מדענים מנסים לענות על אחת השאלות הפתוחות הגדולות בפיזיקה
לפני יותר מ-70 שנה עלה רעיון בקהילת הפיזיקאים: להשתמש בשדות מגנטיים ובתכונת הספין (תנע זויתי פנימי) של האלקטרון, כדי לגרום לגוף מעולם העצמים הגדולים, להתקיים בעת ובעונה אחת בשני מקומות, קרי להיות במצב של “סופרפוזיציה”. קבוצת מחקר, בראשות פרופ’ רון פולמן מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, הצליחה באחרונה לממש את הרעיון, ואף הציעה גרסה מתקדמת של מכשיר שעשוי לספק תשובות עתידיות לאחת השאלות המרכזיות בפיזיקה: האם יש קשר בין תורת הקוונטים לגרביטציה?
במאה ה-20 התרחשו שתי מהפכות בתחום הפיזיקה: תורת היחסות (שעוסקת גם בגרביטציה) ותורת הקוונטים. שתיהן מהוות עד היום את עמודי התווך של הפיזיקה המודרנית. אחת השאלות הפתוחות בתחום זה, היא מדוע אנחנו לא מצליחים לאחד את שתי התיאוריות המוצלחות הללו במסגרת תיאוריה אחת שתיקרא גרביטציה-קוונטית?
קבוצת המחקר של פרופ’ פולמן, הציעה דרך לביצוע ניסוי שיבחן את הקשר בין שתי התיאוריות. בבסיס הרעיון עומד מכשיר (אינטרפרומטר ייחודי) המבוסס על עקרונות תורת הקוונטים והמסוגל לאפשר לגוף אחד להתקיים בשני מקומות באותו זמן. יש סוגים רבים של אינטרפרומטרים, אולם האינטרפרומטר שפיתחו פרופ’ פולמן וחברי קבוצתו, חשוב במיוחד היות שהוא מתאים לעבודה עם חלקיקים בעלי מסה גדולה (שמטבע הדברים, חשופים לאינטראקציה גרביטציונית גדולה יחסית). המכשיר הייחודי, אותו הצליחה הקבוצה לפתח, הוא “אינטרפרומטר לולאה מלאה המבוסס על אפקט שטרן-גרלך” או בקצרה “אינטרפרומטר מגנטי”.
ספין
לפני 100 שנה בדיוק התבצע ניסוי שבו התגלה “אפקט שטרן-גרלך”, על שם הפיזיקאים וולטר גרלך ואוטו שטרן. קרן של אטומי כסף שוגרה לכיוון מסך, כשהיא חוצה בדרכה שדה מגנטי שעוצמתו משתנה. השדה המגנטי פיצל את האטומים לשתי קרניים. ההסבר הקוונטי לפיצול זה הוא שהאטום הוא בעצם מגנט קטן שיכול להימצא רק באחד משני כיוונים ביחס לשדה המגנטי, וכך פועלים עליו שני כוחות מגנטיים. למיגנוט הפנימי של האטום (שקשור בתנע הזויתי הפנימי שלו) ניתן השם “ספין”.
בשנות ה-50 היה זה התיאורטיקן דייוויד בוהם שהציע ליצור לולאה מלאה של פיצול וחיבור מחדש של הקרניים: אחרי הפיצול, שדה מגנטי יעצור את הקרניים ויכוון אותן בחזרה זו לעבר זו, כך שהקרניים יתאחדו שוב לקרן אחת, לאחר שעשו לולאה מלאה. כך נוצר האינטרפרומטר המגנטי. לאחר שגוף התקיים בשני מקומות באותו זמן (שני פלגי הקרן), הוא שוב מתאחד לכדי גוף אחד, ובאמצעות מדידות המבוצעות על הגוף האחד הזה, אפשר ללמוד על הבדלים בתנאים שחווה הגוף בשני המסלולים, תנאים כמו האינטראקציה הגרביטציונית.
למעשה, היה קשה מאוד ליישם לולאה מעין זו. היה צורך שחלקי האטום המפוצל לא רק יוחזרו לאותו המקום אלא גם בדיוק באותה המהירות. המדענים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב הצליחו לשלוט ברמת דיוק גבוהה במיוחד בשדה המגנטי באמצעות שבב (דוגמת השבבים במחשב). בנוסף, קרן האטומים בה השתמשו לא הייתה קרן של אטומי כסף, אלא של אטומי רובידיום שעברו תהליך של קירור עמוק לכדי טמפרטורה קרובה לאפס המוחלט (מינוס 273 מעלות צלסיוס), כך שהשליטה של המדענים בתכונות האטום הייתה גבוהה מאוד.
לפני מספר שנים ביצעה הקבוצה ניסוי נוסף בעל מטרה דומה, כאשר עשתה שימוש בשעון אטומי המורכב מאטום בודד שהושם בשני מקומות באותו זמן, האחד יותר קרוב מהשני לכדור הארץ (על פי תורת היחסות, הזמן מושפע מהגרביטציה). אולם, כדי להגיע לתוצאות חד-משמעיות בניסוי זה, יידרשו שיפורים משמעותיים בביצועי השעונים האטומיים. כעת מציעה הקבוצה לשים באינטרפרומטר גוף בעל מסה גדולה מאוד, כזה שכוחות הגרביטציה הפועלים עליו לא יהיו זניחים. בדרך זו יתקבל ניסוי אחד, אשר בו תפעל תורת הקוונטים המאפשרת לגוף אחד להתקיים בשני מקומות באותו זמן, לצד תורת הגרביטציה שהכוח אותו היא מפעילה תלוי בגודל המסה של הגוף. רק בעזרת שילוב שתי התיאוריות יחדיו אפשר יהיה להסביר את הניסוי.
כדי להוכיח את היתכנות הניסוי השאפתני, ביצעה קבוצת המחקר, הקרויה בשם ‘קבוצת השבב האטומי’, ניסוי ראשוני, בתמיכת הקרן הלאומית למדע. בניסיון זה, השתמשו המדענים באטומים בודדים, ומאידך מימשו את כל התהליך שיידרש בכדי לבצע זאת עם מסה כבדה.”להישג הזה יש משמעות חשובה”, אומר פרופ’ פולמן, “שכן ייתכן שיצירת אינטרפרומטר שטרן-גרלך שכזה, עם מסה גדולה, תיתן בידינו רמזים חדשים לגבי האופי הקוונטי של כוח הכבידה (הגרביטציה), ובכך נוכל אולי לפתור את אחת התעלומות הגדולות של הפיזיקה המודרנית”.
כעת, משנראה שיש דרך פרקטית לעשות זאת, תתחיל הקבוצה יחד עם קבוצות נוספות ברחבי העולם, במימוש הניסוי.
צוות המחקר כלל את: ד”ר יאיר מרגלית, מר אור דובקובסקי, ד”ר ז’יפן זו, מר עומר עמית, ד”ר יונתן יפה, ד”ר סמואל מוקורי, ד”ר דניאל רורליך, פרופ’ אנופם מזומדר, פרופ’ סוגאטו בוז, ד”ר קרסטן הנקל ופרופ’ רון פולמן.
החיים עצמם:
פרופ’ רון פולמן חי בתל אביב והוא אב לארבע בנות. הוא פעיל זכויות אדם ושלום, וגם פעיל סביבתי. משקיע ממרצו גם בספורט ובספורט אתגרי, מכדורעף, דרך סנובורדינג ועד טיסה. רון ידוע גם כמי שקעקע על ידו העתק מדויק של המספר שנחקק בזרועו של אביו באושוויץ.
עוד בנושא באתר הידען:
