הרעיון שפתח הכול: אנרגיה באה בחבילות

בדצמבר 1900 ניסה פיזיקאי גרמני שמרן בשם מקס פלאנק להתאים נוסחה למדידות מדויקות חדשות של קרינת גופים חמים, שלא הסתדרו עם אף נוסחה קיימת(. הערת יושר היסטורית: החישוב שמתפוצץ לאינסוף, ובוודאי הכינוי "הקטסטרופה האולטרה־סגולה", נוסחו במלואם רק שנים אחדות אחריו. פלאנק לא ניסה למנוע אינסוף — הוא ניסה להתאים עקומה. שהנוסחה שלו גם מסלקת את האינסוף התברר בדיעבד ). הוא ניסה כל דרך אפשרית ונכשל, ואז נאלץ לתעלול שהוא עצמו כינה מאוחר יותר "מעשה של ייאוש": הוא הניח שהאנרגיה לא יכולה להיפלט בכל כמות שהיא, אלא רק במנות בדידות. חבילות. מנה כזאת הוא קרא לה קוונט — מלטינית", כמה".

גודל החבילה, קבע פלאנק, תלוי בתדר: אור בתדר גבוה (סגול) בא בחבילות גדולות, ואור בתדר נמוך (אדום) בחבילות קטנות. היחס ביניהם הוא מספר קטנטן וקבוע, שנקרא מאז קבוע פלאנק ומסומן h. הנוסחה קצרה — E = h·f: אנרגיה שווה לקבוע כפול תדר. זו הנוסחה הראשונה של תורת הקוונטים, וכמעט הכול נגזר ממנה.

וההנחה הזאת פתרה את הקטסטרופה. למה? כי כדי לפלוט אור סגול צריך לשלם מראש חבילה גדולה של אנרגיה, ולגוף בטמפרטורה רגילה פשוט אין את הסכום. זה כמו מכונת ממכר שמקבלת רק מטבעות שלמים: אם ליד יש רק שני שקלים, אי אפשר לקנות פריט של עשרים, בלי קשר לכמה זמן עומדים מולה. הפליטה בתדרים גבוהים נחסמת מעצמה, והאינסוף נעלם.

אנלוגיה: אנרגיה קלאסית היא מים מברז: אפשר למזוג כל כמות, גם טיפה. אנרגיה קוונטית היא ביצים בסופר: אפשר לקנות שש, שתים־עשרה, שמונה־עשרה — אבל לא שש וחצי. איפה האנלוגיה נשברת: ביצים הן חפצים נפרדים שתמיד היו כאלה. הקוונט הוא לא בהכרח "חתיכה" — הוא מגבלה על העברות אנרגיה מותרות. פלאנק עצמו חשב בהתחלה שזה טריק חשבונאי ולא תיאור של המציאות.

איינשטיין לוקח את זה ברצינות: ב־1905, אלברט איינשטיין בן ה־ 26 עשה את הצעד שפלאנק לא העז לעשות: הוא הציע שהחבילות אינן טריק חישובי, אלא שהאור עצמו מורכב מחבילות. חלקיקי אור. היום קוראים להם פוטונים.

ומיד נפתרת גם הבעיה השנייה. אלקטרון קשור למתכת בכוח מסוים, ודרוש סכום מינימלי כדי לשחרר אותו. הוא לא יכול לצבור אגורות מכמה פוטונים — הוא סופג פוטון אחד, בבת אחת, או שלא. פוטון אדום הוא מטבע קטן מדי, ולכן מיליארד פוטונים אדומים לא יוציאו אלקטרון אחד. פוטון סגול הוא מטבע גדול מספיק, ולכן גם אור סגול קלוש עובד מיד. והגברת עוצמת האור פירושה יותר פוטונים — כלומר יותר אלקטרונים, לא אלקטרונים מהירים יותר. זה בדיוק מה שנמדד.

על ההסבר הזה, לא על תורת היחסות, קיבל איינשטיין את פרס נובל ב־1921

טעות נפוצה: "אז אור זה חלקיקים, ויאנג טעה ". לא. ניסוי שני הסדקים עדיין עובד ועדיין מראה התאבכות — כלומר אור עדיין מתנהג כגל. עכשיו יש לנו שתי ערימות של ראיות מצוינות שסותרות זו את זו. את המתח הזה לא פותרים בפרק הזה; הוא הופך להיות התובנה המרכזית של הפרק החמישי.