בניסוי באטומי הליום קרים במיוחד הודגמו קורלציות בל במצבי התנע של חלקיקים בעלי מסה. התוצאה עשויה לפתוח דרך לניסויים חדשים בקו התפר שבין מכניקת הקוונטים לכבידה
שזירה קוונטית היא אחת התופעות המוזרות והמוכרות ביותר במכניקת הקוונטים: שני חלקיקים יכולים להיות מתואמים כך שמדידה של אחד מהם קשורה מיד לתוצאה שתימדד באחר, גם כאשר הם נפרדים זה מזה. במשך עשרות שנים הודגמה שזירה כזו באור, בספינים של אטומים ובמערכות קוונטיות נוספות. כעת צוות חוקרים מאוסטרליה ומארצות הברית דיווח על צעד נוסף: הדגמה ניסויית של קורלציות בל בין זוגות אטומי הליום שזורים במצב התנועה שלהם — כלומר בתנע שלהם.
המחקר פורסם ב־Nature Communications. החוקרים השתמשו באטומי הליום־4 במצב מעורר וקררו אותם לטמפרטורות נמוכות במיוחד, עד ליצירת עיבוי בוז־איינשטיין — מצב שבו אוסף האטומים מתנהג כמעין מערכת קוונטית אחת. לאחר מכן הם פיצלו את הענן האטומי למסלולי תנע שונים, יצרו התנגשויות בין רכיבי הענן, ומדדו את זוגות האטומים שהתפזרו בכיוונים מנוגדים. לפי המאמר, זו הדגמה ניסויית של קורלציות בל במצבי תנועה של אטומים בעלי מסה. (דו"ח)
לא רק “איפה האטום”, אלא גם איך הוא נע
הייחוד של הניסוי הוא בכך שהוא אינו עוסק במאפיין פנימי של האטום, כמו ספין, אלא במצב התנועה שלו. התנע של חלקיק מתאר את כיוון ומהירות התנועה שלו יחד עם המסה שלו. כאשר מדובר בפוטונים, חלקיקי אור חסרי מסה, שזירה בתנע מוכרת יותר. באטומים, שהם חלקיקים בעלי מסה ומושפעים מכבידה, קשה יותר להראות באופן נקי כי התנועה עצמה נמצאת במצב שזור.
כדי לעשות זאת, החוקרים יצרו זוגות של אטומי הליום שהתפזרו בזוגות מתואמים לאחר התנגשויות מסוג s-wave. כל זוג כזה נשא מידע משותף על התנע של שני האטומים. לאחר מכן השתמשו החוקרים בגרסה של אינטרפרומטר Rarity–Tapster לגלי חומר, ובחנו את הקורלציות בין האטומים במסגרת מבחן בל. מטרת מבחן כזה היא לבדוק אם ניתן להסביר את הקורלציות באמצעות תמונה קלאסית מקומית, או שהן מחייבות תיאור קוונטי לא־מקומי. (דו"ח)
מבחן בל לאטומים בעלי מסה
מבחני בל הם דרך מרכזית לבדוק את ההבדל בין תחזיות מכניקת הקוונטים לבין תיאוריות של “משתנים חבויים” מקומיים. עד כה, ניסויים כאלה נעשו בעיקר בפוטונים או במצבים פנימיים של אטומים. במאמר החדש החוקרים מדווחים כי מדדו קורלציות בין תנעי האטומים שאינן מוסברות על ידי מחלקה רחבה של תיאוריות מקומיות קלאסיות. (דו"ח)
הדבר חשוב לא מפני שהוא “מוכיח” שמכניקת הקוונטים נכונה בפעם הראשונה, אלא מפני שהוא מרחיב את סוג המערכות שבהן אפשר לבדוק אותה. אם אפשר ליצור ולמדוד שזירה במצב התנועה של אטומים בעלי מסה, ניתן בעתיד לתכנן ניסויים שבהם מערכות קוונטיות כאלה יושפעו גם משדות כבידה. זו אחת הסיבות שהחוקרים מציינים את האפשרות להשתמש באטומים קרים לבדיקות יסודיות של מכניקת הקוונטים ושל השפעות כבידה במצבים קוונטיים. (דו"ח)
צעד קטן בדרך לשאלות גדולות
הניסוי אינו יוצר מחשב קוונטי חדש ואינו מוביל מחר לחיישן כבידה מעשי. הוא שייך קודם כול לפיזיקה בסיסית: בדיקה מדויקת של הדרך שבה הטבע מתנהג כאשר חלקיקים בעלי מסה נמצאים במצבים קוונטיים עדינים. עם זאת, פיזיקה בסיסית מסוג זה היא לעיתים הבסיס לטכנולוגיות עתידיות. אינטרפרומטרים אטומיים, למשל, כבר משמשים לפיתוח חיישנים מדויקים למדידת תאוצות, כבידה ושינויים זעירים בשדות פיזיקליים.
בשלב הבא, ניסויים דומים עשויים לנסות ליצור מצבים מורכבים עוד יותר — למשל שזירה בין אטומים מסוגים שונים או בין מצבי תנועה שמגיבים אחרת לכבידה. אם ניסויים כאלה יצליחו, הם יוכלו לספק דרך חדשה לבחון את הגבול שבין מכניקת הקוונטים, המתארת את העולם הזעיר, לבין תורת היחסות הכללית, המתארת את הכבידה והמרחב־זמן.
לכן חשיבות המחקר אינה בדרמה של “פעולה ממרחק”, אלא בדיוק ההפוך: ביכולת לקחת תופעה קוונטית ידועה, להעביר אותה למערכת קשה יותר למדידה — אטומים בעלי מסה בתנועה — ולבדוק אותה בכלים ניסויים מדויקים. זהו עוד צעד בדרך הארוכה לחיבור בין פיזיקת הקוונטים לבין עולם התופעות הכבדות והגדולות יותר.
מקור מדעי:
Y. S. Athreya, S. Kannan, X. T. Yan ואחרים, “Bell correlations between momentum-entangled pairs of 4He* atoms”, Nature Communications 17, 2357, פורסם ב־4 בפברואר 2026. DOI: 10.1038/s41467-026-69070-3. (דו"ח)
תמונה מוצעת:
אפשר להשתמש בתרשים הניסוי מתוך המאמר, אך בזהירות: המאמר פתוח ברישיון CC BY-NC-ND 4.0, שאוסר יצירות נגזרות ומתיר שימוש לא מסחרי בלבד. אם משתמשים בתרשים, לא לעבד אותו ולא לשנות אותו, ולתת קרדיט מלא למחברים ול־Nature Communications. (למאמר המדעי)
FAQ קצר:
מהי שזירה קוונטית?
שזירה קוונטית היא מצב שבו שני חלקיקים מתוארים כמערכת אחת, כך שמדידה של אחד מהם קשורה למדידה של האחר בדרכים שאינן מוסברות על ידי פיזיקה קלאסית מקומית.
מה חדש בניסוי הזה?
החידוש הוא שהשזירה הודגמה במצב התנועה, או התנע, של אטומי הליום בעלי מסה, ולא רק באור או במאפיינים פנימיים של חלקיקים.
למה זה חשוב?
אטומים בעלי מסה מושפעים מכבידה. לכן ניסויים כאלה עשויים לאפשר בעתיד בדיקות חדשות של הקשר בין מכניקת הקוונטים לבין תורת הכבידה.
האם זה יוביל מיד לטכנולוגיה חדשה?
לא מיד. זהו בעיקר ניסוי בפיזיקה בסיסית, אך הוא עשוי לתרום בעתיד לפיתוח חיישנים קוונטיים מדויקים ולניסויים בתחום הכבידה הקוונטית.
עוד בנושא באתר הידען:
