ראיון מיוחד: מחקר בהובלת פרופ׳ רון פולמן מאוניברסיטת בן־גוריון בנגב, שעליו חתום גם סר רוג׳ר פנרוז מאוניברסיטת אוקספורד, מציג אינטרפרומטר אטומי ראשון מסוגו. הניסוי מדד את הפאזה של אטום רובידיום בנפילה חופשית ומצא התאמה לעקרון השקילות של איינשטיין בתחום שנבדק. פולמן מדגיש כי את העבודה הניסויית הקשה הוביל הדוקטורנט אור דובקובסקי.
מאז גלילאו אנחנו יודעים למדוד כיצד גופים נופלים תחת השפעת הכבידה. אבל מה קורה כאשר הגוף הנופל אינו רק חלקיק אלא גם גל קוונטי — בעל פאזה שניתן להשוות לפאזה של עותק אחר שלו?
צוות בינלאומי בהובלת חוקרים מאוניברסיטת בן־גוריון בנגב פיתח מכשיר חדש, שקיבל את השם "אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי" (Quantum Galileo Interferometer). באמצעותו הצליחו החוקרים למדוד את הפאזה הקוונטית שנצברת בנפילה חופשית, ולבדוק אם עקרון השקילות — אחד מיסודות תורת היחסות הכללית של איינשטיין — ממשיך להיות עקבי גם כאשר המערכת עצמה נמצאת בתחום הקוונטי.
בריאיון לאתר הידען מסביר פרופ' רון פולמן כי זהו בדיוק האזור שבו נפגשות שתי התיאוריות הגדולות של הפיזיקה המודרנית: "תורת הקוונטים ותורת היחסות הן שני עמודי התווך של הפיזיקה. הבעיה היא שאין לנו תיאוריה אחת שמאחדת ביניהן. לכן חשוב לבנות ניסויים שמכריחים את שתי התיאוריות לעבוד יחד."
המאמר נמצא כיום ב־arXiv כקדם־פרסום, בגרסה מעודכנת מדצמבר 2025. החוקרים מדגישים כי בתחום האנרגיות והכבידה החלשות שנבדקו בניסוי, התוצאות תואמות את עקרון השקילות.
אטום אחד, שני מסלולים
כדי למדוד פאזה קוונטית אי אפשר להסתפק במעקב אחר מקום או מהירות. צריך ליצור שתי "חבילות גל" (wave packets) של אותו אטום, לשלוח אותן במסלולים שונים, ולאחר מכן לאחד אותן מחדש כך שייווצרו התאבכויות.
"בשביל למדוד פאזה אנחנו צריכים פאזה יחסית," מסביר פולמן. "לוקחים אטום, מפצלים אותו לשני גלים, שמים אותם בשני מסלולים שונים במרחב, ובסוף מחברים אותם. ההתאבכות ביניהם אומרת לנו מה היה הפרש הפאזה."
בניסוי השתמש הצוות באטומי רובידיום מקוררים לטמפרטורות נמוכות מאוד. חבילת גל אחת נשמרה כמעט במיקום קבוע ביחס למעבדה, בעוד חבילת הגל השנייה נשלחה למסלול בליסטי — היא עלתה ואז ירדה בנפילה חופשית.
האתגר היה להחזיר את שתי חבילות הגל לא רק לאותו מקום אלא גם לאותה מהירות, כדי שאפשר יהיה להשוות ביניהן ולמדוד את הפרש הפאזה.
למה אי אפשר היה לעשות זאת באינטרפרומטר רגיל?
לדברי פולמן, אינטרפרומטרים אטומיים קיימים כבר עשרות שנים, אבל המבנה שנדרש לניסוי הזה שונה: "אחד צריך להיות קבוע ביחס למעבדה ואחד בתנועה בליסטית. עד היום לא היה אינטרפרומטר שיודע לעשות את זה."
הפתרון התבסס על "שבב אטומי" — מערכת של מוליכים זעירים המייצרים שדות וגרדיאנטים מגנטיים חזקים ומדויקים מאוד בקרבת האטומים. באמצעות שינוי המצב הפנימי של האטומים, החוקרים יכלו לשלוט ברגישות של כל חבילת גל לשדות המגנטיים ולהפעיל עליהן כוחות שונים.
העיקרון מזכיר את ניסוי שטרן־גרלך ההיסטורי, שבו שדה מגנטי לא אחיד מפריד מסלולים של אטומים לפי מצבם הקוונטי. אלא שכאן הטכניקה שימשה לבניית לולאת אינטרפרומטר מלאה: פיצול, תנועה במסלולים שונים וחיבור מחדש.
מדדו את הפאזה של נפילה חופשית
החידוש המרכזי הוא שהצוות לא הסתפק במדידת תאוצת הכבידה g, כפי שעושים אינטרפרומטרים אטומיים רבים. המטרה היתה למדוד את הפאזה הקוונטית עצמה שנצברת כאשר אחת מחבילות הגל נמצאת בנפילה חופשית והאחרת משמשת נקודת ייחוס במעבדה.
הפאזה היחסית שנמדדה תאמה את התחזית התיאורטית לנפילה חופשית. לפי החוקרים, בכך התקבל מבחן ישיר של הממשק בין מכניקת הקוונטים לכבידה.
המאמר מנסח את המסקנה בזהירות: בתחום האנרגיות הנמוכות ובשדה הכבידה של כדור הארץ שנבדקו בניסוי, התוצאות עקביות עם החלת עקרון השקילות גם על מערכת קוונטית.
מהו עקרון השקילות?
עקרון השקילות של איינשטיין קובע, בניסוחו הפשוט, כי מקומית אי אפשר להבחין בין השפעת שדה כבידה לבין תאוצה של מערכת הייחוס. זהו העיקרון שהוביל את איינשטיין מתורת היחסות הפרטית לתורת היחסות הכללית.
במערכות קלאסיות נבדק העיקרון בדיוק גבוה מאוד. אבל בעולם הקוונטי נכנסת לתמונה הפונקציה הגלית — ובפרט הפאזה שלה. המאמר החדש בוחן בדיוק את ההשלכה הזאת.
פולמן מסביר כי הניסוי נולד מתוך הניסיון להציב את שתי התיאוריות באותה מערכת ניסויית: "אחרי מאה שנה שבה תיאורטיקאים לא הצליחו לאחד את שתי התיאוריות, חשוב שניסיונאים ייכנסו לתמונה. אולי ניסויים כאלה יתנו רמזים שיאפשרו לבנות בעתיד תיאוריה אחת."
פנרוז והצד התיאורטי
על המאמר חתום גם סר רוג'ר פנרוז מאוניברסיטת אוקספורד, חתן פרס נובל לפיזיקה, לצד פרופ' ולטקו ודרל, פרופ' איווט פואנטס, פרופ' וולפגנג שלייך וחוקרים נוספים. פנרוז היה שותף לצד התיאורטי של העבודה ולמוטיבציה לבחינת המפגש בין מכניקת הקוונטים לכבידה.
לדברי פולמן, פנרוז היה בין מי שנתנו את המוטיבציה הראשונית לבחינת המפגש בין מכניקת הקוונטים לכבידה באמצעות ניסויים מסוג זה. עצם הקושי לאחד את שתי התיאוריות הוא, מבחינתו, סיבה לחפש ניסויים חדשים שבהם שתיהן נדרשות לתיאור אותה מערכת.
אין פירוש הדבר שהניסוי כבר מספק תיאוריה של כבידה קוונטית. הוא גם אינו מוכיח שתורת הקוונטים או היחסות הכללית שגויות. תרומתו היא ביצירת כלי ניסויי חדש ובבדיקה מדויקת של אזור המפגש ביניהן.
חמש שנים של עבודה — והקרדיט לדוקטורנט
פולמן מדגיש במיוחד את תרומתו של הדוקטורנט אור דובקובסקי, המחבר הראשון של המאמר.
"מי שעשה את העבודה הקשה זה דוקטורנט בשם אור דובקובסקי," אמר פולמן לידען. "מגיע לו כל הקרדיט שבעולם. זה ניסוי כל כך קשה, שדוקטורנט יושב שנים ועובד — והוא עשה עבודה נפלאה."
לדבריו, גם הרעיון הניסויי עצמו לא היה מובן מאליו. הצוות הקדיש כשנה־שנתיים למציאת התצורה המתאימה, ולאחר מכן עוד כשלוש־ארבע שנים למימושה במעבדה.
בין הרעיונות שעלו לאורך הדרך היו דרכים שונות להחזיר את חבילת הגל הנופלת אל נקודת המפגש. לבסוף נבחר הפתרון הבליסטי: להעניק לחבילת גל אחת מהירות כלפי מעלה, לאפשר לה לעלות וליפול, ואז להתאים מחדש את מהירותה לזו של חבילת הייחוס.
המשך ישיר לניסויים קודמים
עבור קבוצת השבב האטומי של פולמן מדובר בפרק נוסף בתוכנית מחקר הנמשכת שנים. כבר ב־2015 דיווחה הקבוצה על ניסוי שבו שעון קוונטי יחיד הוכנס לסופרפוזיציה של שני מקומות — רעיון המחבר בין עקרונות קוונטיים לבין השפעת הכבידה על הזמן.
ב־2021 דיווחה הקבוצה על מימוש אינטרפרומטר שטרן־גרלך מלא, שנועד בין השאר לפתוח דרך לניסויים עתידיים בממשק שבין כבידה לתורת הקוונטים.
אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי מרחיב את הקו הזה: במקום לשאול רק האם אפשר לפצל ולאחד מחדש את הגל האטומי, הוא משתמש בכך כדי למדוד ישירות את הפאזה של נפילה חופשית.
ומה הלאה?
הניסוי אינו סוף הדרך אלא כלי חדש. החוקרים מציינים כי האינטרפרומטר עשוי לשמש בעתיד לבדיקות נוספות בממשק שבין כבידה למכניקת הקוונטים ולחיפושים אחר פיזיקה שמעבר לתיאור הקיים.
האתגר יהיה להגדיל את הרגישות, להרחיב את תחום הפרמטרים ולבנות מערכות שבהן האפקטים הכבידתיים והקוונטיים משמעותיים יותר.
אם יימצא בעתיד פער מן התחזיות, הוא עשוי לספק רמז לכיוון שבו צריך לחפש תיאוריה עמוקה יותר. נכון לעכשיו, דווקא התוצאה ה"משעממת" לכאורה — שעקרון השקילות נשמר בתחום שנמדד — היא צעד חשוב: בפעם הראשונה נבנה מכשיר שמאפשר לשאול את השאלה בדרך ניסויית זו.
שאלות ותשובות
מהו אינטרפרומטר גלילאו הקוונטי?
זהו אינטרפרומטר אטומי חדש שבו שתי חבילות גל של אותו אטום עוברות מסלולים שונים: אחת נשארת כמעט קבועה ביחס למעבדה והשנייה נעה במסלול בליסטי של נפילה חופשית. לאחר מכן מחברים אותן מחדש ומודדים את הפרש הפאזה.
מה בדקו החוקרים?
הם בדקו את הפאזה הקוונטית שנצברת בנפילה חופשית ואת התאמתה לתחזית הנובעת מעקרון השקילות של איינשטיין בתחום הקוונטי.
האם הניסוי הוכיח תיאוריה של כבידה קוונטית?
לא. הניסוי הוא מבחן יסודי של הממשק בין תורת הקוונטים לכבידה. בתחום שנבדק, התוצאה תואמת את עקרון השקילות, אך אינה מספקת תיאוריה מאוחדת של כבידה קוונטית.
מי הוביל את העבודה הניסויית?
הדוקטורנט אור דובקובסקי מאוניברסיטת בן־גוריון הוא המחבר הראשון של המאמר.
המאמר המדעי
המאמר הוא קדם־פרסום (preprint) ב־arXiv; הגרסה הנוכחית היא גרסה 4, שעודכנה ב־7 בדצמבר 2025.
עוד בנושא באתר הידען
- להיות בשני מקומות באותו זמן
- מכשיר שיאפשר לענות על אחת השאלות המרכזיות בפיסיקה שנותרו ללא מענה
- שעון אחד בשני מקומות בו־זמנית
- פיסיקאים באוניברסיטת בן־גוריון גרמו לאטום להיות בשני מקומות שונים באותו הזמן
- כיצד המציא איינשטיין מחדש את המציאות
למאמר המדעי: פתיחת המאמר המדעי
