סביבוני-על

לכל גוף הנע במרחב – כדור, מולקולה, גלקסיה, ועוד – יש מהירות קווית, המתבטאת בתנועתו ממקום למקום במרחב, וכן מהירות זוויתית המבטאת את סיבובו סביב ציר כלשהו. לפני מספר שנים הועלתה ההשערה, שאפשר להשפיע על המהירות ועל כיוון הסיבוב של צֶבֶר מולקולות באמצעות דחפים (פולסים) קצרים מאוד של קרני לייזר

לכל גוף הנע במרחב – כדור, מולקולה, גלקסיה, ועוד – יש מהירות קווית, המתבטאת בתנועתו ממקום למקום במרחב, וכן מהירות זוויתית המבטאת את סיבובו סביב ציר כלשהו. לפני מספר שנים הועלתה ההשערה, שאפשר להשפיע על המהירות ועל כיוון הסיבוב של צֶבֶר מולקולות באמצעות דחפים (פולסים) קצרים מאוד של קרני לייזר. למשל, הבזקי לייזר שאורכם בטווח הזמן של סיבוב המולקולות על צירן (כמה עשרות טריליוניות השנייה) עשויים להאיץ את סיבוב המולקולות ממש כמעין צנטריפוגה אופטית הפועלת על מולקולות בודדות.

פרופ’ איליה אברבוך, מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, שאל מה יקרה אפוא אם נאפשר להבזק צנטריפוגלי שכזה לפגוע בצֶבֶר של מולקולות הנעות באוויר. במקרה כזה, אומר פרופ’ אברבוך, הבזק הלייזר יגרום למולקולות להסתובב בכיוון הקיטוב של האור – במהירות גבוהה בהרבה ביחס למהירות תנועתן במרחב. במילים אחרות, האור יגרום למולקולות להסתחרר כמעין ג’ירוסקופים קטנים, כאילו היו סביבוני-על. מהירות הסיבוב העצומה בכיוון הקיטוב תגרום לכך שצבר המולקולות יקבל צורה של פנקייק (חמיטה) במישור הניצב לכיוון ההתקדמות של האור.

פרופ’ אברבוך, יחד עם עמיתי המחקר ד”ר יורי חודורקובסקי וד”ר אורי שטייניץ מהמכון, ועם פרופ’ ז’אן-מישל הרטמן מצרפת, ביקש להבין את התנהגותם של סביבוני-העל דמויי החמיטה, מצב מולקולרי מיוחד אשר כמעט לא נחקר בעבר. כדי לחקור את הדינמיקה של צבר מולקולות, כמו חנקן או חמצן, כשהן “פוגשות” הבזק לייזר קצר, השתמשו החוקרים בהדמיות דינמיות במחשב, ובעזרתן ביקשו להבין את מנגנון חילוף האנרגיה הזוויתית באנרגיה הקווית, תהליך שנובע מההתנגשויות האקראיות ביניהן.

כידוע, מצב זה, כאשר כל המולקולות מתנהגות כסביבוני-על, אינו יכול להימשך לנצח, שכן הטבע תמיד שואף להגיע, בסופו של דבר, למצב של שיווי-משקל. “חוק החלוקה השווה” מלמדנו, שבשיווי-משקל תֶרמי מתחלקת האנרגיה באופן שווה בין כל צורותיה, ובמקרה זה – בין המהירות הזוויתית, אשר גורמת לתנועה הסיבובית, לבין זו הקווית, אשר קשורה לתנועה הקווית במרחב.

אם כן, במצב של שיווי-משקל המולקולות כבר לא יתנהגו כסביבוני-על בעלי צורת חמיטה (פנקייק), שכן – כתוצאה מחלוקה שווה עם המהירות הקווית – מהירותן הזוויתית תפחת משמעותית, וכיוון הסיבוב ייעשה אקראי. מנגד, מהירותן הקווית של המולקולות תגדל, כך שצבר הגז יתחמם. עם זאת, המדענים גילו כי חרף ההתנגשויות האקראיות שבין סביבוני-העל, התנועה הכמו-ג’ירוסקופית של המולקולות (שבה המהירות הזוויתית הממוצעת נשארת קבועה) בכל זאת נשמרת לאורך זמן ארוך מהמצופה, ואף שורדת הרבה מאוד התנגשויות בין המולקולות. למדענים התברר, כי התנגשות של סביבון-על אחד עם סביבון-על אחר כמעט אינה משפיעה על מהירותו הזוויתית, וכי בשלב מסוים מתחוללת מעין “תגובת שרשרת”, שלאחריה דועכת המהירות הזוויתית, בעוד חלק ניכר מהאנרגיה עובר למסלול הקווי. ב”זמן פיצוץ” זה משתחררת אנרגיה במהירות, והמדענים מסבירים כי הדבר נגרם עקב התנגשויות המתרחשות בין מולקולות מועטות אשר מסתובבות במהירות נמוכה יחסית לבין סביבונים אחרים אשר נעים במהירות קווית גבוהה יחסית. התנגשויות אלה גורמות למעבר אנרגיה “יעיל” בין המהירות הזוויתית לבין המהירות הקווית, ובשלב זה מתחיל תהליך משוב אשר מתבטא ב”גניבת” מהירות זוויתית נוספת, בקצב הולך וגובר, לטובת זו הקווית. התוצאה: מספר סביבוני-העל קָטֵן במהירות רבה, והמולקולות חוזרות למהירותן ולכיוונן הרגילים.

בעקבות העבודה התיאורטית של מדעני המכון מנסות כעת מספר קבוצות ברחבי העולם להדגים את התופעה במעבדה. למעשה, כבר הודגמו תוצאות ראשוניות המאמתות את החיזוי התיאורטי הזה. קיומם של סביבוני-על בגז מולקולרי למשך זמן ארוך יחסית, ושליטה בתכונות האופטיות של הגז, עשויים לקדם יישומים כגון מוליך גלים באטמוספירה, דבר שעשוי לשמש להעברת אנרגיה למרחקים, ואולי אף להעברת מידע.
תגיות:
איליה אברבוךפיסיקה כימית