משנה טמפרטורה, משנה צורה

מדעני המכון גילו שבטמפרטורות נמוכות מאוד, התנגשות בין מולקולות יכולה לגרום להן לנוע או ככדורים או כגופים מוארכים. 

תנועתו של גוף בעקבות היתקלות בגוף אחר תלויה במידה רבה בצורתו: גוף כדורי יסתובב בדרך שונה מגוף מוארך. מולקולות, כמובן, אינן כדוריות, אבל בטמפרטורות נמוכות מאוד – קרוב לאפס המוחלט – אפשר לגרום לכך שבעקבות התנגשות הן ינועו או ככדורים או כגופים מוארכים. מסקנה זו עולה ממחקר שביצעו באחרונה פרופ' אדוארדס נרייביצ'יוס וקבוצת המחקר שלו, במחלקה לכימיה פיסיקלית במכון ויצמן למדע. ממצאים אלה, אשר פורסמו באחרונה בכתב-העת המדעי Nature Physics, מאשרים השערה בתחום תורת הקוונטים, והם עשויים להשפיע על בניית מערכי ניסוי בכימיה ובפיסיקה.

התנגשויות בין אטומים ומולקולות מתרחשות סביבנו כל העת, והן חיוניות לרוב התגובות הכימיות. אבל כדי להבין את התהליך הזה לעומקו, פונים מדענים לא מעטים אל עולם התופעות הקוונטיות. פרופ' נרייביצ'יוס וקבוצת המחקר שלו יצרו מערך ניסוי ייחודי, אשר מאפשר חקר תגובות כימיות בין אטומים או בין מולקולות בטמפרטורה קרובה לאפס המוחלט –  באמצעות גרימת התנגשויות ביניהם בדרך של מיזוג שתי אלומות חלקיקים מקבילות.

בניסוי הנוכחי התמקדו המדענים בהתנגשויות אשר מתרחשות בין המולקולות. התנגשויות של אטומים נחקרו בעבר, אך אטומים – לפי הפיסיקה הקלאסית - הם כדוריים, בעוד מולקולות הן בעלות מבנה מוארך. כאמור, מבנהו של גוף מתנגש משפיע על הדרך שבה הוא ינוע לאחר ההתנגשות. למשל, מולקולת מימן (H₂), המולקולה הפשוטה ביותר, מורכבת משני אטומים הקשורים זה לזה. האם מולקולות המימן המוארכות יתנהגו באופן שונה מאטומים כדוריים? והאם ידיעת הצורה שלהן מספיקה כדי לחזות את תוצאת ההתנגשות?

לפי הפיסיקה הקלאסית, אפשר לתאר גופים במנוחה באמצעות המבנה הצורני שלהם. אבל לפי תורת הקוונטים, אטומים, מולקולות ואלקטרונים מצויים בתנועה מתמדת גם באנרגיות נמוכות מאוד, קרוב לאפס המוחלט. לפיכך, תוצאת התנגשות בין מולקולות תלויה לא רק במבנה הצורני שלהן, אלא גם בכיווניות שלהן, אשר לפי תורת הקוונטים אינה מוגדרת היטב, אלא מופיעה במעין אוסף של אפשרויות. כדי להבין את "צורת" המולקולה יש לנתח את פיזור האפשרויות הללו. ניסיון להבין את יחסי הגומלין בין גורמים שונים בעולם הקוונטי מציב אתגרים נוספים: לפי תורת הקוונטים, אי-אפשר לעקוב באופן ישיר אחרי ההתנגשות בין אטום לבין מולקולה (כפי שניתן, לדוגמה, ב"עולם העצמים הגדולים", לצפות בתנועת כדורי ביליארד על שולחן).

"למרבה המזל", אומר פרופ' נרייביצ'יוס, "יש בידינו כלי מצוין שמסייע לנו לצפות בהתרחשויות כאלה. במחקר קודם גילינו תחום צר של טמפרטורות נמוכות מאוד, שבו קצב התגובות גבוה משמעותית מהקצב הרגיל. בתחום זה, במקום שחלקיקים ינתרו חזרה מהמולקולה שבה התנגשו, מתרחשת תופעה הקרויה 'מינהור', והמולקולות עוברות דרך המחסום האנרגטי, דבר שמגדיל את ההסתברות להתרחשות התגובה".

חברי קבוצת המחקר של פרופ' נרייביצ'יוס, ובהם תלמידי המחקר איילת קליין ויובל שגם, יחד עם התיאורטיקנים ד"ר וויצ'ץ' סקומורובסקי ופרופ' קריסטיאן קוך מאוניברסיטת קסל בגרמניה, ביצעו שני ניסויי התנגשות וניתחו את התוצאות. בניסוי הראשון, המולקולות היו במצב היסוד, כלומר, האנרגיה הסיבובית שלהם הייתה המינימלית האפשרית, ובניסוי השני, המולקולות היו במצב "מעוּרר". בשני הניסויים נמדדו נתוני ההתנגשות בין מולקולות המימן לבין אטומי הליום.

החוקרים, אשר חיפשו שינויים בקצב התגובה של החלקיקים המתנגשים שיעידו על קיומו של מינהור, ביצעו את שני הניסיונות בסדרה של טמפרטורות – החל מטמפרטורת החדר ועד לטמפרטורה של כמה מילי-קלווין, כלומר מספר אלפיות מעלה מעל לאפס המוחלט. לאורך רוב הטווח, עד למעלת קלווין אחת, התנהגו רוב המולקולות ככדורים. "אי-אפשר היה להבחין ביניהן לבין אטומים", אומר פרופ' נרייביצ'יוס. "אך כאשר נכנסה התגובה לתחום המילי-קלווין, התחילו לקרות דברים מעניינים. מולקולות במצב היסוד של האנרגיה הסיבובית המשיכו להתנהג כגופים כדוריים; לעומתן, מולקולות במצב מעוּרר התנהגו בעת התנגשות כמעין מקלות. מולקולות פשוטות, במצב היסוד שלהן, הן סימטריות באופן מושלם, כמו אטומים. עירורן גורם לשבירת הסימטריה, וחושף את צורתן המוארכת האמיתית. באמצעות שליטה במצב העירור של המולקולה, אפשר ליצור מעין מתג העברה בין התנהגות של אטום להתנהגות של מולקולה".

עכשיו מתכננים המדענים להרחיב את הניסוי מהתנגשויות בודדות למערך שכולל גופים רבים. ניסויים בהם מולקולות רבות יוצרות מעין מצב "מעובה", צפויים להרחיב את התובנות בתחום זה, ואולי אפילו להוביל לאפשרות לשלוט ביחסי הגומלין בין מולקולות באמצעות שינוי מצב העירור והסיחרור שלהן.