שלושה מטענים באלקטרון אחד

 

 

התבוננו בתמונה הזאת. הקהל הנראה בה מורכב, כמובן, מבני אדם בודדים. האם תוכלו לחשוב על הקהל כעל מערכת המורכבת מיחידות שכל אחת מהן היא פחות מאדם שלם? האם אפשר לחשוב על עומס תנועה כעל מערכת המורכבת מיחידות שכל אחת מהן היא פחות ממכונית שלמה? השאלה האבסורדית-לכאורה הזאת כבר אינה תלושה מהמציאות, לפחות במה שנוגע למטענים החשמליים של אלקטרונים. מחקר שביצעו מדעני המכון סיפק את ההוכחה המעשית הראשונה בעולם לאפשרות קיומם של מטענים חשמליים הקטנים ממטענו של אלקטרון בודד.

 

מאז שמטענו החשמלי של האלקטרון נמדד לראשונה, לפני כשמונים שנה, בידי הפיסיקאי האמריקאי רוברט מיליקאן, נחשב המטען הזה ליחידה הבסיסית, הקטנה ביותר, של מטען חשמלי. מדענים נהגו לתאר לעצמם זרם חשמלי כמעין שורה נעה של "כדורים", שכל אחד מהם הוא אלקטרון הנושא יחידת מטען בסיסית אחת. המטען החשמלי של האלקטרון נראה בלתי ניתן לחלוקה, ממש כפי שמושג האדם המהווה את היחידה הבסיסית של הקהל, אינו ניתן לחלוקה (איזו משמעות יכולה להיות למשפט: "שלושה ורבע בני אדם עלו לאוטובוס בצהרי יום שישי"?).

 

ואף על פי כן, אלקטרונים המצויים בתנאים מסוימים, למשל בשדות מגנטיים חזקים, מתנהגים באופן שקשה מאוד להסבירו, אם דבקים בתפיסה שלפיה מטענו החשמלי של האלקטרון נותר תמיד אחיד, שלם, ובלתי ניתן לחלוקה. בשנת 1982 הציע הפיסיקאי האמריקאי רוברט לפלין הסבר להתנהגותם המוזרה של אלקטרונים בתנאים מסוימים, אלא שלהסבר הזה היה צמוד תו מחיר בדמותה של ההנחה כי בתנאים אלה, נוצרים בזרם החשמלי מעין מבנים של אלקטרונים המתפקדים כ"חלקיקים מדומים", שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה"בסיסי" של האלקטרון. התיאוריה של לפלין צפתה את התארגנותם של "חלקיקים מדומים" הנושאים מטענים חשמליים השווים לשליש ממטען האלקטרון, לחמישית ממנו, לשביעית ממנו ואף לחלקים קטנים יותר.

 

ההוכחה הראשונה לנכונות התיאוריה של לפלין סופקה באחרונה בידי צוות של מדענים מהמכון, שהצליחו למדוד, לראשונה בעולם, מטען חשמלי הקטן ממטענו של האלקטרון. בצוות המחקר השתתפו רפאל דה-פיצ'יוטו, ד"ר מיכאיל רזניקוב, פרופ' מרדכי הייבלום, ד"ר ולדימיר אומנסקי, גרגורי בונין וד"ר דיאנה מהלו. דו"ח המחקר שלהם נדפס באחרונה בכתב העת המדעי הבין-לאומי היוקרתי "נייצ'ר" ("טבע").

 

מדעני המכון בנו מערכת ייחודית, המסוגלת למדוד מטענים חשמליים זעירים, הקטנים ממטענו של אלקטרון בודד. המערכת מודדת תופעות הקרויות "קולות ירייה", הנוצרות כתוצאה מתנודות אקראיות בכמותם ובמהירותם של אלקטרונים הנעים בזרמים חשמליים שונים. תופעת "קולות הירייה" גורמת, למשל, להיווצרותם של צלילי פיצפוצים במקלטי רדיו ולהופעת נקודות "שלג" על מרקעי טלוויזיה.

 

בזרם האלקטרונים שיוצרים את "רעשי הירייה", מתארגנים "חלקיקים מדומים" שנעים בזרם ומשאירים אחריהם מעין אדוות. גודלן של האדוות תלוי בגודל המטען החשמלי שיצר אותן: ככל שהמטען החשמלי קטן יותר, האדוות שהוא משאיר אחריו קטנות יותר (ולהפך).

 

המערכת הייחודית שבנו מדעני המכון מסוגלת למדוד את האדוות, וכתוצאה מכך ללמוד על גודל המטענים החשמליים שגרמו להיווצרותן. כך הצליחו מדעני המכון למדוד אדוות שגודלן מתאים לקיומו של "חלקיקי מדומה" הנושא מטען חשמלי שגודלו הוא שליש ממטענו החשמלי של אלקטרון בודד. עכשיו מתכוננים המדענים לשכלל את המערכת שבנו, במטרה למדוד אדוות שגודלן מתאים לקיומם של "חלקיקים מדומים" הנושאים מטענים חשמליים קטנים עוד יותר - חמישית, שביעית, ואולי חלקים קטנים עוד יותר ממטענו של אלקטרון.