הנה סיפור שמתחיל בארבעה מסלולי מחקר נפרדים, שנפגשו באופן בלתי-צפוי, בנקודה אחת במרכז התת-מיקרוני של מכון ויצמן למדע. זה סיפור על חיים ומוות, דברים והיפוכם, עקשנות וכישרון, דרמה ופיסיקה. אבל מעבר לכל, זה סיפור על מאמץ מתמשך של בני-אנוש להבין את העולם, או, לפחות, להרחיב את הידע שלנו על העולם, על חשבון הקטנת חלקו של החלק שנותר עלום.
המסלול הראשון מתחיל בשנת 1937. אטורה מיורנה, פיסיקאי תיאורטיקאי סיציליאני, בן 31, פירסם מאמר שבו פיתח את המשוואות של פיסיקאי תיאורטיקאי אחר, פול דיראק האנגלי. דיראק, שהיה מבוגר ממיורנה בארבע שנים בלבד, כבר החזיק באותה עת בפרס נובל בפיסיקה, שהוענק לו לאחר שהצליח – בשנת 1928 - להראות שתורת היחסות הפרטית של איינשטיין עולה בקנה אחד עם תורת הקוונטים. אגב כך חזה את קיומו של "אנטי-חלקיק" הזהה בכל לאלקטרון, אך נושא מטען חשמלי הפוך – כלומר, חיובי. "אנטי-חלקיק" זה, הקרוי "פוזיטרון", וכן אנטי-חלקיקים אחרים נצפו בהמשך, ופתחו חלון להבנות מפתיעות על מבנה החומר ביקום.
במאמר שפירסם בשנת 1937 פיתח מיורנה את משוואות דיראק, והראה שייתכן כי קיימים חלקיקים בסיסיים (חסרי מטען) שהם האנטי-חלקיקים של עצמם. החלקיק שאת קיומו האפשרי הראה במאמר כונה "הפרמיון של מיורנה" (הביטוי "פרמיון" אומר, שמדובר בחלקיק של חומר, ולא בחלקיק נושא כוח דוגמת הפוטון. לנקודה זו נועד תפקיד מפתח בהמשך הסיפור).
מיורנה היה אדם לא פשוט, ולא בריא. את המאמר המדעי הראשון שלו פירסם בהיותו סטודנט לתואר ראשון. המנטור המדעי שלו היה אנריקו פרמי, שלימים הגדיר את מיורנה כ"גאון מסדר הגודל של ניוטון". אבל אפילו פרמי התקשה לגרום למיורנה לפרסם עבודות שנראו לו בעלות חשיבות. קצת לפני שפירסם את המאמר על החלקיק התיאורטי הנושא את שמו, הסתגר מיורנה בתוך עצמו, התרחק מחבריו, התמסר לדיאטה מיוחדת (הוא סבל מדלקת קיבה), ומיעט להופיע בציבור. כשנה לאחר פרסום המאמר, ב-26 במארס 1938, עלה על מעבורת בנמל פלרמו שבסיציליה. למחרת, כשהמעבורת עגנה בנאפולי – מיורנה לא ירד ממנה. רבים הניחו שהתאבד במהלך ההפלגה הקצרה, אבל ברבות השנים הועלו ספקות, ואף נפוצו שמועות שהסתגר במנזר. היעלמותו תרמה להתפתחות מיתוס סביב החלקיק התיאורטי והאקזוטי (אנטי-חלקיק של עצמו), שאת קיומו חזה, אשר קיומו לא הוכח עד היום.
חלקיקים מדומים
המסלול השני מתחיל בשנת 1982, כאשר הפיסיקאי האמריקאי רוברט לפלין, שניסה להסביר תופעות קוונטיות "מוזרות" המתחוללות במוליכים למחצה, טען שבתנאים מסוימים נוצרים בזרם החשמלי מעין מבנים של אלקטרונים המתפקדים כ"חלקיקים מדומים" בדידים, שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה"בסיסי" של אלקטרון בודד (מטענו החשמלי של האלקטרון - שנמדד לראשונה על-ידי רוברט מיליקן בשנת 1909 - הוא המטען החשמלי החופשי הקטן ביותר שנצפה בטבע).
