"בכך נוכל אולי לפתור את אחת התעלומות הגדולות של הפיזיקה המודרנית"

לפני יותר מ-70 שנה עלה רעיון בקרב מדענים מתחום הפיסיקה להשתמש בשדות מגנטיים ובתכונה אטומית הנקראת ספין במטרה לשים גוף בשני מקומות בו זמנית. כעת, קבוצת מחקר מאוניברסיטת בן גוריון בנגב הצליחה להוציא לפועל את הרעיון ואף הציעה גרסה מתקדמת של המכשיר שתספק תשובות עתידיות לאחת השאלות המרכזיות בפיסיקה: האם יש קשר בין תורת הקוונטים לגרביטציה?

במאה ה-20 התרחשו שתי מהפכות בתחום הפיסיקה: תורת היחסות (שעוסקת גם בגרביטציה) ותורת הקוונטים. שתיהן מהוות עד היום את עמודי התווך של הפיסיקה המודרנית. אחת השאלות הפתוחות בפיסיקה המודרנית היא מדוע לא מצליחים לאחד בין שתי התיאוריות המוצלחות הללו לכדי תיאוריה אחת שנקראת גרביטציה-קוונטית?

במאמר שפורסם בכתב העת  Science Advancesהצליחה להסביר קבוצת מחקר בראשות פרופ' רון פולמן מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב כיצד ניתן לבצע ניסוי שיבחן את הקשר בין שתי התיאוריות.

בבסיס הרעיון עומד מכשיר המבוסס על עקרונות תורת הקוונטים והמסוגל לשים גוף אחד בשני מקומות בו-זמנית. המכשיר נקרא אינטרפרומטר. יש סוגים רבים של אינטרפרומטרים, אולם האינטרפרומטר שפותח עתה לראשונה חשוב במיוחד היות והוא מתאים לעבודה עם חלקיקים בעלי מסה גדולה (שחשופים לאינטראקציה גרביטציונית גדולה). המכשיר הייחודי, אותו הצליחה הקבוצה לממש הוא 'אינטרפרומטר לולאה מלאה המבוסס על אפקט שטרן-גרלך' או בקצרה 'אינטרפרומטר מגנטי'.

לפני 100 שנה בדיוק נערך ניסוי בו נתגלה 'אפקט שטרן-גרלך', על שם הפיזיקאים וולטר גרלך ואוטו שטרן. קרן של אטומי כסף שוגרה לכיוון מסך, כשהיא חוצה בדרכה שדה מגנטי שגודלו משתנה. השדה המגנטי פיצל את האטומים לשתי קרניים. ההסבר הקוונטי לפיצול זה הוא שהאטום הוא בעצם מגנט קטן שיכול להימצא רק בשני כיוונים ביחס לשדה המגנטי וכך פועלים עליו שני כוחות מגנטיים. למיגנוט הפנימי של האטום ניתן השם ספין.

בשנות ה-50 היה זה התיאורטיקן בוהם שהציע ליצור לולאה מלאה של פיצול וחיבור מחדש של הקרניים: אחרי הפיצול, שדה מגנטי יעצור את הקרניים ויכוון אותן בחזרה זו לעבר זו, כך שהקרניים יתאחדו שוב לקרן אחת, לאחר שעשו לולאה מלאה. כך נוצר האינטרפרומטר המגנטי. לאחר שגוף היה בשני מקומות בו-זמנית, הוא שוב מתאחד לכדי גוף אחד ועל ידי מדידות המבוצעות על הגוף האחד הזה, ניתן ללמוד על הבדלים בתנאים שחווה הגוף בשני המסלולים, תנאים כמו האינטראקציה הגרביטציונית.

למעשה, היה קשה מאוד ליישם לולאה מעין זו. היה צורך שחלקי האטום המפוצל לא רק יוחזרו לאותו המקום אלא גם בדיוק באותה המהירות. המדענים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב עשו זאת על ידי כך שהצליחו לשלוט ברמת דיוק גבוהה במיוחד בשדה המגנטי באמצעות שבב (דוגמת השבבים שיש במחשב). בנוסף, קרן האטומים בה השתמשו לא הייתה של אטומי כסף, אלא של אטומי רובידיום שעברו תהליך של קירור עמוק לכדי טמפרטורה של כמעט מינוס 273 מעלות, כך שהשליטה בתכונות האטום הייתה גבוהה מאוד.

לפני מספר שנים ביצעה הקבוצה ניסוי בעל מטרה דומה כאשר עשתה שימוש בשעון המורכב מאטום בודד שהושם בשני מקומות בו זמנית, האחד יותר קרוב מהשני לכדור הארץ (על פי תורת היחסות הזמן משתנה כפונקציה של כוחות הגרביטציה). אולם בכדי להגיע לתוצאות חד-משמעיות בניסוי זה יידרשו שיפורים משמעותיים בביצועי השעונים האטומיים. כעת מציעה הקבוצה לשים באינטרפרומטר גוף בעל מסה גדולה מאוד, כזה שכוחות הגרביטציה הפועלים עליו לא יהיו זניחים. בצורה זו יתקבל ניסוי אחד, בו תפעל תורת הקוונטים המאפשרת לשים גוף אחד בשני מקומות בו-זמנית, לצד תורת הגרביטציה שהכוח אותו היא מפעילה תלוי בגודל המסה של הגוף. רק בעזרת שילוב שתי התיאוריות יחדיו יתאפשר להסביר את הניסוי.

כדי להוכיח את היתכנות הניסוי השאפתני, ביצעה קבוצת המחקר, הקרויה בשם 'קבוצת השבב האטומי', ניסוי ראשוני ובו מחד, השתמשו באטומים בודדים, ומאידך מימשו את כל התהליך שיידרש בכדי לבצע זאת עם מסה כבדה. זו הפעם הראשונה שניסוי מעין זה מתבצע בעולם. עד היום קבוצות מחקר שמו באינטרפרומטרים מסוגים שונים אטומים בודדים ואפילו מולקולות, אולם אף אחד עדיין לא הצליח לשים אטומים ב-'אינטרפרומטר מגנטי'.

"להישג הזה יש משמעות לא מבוטלת", מסביר פרופ' רון פולמן, "שכן ייתכן שיצירת אינטרפרומטר שטרן-גרלך שכזה עם מסה גדולה תיתן בידינו רמזים חדשים לגבי האופי הקוונטי של כוח הכבידה (הגרביטציה), ובכך נוכל אולי לפתור את אחת התעלומות הגדולות של הפיזיקה המודרנית".

כעת, משנראה שיש דרך פרקטית לעשות זאת, תתחיל הקבוצה יחד עם קבוצות נוספות ברחבי העולם, במימוש הניסוי. צוות המחקר כלל את: ד"ר יאיר מרגלית, מר אור דובקובסקי, ד"ר ז'יפן זו, מר עומר עמית, ד"ר יונתן יפה, ד"ר סמואל מוקורי, ד"ר דניאל רורליך, פרופ' אנופם מזומדר, פרופ' סוגאטו בוז, ד"ר קרסטן הנקל ופרופ' רון פולמן. המחקר נתמך ע"י הקרן הלאומית למדע.