אם סינדרלה הייתה פיזיקאית: על סאטיאנדרה בוז ועיבוי בוז-איינשטיין

אם לוקחים קבוצת בוזונים ומקררים אותה עד קרוב מאוד מאוד לאפס המוחלט, כל הבוזונים יאבדו בבת אחת כמעט את כל האנרגיה שלהם. במצב הזה הם גם יאבדו את הזהות האישית שלהם.

שלושה גרפים המציגים את התרכזותם הגוברת של האטומים בשלש נקודות זמן במהלך יצירת עיבוי בוז-איינשטיין
שלושה גרפים המציגים את התרכזותם הגוברת של האטומים בשלש נקודות זמן במהלך יצירת עיבוי בוז-איינשטיין

בשנת 1995 ניצבו צמד חוקרים מאוניברסיטת קולורדו שבארה"ב, אריק קורנל וקארל ווינמן, בפני אתגר לא פשוט. על שולחן הניסויים מולם עמדה קבוצת אטומי רובידיום, ומטרתם של קורנל ו-ווינמן הייתה לקרר את הדגימה הזו עד לטמפרטורה כמעט בלתי נתפסת: 170 מיליארדיות המעלה מעל האפס המוחלט. אם קורנל ו-ווינמן יצליחו במשימתם, הם עשויים להפוך את קבוצת אטומי הרובידיום לסוג חדש של חומר, שכמותו לא נראה מעולם.

כדי להבין מה ניסו צמד החוקרים להשיג בשנת 1995, יש לחזור אל ראשית המאה העשרים. סאטיאנדרה בוז נולד בשנת 1894 בקלקוטה שבהודו. עוד מנעוריו התבלט כמתמטיקאי מבריק במיוחד, והתקדם במסגרת האקדמיה ההודית עד למשרת מרצה לפיסיקה באוניברסיטת דאקאה. באירופה התחוללה באותה התקופה מהפכה מדעית אדירה: איינשטיין, בוהר, שרדינגר ואחרים הפכו על פיה את תמונת העולם הניוטונית. אבל הודו הרחוקה הייתה מעט מנותקת מהזרם המרכזי ורק מדענים הודים בודדים הצליחו להגיע לכנסים, להשתלמויות ושאר ההזדמנויות להפריה הדדית שכל כך חשובות להתקדמות המדע. בוז התעניין מאוד בתורת הקוונטים, אבל הוא נאלץ במידה רבה לעבוד לבדו.

יום אחד הירצה בוז בפני הסטודנטים שלו אודות אספקטים מסויימים של תורת הקוונטים. בוז ניסה להוכיח לסטודנטים שהתאוריה עדיין אינה מושלמת: היו תופעות פיסיקליות שתורת הקוונטים לא תיארה כהלכה. אבל כפי שקורה לכל מרצה מדי פעם, בוז טעה בחישובים ליד הלוח. כשהגיע לסוף החישוב גילה, להפתעתו, שהתאוריה שרשם על הלוח דווקא מתארת היטב את התופעות הפיסיקליות הרצויות. בוז חזר אחורה מספר צעדים בחישוב, ואיתר את השגיאה שלו. התאוריה המקובלת מתייחסת לכל פוטון של אור כאל חלקיק נפרד ועצמאי: לכל פוטון יש סט של תכונות ותמיד ניתן לתכנן ניסוי מתאים כך שיבדיל בין כל שני פוטונים על סמך תכונות אלה. בוז, בטעות, התייחס אל הפוטונים כאל חלקיקים שכל התכונות שלהם זהות לחלוטין והם בלתי ניתנים להבחנה זה מזה.

בהבזק של השראה הבין בוז שהטעות שלו כלל אינה טעות: כדי להסביר את התופעות הפיזיקליות הרצויות, חייבים להניח שישנם מצבים בהם הפוטונים זהים לחלוטין ובלתי ניתנים להבחנה זה מזה. אחרי שניתח את הרעיון לעומקו והשתכנע בנכונותו כתב בוז ב-1925 מאמר מדעי על העניין ושלח אותו לפרסום במגזינים המדעיים המובילים של זמנו. אתם יכולים לנחש את ההמשך. פיסיקאי אלמוני ממדינת עולם שלישי נידחת טוען שגילה טעות בתורת הקוונטים. כל המגזינים דחו אותו על הסף.

אך בוז לא וויתר. הוא לקח את המאמר, קיפל אותו יפה לתוך מעטפה ושלח אותו ישירות אל המדען החשוב ביותר בעולם- אלברט איינשטיין. אם סינדרלה הייתה פיסיקאית תאורטית, כך בדיוק הייתה צריכה להראות האגדה שלה: איינשטיין קרא את מאמרו של בוז והבין מייד שמדובר בתיקון דרמטי של התאוריה. הוא תרגם את מאמרו של בוז לגרמנית ושלח אותו, בשמו של בוז כמובן, אל מגזין מדעי. אתם יכולים לנחש את ההמשך. הגאון המפורסם ביותר של זמנו סומך את ידיו על תיקון חשוב לתורת הקוונטים. המגזין פרסם את המאמר מייד.

בוז הפך לאישיות רצויה מאוד באירופה. הוא בילה שנה בביקורים וכנסים, עבד עם איינשטיין ומדענים נוספים וכשחזר להודו מונה במהירות הבזק לפרופסור באוניברסיטה. זה היה חריג מאוד מכיוון שסאטינדרה בוז לא היה אפילו ד"ר. ככה זה כשמישהו כמו איינשטיין ממליץ עליך, מסתבר שזה יכול לעזור.

איינשטיין המשיך ופיתח את רעיונותיו של בוז מספר צעדים קדימה. הוא שיער שלא רק פוטונים יכולים להתנהג כחלקיקים זהים לחלוטין- גם סוג מסוים של חלקיקי חומר המכונים 'בוזונים' (ע"ש בוז, כמובן) מסוגלים לעשות כן. אם לוקחים קבוצת בוזונים ומקררים אותה עד קרוב מאוד מאוד לאפס המוחלט, לפתע פתאום תתרחש מעין 'מפולת שלגים אטומית': כל הבוזונים יאבדו בבת אחת כמעט את כל האנרגיה שלהם. במצב הזה הם גם יאבדו את הזהות האישית שלהם. כל התכונות הפיסיקליות שבדרך כלל מבדילות בין אטום אחד למשנהו יתאפסו. קבוצת הבוזונים תהפוך, הלכה למעשה, לאטום אחד גדול. זהו מצב חדש לגמרי של חומר: זה לא גז, זה לא נוזל וזה לא מוצק- זה…משהו אחר. התופעה הזו מכונה 'עיבוי בוז-איינשטיין'. חשוב להדגיש שאסור לבוזנים לאבד את כל האנרגיה שלהם: אם חלקיק מאבד את כל האנרגיה שלו, הוא נעצר במקום- ואז נדע בוודאות את מיקומו ומהירותו, וזה יפר את עיקרון אי הודאות של הייזנברג. עיקרון זה קובע שאי אפשר, בשום אופן, לדעת את המיקום ואת המהירות של חלקיק בדיוק מושלם. הבוזונים, אם כן, יגלשו אל רמת האנרגיה המינימלית האפשרית לחלקיק.

עיבוי בוז-איינשטיין הייה במשך שנים רבות הגביע הקדוש של הפיסיקה הקוונטית. תופעות קוונטיות הן קשות מאוד למדידה בניסויים: הן מתרחשות בחלקיקים קטנים ביותר, ולפרקי זמן קצרים מאוד. אבל עיבוי בוז-איינשטיין יוצרת מעין סופר-אטום: חלקיק גדול שמורכב מהמון חלקיקים זהים לחלוטין. מכיוון שתכולת האנרגיה של האטומים כל כך נמוכה, כל התופעות הקוונטיות נמשכות המון זמן (יחסית, כמובן) וקל יותר לבחון אותן בניסוי. במילים אחרות, העולם הקוונטי עוזב לרגע קט את תחום המיקרו ועובר אל המאקרו. כל זה עשוי להתרחש, אם החישובים של אריק קורנל וקארל ווינמן נכונים, בטמפרטורה של 170 ננו-קלווין מעל האפס המוחלט.

השיטה שבה התכוונו להגיע אל טמפרטורה פורצת דרך זו הייתה חדשנית במיוחד: קירור באמצעות קרן לייזר. הפוטונים שבקרן הלייזר מתנגשים באטומים ומאיטים אותם וכזכור, כמות האנרגיה באטום באה לידי ביטוי במהירותו: אטום איטי הוא אטום קר. הטמפרטורה של קבוצת האטומים צנחה באופן דרמטי. לאחר מכן החוקרים הפעילו מגנט חזק וכיוונו את פעולתו כך שהאטומים המהירים, עתירי האנרגיה, היו מסוגלים לברוח מתוך הדגימה- ורק האטומים האיטיים, הקרים, נשארו מאחור. הדבר דומה לאופן שבו כוס קפה מתקררת: האטומים המהירים והחמים עוזבים את הכוס כאדים מהבילים, והקפה שנשאר מאחור הולך ומתקרר.

זה כל מה שהיה צריך. בדיוק כפי שחזו איינשטיין ובוז כמעט שבעים שנים קודם לכן, כשאחרון האטומים המהירים עזב את הדגימה התחוללה 'מפולת השלגים' פתאומית: כל האטומים נפלו כאיש אחד לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר שלהם. קבוצת האטומים בדגימה הפכה להיות אטום אחד גדול- סוג חדש של חומר נוצר ביקום, ופרס נובל חדש נולד.

[המאמר לקוח מתוך התוכנית 'עושים היסטוריה!', פודקאסט על מדע, טכנולוגיה והיסטוריה].

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

10 תגובות

  1. אפשר להרחיב על הדרמה שמאחורי הסיפור, שכוללת סיפור נדיבות אקדמי מדהים ,
    קורנל וקטרלי הגיעו שניהם ממעבדתו של דייב פריצ׳ארד ב MIT, מחלוצי קירור הלייזר. קטרלי התקבל כפרופסור במיט, וקורנל הלך לעבוד עם ווימן (שגם הוא בילה זמן במעבדה של פריצ׳ארד) . כדי לאפשר לקטרלי להתקדם במהירות, נתן לו פריצ׳ארד את המעבדה המתקדמת וכספי המחקר שיועדו לתחום. קטרלי אומנם הגיע לעיבוי רק מספר חודשים אחרי קורנל וווימן, אבל בשיטה שונה , והעיבוי שהשיג היה יציב יותר. לכן, קיבלו שני הצוותים את הנובל. קורנל וקטרלי הזמינו את פריצ׳ארד כאורח הכבוד שלהם לפרס הנובל, וכדי לא לבחור בין שני תלמידיו, הוא הגיע עם אשתו

  2. כדאי לציין שיש שתי תופעות נוספות ידועות שקשורות לעיבוי בוז-איינשטיין – על נוזליות, ועל מוליכות. מהבחינה הזו אפשר להגיד שעיבוי בוז-איינשטיין הושג במעבדה זמן רב לפני ווימן וקורנל. אולם בשתי התופעות האלה מדובר במערכות מסובכות עם אינטראקציות לא זניחות בין החלקיקים המתעבים, מה שמקשה עד את ההבנה התאורטית המלאה של התהליך (בעל מוליכות יש אפילו עוד סיבוכים). ההישג של ווימן וקורנל הוא בכך שהם הצליחו לקיים עיבויי בגז (כלומר עם אינטראקציות זניחות בין האטומים) ולכן התאוריה של בוז ואיינשטיין מתארת היטב את תוצאות הניסוי ללא סיבוכים נוספים.

  3. אם כבר סינדרלה ואיינשטיין

    לכל הפיסיקאים והמתמטיקאים כאן

    על קארי ספולטר שמעתם?

    יהיה מרתק לקרוא כאן כתבה עליה והספר שלה
    Gravitational Force of the Sun

    קצת על הספר שלה
    Pari Spolter in 'Gravitation Force of the Sun' exposes scientifically and mathematically the farce of Newton's Law of Universal Gravitation and Einstein's theories of relativity both general and special.

    Using current and accepted scientific references Spolter shreds our current beliefs about density, mass and gravity and brings us, scientifically, to what is really going on.

    And what is really going on is that we have been hoodwinked by mainstream science to believe that gravity is proportional to the quantity and density of an inert mass of a celestial body.

    If you are working on a degree or expecting advancement in the scientific community do not read this book.

    Pari Spolter will be luckier than Giordano Bruno. Bruno got burned at the stake for supporting the Copernicus idea that the earth revolved around the sun.