לפי חישוביו של לפלין, "החלקיקים המדומים" נוצרים במערכת שבה מתחוללת תופעת הול הקוונטית (תופעת הול מתחוללת כאשר ממקמים אלקטרונים במשטח הנתון להשפעה של שדה מגנטי חזק), והם יהיו בעלי מטען חשמלי השווה לשבר אי-זוגי (שליש, חמישית, שביעית וכך הלאה) ממטענו החשמלי של האלקטרון.
תיאוריה זו הוכחה לראשונה בניסוי שביצעו פרופ' מוטי הייבלום וחברי קבוצתו במכון ויצמן למדע בשנת 1997 (דבר שמילא תפקיד חשוב בהחלטה להעניק לרוברט לפלין, הורסט סטורמר ודניאל טסואי את פרס נובל בפיסיקה לשנת 1998). אבל ניסויים שנועדו לבחון תופעות קוונטיות אחרות הצביעו על אפשרות קיומם של חלקיקים מדומים מסוג שונה לחלוטין: כאלה שהמטען החשמלי שלהם יהיה שווה לשבר זוגי ממטען האלקטרון (חצי, רבע, שמינית, וכדומה).
פרופ' הייבלום וחברי קבוצת המחקר שלו הוכיחו גם את קיומם של החלקיקים המדומים האלה, והצליחו למדוד את מטענם החשמלי. הניסוי בוצע בגבישי מוליכים-למחצה בעלי רמת טוהר הגבוהה בעולם, שיצר ד"ר ולדימיר אומנסקי במכון למחקר תת-מיקרוני במכון ויצמן למדע.
מתגים קוונטיים
החלקיקים המדומים נחלקים לשתי קבוצות עיקריות: הקבוצה האבלית, והקבוצה הלא אבלית. החלקיקים הלא אבליים, שמטענם החשמלי הוא שבר זוגי של מטען האלקטרון, מתאפיינים בכך שהחלפת מיקומים ביניהם מעבירה את המערכת ממצב קוונטי אחד למשנהו - על-פי הטופולוגיה של המסלול בו נעים החלקיקים המדומים. יתרה מזו: המצב שאליו תגיע המערכת לאחר ההחלפה תלוי בסדר ההחלפות (כלומר, ביצוע אותן החלפות בסדר שונה יוביל למצב קוונטי שונה של המערכת). תכונה זו אינה קיימת בעולמם של החלקיקים האבליים, המדומים והאמיתיים (דוגמת אלקטרון, פוטון, פרוטון, ועוד).
משמעות ההבדל הזה היא, שבמערכות לא אבליות הפרעות מקומיות אינן יכולות להשפיע על המצב הקוונטי של המערכת (אשר משתנה רק בעקבות חילוף מיקומים של חלקיקים מדומים). לכן, חלקיקים מדומים לא אבליים עמידים יותר כנגד השפעות סביבתיות. מכאן אפשר להסיק, שמחשב עתידי (תיאורטי), אשר יתבסס על חלקיקים מדומים לא אבליים, יהיה חסין להפרעות ("רעש") ויבצע "חישוב קוונטי טופולוגי".
בנקודה הזאת החל המחקר התיאורטי והמופשט הזה לעורר את עניינם של מדענים בכל העולם, וכן של גופים עסקיים בולטים, כחברת "מייקרוסופט" העולמית, שהחלה להשקיע במחקר סכומים לא מבוטלים.
קטן זה יפה
המסלול השלישי מתחיל בשנת 2007, והוא יוצא מהתובנה כי יש גבול למידת הדיוק והדקדוק בפרטים שפסל-אמן, מוכשר ככל שיהיה, יכול לבטא באבן שבה הוא מגלף פסל. גבול פיסי זה נקבע על-פי מידותיו של כלי העבודה העדין ביותר שבו משתמש האמן. מי שרוצה לעצב פרטים זעירים יותר, יוכל לעשות זאת רק אם, במקום לחצוב באבן, הוא ילקט אבנים זעירות, ואז יבנה, או ירכיב מהן, את הפסל "מלמטה למעלה". בשיטה זו, גודלו של הפרט הקטן ביותר מוגבל על-ידי גודלן של אבני הבניין.
ד"ר הדס שטריקמן ממכון ויצמן למדע לקחה את התובנה הזאת אל המעבדה, ובה החלה לגדל גבישים יחידים וזעירים של המוליך-למחצה אינדיום ארסני. לאחר כמה שנות מאמץ עלה בידה לגדל ננו-חוטים בעלי מבנה גבישי מושלם (שאושש בידי ד"ר רונית פופוביץ), שהם כה דקים, עד שמכל בחינה מעשית נעים האלקטרונים שזורמים בהם במסלולי זרימה חד-ממדיים.
