70 שנה אחרי שהועלה כרעיון בלבד, חוקרים מאוניברסיטת בן גוריון הצליחו ליצור כלי לביצוע מדידות מדויקות במיוחד בקני מידה זעירים

פיזיקאים מהמעבדה של פרופ' רון פולמן באוניברסיטת בן גוריון הצליחו ליצור מכשיר מדידה שנחשב במשך שנים מורכב מדי למימוש מעשי. מדובר בכלי ניסויי בעל השם המסובך "אינטרפרומטר לולאה מלאה באמצעות אפקט שטרן-גרלך", שנועד לבצע מדידות מדויקות במיוחד, בטווחי גודל קטנים במיוחד. כבר ב-1951 העלה הפיזיקאי דיוויד בוהם (Bohm) את הרעיון למכשיר, אך ציין שיידרש “דיוק פנטסטי” כדי לממש אותו. כעת יוכלו מדענים לערוך באמצעותו ניסויים שונים, בין השאר על כוח הכבידה והתכונות הקוונטיות שלו.

התופעה הפיזיקלית הבסיסית שעליה המכשיר נשען היא אפקט שטרן-גרלך, הקרוי על שם הפיזיקאים וולטר גרלך (Gerlach) ואוטו שטרן (Stern). בניסוי המקורי מ-1922, גרלך וצוותו שיגרו קרן של אטומי כסף לכיוון מסך, כשהיא חוצה בדרכה שדה מגנטי שגודלו משתנה. השדה המגנטי מפצל את האטומים לשתי קרניים בעלות ספין שונה – אחת התכונות הקוונטיות של האטום. כיוון שלספין יכול להיות רק אחד משני ערכים, מתקבלות על המסך שתי תבניות פגיעה, אחת לכל ספין.

בראשית שנות ה-50 הציע בוהם ליצור לולאה מלאה של פיצול וחיבור מחדש של חלקיקים בעלי ספינים שונים: אחרי הפיצול, שדה מגנטי יעצור את הקרניים ויכוון אותן בחזרה זו לעבר זו. כך הקרניים יתאחדו שוב לקרן אחת, לאחר שעשו לולאה מלאה.

המערכת שתיצור את הלולאה הזאת נקראת אינטרפרומטר, כלומר מד-התאבכות. היא נקראת כך מפני שהמדידה של האות המאוחד בסוף הלולאה היא בעצם מדידה של ההתאבכות של שתי הקרניים, כלומר של מה שקורה כאשר הקרניים נפגשות: האופן בו פונקציות הגל הקוונטיות שלהן מתחברות זו לזו. מההתאבכות ניתן להסיק את ההבדלים בין התנאים השוררים באזורים שבהם עברה כל קרן. נניח שהמסלול של הקרן העליונה עובר במקום שמושפע מכוח מסוים שנרצה לחקור, אך החלקיקים שמרכיבים את הקרן התחתונה לא נתקלים באותו כוח. מההתאבכות של שתי הקרניים בסוף הלולאה אפשר ללמוד על ההבדל ביניהן, מכאן על ההשפעה של הכוח על הקרן שעברה דרכו.

תרשים מתוך הספר של בוהם | D. Bohm, Quantum Theory, Prentice-Hall, 1951
בראשית שנות ה-50 הציע בוהם ליצור לולאה מלאה של פיצול וחיבור מחדש של חלקיקים בעלי ספינים שונים. תרשים מתוך הספר של בוהם | D. Bohm, Quantum Theory, Prentice-Hall, 1951

מתיאוריה למעשה

זה לפחות היה הרעיון. הבעיה היא שקשה מאוד ליישם לולאה כזאת בפועל: צריך לדאוג לכך  שהקרניים המפוצלות, של חלקיקים בעלי ספינים שונים, לא רק יוחזרו לאותו המקום אלא גם יהיו באותו התנע – גודל פיזיקלי שנובע מהמסה ומהמהירות של החלקיק. אך עקרון אי-הוודאות של הייזנברג, שהוא עיקרון יסודי במכניקת הקוונטים, מגביל את הדיוק שאפשר להגיע אליו אם רוצים לשלוט בשני הגדלים האלה יחד. כתוצאה מכך צריך לנסות ולהגיע לדיוק מרבי בכל שלב בניסוי.

החוקרים מבן גוריון הצליחו לשלוט ברמת דיוק גבוהה במיוחד בשדה המגנטי באמצעות אטום-צ'יפ – שבב שמאפשר שליטה באטומים בודדים על ידי קרניים אלקטרומגנטיות מדויקות. בנוסף, קרן האטומים שבה השתמשו לא הייתה של אטומי כסף, אלא של אטומי רובידיום שעברו תהליך הנקרא עיבוי בוז-איינשטיין, כך שכל האטומים מגיעים בו-זמנית למצב האנרגטי הנמוך ביותר, שיש לו תנע קבוע. כך ניתן לקבל דיוק מרבי ככל האפשר עבור המיקום והתנע של האטומים.

אטום-צ'יפ – שבב שמאפשר שליטה באטומים בודדים. השבב ששימש בניסוי | יאיר מרגלית
החוקרים שלטו בשדה המגנטי באמצעות אטום-צ'יפ – שבב שמאפשר שליטה באטומים בודדים. השבב ששימש בניסוי | יאיר מרגלית

להישג הזה יש משמעות גדולה. יצירת אינטרפרומטר שטרן-גרלך כזה היא צעד משמעותי לקראת חקר האופי הקוונטי של כוח הכבידה.

התיאוריה הפיזיקלית המסבירה את כוח הכבידה, תיאוריית היחסות הכללית, אינה תיאוריה קוונטית, ולכן אחד האתגרים הגדולים ביותר העומדים בפני פיזיקאים כיום הוא איך ליצור תיאוריית כבידה קוונטית. כדי למצוא רמזים לתכונות הנחוצות לה צריך לבצע ניסויים שיראו גם השפעות קוונטיות וגם השפעות כבידה. הבעיה היא שאפקטים קוונטיים ניכרים בחלקיקים קטנים וקלים מאוד, בעוד השפעתו של כוח הכבידה מורגשת בעיקר על חלקיקים כבדים יחסית, החל באטומים גדולים.

קושי נוסף הוא להבחין בהשפעות של גלי הכבידה, שינויים במרחב-זמן הנובעים מיחסי הגומלין בין הכבידות של גופים כבדים מאוד בחלל, ולבודד אותם מההשפעות של כוח הכבידה של כדור הארץ ושל רעידות קלות באדמה. גלי הכבידה מספקים תצפית חשובה על האופן שבו עצמים כאלו, למשל חורים שחורים, משפיעים זה על זה באמצעות הכבידה.

נדרש דיוק גבוה במיוחד כדי לזהות את ההשפעות של גלי הכבידה בניסויים על מערכות קוונטיות. לכן אינטרפרומטר הלולאה המלאה שפותח כעת הוא מועמד מרכזי למכשיר רגיש ומדויק, שיכול גם לעבוד עם חלקיקים כבדים יחסית ועדיין לשמור על תכונותיהם הקוונטיות. למשל, קרן אחת בלולאה תוכל לעבור ליד עצם כבד, וכך תבנית ההתאבכות של הקרן המאוחדת תושפע מכוח הכבידה שהעצם הפעיל על הקרן. לחלופין אפשר ליצור קרניים במסלולים ניצבים זה לזה, כך שיושפעו באופן שונה מגלי כבידה.

זהו צעד אחד מיני רבים. כל שלב בניסוי דורש דיוק גבוה מאוד ושליטה גבוהה בחלקיקים הכבדים, בשדות המגנטיים ובקרן האטומים הנכנסת. עם זאת, הניסוי מקרב אותנו צעד משמעותי להבנת שאלות גדולות שכיום נותרו פתוחות, והראשונה שבהן: איך כוח הכבידה משתלב במכניקת הקוונטים.