ריקוד קוונטי

 

אטומים המקוררים לטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט אינם "קופאים על מקומם", כפי שאפשר היה אולי לחשוב באופן אינטואיטיבי. במקום זאת, הם מצייתים לחוקי תורת הקוונטים, וממשיכים לרקוד ריקוד קוונטי עדין, אך מדויק. טכנולוגיות מתקדמות שפותחו בעשור האחרון מאפשרות למדענים לכלוא קבוצה של אטומים ולקרר אותם עד לטמפרטורה הנמוכה מזו השוררת בשולי היקום - מיליארדית המעלה מעל לאפס המוחלט. בתנאים אלה מתארגן החומר במצב צבירה מיוחד, הקרוי, על-שם מנבאי קיומו, "עיבוי בוז-איינשטיין". ד"ר אהוד אלטמן מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה במכון ויצמן למדע, פרופ' יוג'ין דמלר מאוניברסיטת הרווארד בארה"ב, ופרופ' אנטולי פולקובניקוב מאוניברסיטת בוסטון בארה"ב, פיתחו גישה ייחודית המאפשרת להשתמש בתוצאות הניסויים באטומים מקוררים כבמעין "מיקרוסקופ" שמאפשר לצפות בריקוד הקוונטי של האטומים. תצפיות אלה מאפשרות, בין היתר, לזהות מצבי צבירה חדשים של החומר.

 

האטומים של החומר המצוי במצב של עיבוי בוז-איינשטיין אינם מקיימים יחסי גומלין בינם לבין עצמם. בטמפרטורה הנמוכה שבה הם מצויים הם מאבדים את התכונות ה"חלקיקיות" שלהם, ומתנהגים כגלים. ככל שהטמפרטורה יורדת, הגלים של האטומים השונים נעשים יותר ויותר חופפים זה לזה, עד שבשלב מסוים הם מאבדים את "זהותם" הפרטית לטובת "זהות קבוצתית" המשותפת לכל האטומים בצבר. כך, במקום גלים רבים, נוצר גל משותף גדול אחד.

כאשר מאפשרים לשתי קבוצות כאלו, הכלואות במלכודות נפרדות, להתפשט וליצור מגע זו עם זו, הן מתאבכות בתבנית המזכירה התאבכת של שתי אדוות המתפשטות במים כתוצאה, למשל, מזריקת אבן, או מנפילת טיפת מים. התאבכות זו מהווה הוכחה ישירה  לאופיים הגלי של החלקיקים. מצב כזה של חומר מעובה, שבו הגלים "רוקדים" באופן מתואם, נחשב למצב מסודר במיוחד של החומר (או, בלשון הפיסיקאים: "המופע של הגל השיתופי הוא סטטי, או חסר תנודה"). זוהי תוצאה יציבה החוזרת על עצמה מניסוי לניסוי.

 

אבל, בתנאים אחרים, למשל כאשר תנועת החלקיקים מוגבלת לקו יחיד או למישור, התנגשויות בין חלקיקי החומר נעשות בלתי-נמנעות. כתוצאה מכך, גלים של חלקיקים שונים מסתבכים זה בזה, והריקוד המתואם וההרמוני מופרע על-ידי תנודות קוונטיות, ונעשה בלתי-סדיר. במאמר שפירסמו באחרונה בכתב-העת המדעי "רשומות האקדמיה הלאומית למדעים של ארה"ב" (PNAS) הראו ד"ר אלטמן ושותפיו למחקר, כי תצפיות בתבניות ההתאבכות יכולות ללמד על התנודות הקוונטיות של האטומים.

 

תבנית ההתאבכות הנוצרת מעיבויים מופרעים כאלה אינה סדירה, והיא כוללת עיוותים ופיתולים המשתנים מניסוי לניסוי. שינויים אלה הם, למעשה, עקבותיה של התנודה הקוונטית.

 

ד"ר אלטמן ושותפיו למחקר הצליחו לחשב את התכונות הסטטיסטיות של העיוותים, והראו כי הן מבטאות באופן ישיר את הפעילות הקווונטית של חלקיקי החומר. מדענים צרפתיים, שיישמו באחרונה את התיאוריה הזאת וצפו במערכת של אטומים מקוררים הנעים על מישור, הצליחו, לראשונה במערכת מסוג זה, להבחין במעבר של האטומים ממצב צבירה אחד למצב צבירה אחר.

 

במאמר נוסף, שפורסם בכתב-העת המדעי  Nature Physics, מתארים ד"ר אלטמן ושותפיו למחקר, ביתר פירוט, את ההתפלגות הסטטיסטית של התנודות האקראיות בתבנית ההתאבכות. מתברר, כי התפלגות זו דומה להתפלגות של תנודות שמתארת תופעות נדירות ורבות עוצמה כמו רעידות אדמה או התמוטטות של הבורסה. ממצאים אלה עשויים לסייע בפיתוח טכנולוגיה שתאפשר מדידה של שינויים קטנים מאוד  בשדה הכבידה, באמצעות זיהוי מידת התאמה (או אי-ההתאמה) בין גלים שמקורם בעיבויי בוז-איינשטיין. יישומים נוספים עשויים להיות מערכות טכנולוגיות למיפוי יעיל של שכבות גיאולוגיות לצורך איתור נפט, או לגילוי גלי כבידה. 

השינוי במצב הצבירה, כלומר בארגון מבנה החומר, הוא לעיתים תולדה של שינויי טמפרטורה, שמהווה מדד לתנודות האקראיות של האטומים המרכיבים את החומר. למשל, כאשר מקררים מים, מאיטים חלקיקי המים את תנועתם עד שהמים משנים את מצב הצבירה שלהם והופכים לקרח. אבל קירור נוסף, לטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט, לא יביא את החלקיקים לעצירה מוחלטת. במצב זה, שינויים במצבי הצבירה לא נגרמים כתוצאה משינויי טמפרטורה, אלא כתוצאה מהתנודות הקוונטיות. תנודות אלה נובעות מעקרון אי-הוודאות, שלפיו אי-אפשר לדעת בעת ובעונה אחת גם את מיקומו של חלקיק גם את מהירותו. אופיין המסתורי של התנודות הקוונטיות מאפשר לחומר להתארגן במצבי צבירה חדשים ולא מוכרים.

 

ההתנהגות הקוונטית של חלקיקים יחידים ידועה כיום היטב, אבל כיצד משפיעים עקרונות תורת הקוונטים על ההתנהגות של חלקיקים רבים היוצרים יחד את החומר ב"עולם העצמים הגדולים"? מדענים רבים, במקומות שונים בעולם, לרבות מכון ויצמן למדע, מתמקדים במאמץ למצוא תשובה לשאלה בסיסית זו.