אפקט ריק קוונטי הודגם במיכל מים

אם נשייט במעמקי החלל החיצון במהירות קבועה כלל לא נרגיש שאנחנו בתנועה. בדממה המוחלטת של הריק הבין-כוכבי, נחווה רק גלי אור הנפלטים מן הכוכבים – ואף הם ייראו בעינינו חסרי שינוי, גם אם נחצה את מסלולם. לעומת זאת, אם נאיץ לפתע, יקרה משהו שונה לגמרי: קרינת חום תציף את החלל סביבנו. תופעה זו, הקרויה "אפקט אונרו" (Unruh) על-שם אחד ממגליה, נובעת מתחזיות תורת היחסות הכללית של איינשטיין בשילוב מכניקת הקוונטים.

מסע שכזה לחלל עדיין אינו בגדר האפשר, ועד כה לא הודגם אפקט אונרו בניסוי על פני כדור הארץ. פרופ' אולף לאונהרדט מהמחלקה לפיסיקה של מערכות מורכבות וקבוצת המחקר שבראשותו, יחד עם עמיתים מצרפת, הצליחו להדגים אפקט אנלוגי באמצעות מיכל מים, כמה מראות ומצלמות ומספר אלגוריתמים מתוחכמים. אף שהתפיסה המקובלת היא שאפקט אונרו מתרחש רק ב"ריק קוונטי", החוקרים מעריכים כעת שהוא עשוי להתרחש גם בחיי היומיום.

ריק קוונטי, מסביר פרופ' לאונהרדט, איננו חלל ריק באמת. הריק הקוונטי רוחש תמיד גלים אלקטרומגנטיים או חלקיקים אשר מופיעים ונעלמים. ״הריק הקוונטי דומה לים של אפשרויות, או לחלופין לסוג של אשראי שאותו אפשר ללוות ולפרוע. זה מה שגורם לרחש להתהוות״, אומר פרופ' לאונהרדט.

יש הסוברים כי הריק הקוונטי הוא תווך לגלי אור, בדומה לאוויר שדרכו נעים גלי קול. אך בניגוד לגלי קול, המשתנים כאשר אנו מתקרבים או מתרחקים אל מקור הצליל, גלי אור משתנים רק כאשר הצופה בהם מאיץ או מאט. האצה, אם כן, היא מעין "הלוואה" מן הריק הקוונטי שיוצרת "ריבית" בצורת חום. החום יוצר שובל סביב הצופה בדומה לקרינת הוקינג שיוצר אופק האירועים של חור שחור. פרופ' לאונהרדט מסביר שחוקרים מתעניינים באפקט אונרו היות שהוא מפגיש שלושה תחומים יסודיים בפיסיקה שלרוב אינם חופפים – תורת היחסות הכללית, פיסיקת הקוונטים ותרמודינמיקה.

פיסיקאים ניסיוניים שיבקשו להדגים את האפקט ייתקלו בבעיה – כדי לייצר מספיק קרינה תרמית שתאפשר למדוד את אפקט אונרו, יש צורך בריק קוונטי רחב-ידיים, האצה אדירה – וכמות אינסופית של זמן. ואם זה לא מספיק, התנודות בריק קוונטי הן תת-ננוסקופיות – הן מוגדרות במונחים של קבוע פלאנק, הגודל המזערי ביותר האפשרי, כך שיהיה קשה ביותר למדוד אותן.

הריק הקוונטי דומה לים של אפשרויות, או לחלופין לסוג של אשראי שאותו אפשר ללוות ולפרוע. זה מה שגורם לרחש להתהוות״

פרופ' לאונהרדט, תלמיד המחקר שלו איתי גריניאסטי ופרופ' מתיאס פינק וקבוצתו במכון לנז׳בן שבפאריס, חיפשו מערכת חלופית שתחקה את אפקט אונרו. הם עיצבו מערכת כזו במיכל מים. הרעדת המיכל מלמטה יצרה על-פני המים גלים עומדים שיש להם הרבה מן המשותף עם גלי אור, אך נעים בשבריר ממהירותם. במערכת זו, גודל התנודות הוא, כמובן, מאקרוסקופי – גלוי לעין בלתי מזוינת, וההאצה הנדרשת כדי לחזות בתופעה קטנה בהרבה מזו הדרושה בגרסה הקוונטית.

צוות המחקר המציא גם תחליף לנוסע בחלל: מפגש קרן לייזר המוחזרת מראי, עם פני המים, כאשר הזזת הראי קדימה ואחורה מזיזה גם את נקודת המפגש. אך במהרה הבינו כי הלייזר כלל אינו נחוץ: הם יכולים לדמות את הנוסע במחשב במסגרת ניתוח הנתונים.

מצלמת וידאו קלטה כל אדווה על פני המים, והניתוח הממוחשב פירק את המידע ממאה מחזורים של הניסוי לרכיביו. "הניתוח הספקטרלי שביצענו דומה לניתוח של גלי אור – או אפילו לניתוח של גלי קול שנועד להפריד בין גובה הקול, הטון, התדירות והדציבלים", אומר פרופ' לאונהרדט. "הצלחנו לחזות כיצד תיראה חתימת ההאצה בגלים אלה – אם עוקבים אחר מסלול מסוים, תנודות מעבר לגלים הבסיסיים צריכות להיות תרמיות באופיין. ואלה אכן תואמות לרעש בחלל הקוונטי אשר נובע מהקרינה התרמית של החלקיקים".

"ואז הוספנו טוויסט נוסף לעלילה", מספר פרופ' לאונהרדט, "צופה שני". לפי התיאוריה אם שני צופים ינועו במסלולים המהווים את תמונת הראי האחד של השני – מאטים בעודם מתקרבים זה לזה ומאיצים בחזרה בעודם מתרחקים זה מזה בתיאום מושלם – כל אחד מהם יבחין בחלקיקים או ברעש אקראיים, אבל כאשר ישוו רישומיהם מהמסע, יסתבר שכל אחד מהם חווה את אותם החלקיקים בדיוק באותו הזמן. פירוק הקלטות הגלים לרכיבים הספקטרליים שלהם הראה כי התזמון אכן היה מסונכרן כפי שהתיאוריה חזתה. "שני צופים – אפילו אם הם רחוקים זה מזה – שמשווים את רישומיהם יגלו שהרגישו פוטונים זהים או 'רעש' בדיוק באותו הזמן".

כיצד ניתן לפרש את העובדה שתנודות אקראיות מתואמות בין שני צופים? פרופ' לאונהרדט מסביר שמה שנראה חסר-סדר במרחב ושרירותי בזמן איננו כה אקראי, שכן, למעשה, הוא מאורגן במרחב-זמן. רעש בלתי-אקראי, הוא מוסיף, צופן בחובו מידע, מה שהופך אותו למועמד מעניין מאוד למחקרי המשך. "בעזרת מערכת בסיסית ביותר, הראינו כי אין צורך בתנודות קוונטיות כדי לצפות באפקט אונרו. הדבר מצביע על מציאות עמוקה יותר: אפקט אונרו עשוי לנבוע מן הפיסיקה הקלאסית ולא בהכרח מתופעות קוונטיות. זו יכולה בהחלט להיות תופעה כללית מאוד, אם רק נדע איך לחפש אותה".