עקרון אי הוודאות במכניקת הקוונטים 12.11.2014

מכניקת הקוונטים היא הבסיס לפיזיקה המודרנית של המיקרוקוסמוס, ולמרות כל האופי הפרדוקסלי שלה, פועלת בצורה מושלמת בכל החלקים הידועים שלה. יתרה מכך, ניתן להסיק ממנה גם את הפיזיקה הקלאסית (כגבול מכניקת הקוונטים, הנוטה לאפס את הקבוע h של פלאנק, הקובע תופעות קוונטיות). אז אנחנו יכולים לדבר על האוניברסליות של חוקי מכניקת הקוונטים. אבל, למרות ההצלחה האדירה, יש לו חיסרון משמעותי. לאחת מאבני היסוד של מכניקת הקוונטים, עקרון אי הוודאות של הייזנברג (לדוגמה, אי ודאות בקביעת מיקום ותנע), אין הצדקה. מובן שהצלחה מעשית היא הצדקה מספקת לקבל את הכלל המסתורי הזה, אבל זה לא מונע מפיזיקאים לחפש את ההסבר שלו.

חוקרים מאוניברסיטת דרום קליפורניה, חוקר המיתרים הנודע פרופסור יצחק ברס, ותלמידו הרוסי לתואר שני דמיטרי ריצ'קוב (בוגר אוניברסיטת מוסקבה ב-2005), ניסו להסביר את מקורו של עקרון אי הוודאות של הייזנברג על ידי גזירתו מתורת שדות המיתרים. תוצאה זו מתפרסמת ב- Physics Letters.

כידוע, תורת המיתרים הוצעה בשנות ה-1970 כדי לפתור את בעיות הכבידה הקוונטית והמודל הסטנדרטי. הצלחתה של פיזיקת הקוונטים בתיאור שלוש האינטראקציות הבסיסיות הלא-גרביטציוניות מובילה את הפיזיקאים לרעיון שניתן לתאר את האינטראקציה הכבידתית באותו אופן. אבל, למרות מחקר פעיל לאורך עשורים רבים, תורת הקוונטים של כוח הכבידה עדיין לא נוצרה.

תורת המיתרים מניחה שהיחידה הבסיסית של החומר היא מיתר מיקרוסקופי (בסדר אורך פלאנק של 10?35 מ'), ולא נקודה, ושהאינטראקציות האפשריות של החומר הן מיזוגים או פיצולים של מיתרים אלו. במשך ארבעה עשורים, פיזיקאים פועלים בכיוון הזה. התיאוריה עברה שתי מהפכות-עליות ותקופות של דעיכה. הקושי טמון בעובדה שאין נתונים ניסיוניים על תורת המיתרים. ניסויים בהיקפים קטנים כאלה הם כיום מעבר לאפשרויות הטכניות של המדע. בגלל זה, מספר פיזיקאים אפילו רואים בתורת המיתרים רק "טריקים מתמטיים". עבודתם של מדענים נתמכת בתקוות ליצור "תיאוריה של הכל", כמו גם לענות על שאלות שאינן נגישות למודל הסטנדרטי, למשל, מדוע לקווארקים ולפטונים יש מטען חשמלי, צבע וטעם המבדילים אותם זה מזה, כיצד לקבוע את קבוע המבנה העדין מהתיאוריה 1/137 ועוד מספר קבועים וכו'.

אבל עד עכשיו, חוקרים הניחו שתורת המיתרים נוצרת בהתאם למכניקת הקוונטים ופעלו רק לקראת שימוש במכניקת הקוונטים כדי לנסות לבחון את תורת שדות המיתרים.

מחברי המאמר החליטו לעשות את ההיפך. לאחר שהניחו שתורת שדות המיתרים נכונה, הם השתמשו בה כדי לנסות לאשר את מכניקת הקוונטים עצמה.

במאמר המנסח מחדש את תורת שדות המיתרים בשפה ברורה יותר, יצחק ברס ודמיטרי ריצ'קוב הראו שניתן לגזור קבוצה של עקרונות יסוד של מכניקת הקוונטים הידועים כ"חוקי התמורה" (עקרונות אי ודאות) מהגיאומטריה של מיזוג ופיצול מיתר. לפיכך, במקום לקבל את כללי הקוממוטציה הקוונטית כהנחה, המחברים שואבים אותם מהתהליך הפיזי של אינטראקציות מיתרים.

תוצאה זו יכולה לשמש כטיעון בעד ה"פיזיות" של תורת המיתרים. הרי אם בעזרתו ניתן להסביר את מקורם של חוקי מכניקת הקוונטים, הרי שלדברי יצחק ברס, הדבר לא רק "עלול לפענח את התעלומה מהיכן מגיעה מכניקת הקוונטים", אלא גם יפתח את הדלת. להכרה בתורת שדות המיתרים, או שעדיין לא פותחה יותר הגרסה שלה, הנקראת M-Theory, היא הבסיס לכל הפיזיקה.