מצבים
המסלול הרביעי יצא לדרכו בשנת 2001, כאשר ד"ר אלכסיי קיטייב, שהיה בעבר חוקר אורח במכון ויצמן למדע, הציע דרך שתאפשר להשתמש בחלקיקים מדומים לא אבליים חסרי מטען, אשר להם תכונות של חלקיקי מיורנה, ליצירת זכרונות קוונטיים טופולוגיים. חשוב להבין: לא מדובר כאן בפרמיון של מיורנה, שהוא חלקיק חומר לכל דבר, אלא בחלקיקים מדומים, מורכבים, שהם, למעשה, מעין "מצבים" שהם גם ה"אנטי-מצבים" של עצמם.
עוד כמה שנים חלפו, עד שבשנת 2010 פיתחו
פרופ' יובל אורג ושותפיו למחקר, פרופ' פליקס ון אופן מהאוניברסיטה החופשית בברלין ופרופ' גיל רפאל מהמכון לטכנולוגיה של קליפורניה, קלטק, תיאוריה שהראתה כיצד אפשר ליצור מצבים קוונטיים שבהם מתקיימים חלקיקים מדומים (מורכבים) המתאפיינים בתכונות של חלקיקי מיורנה. הם הציעו לממש את התיאוריה בשיטה שכוללת מספר מרכיבים פשוטים יחסית, ואינה מחייבת יחסי גומלין חזקים ומורכבים בין האלקטרונים. שיטה זו מתבססת על ננו-חוטים חד-ממדיים של מוליכים-למחצה, המוצבים בקרבת מוליכי-על, ועל הפעלת שדה מגנטי חלש לאורך הננו-חוטים.
המסלולים מתכנסים
כאן התכנסו המסלולים. פרופ' יובל אורג ותלמיד המחקר יונתן מוסט הציעו להשתמש בחוטים החד-ממדיים שגידלה ד"ר הדס שטריקמן, ולמקם אותם בקירבת מוליכי-על. כך, בקצות החוטים, ייווצרו חלקיקים מדומים, מורכבים, שמתאפיינים בתכונות של חלקיקי מיורנה. כלומר, הם יהיו האנטי-חלקיקים (או האנטי-מצבים) של עצמם. פרופ' מוטי הייבלום, החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר אנינדיה דאס, ותלמיד המחקר יובל רונן, תכננו ובנו את מערך הניסוי המורכב, ותוך חודשים אחדים עלה בידם לאפיין מצבים קוונטיים אשר תואמים לצפי של מצבי מיורנה.
זמן קצר לפני כן דיווח הפיסיקאי ההולנדי ליאו קובנהובן, מאוניברסיטת דלפט, על תוצאה דומה. "אם תוצאות אלה אכן מצביעות על קיומם של מצבי מיורנה", אומרים פרופ' הייבלום ופרופ' אורג, "כי אז הן מקדמות אותנו צעד נוסף במסע הארוך לחקר עקרונות המיחשוב הקוונטי".
שאלה פתוחה
אבל היכן החלקיקים של מיורנה? המצבים הקוונטיים שנצפו במכון ויצמן ובאוניברסיטת דלפט אמנם מעוררים התרגשות רבה, אבל בהיותם חלקיקים מדומים, מורכבים, הם אינם החלקיקים ה"אמיתיים" של מיורנה, שאמורים להיות פרמיונים, כלומר, חלקיקי חומר לכל דבר.
אם כך, האם קיימים בכלל בטבע חלקיקי מיורנה אמיתיים? הפיסיקאים מקווים, שהתשובה על השאלה הזאת חיובית. אחד המועמדים הטבעיים לתפקיד של חלקיקי מיורנה הוא הניטרינו. אפשרות זו פותחת פתח לפתרון אחת השאלות הפתוחות הגדולות בפיסיקה: בהנחה שבמפץ הגדול נוצרו חומר ואנטי-חומר בכמויות שוות, מדוע ביקום המוכר לנו אנו רואים רק חומר? לאן נעלם האנטי-חומר?
המדענים אומרים, שאם הניטרינו הוא חלקיק מיורנה (כלומר, שהוא אנטי-חלקיק של עצמו), כי אז ייתכן שהדבר קשור לקיומו של כוח כלשהו (שלא נצפה עד היום), אשר מבדיל בין חומר לאנטי-חומר, והוא זה שאחראי להיעלמות האנטי-חומר מהיקום.
.jpg "מבט על שבב אופטי בתא ריק, שפיתח ד\"ר דיין במסגרת מחקרו הבתר-דוקטוריאלי במעבדתו של פרופ' ג'ף קימבל במכון הטכנולוגי של קליפורניה (Caltech). שורת המהודים הזעירים נראית כרצף אנכי של נקודות בהירות לאורך מרכז השבב, וסיב אופטי (נראה בחלקו לרוחב התמונה) מצמד אור לתוך אחד המהודים. האטומים נאספים ומקוררים על-ידי קרני לייזר מעל השבב, ובזמן הניסוי הם חולפים בקרבת המהודים")
.jpg "שמעון אדף")
.jpg "בתמונה: שמונה יונים לכודים בתא ריק ומקוררים באמצעות לייזר. בטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט מתארגנים היונים במבנה גבישי דמוי שרשרת פנינים. כל יון בגביש מתפקד כביט קוונטי אחד")
.jpg "תא הוואקום בו משתמש ד\"ר עוזרי ללכידת יוני סטרונציום")
.jpg "פרופ' רן רז")
דבר והיפוכו
במאמר שפירסם בשנת 1937 פיתח מיורנה את משוואות דיראק, והראה שייתכן כי קיימים חלקיקים בסיסיים (חסרי מטען) שהם האנטי-חלקיקים של עצמם. החלקיק שאת קיומו האפשרי הראה במאמר כונה "הפרמיון של מיורנה" (הביטוי "פרמיון" אומר, שמדובר בחלקיק של חומר, ולא בחלקיק נושא כוח דוגמת הפוטון. לנקודה זו נועד תפקיד מפתח בהמשך הסיפור).
מיורנה היה אדם לא פשוט, ולא בריא. את המאמר המדעי הראשון שלו פירסם בהיותו סטודנט לתואר ראשון. המנטור המדעי שלו היה אנריקו פרמי, שלימים הגדיר את מיורנה כ"גאון מסדר הגודל של ניוטון". אבל אפילו פרמי התקשה לגרום למיורנה לפרסם עבודות שנראו לו בעלות חשיבות. קצת לפני שפירסם את המאמר על החלקיק התיאורטי הנושא את שמו, הסתגר מיורנה בתוך עצמו, התרחק מחבריו, התמסר לדיאטה מיוחדת (הוא סבל מדלקת קיבה), ומיעט להופיע בציבור. כשנה לאחר פרסום המאמר, ב-26 במארס 1938, עלה על מעבורת בנמל פלרמו שבסיציליה. למחרת, כשהמעבורת עגנה בנאפולי – מיורנה לא ירד ממנה. רבים הניחו שהתאבד במהלך ההפלגה הקצרה, אבל ברבות השנים הועלו ספקות, ואף נפוצו שמועות שהסתגר במנזר. היעלמותו תרמה להתפתחות מיתוס סביב החלקיק התיאורטי והאקזוטי (אנטי-חלקיק של עצמו), שאת קיומו חזה, אשר קיומו לא הוכח עד היום.
חלקיקים מדומים
לפי חישוביו של לפלין, "החלקיקים המדומים" נוצרים במערכת שבה מתחוללת תופעת הול הקוונטית (תופעת הול מתחוללת כאשר ממקמים אלקטרונים במשטח הנתון להשפעה של שדה מגנטי חזק), והם יהיו בעלי מטען חשמלי השווה לשבר אי-זוגי (שליש, חמישית, שביעית וכך הלאה) ממטענו החשמלי של האלקטרון.
תיאוריה זו הוכחה לראשונה בניסוי שביצעו פרופ' מוטי הייבלום וחברי קבוצתו במכון ויצמן למדע בשנת 1997 (דבר שמילא תפקיד חשוב בהחלטה להעניק לרוברט לפלין, הורסט סטורמר ודניאל טסואי את פרס נובל בפיסיקה לשנת 1998). אבל ניסויים שנועדו לבחון תופעות קוונטיות אחרות הצביעו על אפשרות קיומם של חלקיקים מדומים מסוג שונה לחלוטין: כאלה שהמטען החשמלי שלהם יהיה שווה לשבר זוגי ממטען האלקטרון (חצי, רבע, שמינית, וכדומה). פרופ' הייבלום וחברי קבוצת המחקר שלו הוכיחו גם את קיומם של החלקיקים המדומים האלה, והצליחו למדוד את מטענם החשמלי. הניסוי בוצע בגבישי מוליכים-למחצה בעלי רמת טוהר הגבוהה בעולם, שיצר ד"ר ולדימיר אומנסקי במכון למחקר תת-מיקרוני במכון ויצמן למדע.
מתגים קוונטיים
משמעות ההבדל הזה היא, שבמערכות לא אבליות הפרעות מקומיות אינן יכולות להשפיע על המצב הקוונטי של המערכת (אשר משתנה רק בעקבות חילוף מיקומים של חלקיקים מדומים). לכן, חלקיקים מדומים לא אבליים עמידים יותר כנגד השפעות סביבתיות. מכאן אפשר להסיק, שמחשב עתידי (תיאורטי), אשר יתבסס על חלקיקים מדומים לא אבליים, יהיה חסין להפרעות ("רעש") ויבצע "חישוב קוונטי טופולוגי".
בנקודה הזאת החל המחקר התיאורטי והמופשט הזה לעורר את עניינם של מדענים בכל העולם, וכן של גופים עסקיים בולטים, כחברת "מייקרוסופט" העולמית, שהחלה להשקיע במחקר סכומים לא מבוטלים.
קטן זה יפה
ד"ר הדס שטריקמן ממכון ויצמן למדע לקחה את התובנה הזאת אל המעבדה, ובה החלה לגדל גבישים יחידים וזעירים של המוליך-למחצה אינדיום ארסני. לאחר כמה שנות מאמץ עלה בידה לגדל ננו-חוטים בעלי מבנה גבישי מושלם (שאושש בידי ד"ר רונית פופוביץ), שהם כה דקים, עד שמכל בחינה מעשית נעים האלקטרונים שזורמים בהם במסלולי זרימה חד-ממדיים.
מצבים
עוד כמה שנים חלפו, עד שבשנת 2010 פיתחו פרופ' יובל אורג ושותפיו למחקר, פרופ' פליקס ון אופן מהאוניברסיטה החופשית בברלין ופרופ' גיל רפאל מהמכון לטכנולוגיה של קליפורניה, קלטק, תיאוריה שהראתה כיצד אפשר ליצור מצבים קוונטיים שבהם מתקיימים חלקיקים מדומים (מורכבים) המתאפיינים בתכונות של חלקיקי מיורנה. הם הציעו לממש את התיאוריה בשיטה שכוללת מספר מרכיבים פשוטים יחסית, ואינה מחייבת יחסי גומלין חזקים ומורכבים בין האלקטרונים. שיטה זו מתבססת על ננו-חוטים חד-ממדיים של מוליכים-למחצה, המוצבים בקרבת מוליכי-על, ועל הפעלת שדה מגנטי חלש לאורך הננו-חוטים.
המסלולים מתכנסים
זמן קצר לפני כן דיווח הפיסיקאי ההולנדי ליאו קובנהובן, מאוניברסיטת דלפט, על תוצאה דומה. "אם תוצאות אלה אכן מצביעות על קיומם של מצבי מיורנה", אומרים פרופ' הייבלום ופרופ' אורג, "כי אז הן מקדמות אותנו צעד נוסף במסע הארוך לחקר עקרונות המיחשוב הקוונטי".
שאלה פתוחה
אם כך, האם קיימים בכלל בטבע חלקיקי מיורנה אמיתיים? הפיסיקאים מקווים, שהתשובה על השאלה הזאת חיובית. אחד המועמדים הטבעיים לתפקיד של חלקיקי מיורנה הוא הניטרינו. אפשרות זו פותחת פתח לפתרון אחת השאלות הפתוחות הגדולות בפיסיקה: בהנחה שבמפץ הגדול נוצרו חומר ואנטי-חומר בכמויות שוות, מדוע ביקום המוכר לנו אנו רואים רק חומר? לאן נעלם האנטי-חומר?
המדענים אומרים, שאם הניטרינו הוא חלקיק מיורנה (כלומר, שהוא אנטי-חלקיק של עצמו), כי אז ייתכן שהדבר קשור לקיומו של כוח כלשהו (שלא נצפה עד היום), אשר מבדיל בין חומר לאנטי-חומר, והוא זה שאחראי להיעלמות האנטי-חומר מהיקום.