    All that will happen to Pari is that she will be shunned, denounced, excommunicated and insulted from and by the mainstream scientific community for her efforts to publish the truth.

    http://www.amazon.com/Gravitational-Force-Sun-Pari-Spolter/dp/0963810758

  4. עוד משהו, ככה סתם לידיעתך, כתבת שאטום איטי הוא אטום קר. לא מדוייק.
    לאטום אחד אין טמפרטורה, מאחר וטמפרטורה היא גודל תרמודינמי.
    התפלגות מהירויות צרה משמעותה טמפרטורה נמוכה. כך שיכול להיות שאנסמבל של אטומים ינוע במהירות עצומה ביחס למערכת המעבדה, אולם התפלגות המהירויות שלהם תהיה צרה מאד, כלומר מהירות כל אטום באנסמבל תהיה מאד מאוד קרובה למהירות כל אטום אחר באנסמבל. וההפך…

  5. אייל
    ראשית לא מדובר בחומר חדש אלא במה שניתן אולי לכנותו מצב צבירה חדש שאינו גז מוצק או נוזל כאשר
    התכונות של מצב צבירה זה לרוב דומות לזה של העל-נוזל.
    שנית להיפך אוסף של חלקיקים אטומיים העוברים עיבוי בוזה-אינשטיין מתנהגים כאלו היו חלקיק קוונטי יחיד ולפיכך מתנהגים בצורה קוונטית זאת להבדיל מאובייקטים מקרוסקופיים שאנחנו מכירים מהיום יום (כסאות שולחנות וכו…) שאינם נוטים להתאבך. התנע והמקום של האטומים המעובים נקבע על ידי הגודל האופייני של המלכודת הלוכדת אותם כך שלא יתפזרו בחלל. לרוב מדובר במלכודת מגנטית והקונדנסט (האטומים המעובים) הם לרוב בצורת סיגר. עקרון אי-הודאות מכתיב את התפלגות התנע שלהם מתוך ההתפלגות המרחבית של הקונדנסט. אגב התמונה בראש הכתבה מציגה מה קורה לצפיפות החלקיים במעבר מאוסף תרמי של חלקיקים למצב מעובה בו הם הרבה יותר מרוכזים מרחבית.

  6. אז מה הן המסקנות לגבי החומר הזה? האם באמת אין לו אנרגיה קינטית ותנע ואפשר לדעת בקלות את מקומו של האטום הגדול?

  7. אהוד, תודה על התוספת המרתקת והחשובה. הסיפור מזכיר לי מעט את המירוץ לפענוח המבנה המרחבי של הדנ"א בין מעבדות קינג'ס קולג' וקוונדיש באנגליה בשנות החמישים- מכניס המון פלפל למדע…
    רן

  8. קצת על הדרמה מאחורי הגילוי של עיבוי בוזה-אינשטיין במעבדה. לא היה מדובר בצמד חוקרים אחד קורנל ווינמן מאוניברסיטת קולרדו שניסה להשיג התעבות בוזה אינשטיין אלא במרוץ צמוד מאד בין מספר מעבדות. הראשון שדיווח על כך שקבל עיבוי בוזה אינשטיין היה מתחרה של קורנל ווינמן- ראנדי היולט כיום באוניברסיטת רייס. מאוחר יותר הסתבר כי הכרזתו הייתה מוקדמת מדי ולא יתכן כי צפה באמת בקונדסט (אוסף אטומים מעובים). אין צורך לציין כי היולט לא זכה להיות בין מקבלי הנובל על עיבוי בוזה אינשטיין למרות שהצליח ליצור עיבוי זמן קצר לאחר מכן, זאת עקב ההכרזה השגויה שלו. המרוץ להשגת עיבוי כלל גם את וולפגנג קטרלי מMIT- שחברי מעבדתו עבדו ימים כלילות בניסיון להשיג את היולט קורנל ו-ווינמן למרות שקטרלי השיג עיבוי בוזה-אינשטיין (מאטומי סודיום) רק מספר חודשים לאחר קורנל ו-ווינמן גם הוא זכה לקבל את הנובל (במשותף איתם) עקב תרומתו האדירה לתחום.

    האפשרות לעיבוי בוזה-אינשטיין הינה תוצאה של טכנולוגית הקרור באמצעות לייזרים יש לציין את המדען היהודי צרפתי (במקור מאלגיריה) קלוד כהן-טנוג'י שזכה בפרס נובל בשנת 1997 על תרומתו בתחום קרור באמצעות לייזרים.

    לאחר שבמשך מספר שנים רק במכון וייצמן היה קיים קונדנסט (אוסף אטומים מעובים).כיום ישנן בארץ 4 מעבדות שהצליחו להשיג עיבוי בוזה אינשטיין- במכון וייצמן, בטכניון, באונברסיטת בר-אילן ובאוניברסיטת בן-גוריון.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

דילוג לתוכן