חלקיק

בפיזיקה תאורטית חלקיק הוא מודל של גוף חומרי שמורכב מאטום, בעל מיקום ותנע מוגדרים, שלא ניתן לעוות את צורתו. מבחינה אינטואיטיבית, נוח לחשוב על החלקיק ככדור שיש או כדור ביליארד (בתיאום עם מודל הכדורים הקשיחים) זערורי בעל מקום ומהירות היכול להתנגש עם חלקיקים אחרים ולקיים אינטראקציות פיזיקליות.

חלקיק קלאסי

הכוונה ב"חלקיק" היא בעצם למודל תאורטי או קירוב אידיאלי שמבצעת המכניקה הניוטונית, שאמור לאפיין את התכונות הדינמיות של גוף חומרי קלאסי (כגון כדור ביליארד, כיסא או מכונית). החלקיק מתאר גוף קשיח שאי-אפשר לעוות את צורתו (למעוך אותו, למתוח אותו, לשבור אותו, ועוד). בדרך כלל נהוג גם לומר שלחלקיק אין דרגות חופש פנימיות (הוא לא מסתובב סביב עצמו) ואז קוראים לו "חלקיק נקודתי". במקרים רבים, דנים בגופים קשיחים שאינם נקודתיים, אך מאפיינים אותם באמצעות מרכז המסה שלהם, שאליו מתייחסים כאל "חלקיק נקודתי".

כאשר קוראים לגוף מסוים "חלקיק נקודתי" מניחים עליו בעצם את התכונות הבאות:

• ניתן לתאר את מיקומו במרחב באמצעות נקודה בודדת או וקטור יחיד.
• המקום שלו והתנע שלו (מסה כפול מהירות) מוגדרים היטב.
• אין לו דרגות חופש פנימיות (לכן, לא פועלים עליו מומנטים).
• הוא צפיד, קשיח, ניתן לחלוקה ולא ניתן לעוות או לשנות את צורתו.
• הוא מאופיין באמצעות פרמטרים קלאסיים כגון מסה, מטען חשמלי ומקדמים פיזיקליים המייצגים את תכונות החומר ממנו עשוי החלקיק.
• מידת הנפח שהוא תופס במרחב היא 0. הנחה זו יוצרת בעיות של התבדרויות ואינסופים ולכן הקירוב הנקודתי הוא בעייתי.
• החלקיקים אינם שווים, כך שגודלו של כל חלקיק משתנה.

השבר בתמונת החלקיק הקלאסי

לקראת סוף המאה ה-19 החלה להתפשט בקרב הקהילה הפיזיקלית התורה האטומית - מודל הטוען שכל העולם מורכב מאטומים מסוגים שונים ובאמצעות הנחה זו מצליח להסביר תופעות פיזיקליות רבות. כל סוג של אטום מהווה אבן בניין של חומר שונה. בהתחלה, סברו הפיזיקאים שהאטומים האלה הם אכן חלקיקים נקודתיים. ברם, תגליות וניסויים שנערכו בסוף המאה ה-19 ותחילת המאה ה-20 הראו שהאטום הוא לא חלקיק יסודי נקודתי, קשיח ובלתי ניתן לחלוקה אלא יש לו מבנה פנימי וגודל סופי. תכונות של חלקיק נקודתי הושלכו כעת על חלקיקים יסודיים יותר דוגמת האלקטרון בעוד שלצרכים מעשיים, הפיזיקאים המשיכו להשתמש במודל של כדורים קטנים וצפידים עבור מולקולות חומר.

פיתוחה של מכניקת הקוונטים שם קץ לתפישה הקלאסית של החלקיק והפך אותה לגמרי על פיה. ניסויים כגון ניסוי שני הסדקים הראו שלחלקיק יש גם תכונות גליות ולכן מיקומו איננו מוגדר היטב במרחב. מעקרון אי-הוודאות נבע גם שהתנע שלו איננו מוגדר היטב. למעשה, לפי הפרשנות המקובלת, התנע והמיקום של חלקיק אינם מוגדרים כל עוד הם לא נמדדו ויכולים לקבל כל ערך שהוא לפני המדידה (כמובן, שיש ערכים סבירים ביותר וערכים שהסיכוי שיתקבלו זניחים). ברגע שחלקיק נמדד, הוא מקבל ערך מוגדר (עד כדי גודל שגיאה שנובעת ממגבלות המדידה ועקרון אי הוודאות). במכניקת הקוונטים, לכל חלקיק הוצמדה פונקציית גל המתארת אותו (פונקציה זו משתרעת על כל המרחב ולא נמצאת רק במקום אחד ויחיד כמו עבור חלקיק קלאסי) והאינטראקציה של החלקיקים נקבעת על ידי משוואת הגלים של שרדינגר.

במקביל, מקס פלאנק ואלברט איינשטיין הראו שניתן להתייחס אל קרינה, שנחשבה עד אז כגלית כאל אוסף של חלקיקים נקודתיים חסרי מסה הנושאים עימם מנות קצובות של אנרגיה (שתלויה בתדירות הגל שלהם). החלקיקים המפורסמים ביותר מסוג זה הם הפוטונים - חלקיקי האור.

