18. על טבעו הדואלי של האור

התלבטתי בבחירת נושא לפוסט הבא: היה לי ברור שהוא יעסוק בנושא בסיסי, ומה בסיסי יותר מאשר האור, אותו גורם שכולנו ״משתמשים״ בו ולמעשה הצילום עוסק ברישום האור. מבוא קצר על טבעו ומאפייניו העיקריים של האור נכלל תמיד בשיעורי  הטכנולוגיה הצילומית שהעברתי עוד בתקופת הצילום הכימי ה״אנאלוגי״. הזכרתי את העובדה שלאור שתי פנים וכי הוא מתנהג גם כגל וגם כחלקיק ותופעות שונות האפייניות לאור ניתנות להסבר בהתייחס לשתי פנים אלו. ובעוד אני מתלבט מנין להתחיל  בא תלמידי לשעבר  יואב פרידלנדר היושב היום בעיה״ק ניו יורק ועושה חייל בתחום הצילום האמנותי והפנה את תשומת ליבי לידיעה שפורסמה באתר  Gizmodo בדבר ניסוי חדשני שהמחיש בפעם הראשונה באופן חזותי את הטבע הדואלי (הכפול) של האור. אז החלטתי לתפוס את השור בשתי קרניו ולהתייחס כאן לניסוי חדשני זה.

לפני שנגיע לניסוי עצמו, נתייחס לכמה מאפיינים בסיסיים של האור: ראו נא את המצגת הבאה: light

עכשיו, כאשר הבנו, כך אני מקווה, את המאפיינים הבסיסיים של האור אפשר להתמקד בנושא הפוסט והוא הניסוי החדשני שנערך ע״י מדענים ב-
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne  שבשוויץ ובו הדגימו, בפעם הראשונה באופן חזותי את טבעו הדואלי של האור. עד עתה הוכח הטבע הדואלי של האור באמצעות חישובים בלבד. בבסיס הניסוי עמד הרעיון המענין להשתמש באלקטרונים כדי לצלם את האור עצמו.

הניסוי נערך כלהלן: פולס של אור לייזר* נורה לעבר חוט מתכתי דק מאד בעובי ננומטרי (ננומטר= מיליארד/1 של המטר, או: מיליארד ננומטרים= 1 מטר). אור הלייזר מוסיף אנרגיה לחלקיקים הטעונים של החוט הננומטרי וגורם להם לרטוט. אור נע לאורך החוט הננומטרי בשני כיוונים אפשריים, כמו מכוניות על כביש מהיר. כאשר גלי אור הנעים בכיוונים מנוגדים נפגשים הם יוצרים גל חדש הנראה כאילו הוא עומד במקום ללא תנועה. גל עומד  חדש זה משמש כמקור התאורה לניסוי המקרין אור סביב החוט הננומטרי.

המדענים יורים זרם של אלקטרונים קרוב לחוט הננומטרי ומשתמשים בהם כדי ליצור דימוי של גל האור העומד: כאשר האלקטרונים מגיבים עם האור הלכוד בגל העומד הם מאיצים או מאיטים. באמצעות מיקרוסקופ אלקטרוני מהיר ביותר ניתן להראות את הנקודה בה שינויי מהירות אלו מתרחשים, וליצור הדמייה של הגל העומד, המשמשת כטביעת האצבע של הטבע הגלי של האור.

ומה לגבי האור כחלקיק? ובכן, מסתבר שבעוד התופעה הנ״ל מדגימה את טבעו הגלי של האור היא מדגימה באותו הזמן גם את טבעו החלקיקי: כאשר האלקטרונים עוברים קרוב לגל האור העומד הם ״מכים״ את חלקיקי האור, הפוטונים. כפי שצויין לעיל, מהירותם של האלקטרונים עולה או יורדת כתוצאה מהתנגשות זו עם הפוטונים. שינויי מהירות אלו  הם למעשה חילופי מנות אנרגיה (Quanta) בין האלקטרונים לפוטונים. עצם ההיווצרות  של מנות האנרגיה הללו מראות שהאור על החוט הננומטרי מתנהג גם כחלקיק!

Fabrizio Carbone, ראש צוות החוקרים ב- Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne אומר כי בניסוי זה הודגם לראשונה כי ניתן לצלם את מכניקת הקוואנטים בפעולה ולהדמות את טבעה הפאראדוקסלי. כמו כן, חשיבותה של עבודה חלוצית זו הינה מעבר למדע הבסיסי וניתן יהיה ליישם אותה גם לטכנולוגיות עתידיות. Carbone אומר  כי  היכולת להדמות ולשלוט בתופעות קוואנטיות ברמה הננומטרית פותחת אפיק חדש לכיוון החישוביות הקוואנטית. (תרגום חופשי מאתר Gizmodo: http://tinyurl.com/ktmzhpj) אולי מכאן תצמח טכנולוגיית המחשוב הבאה?

הנה סרטון וידאו מעולה המפשט את ביצוע הניסוי הלא פשוט הזה:

http://tinyurl.com/mw997qd

ולמי שמעונין לקרוא את הפרסום המלא על ניסוי חשוב זה: http://tinyurl.com/ma2mavl (אזהרה: זהו מאמר מדעי לא פשוט!)

גבי

* מה זה לייזר? באנגלית: Laser, ראשי התיבות של: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
ובעברית:  הגברת אור באמצעות פליטה מעוררת של קרינה.
מה מאפיין את אור הלייזר? הוא נוצר ע״י המרת צורה אחרת של אנרגיה (חשמלית או כימית) לאור, הוא מונוכרומטי (אורך גל אחד), הוא קוהרנטי (כל הגלים באותה הפאזה, In Step והוא מכוון (Collimated): ללא פיזור, בכיוון אחד. עקב כך ניתן לרכז אותו בקלות ליצירת אנרגיה גבוהה אותה ניתן לנצל למגוון שימושים החל מחיתוך מדוייק של מתכת וכלה בניתוחים עדינים. לייזרים חלשים משולבים כיום במכשירים רבים כדיודות לייזר (Diode Laser).

הלייזר הראשון פותח בשנת 1960 ע״י Theodor F. Maiman במסגרת עבודתו בחב׳  Hughes Aircarft.