קרלו רובלי כותב בספרו החדש "הלגולנד, לעשות היגיון במהפיכה הקוונטית", שהעולם הקוונטי מאופיין על ידי היחסים בין החלקיקים והאינטראקציות הבסיסיות בין החלקיקים כפי שתיאר ריצ'רד פיינמן.

עטיפת הספר של קרלו רובלי "הלגולנד, לעשות היגיון במהפיכה הקוונטית"

רובלי כותב שהיחסים בין החלקיקים הם אלה שמעצבים את העולם הפיזיקלי בו אנחנו חיים. אם אין אינטראקציה, אין לעצמים השפעה על העולם. רובלי קושר את זה למהפיכה הקוונטית שהחל וורנר הייזנברג הצעיר.

בעת ביקור באי הלגולנד בים הצפוני, הייזנברג הבין שערכי התצפית, האינטראקציות שניתנות למדידה במעבדה, כמו הפליטה והבליעה של קרינה על ידי האלקטרונים באטום, הם הדבר הפיזיקלי המהותי ולא המסלולים של האלקטרונים סביב גרעין האטום בהשראת תנועת הפלנטות סביב השמש על פי המודל שהיה מקובל על נילס בוהר.

רובלי כותב שהיחסים בין החלקיקים הם אלה שמעצבים את העולם הפיזיקלי בו אנחנו חיים. אם אין אינטראקציה, אין לעצמים השפעה על העולם. רובלי קושר את זה למהפיכה הקוונטית שהחל וורנר הייזנברג

באי הלגולנד הצליח הייזנברג לראשונה לחשב את ספקטרום רמות האנרגיה של האטום, על ידי חישוב ערכי התצפית, בשיטה חדשה של כפל מטריצות לא קומוטטיבי.

כשנה לאחר מכן שרדינגר הציג משוואת גלים שנתנה תוצאות דומות לשל הייזנברג אבל פרשנות חדשה להתנהגות של האלקטרון, שלא מתנהג כחלקיק אלא כגל.

פול דירק הגיע לתובנות דומות במקביל להייזנברג ולשרדינגר והציג משוואת גלים יחסותית, ותוך כדי כך גילה את חלקיקי האנטי-חומר.

פיינמן נתן פרשנות חדשה לחלקיקי האנטי-חומר של דירק וביסס את המהפכה הקוונטית בתיאוריית האלקטרודינמיקה הקוונטית שהובילה גם לתיאוריית הכרומודינמיקה הקוונטית, שהן הבסיס של פיזיקת החלקיקים המודרנית.

רובלי כותב שהגיע הזמן שהמשמעות של המהפכה הקוונטית תובן יותר. אז מה התהפך בעולם הקוונטי מאז הביקור של הייזנברג באי הלגולנד? האם החלקיקים היסודיים בטבע נעים באופן רציף כפלנטות סביב השמש או שהם גלים, או שהם גם וגם (דואליים) או אולי הם בכלל משהו אחר למשל שדה קוונטי ספינורי?

מה התהפך בעולם הקוונטי מאז ביקור הייזנברג באי הלגולנד? האם החלקיקים היסודיים בטבע נעים באופן רציף כפלנטות סביב השמש או שהם גלים? או שהם גם וגם, או אולי בכלל משהו אחר?

עקרון הריקות

רובלי כותב בהלגולנד גם על הפילוסוף ההודי נגארג'ונה, מחבר הספר בסיס החוכמה של דרך האמצע, שחי במאה השנייה לספירה. נגארג'ונה הציב במרכז הפילוסופיה שלו את עיקרון הריקות, והוא המקור כנראה למשפט היפה והמפתיע:

 "החומר הוא ריקות, הריקות היא חומר".

או בניסוח אחר מתוך סוטרת הלב:

"כל מה שנראה כמו חלל הוא רק גוף וכל מה שנראה כמו גוף אינו אלא חלל"

החומר והריקות תלויים זה בזה והם בלתי נפרדים. מה היתה כוונתו של נגארג'ונה שלא ידע דבר על המהפכה הקוונטית של הייזנברג במאה השנייה לספירה כשאמר שהחומר הוא ריקות והריקות היא חומר?

כיום אנחנו יודעים שזו עובדה פיזיקלית נכונה. החומר ברובו מורכב מחלל ריק, וגרעיני האטומים תופסים נפח קטנטן וזניח של המרחב. אבל נגארג'ונה לא ידע זאת ולא התכוון לכך. עיקרון הריקות של נגארג'ונה מדבר על ריקות מקיום עצמי.

החומר והריקות תלויים זה בזה והם בלתי נפרדים. מה היתה כוונתו של נגארג'ונה שלא ידע דבר על המהפכה הקוונטית של הייזנברג במאה השנייה לספירה כשאמר שהחומר הוא ריקות והריקות היא חומר?

קיום עצמי הוא משהו שאינו נגרם על ידי אחר, הוא בלתי תלוי בתופעות אחרות וגם אינו מורכב מדברים אחרים, ועל פי העיקרון של נגארג'ונה הוא אינו קיים בעולמנו. כלומר עקרון הריקות מקיום עצמי אומר שכל התופעות נגרמות, תלויות בתופעות אחרות או מורכבות מדברים אחרים.

עיקרון הריקות מקיום עצמי של נגארג'ונה כולל לא רק את העולם הפיזיקלי המוחשי אלא גם את עולם התחושות, הרגשות והמחשבות של האדם, ושולל גם את קיומם של אלים.

נגארג'ונה כתב גם על מושג התנועה, מה נע ומה לא ומהי תנועה. על פי נגארג'ונה גם התנועה ריקה מקיום עצמי והוא כותב:

"מה שהוזז לא נע, מה שלא הוזז לא נע, מלבד מה שהוזז ומה שלא הוזז, התנועה איננה נתפשת".

פילוסופים יוונים כמו אריסטו התנגדו לאפשרות התנועה של אטומים במרחב הריק, אבל אף אחד לא חשב שחלקיקים נוצרים ונעלמים באופן ספונטני במקומות שונים במרחב ובזמן ושקיימים אנטי-חלקיקים שנעים מהעתיד אל העבר כפי שהציע ריצ'רד פיינמן.

האינטראקציות הבסיסיות של החלקיקים בטבע

פיינמן, אבי התיאוריה של האלקטרודינמיקה הקוונטית ה-QED והדיאגרמות שנקראות על שמו, תיאר את האינטראקציות הבסיסיות של החלקיקים בטבע. פיינמן נתן פירוש חדש ומפתיע לפתרונות השליליים של משוואת דירק ולתנועה של האנטי-חלקיקים.

פילוסופים יוונים כאריסטו התנגדו לאפשרות תנועת אטומים במרחב הריק, אבל איש לא חשב שחלקיקים נוצרים ונעלמים ספונטנית במקומות שונים במרחב ובזמן ושקיימים אנטי-חלקיקים שנעים מהעתיד לעבר

על פי פיינמן האנטי-חלקיקים נעים הפוך בזמן, מהעתיד אל העבר. קשה מאוד להבנה אבל לפיינמן זה נראה נכון וזה התאים לחישובי האמפליטודות המסובכים של הדינמיקה הקוונטית של חלקיקי החומר והאנטי-חומר.

שיחלוף אלקטרון עם זוג אלקטרון-פוזיטרון

ריאקציית שיחלוף של אלקטרון עם זוג אלקטרון-פוזיטרון (אטום פוזיטרוניום) מתוארת מתוך ספרו של פיינמן על האינטראקציות הבסיסיות בטבע. ציר הזמן האנכי מראה שהזוג אלקטרון-פוזיטרון נוצר בזמן T1 ובמיקום X1 לפני שמתרחשת ריאקציית השיחלוף עם אלקטרון (1) בזמן T2 ובמיקום X2. אלקטרון (1) מושמד ונשאר אלקטרון (2), שנוצר קודם לכן במיקום X1 כחלק מהזוג אלקטרון-פוזיטרון.

הפוזיטרון הוא האנטי-חלקיק המפתיע שנע לאחור בזמן מ-T2 ל-T1. האלקטרון לא נע באופן רציף מ-X2 ל-X1 ולמעשה זה גם לא אותו אלקטרון, האלקטרונים הוחלפו. ממש מעשה קסמים, זריזות ידיים מתעתעת של הטבע. הפוזיטרון, שהוא שחקן משנה, נוצר לרגע ונעלם, הוא הכוכב המפתיע שגם הולך לאחור בזמן.

הפוזיטרון הוא האנטי-חלקיק המפתיע. האלקטרון לא נע ברציפות ולמעשה זה גם לא אותו אלקטרון. האלקטרונים הוחלפו. זריזות ידיים מתעתעת של הטבע. הפוזיטרון, שחקן המשנה, נוצר לרגע ונעלם, ונע לאחור בזמן

הוא קוסם

הטבע ממש קוסם. יוצר מאין חלקיקים ומשמיד את האין חלקיקים. שולף שפנים מכובעו. ארועים שקורים בעתיד משפיעים על פונקציית הגל בהווה בשל תנועת האנטי-חלקיקים מהעתיד אל העבר כמו הפוזיטרון. זו המהפכה הקוונטית שאף אחד לא מבין כפי שאמר פיינמן.

האלקטרון לא נע לאורך מסלול באופן רציף כפלנטה סביב השמש וגם לא נע כחלקיק יחיד. אלקטרון אחד נוצר במקום X1 ואלקטרון אחר נעלם במקום X2, האלקטרונים מתחלפים.

יתכן שגם הפוזיטרון לא באמת נע לאחור בזמן, אלא הוא גל שמתפשט במרחב באמצעות אטומי הפוזיטרוניום, שאולי נמצאים מלכתחילה במרחב במבנה של רשת ספינורים כפי שמתארת תיאורית הכבידה הקוונטית של רובלי.

כלומר הקסם של הטבע זה לא יצירה לכאורה יש מאין מהריקות, והשמדה לכאורה אל האין, אל הריקות של חלקיקים, אלא החלפה מהירה של אלקטרונים עם אטומי הפוזיטרוניום של המרחב, שאולי נמצאים שם והם רק בלתי נראים כמו ים האלקטרונים של דירק.

הם המסך, הבמה, השילדה של המרחב, שעליה מתרחשות האינטראקציות הבסיסיות של הטבע שמתגלה כקוסם זריז ידיים. אטומי הפוזיטרוניום מתגלים רק להרף עין בשיחלופים שמתוארים בדיאגרמות פיינמן ונכנסים לחישובי האמפליטודות של האינטגרלים המסובכים של התיאוריות המצליחות והמעוטרות בפרסי נובל ה-QED ו-QCD.

המהפכה הקוונטית ועיקרון הריקות

דיאגרמות פיינמן מתארות חלקיקים יסודיים, שלא מתנהגים כחלקיקים יחידים ולא נעים במסלולים כמו פלנטות סביב השמש על פי מודל האטום של בוהר.

האלקטרונים מתחלפים עם אטומי פוזיטרוניום המכילים חלקיקי אנטי-חומר, שנוצרים ומושמדים במרחב הריק באופן ספונטני, או שהם נמצאים ובלתי נראים במרחב.

קסם הטבע זו החלפה מהירה של אלקטרונים עם אטומי הפוזיטרוניום של המרחב, שאולי נמצאים שם, בלתי נראים כמו ים האלקטרונים של דירק. הם המסך, הבמה, השילדה של המרחב, שעליה מתרחשות האינטראקציות

עיקרון הריקות אומר שכל התופעות בטבע נגרמות, תלויות בתופעות אחרות, או מורכבות מדברים אחרים.

נראה שהמהפכה הקוונטית ששינתה את העולם במאה העשרים, כפי שכותב רובלי, דווקא מחזקת את עיקרון הריקות של נגארג'ונה ומוסיפה לו רק תיקונים מינוריים: החומר הוא ברובו ריקות (לא רק ריקות כי יש גרעין לאטום), הריקות היא חומר וגם אנטי-חומר (לא רק חומר כפי שגילה דירק והרחיב אחריו פיינמן).

האנטי-חומר הוא הכוכב החדש והמפתיע של המהפכה הקוונטית, ועקרון הריקות מתקיים כבר בחלקיקים היסודיים של הטבע בפתרון הספינורי של משוואת דירק, שמכיל רכיבים של חומר ואנטי-חומר שלא ניתנים להפרדה.

ד"ר רמי רום הוא דוקטור לכימיה פיזיקלית, עורך פטנטים וחוקר עצמאי של מלחמת יום כיפור.