המודל החלקיקי החדש

בעקבות תובנות אלה, החלו הפיזיקאים במחקר מתקדם לגבי התנהגויות של חלקיקים ותכונותיהם הקוונטיות. באמצעות מכשור מתקדם הם בחנו את מבנה האטום ואת ההתנהגות הקוונטית של חלקיקים כדוגמת הפרוטון והאלקטרון תחת אינטראקציות של אנרגיות גבוהות. חקירת תופעת הרדיואקטיביות והתפרקות של חלקיקים וגילוי של חלקיקי יסוד חדשים, הגביר את הצורך בתורה חדשה שתסביר את תכונותיהם של "החלקיקים היסודיים".

ההתפתחויות התאורטיות החשובות בתחום זה היו שכלול מכניקת הקוונטים ופיתוח משוואת שרדינגר היחסותית על ידי פול דיראק, היא משוואת דיראק. יחד עם עבודה חלוצית בתחום שנעשתה על ידי ריצ'רד פיינמן שפיתח את תורת השדות הקוונטית המבוססת על ההנחה שהכוחות בעצם נישאים על ידי חלקיקי כוח, פותח מודל המנסה להסביר את כל האינטראקציות היסודיות בטבע (למעט כבידה) ולסווג את כל חלקיקי היסוד. פיינמן פיתח את ה-QED (אלקטרודינמיקה קוונטית) שבה הוא ביצע קוונטיזציה לשדה החשמלי ותיאר את הכוח האלקטרומגנטי באמצעות חלקיקי כוח הנושאים אותו (חלקיקים אלה היו הפוטונים של האור). בעקבות הצלחה זו, פותחה גם ה-QCD(כרומודינמיקה קוונטית) המציגה טיפול דומה בכוח הגרעיני החזק. בהמשך פותח גם תיאור של הכוח הגרעיני החלש כחלק מהכוח האלקטרו-חלש.

גילויי מאות חלקיקים בניסויים, במדידות קרינת הרקע הקוסמית ובמאיצי חלקיקים חייב את הפיזיקאים להכניס סדר ב"גן החיות" ולנסות להסיק על מספר מצומצם של חלקיקי יסוד שמרכיבים את כל השאר. עבודה זו בוצעה על ידי הפיזיקאים יובל נאמן ומארי גל-מאן (האחרון קיבל עליה פרס נובל) והתבססה על שיקולים של סימטריה. מעבודה זו הם הסיקו על קיומם של הקווארקים - חלקיקי יסוד המרכיבים חלקיקים כבדים יותר דוגמת פרוטונים ונייטרונים. אך כאן לא נגמר החיפוש. התברר שישנם מספר סוגי קוורקים, ושהקוורקים לא יכולים להסביר את קיומם של חלקיקים הנקראים לפטונים כגון אלקטרונים, נייטרינו או מיואון. היום הפיזיקאים מאמינים שהקוורקים הם חלקיקים נקודתיים חסרי מבנה פנימי ולכן מהווים חלקיקי יסוד אמיתיים.

החלקיקים המהווים את אבני הבניין היסודיות של החומר (וכן החלקיקים המהווים את נושאי הכוח "בוזונים") נקראים חלקיקים אלמנטריים והם מתוארים ומסווגים במסגרת תאוריה הידועה בשם המודל הסטנדרטי. התחום העוסק בחקר חלקיקים אלו ותכונותיהם נקרא פיזיקת חלקיקים.

תורת המיתרים מבטלת לגמרי את ההנחה של חלקיקים נקודתיים בגלל כל הבעיות שהיא גורמת ומעדיפה להתייחס אליהן כאל מיתרים חד-ממדיים. קיימת תאוריה נוספת בפיתוח הקרויה תורת הממברנות, אשר גורסת שהמיתרים האמורים הם ממברנות (מעין קרומיות או "שמיכות" חומר) המצויות במגוון צורות ואופן רטיטתן קובע את מניפסטצית החומר. תאוריה זו התפתחה מתוך תורת העל-מיתר, אך חלוקה עימה במספר הממדים הקיימים ומאששת את קיומם של אינסוף יקומים. לתורה זו הייתה הצלחה מסוימת בתיאור מצב הסינגולריות (תמונת היקום לפני קיום חוקי הפיזיקה) שלתורות אחרות לא הייתה. תאוריה זו עדיין נמצאת בפיתוח ומחקר, וכרגע אין דרך לאשש אותה ניסיונית עקב מגבלות ותקלות טכניות באמצעי הניסוי שיש למדענים.

ראו גם

• חלקיק יסודי
• פיזיקת חלקיקים
• מכניקה קלאסית
• דואליות גל-חלקיק
• מכניקת הקוונטים
• המודל הסטנדרטי

קישורים חיצוניים

• Natalie Wolchover, "What Is a Particle?", Quanta Magazine, November 12 2020
• Matthew R. Francis, "What is a “particle”?", Symmetry, February 6 2016

חלקיקים, דף שער בספרייה הלאומית