במאמר שפורסם במגזין נייצ׳ר פיזיקה, צוות חוקרים מבריטניה, ארה״ב, גרמני ואוסטרליה הדגימו לראשונה את ניסוי שני הסדקים בציר הזמן. במקום פיזור מרחבי על מסך, הסדק הזמני יצר פיזור בספקטרום האור, ומשילוב סדק נוסף נוצרה תבנית התאבכות הדומה לתבנית המרחבית מהניסוי הקלאסי. הניסוי פותח צוהר לבניית מכשור אופטי המשתנה בזמן באופן אמין ויציב
באופן מסורתי, אופטיקה מבוססת על מבנים פיזיים ותופעות מרחביות. לדוגמא, מוליך גלים אופטי נסמך על אזורים בהם יחס מקדמי השבירה גבוה בכדי ללכוד את קרני האור בסיב. בשנים האחרונות התפתחה גישה חדשה בפיתוח מכשרים אופטיים: במקום להנדס דפוסים מרחביים, פיזיקאים יוצרים דפוסים זמניים המשפיעים על תכונות האור. שינוי זה יוצר ״משטח זמני״ שהאור מגיב אליו בדומה ל״משטח״ המפריד בין שני חומרים בעלי מקדמי שבירה שונים. במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת היוקרתי Nature Physics, הפיזיקאי רומיין טירול מאמפריאל קולג׳ לונדון ושותפיו פיתחו מערכת ניסוי ובה יצרו סדק זמני בכדי לבחון את ניסוי יאנג המפורסם בציר הזמן. הניסוי של יאנג הדגים לראשונה את תכונותיו הגליות של האור ולאחר מכן שימש כמערכת ניסוי טיפוסית המדגימה את תכונותיהן הקוונטיות של חלקיקים בטבע. הרעיון של מכשור זמני אינו חדש – בעבר, מדענים ניבאו שניתן לחזות בעזרתם שבירה זמנית והחזרה זמנית של אור, החזרה מקוטבת זמנית של אור (זווית ברוסטר) ועוד. לצד התחזיות התאורטיות, קיימות מעט הדגמות ניסיוניות, זאת לאור הקושי בבניית מכשור יציב ואמין שמשנה את תכונותיו במהירות רבה. בניסוי האחרון שנערך על ידי חוקרים מבריטניה, גרמניה, ארה״ב ואוסטרליה, החוקרים עמדו באתגר ופיתחו סדק זמני, מכשיר המשנה את מקדם השבירה שלו במהירות גבוהה. בעזרתו הם ערכו ניסוי שהחליף את תפקידו של התדירות המרחבית של גלי האור בתדירות הזמנית ושיחזרו את ניסוי יאנג בציר הזמן.
ניסוי שני הסדקים המרחבי של יאנג
בניסוי המפורסם של יאנג המכונה ניסוי שני הסדקים, נוצרת תבנית התאבכות ייחודית שמאששת את תכונותיו הגליות של האור. ליתר דיוק, הניסוי מדגים שתי תופעות, פיזור והתאבכות של האור, ובשילוב תופעות אלו נוצרת התבנית הייחודית.
פיזור של אור מודגם בבירור מחריץ יחיד. במסך שמאחורי החריץ, האור יראה מרוח, וימצא באזורים בהם המחסום לא מאפשר לו להגיע אילו היה נע בקו ישר. תהליך הפיזור מתרחש כאשר האור פוגש את החריץ ונע בזוויות שונות. את הפיזור ניתן להסביר באמצעות מכניקת הקוונטים ועיקרון אי הוודאות: ברגע שהאור פוגע בחריץ, הוא מתוחם לאזור קטן מאוד (לרוב פרופורציונלי לאורך הגל שלו), משום שלא ניתן לדעת את מיקומו והתנע של האור בו זמנית בדיוק גבוה, האור יאלץ לשנות את התנע שלו. מדוע כיוון התנע משתנה ולא גודלו?הסיבה לכך נובעת מהקשר שבין חוקי שימור וסימטריה בטבע. מערכות המדגימות סימטריה להזזות בזמן, כלומר מערכות שלא משנות את תכונותיהן כתלות בזמן, משמרות את האנרגיה הפנימית שלהם. לפיכך, האור לא ישנה את גודל התדר שלו, רק את כיוון תנועתו. (ד״א, בוואקום התדירות המרחבית, הקובעת את הצורה המרחבית של הגל, והתדירות הזמנית של האור, הקובעת את כמה מהר הוא משנה את ערכו בכל רגע, זהים עד כדי מהירות האור. לא נתייחס לעובדה זו כאן, אבל שינוי גודלו של התנע, ולא רק כיוונו גורר שינוי בתדר הזמני, ולפיכך האנרגיה שהאור נושא איתו).
