שלוש בעיות שהפילו את הכול

תורת הקוונטים לא נולדה כי מישהו רצה לחדש. היא נולדה כי שלוש תופעות פשוטות ומוכרות פשוט סירבו להסתדר, ואף אחד לא הצליח להסביר אותן בשום דרך. שווה להכיר את שלושתן, כי כל אחת מהן דוחפת אותנו לרעיון קוונטי אחר.

בעיה ראשונה: למה תנור לא הורג אותנו בקרינה: כל גוף חם פולט אור. גחלת חמה זוהרת באדום, ברזל חם יותר זוהר בכתום ואז בלבן, וכוכב חם מאוד נוטה לכחול. זה קשר מסודר בין טמפרטורה לצבע, וכל נפח היה צריך לדעת לחשב אותו.

אבל כשהפיזיקה הקלאסית ניגשה לחשב כמה אור מכל צבע נפלט מגוף חם, יצאה תשובה מטורפת: ככל שהולכים לאורכי גל קצרים יותר — סגול, אולטרה־סגול, רנטגן — כמות האנרגיה הנפלטת הולכת וגדלה, עד אינסוף. לפי החישוב הזה, כל תנור בבית היה אמור לשטוף אותנו בקרינת רנטגן קטלנית. זה כמובן לא קורה. הכישלון הזה קיבל שם דרמטי: "הקטסטרופה האולטרה־סגולה".

בעיה שנייה: אור שמוציא אלקטרונים ממתכת: כשמאירים על מתכת, לפעמים נפלטים ממנה אלקטרונים. זו התופעה הפוטואלקטרית. (קרוב משפחה שלה, האפקט הפוטו־וולטאי, הוא מה שמפעיל תא סולארי — שם האלקטרון לא נפלט החוצה אלא משתחרר בתוך מוליך למחצה, אבל עקרון סף האנרגיה הוא אותו עקרון ). לפי תמונת הגל, זה אמור לעבוד ככה: אור הוא גל שנושא אנרגיה, ולכן אור חזק יותר אמור לתת לאלקטרונים בעיטה חזקה יותר. וגם אור חלש אמור לעבוד — פשוט צריך לחכות שהאלקטרון יצבור מספיק אנרגיה.

הניסוי הראה משהו אחר לגמרי. אור אדום, חזק ככל שיהיה, לא הוציא ולו אלקטרון אחד — גם אחרי שעות. אור סגול חלש הוציא אלקטרונים מיד. ומה שקבע את המהירות של

האלקטרונים הפולטים היה לא עוצמת האור אלא הצבע שלו. הגברת העוצמה רק הגדילה את מספר האלקטרונים, לא את המרץ שלהם. שום תמונת גל לא יכולה להסביר את זה.

בעיה שלישית: למה אטומים בכלל קיימים: וזו הבעיה החמורה מכולן. לפי המודל של רתרפורד, אלקטרון שלילי מסתובב סביב גרעין חיובי. אבל לפי חוקי מקסוול, מטען חשמלי שמאיץ — וסיבוב הוא סוג של האצה — מוכרח לפלוט קרינה ולאבד אנרגיה. אלקטרון שמאבד אנרגיה מתקרב לגרעין בספירלה. החישוב נותן את זמן הקריסה: בערך 10-11 שניות. מאית מיליארדית השנייה.

במילים אחרות, הפיזיקה של 1911 ניבאה שהחומר לא יכול להתקיים. את, אני, השולחן והשמש היינו אמורים להתמוטט לענן קורן ברגע שנוצרנו. ובכל זאת הנה אנחנו.

ואם זה לא מספיק — היה גם רמז מוזר נוסף. כשמחממים גז של יסוד מסוים ומפרקים את האור שלו לצבעים בעזרת מנסרה, לא מתקבלת קשת רציפה. מתקבלים קווים בודדים בצבעים מדויקים מאוד, ותמיד אותם קווים לאותו יסוד — כמו ברקוד. מימן תמיד נותן בדיוק את אותם ארבעה קווים בתחום הנראה. איש לא ידע למה בעולם אטום היה בוחר לפלוט רק צבעים מסוימים ולא את כל השאר.

להעמיק: ה"ברקוד" הזה הוא לא סקרנות מעבדתית: הוא הכלי המרכזי של האסטרונומיה עד היום. כשמפרקים את אור השמש או של כוכב רחוק, קווי הברקוד מגלים בדיוק מאילו יסודות הוא עשוי, וגם — לפי הסטת הקווים — באיזו מהירות הוא מתרחק מאיתנו. גיליון האטומים של היקום כולו נקרא מהקווים האלה.

שלוש הבעיות והברקוד נראו כמו ארבעה תחומים שונים. הן היו, מתברר, ארבעה פנים של אותה עובדה אחת.