווך? מה בעצם מתנדנד?

ב-1873 פרסם ג'יימס קלארק מקסווול ספר שבו איגד את עבודתו על חשמל ומגנטיות. הוא הצליח לתאר את כל התופעות החשמליות והמגנטיות תחת מטרייה אחת של ארבע משוואות שבעצם היו כבר מוכרות. בעזרת תוספת קטנה של מקסוול עצמו הוא הצליח לגרום למשוואות לתאר גלים של תנודות בשדות החשמלי והמגנטי המתקדמים במרחב. כמו כן, הוא הצליח להראות שמהירות ההתקדמות של גלים אלה, לפי המשוואות, היא מהירות האור שכבר היתה ידועה. תופעה זאת מכונה כיום 'קרינה אלקטרומגנטית' והיא כוללת בתוכה לא רק את האור הנראה אלא את כל הספקטרום האלקטרומגנטי מקרני X ו-UV ועד לאינפרא-אדום, מיקרוגל וגלי רדיו (ראו איור 3). דבר זה היה כמובן חיזוק נוסף לתיאור של אור כגל.

איור 3: הספקטרום האלקטרומגנטי. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Philip Ronan.

אני לא אעסוק כאן בשאלת התווך. דנתי בה ברשימה קודמת.

***

בשנת 1900 עסק הפיזיקאי מקס פלנק בנושא בעייתי שנקרא 'הקרינה של גוף שחור'. הבעיה היתה חוסר התאמה בין תחזיות התיאוריה של הקרינה האלקטרומגנטית של גופים מסוג זה למה שנמדד בפועל. פלנק ניסח פתרון לבעיה, שאלמנט אחד ממנו הניח בדיעבד קוונטיזציה של השדה האלקטרומגנטי. במילים אחרות, בפתרון של פלנק האור היה מורכב ממנות בדידות ובלתי פריקות, דבר שאינו מתאים לגלים שהם תופעה רציפה. פלנק עצמו סבר שמדובר בטריק מתמטי בלבד.

באותם שנים כולם שיחקו עם שפופרות ואקום שבהן היה ניתן לפלוט אלקטרונים מאלקטרודה מתכתית לחלל השפופרת. פליטת אלקטרונים מהאלקטרודה הצריכה השקעת אנרגיה. הדבר התאפשר באמצעות חימום האלקטרודה וגם באמצעות הקרנת אור עליה. ב-1902 גילה פיליפ לנארד שמהירותם של האלקטרונים הנפלטים לא תלויה בעוצמת האור המוקרן על האלקטרודה המתכתית אלא בצבע שלו (כלומר בתדירות או אורך הגל). את התופעה הזאת לא היה ניתן להסביר באמצעות מודל של גלים.

את הפתרון סיפק אלברט איינשטיין שלקח רחוק את הקוונטיזציה של פלנק. באחד המאמרים המפורסמים שלו מ-1905 איינשטיין טען ש-'מנת אור' מבצעת אינטרקציה עם אלקטרון בחומר. אם יש לה מספיק אנרגיה (כלומר אורך הגל של האור מספיק קצר) אז האלקטרון ייקרע מהמתכת החוצה והעודף האנרגטי שנשאר הוא המהירות שלו.

שימו לב שזהו הסבר שערורייתי! הוא מניח שהאור מגיע במנות בדידות שמבצעות אינטראקציות בתוך החומר 'אחד-על-אחד' כמו חלקיקים. חישבו על כדור באולינג שפוגע בפינים בסוף המסלול. כך לא מתנהג גל. ב-1915 אישש רוברט מיליקן את המודל של איינשטיין בניסוי. ב-1921 זכה אלברט איינשטיין בפרס נובל לפיזיקה על ההסבר של התופעה שמכונה כיום 'האפקט הפוטואלקטרי'. מנות האור מכונות כיום 'פוטונים'. אגב, מיליקן זכה גם הוא בפרס נובל לפיסיקה בשנת 1923 על עבודתו הזאת ועל מדידת מטען האלקטרון (ניסוי טיפות השמן).

משם הדברים רק החמירו. עוד ועוד תופעות שהתגלו שקשורות לאינטראקציות של אור וחומר הוסברו היטב רק באמצעות מודלים של מנות האור שבמובן מסוים התייחסו לאור כאל אוסף של חלקיקים – הפוטונים. דוגמה אחת היא למשל אפקט קומפטון שעוסק בפיזור של פוטון על ידי מפגש עם אלקטרון. חלק נכבד מההסבר לתופעה לקוח מעולם המושגים של כדורים מתנגשים.

נראה כי אור מתואר היטב על ידי תיאוריה גלית כאשר הוא נע במרחב, ומתואר היטב על ידי תיאוריה חלקיקית כאשר הוא מבצע אינטראקציה עם חומר.

***

אז מה השורה התחתונה? האם אור הוא גל או חלקיק?

לדעתי השאלה מוטעה ומטעה. הדיכוטומיה אינה אמיתית.

להבנתי, אור הוא לא גל ולא חלקיק אלה סך התופעות שאנחנו חוזים בעולם ומכנים אותם בשם 'אור'. האור הוא תופעה מורכבת ואינו אנלוגי לחלוטין לגלי מים או לכדורי ביליארד. עם זאת, נוח לנו לתאר אותו בכלים המתמטיים החזקים שפיתחנו עבור תופעות אלה. זה אפילו עובד לא רע בכלל מבחינה חישובית. עלינו לשמוח בכך ולהיות מוכנים לוותר על הצורך להגדיר. ממילא הגדרה שתיגזר מתוך תיאוריות פיזיקליות מתקדמות של השנים האחרונות  לא תתקשר כלל עם חיי היום-יום שלנו.