התאבכות מתרחשת כאשר שני גלים או יותר חופפים במיקומם. לדוגמא, בניסוי שני הסדקים, הגלים המתפזרים מכל סדק נפגשים על המסך. עוצמת האור שנמדדת על המסך תהיה שווה לסכום אמפליטודות הגלים בריבוע. עיקרון זה ידוע בתור סופרפוזיציה. במילים אחרות, כאשר גלים נפגשים בפאזה הפוכה אחת מהשנייה, כלומר כאשר הנקודה הגבוהה והנמוכה של כל אחד מהגלים נפגשים, אור לא יראה. במצב ההפוך כאשר קרני האור נפגשים בפאזה זהה, למשל מקסימום פוגש את המקסימום, אור יימדד.
ניסוי יאנג הזמני
ההקבלה הזמנית לניסוי הסדקים של יאנג מחליף את המיקום והתדירות המרחבית של האור בפרק הזמן בו הוא נמדד ובתדירות הזמנית שלו. למעשה, בניסוי של טירול, האור פוגע במשטח שהופך לשקוף לרגע קצר. המכשיר מאלץ את האור להופיע במסך בפרק זמן מאוד ספציפי. מעיקרון האי וודאות בין זמן לאנרגיה, ככל שפרק הזמן הנמדד קצר יותר, כך האי וודאות באנרגיה גבוהה יותר. במקרה זה, האנרגיה, או התדירות הזמנית של האור תשתנה וכתוצאה יופיעו על המסך מגוון רחב של צבעים. הפעם, המערכת משנה את תכונותיה בזמן ולפיכך האנרגיה יכולה להשתנות. לאחר מכן, החוקרים ערכו ניסוי בו הם יצרו שני סדקים זמניים, כלומר פתחו וסגרו את המחסום פעמיים בהפרשי זמנים קצרים. במקום לראות תבנית התאבכות מרחבית, החוקרים ראו תבנית התאבכות בתדירות הזמנית, או במילים אחרות בספקטרום התדרים שנמדדו.
האתגרים הטכנולוגיים של הנסיינים היו רבים. כדי ליצור סדק זמני, החוקרים השתמשו באפקט קר (Kerr) הלא לינארי שמשנה את מקדם השבירה של האור כתלות במתח החשמלי המושרה עליו. המשטח שהאור פגע בו היה עשוי משכבה של תחמוצת אינדיום ובדיל ומתחתיו שכבה של זהב. החוקרים כיילו את שכבת התחמוצת סביב מקדם שבירה אפס (במצב בו האור לא חודר לחומר כלל) ותחת הקרנה של פולסי אור, מקדם השבירה השתנה מעט. בזמן שמקדם השבירה שינה את ערכו, גל האור פגע במשטח וחזר למכשירי המדידה.
ניסוי הסדקים של יאנג הוא ניסוי קלאסי, והניסוי של טירול יכול להיות כזה אם הקהילה המדעית תאמץ את ההבטחות הרבות שיכולות לצמוח ממערכות אופטיות המשתנות בזמן.
יש לכם שאלה בפיזיקה או רעיון לנושא שכדאי שאכתוב עליו? פנו אליי לכתובת המייל – [email protected]
עוד בנושא באתר הידען:
