fbpx

פרק 61: תסגרו את הצידנית, ההליום בורח! – על האפס המוחלט – טקסט מלא.

 תסגרו את הצידנית, ההליום בורח- על האפס המוחלט

 

הטמפרטורה הייתה מאז ומעולם פרמטר חשוב בכל ניסוי מדעי, במיוחד בכימיה ובפיסיקה. החוקרים ידעו, עוד מראשית ימי המדע, שלטמפרטורה שבה מתבצע הניסוי יש חשיבות רבה לגבי תוצאותיו. תכונות בסיסיות ביותר של החומר תלויות בטמפרטורה שלו, אפילו תכונות שממבט ראשון לא אמורות להיות מושפעות מהטמפרטורה. ברזל ממוגנט, למשל, מאבד את המגנטיות שלו בטמפרטורה מסוימת.

חום, ז"א- טמפרטורה גבוהה- קל ליישם. כל מה שנדרש הוא מדורה גדולה או תנור נפחים טוב. קור, לעומת זאת, הוא סיפור אחר: הרבה יותר מסובך לקרר משהו מאשר לחמם אותו. עובדה זו הפכה את הניסויים בתנאי קור למסובכים הרבה יותר עבור ראשוני החוקרים, ומכאן שהכימיה והפיסיקה של דברים קרים הייתה מאז ומעולם ארץ לא מוכרת עבורם. שלוש שאלות עקרוניות וחשובות נותרו זמן רב ללא מענה. הראשונה: האם קור הוא תכונה נגטבית- דהיינו, קור הוא בסך הכל העדר חום, או שאולי הקור עומד בפני עצמו בתור תכונה עצמאית של החומר? השאלה השניה הייתה: האם ישנו גבול תחתון לקור, טמפרטורה שנמוך ממנה פשוט אי אפשר לרדת? והשאלה השלישית: אם ישנו אפס מוחלט, מה בדיוק קורה לחומר כשמגיעים אליו?

אי אפשר היה לענות על שאלות אלו באמצעות הידע המדעי של סוף ימי הביניים ותחילת עידן הרנסאנס, אבל רמזים מסקרנים לתשובות החלו להופיע פה ושם. בשנת 1702 עמל המדען הצרפתי גיום אמונטון על תכנונו של מד חום משופר. מחלת ילדות קשה הותירה את גיום חירש לחלוטין, עובדה שכנראה תרמה לכך שהוא הקדיש את כל חייו ומרצו למדע. במיוחד נמשך גיום לפיסיקה של החיכוך והחום, והגיע להישגים תיאורטיים מרשימים בתחומים אלה.

גיום ידע מניסיונו שקור גורם לגזים להתכווץ. מד החום שתיכנן הכיל אוויר בתוך מבחנה סגורה, ומעליה עמוד כספית. שינויי טמפרטורה גרמו לעמוד האוויר להתרחב או להתכווץ, ולדחוף את עמוד הכספית גבוה או נמוך יותר בתוך המבחנה. על פי מיקום הכספית בתוך הצינור ניתן היה להעריך באופן מדויק למדי את הטמפרטורה החיצונית. במוחו של גיום עלתה שאלה מעניינת: מה יקרה אם נקרר את האוויר בתוך המבחנה עוד יותר? נפח האוויר ילך ויקטן, אבל בסופו של דבר הוא יצטמצם עד לאפס. על פי חישוביו המקורבים של גיום, זה יתרחש בטמפרטורה של כ 240 מעלות צלסיוס מתחת לאפס. האם זו הטמפרטורה הסופית, כלומר הטמפרטורה הנמוכה ביותר- האפס המוחלט?

כמובן שישנם גם שיקולים אחרים. גזים בטמפרטורות נמוכות אינם נעלמים- הם הופכים לנוזל, ולאחר מכן למוצק. אף אחד לא הצליח, עד אז, לקרר אוויר עד לנקודת ההתנזלות שלו, אבל יש לשער שהדבר אפשרי. מדענים אחרים כמו סימון לאפלאס ואנטואן לבואזייה נקבו במספרים אחרים לגבי האפס המוחלט: בין 1500 ל-3000 מעלות מתחת לנקודת הקיפאון של המים.  המספר שנקב בו גיום, 240 מעלות מתחת לאפס, היה קרוב באופן מעורר התפעלות לטמפרטורה האמיתית של האפס המוחלט כפי שהיא מוכרת לנו היום: 273.15 מעלות צלסיוס מתחת לאפס.

התשובות הסופיות לשאלות הללו הגיעו רק כשהבשיל מדע התרמודינמיקה, החל מאמצע המאה ה-19. ההבנה שכל חומר עשוי מחלקיקים זעירים, אטומים, פתחה את הדלת להבנה אמיתית של המושג 'טמפרטורה'. כשאנחנו אוחזים בחפץ מוצק, נדמה לנו שהאטומים שבו קבועים במקום ואינם זזים- אבל לאמיתו של דבר, כל החלקיקים בחומר נמצאים בתנועה בלתי פוסקת. אפשר לדמות את זה לילדים בכיתה: מרחוק, זה נראה כאילו הם יושבים בשקט כל אחד מאחורי השולחן שלו- אבל כשמתקרבים אפשר לראות בבירור שהם לא מפסיקים לזוז: הם מדברים אחד עם השני, מסתובבים אחורה וכולי. כמות התנועה של החלקיקים תלויה באנרגיה שלהם: ככל שנעניק להם יותר אנרגיה- דהיינו, ככל שנחמם אותם יותר- הם ינועו בחופשיות רבה יותר והחומר יהפוך לפחות ופחות מסודר. בהמשך לדוגמא הקודמת, אם ניתן לילדים בכיתה לאכול המון שוקולד לפני השיעור, הם יהיו הרבה יותר שובבים והמורה יהיה הרבה יותר קרוב להתמוטטות עצבים.

הטמפרטורה היא מדד לכמות האנרגיה שיש לחלקיקים בחומר. ככל שהם נעים במהירות רבה יותר, קופצים ומתנגשים אחד בשני בתדירות גבוהה יותר- אנחנו אומרים שהחומר חם יותר. על אותו המשקל, ככל שהחלקיקים איטיים ורגועים יותר, הטמפרטורה שנמדוד תהיה נמוכה יותר. חישובים המבוססים על כמות האנרגיה שמכיל החומר איפשרו לוויליאם תומסון, המוכר יותר בכינויו 'לורד קלווין', לשער שהאפס המוחלט- הנקודה בה תכולת האנרגיה של החלקיקים בחומר תהיה המינימלית ביותר האפשרית- היא 273.15 מעלות מתחת לאפס. הוא גם קבע את סולם הטמפרטורות הקרוי על שמו, סולם קלווין, שבו אין טמפרטורות שליליות (כמו בסולם צלסיוס) והטמ' הנמוכה ביותר היא נקודת האפס המוחלט. את השם 'קלווין', דרך אגב, הוא לקח משמו של נחל קטן שעבר בסמוך לאוניברסיטת גלאזגו בה לימד. אני מניח שאני צריך להיות אסיר תודה שאצלנו בישראל לא מחלקים תארי אצולה: הנחל שעובר בסמוך אלי הוא נחל הפוארה.

התרמודינמיקה סייעה למדענים להשיב על שתי השאלות הראשונות: כעת ניתן היה להסביר מהי טמפרטורה, ומהו הגבול התחתון שלה. נותרה, אם כן, השאלה השלישית: כיצד מתנהג החומר כשהוא מגיע לאפס המוחלט? עד מהרה הגיעו הפיסיקאים למסקנה הברורה שהאפס המוחלט הוא גבול שאי אפשר להגיע אליו.

הסיבה לכך נעוצה בתהליך הקירור עצמו. כולנו יודעים שכדי לקרר משהו עלינו להשקיע אנרגיה: המקררים והמזגנים שלנו לא יעבדו ללא חיבור לשקע החשמל. אפילו כדי לצנן את עצמנו עם מניפה, עלינו להשקיע אנרגיה בנפנופים. כמות האנרגיה שיש להשקיע בתהליך הקירור הולכת וגדלה ככל שמנסים להגיע לטמפרטורה נמוכה יותר. במילים אחרות, עלינו לבנות מקרר חזק יותר, או לנפנף מהר יותר. כדי להגיע אל האפס המוחלט יהיה עלינו להשקיע אינסוף אנרגיה, מה שהופך את הרעיון כולו לבלתי אפשרי. אבל זה לא אומר שאי אפשר לקרר חומר עד שהטמפרטורה שלו תהיה כמעט, ממש קרובה, ממש ממש קרובה, הכי קרובה שאפשר לטמפרטורת האפס המוחלט- ואז לראות מה יקרה.

מבחינה מעשית, זו לא הייתה משימה פשוטה. פה ושם הטבע מנסה לעזור לנו: באנטרקטיקה, למשל, נמדדה טמפרטורה של 89 מעלות מתחת לאפס- מרחק של עשר מעלות בלבד מהנקודה שבה גז כלור הופך למוצק. אבל לצערם של המדענים, ולשמחתם של שאר דיירי כוכב הלכת שלנו, הטמפרטורות הנמוכות באמת בטבע נמצאות מחוץ לאטמוספירה.  לגוף הטרנס נפטוני הגמדי פלוטו ישנה אטמוספירה המכילה מתאן וחנקן, אבל כשמסלולו האליפטי מביא אותו רחוק מהשמש הטמפרטורה צונחת אל 230 מעלות מתחת לאפס, קר מספיק כדי שהאטמוספירה כולה תקפא ותצנח כשלג אל פני הכוכב. הריק שבין הכוכבים, היכן שאף שמש אינה מאירה, נמצא בטמפרטורה של שלוש מעלות מעל האפס המוחלט. שלוש המעלות הללו הם שאריות החום שנותרו מאז המפץ הגדול. המקום הקר ביותר ביקום המוכר הוא ערפילית 'בומרג', במרחק חמשת אלפים שנות אור מאיתנו: הטמפרטורה שנמדדה שם היא רק מעלה אחת בלבד מעל האפס המוחלט. מה הסיבה לכך? כשמשתמשים בספריי דאודורנט ניתן להרגיש את המיכל מתקרר כשהגז הדחוס עוזב אותו. ערפילית הבומרג היא דאודורנט בקנה מידה גלקטי: היא פולטת גז במהירות של כחצי מיליון ק"מ לשעה מזה 1500 שנים.

למירוץ אל עבר האפס המוחלט ישנן גם מטרות מעשיות ברורות, מעבר למחקר תיאורטי. שעונים אטומים, למשל, הולכים ונעשים מדוייקים יותר ככל שהאטומים שבתוכם קרים ואיטיים יותר. שעונים מדויקיים במיוחד יכולים לסייע בתצפיות אסטרונומיות, חקר גלי גרוויטציה ועוד.

אבל ישנה תופעה מסוימת אחת שמתרחשת קרוב לאפס המוחלט, שאם נצליח להבין אותה במלואה- היא עשויה לשנות את מהלך ההיסטוריה באופן הדרמטי ביותר. הטכנולוגיה המודרנית תלויה, זה לא סוד, בחשמל. כל מי שעמד קרוב מדי למכשיר טלוויזיה, למשל, יכול להרגיש עד כמה אנחנו בזבזניים בניצול האנרגיה החשמלית: החום שנפלט מחלקה האחורי של הטלוויזיה הוא אנרגיה חשמלית מבוזבזת, אנרגיה שהפכה לחום סתמי במקום להקרין תמונות על המסך. המהנדסים משפרים ללא הרף את היעילות של המכשירים החשמליים השונים, אבל יש גבול למה שהם מסוגלים לעשות. האנרגיה החשמלית נישאת על ידי זרם של אלקטרונים בתוך החומר המוליך, אבל האלקטרונים לא עוברים באופן חלק מאטום לאטום: מדי פעם הם מתנגשים באטומים של החומר, מעבירים להם את האנרגיה שלהם ומחממים אותם. כל התנגשות כזו היא הפרעה, התנגדות של החומר לזרם החשמל. לכל מוליך חשמלי, גם הטוב ביותר, ישנה התנגדות חשמלית מסוימת. המשמעות היא שתמיד חלק מהאנרגיה החשמלית במכשיר החשמלי שלנו ילך לאיבוד כחום: אין מה לעשות, זו דרכו של העולם.

אבל כל זה משתנה בטמפרטורות נמוכות מאוד. הפיזיקאי ההולנדי הייקה אונס היה המדען הראשון שנתקל בתופעה של 'סופר-מוליכות'. הוא קירר כספית עד לטמפרטורה של קצת יותר מארבע מעלות קלווין, כשלפתע הראו מכשירי המדידה שלו שכל ההתנגדות של הכספית נעלמה. ההתרחשות הייתה כל כך פתאומית ומהירה, עד שהייקה היה משוכנע בתחילה שהציוד שלו מקולקל. רק לאחר כמה ניסויים חוזרים הוא הבין את המשמעות של מה שאירע. כדי להוכיח שאכן ההתנגדות החשמלית נעלמה לבלי שוב, אונס ביצע ניסוי מחוכם: הוא הזריק זרם חשמלי לתוך לולאת חומר סופר-מוליך, ואז ניתק את מקור הזרם. בכל מעגל חשמלי שגרתי ההתנגדות הייתה גורמת לזרם לדעוך ולהעלם, אבל המדידות של אונס הוכיחו שהזרם החשמלי בלולאה לא איבד מעוצמתו כלל: הוא יכול, עקרונית, להמשיך ולהסתובב במעגלים ללא הפרעה לנצח.

מה בדיוק מתרחש בחומר שגורם לו להפוך לסופר-מוליך? השאלה הזו הטרידה את מנוחתם של המדענים במשך עשרות שנים. פיזיקאים רבים, בהם השמות הגדולים והחשובים ביותר של המאה העשרים כמו ריצ'ארד פיינמן ואנריקו פרמי, ניסו למצוא הסבר לתופעה- אך ללא הצלחה. רמזים שונים הצטברו לאורך השנים, ככל שהשתכללו הניסוים והתפתחה תיאוריית הקוונטים. נתגלה, למשל, שחומר סופר-מוליך מסוגל לדחות מגנטיות. ברזל רגיל מושפע על ידי מגנטיות- כך פועל המצפן- אבל חומר סופר-מוליך, עד כמה שזה נשמע מוזר, לא נותן לשדה המגנטי לחדור לתוכו כלל. נתגלה גם שהטמפרטורה שבה מתרחשת סופר-מוליכות תלויה במאסה של גרעיני האטומים בחומר המוליך. אבל למרות כל הרמזים ורסיסי התאוריות, עדיין לא הבינו המדענים את הבסיס לתופעה המעניינת הזו.

הבעיה הזו הטרידה גם את מנוחתו של פיזיקאי צעיר בשם ג'ון באראדין. באראדין נמשך עוד מראשית הקריירה שלו, בסביבות שנות השלושים של המאה הקודמת, לחקר התנהגות האלקטרונים בתוך מוליכים חשמליים. כמו שאר הפיזיקאים, גם הוא נתקל במסתורין של הסופר-מוליכות וניסה לפצח אותו במשך זמן רב- ללא הצלחה.

כעבור זמן מה זנח את העניין ועבר לעבוד במעבדות בל יחד עם וויליאם שוקלי ו-וולטר בראטיין, והשלושה עשו את התגלית שזיכתה אותם בפרס נובל ושינתה את חיינו ללא הכר: הטרנזיסטור. בשנת 1956 זכו השלושה בפרס נובל על התגלית המהפכנית הזו, שפתחה את השער לאלקטרוניקה המוכרת לנו. אבל באראדין ושוקלי לא הסתדרו היטב זה עם זה: שוקלי, שניהל את הפרוייקט, דחף לכיווני מחקר שבאראדין מצא משעממים ולא מעניינים. הוא עזב את מעבדות בל ועבר לאוניברסיטת אילנוי.

במקום עבודתו החדש חזר באראדין לחשוב על אהבתו הישנה: הסופר-מוליכות. עשר שנים חלפו מאז חשב על העניין לאחרונה אבל כעת החליט לחזור לעניינים. מצויד בידע שצבר לאורך השנים, הוא הקדיש את זמנו לבעיה הזו. יחד עם ליאון קופר וג'ון שריפר, הצליח לבסוף לפצח את החידה. לאלקטרונים יש, כידוע, מטען חשמלי שלילי. חלקיקים בעלי מטען חשמלי זהה דוחים זה את זה, ושני אלקטרונים קרובים תמיד ינסו להתרחק זה מזה. אבל בטמפרטורות נמוכות מאוד, האלקטרונים מתנהגים כאילו הם נמשכים זה לזה. כדאי להבהיר את הנקודה הזו: האלקטרונים לא באמת נמשכים זה לזה, והם לא מאבדים את המטען החשמלי שלהם. האטומים שסביבם בתוך החומר הקר רוטטים באופן שגורם לשני האלקטרונים להיצמד, כאילו הם נמשכים זה לזה. התוצאה הסופית היא שאלקטרונים נעים בזוגות בתוך החומר, זורמים ומחליקים ללא התנגדות סביב האטומים כאילו היו מים שעוקפים עמוד בתוך נהר. ההסבר הזה זיכה את באראדין וחבריו בפרס נובל שני, בשנת 1976.

התאוריה של באראדין ושות' ניבאה שסופר מוליכות יכולה להתרחש אך ורק בטמפרטורות של עד שלושים מעלות קלווין. אבל ב-1986 גילו מספר חוקרים חומרים קרמיים שמפגינים את אותה ההתנהגות גם בטמפרטורות גבוהות יחסית, מעל מאה מעלות קלווין. הסיבה להתנהגות הזו, בניגוד לתאוריה המקובלת, עדיין אינה ברורה דייה, והמחקר בנושא עדיין נמצא בראשיתו. למדענים יש מוטיבציה גבוהה לעסוק בנושא מכיוון שלסופר-מוליכים יש שימושים מעשיים מאוד. הרופאים, למשל, אוהבים מאוד את ה-MRI, הסורק הרפואי שלהם: הוא מאפשר להם להציץ לתוך המוח ואיברים אחרים בדיוק חסר תקדים ללא שום פגיעה גופנית במטופל. MRI עושה שימוש בשדות מגנטים חזקים מאוד כדי לחדור לתוך רקמות הגוף. הסלילים שיוצרים את השדות הללו ב-MRI הם סלילים סופר-מוליכים: מזריקים לתוכם זרם חשמלי פעם אחת, והוא יוצר את השדות המגנטים הקבועים לאורך זמן ארוך ללא השקעה נוספת של אנרגיה. אלמלא סופר-מוליכות, ייתכן ו-MRI לא היה מעשי למימוש.

תופעה משונה נוספת שמתרחשת בעולם הקפוא שקרוב לאפס המוחלט, היא 'סופר נוזליות'. כמו ההתנגדות החשמלית, הצמיגות היא תכונה בסיסית של כל נוזל. לדבש יש צמיגות גבוהה מאוד ולמים צמיגות נמוכה- אבל היא תמיד שם, חלק בלתי נפרד מהאופן שבו מתנהגים נוזלים באשר הם. הצמיגות באה לידי ביטוי, לדוגמא, כשבוחשים מים בסיר: נותנים למים את התנופה הראשונית בעזרת הכף, וכשמפסיקים לבחוש המים אט אט מאבדים את האנרגיה שלהם- בגלל הצמיגות- ומפסיקים להסתובב.

אבל אם ניקח הליום נוזלי ונקרר אותו עד ל-2.7 מעלות מעל לאפס המוחלט, הצמיגות שלו נעלמת באותה הפתאומיות כמו ההתנגדות החשמלית. הליום סופר-נוזלי יכול להסתובב במעגל ללא הפסקה לנצח. אני מבין שלהתבונן בהליום מסתובב במעגלים יכול לשעמם אחרי מאה השנים הראשונות, נניח, אבל בזאת לא מסתיימות התופעות המשונות. הליום סופר-נוזלי אי אפשר לשמור במיכל פתוח: הנוזל המוזר הזה מסוגל לטפס על כל קיר וכל תקרה ולברוח החוצה. בהיעדר חיכוך, המשיכה בין אטומי ההליום לבין הקיר גוברת על כוח המשיכה, אז תזכרו תמיד לסגור את הצידנית. חומר סופר-נוזלי הוא גם בעל מוליכות תרמית אין-סופית: אי אפשר ליצור הפרש טמפרטורות בין שני איזורים שלו. חימום איזור אחד יגרום מייד לחימום זהה בכל הנוזל כולו. אין עדיין הסבר אמיתי ומושלם לתופעת הסופר-נוזליות, כזה שיסביר את כל תכונותיו של סופר-נוזל.

בשנת 1995 ניצבו צמד חוקרים מאוניברסיטת קולורדו שבארה"ב, אריק קורנל וקארל ווינמן, בפני אתגר לא פשוט. על שולחן הניסויים מולם עמדה קבוצת אטומי רובידיום, ומטרתם של קורנל ו-ווינמן הייתה לקרר את הדגימה הזו עד לטמפרטורה כמעט בלתי נתפסת: 170 ננו-קלווין. 'ננו' מציין אחד חלקי מיליארד, ו-170 ננו-קלווין הם 170 מיליארדיות המעלה מעל האפס המוחלט. הייתה להם סיבה טובה לרצות להגיע אל רמת קירור זו. ב-170 ננו קלווין משהו משונה מאוד עשוי להתרחש על שולחן הניסויים. אם קורנל ו-ווינמן יצליחו במשימתם, הם עשויים להפוך את קבוצת אטומי הרובידיום לסוג חדש של חומר, שכמותו לא נראה מעולם.

כדי להבין מה ניסו צמד החוקרים להשיג בשנת 1995, יש לחזור אל ראשית המאה העשרים. סאטיאנדרה בוז נולד בשנת 1894 בקלקוטה שבהודו. עוד מנעוריו התבלט כמתמטיקאי מבריק במיוחד, והתקדם במסגרת האקדמיה ההודית עד למשרת מרצה לפיסיקה באוניברסיטת דאקאה. באירופה התחוללה באותה התקופה מהפכה מדעית אדירה: איינשטיין, בוהר, שרדינגר ואחרים הפכו על פיה את תמונת העולם הניוטונית. אבל הודו הרחוקה הייתה מעט מנותקת מהזרם המרכזי ורק מדענים הודים בודדים הצליחו להגיע לכנסים, להשתלמויות ושאר ההזדמנויות להפריה הדדית שכל כך חשובות להתקדמות המדע. בוז התעניין מאוד בתורת הקוונטים, אבל הוא נאלץ במידה רבה לעבוד לבדו.

יום אחד הירצה בוז בפני הסטודנטים שלו אודות אספקטים מסויימים של תורת הקוונטים. בוז ניסה להוכיח לסטודנטים שהתאוריה עדיין אינה מושלמת: היו תופעות פיסיקליות שתורת הקוונטים לא תיארה כהלכה. אבל כפי שקורה לכל מרצה מדי פעם, בוז טעה בחישובים ליד הלוח. כשהגיע לסוף החישוב גילה, להפתעתו, שהתאוריה שרשם על הלוח לפתע פתאום מתארת היטב את התופעות הפיסיקליות הרצויות. בוז חזר אחורה מספר צעדים בחישוב, ואיתר את השגיאה שלו. התאוריה המקובלת מתייחסת לכל פוטון של אור כאל חלקיק נפרד ועצמאי: לכל פוטון יש סט של תכונות ותמיד ניתן לתכנן ניסוי מתאים כך שיבדיל בין כל שני פוטונים על סמך תכונות אלה. אבל בוז, בטעות, התייחס אל הפוטונים כאל חלקיקים שכל התכונות שלהם זהות לחלוטין והם בלתי ניתנים להבחנה זה מזה.

בהבזק של השראה הבין בוז שהטעות שלו כלל אינה טעות: כדי להסביר את התופעות הפיזיקליות הרצויות, חייבים להניח שבמצבים מסוימים הפוטונים זהים לחלוטין ובלתי ניתנים להבחנה זה וזה. אחרי שניתח את הרעיון לעומקו והשתכנע בנכונותו, כתב בוז ב-1925 מאמר מדעי על העניין ושלח אותו לפרסום במגזינים המדעיים המובילים של זמנו. אתם יכולים לנחש את ההמשך: פיסיקאי אלמוני ממדינת עולם שלישי נידחת טוען שגילה טעות בתורת הקוונטים. כל המגזינים דחו אותו על הסף.

אך בוז לא וויתר. הוא לקח את המאמר, קיפל אותו יפה לתוך מעטפה ושלח אותו ישירות אל המדען החשוב ביותר בעולם- אל אלברט איינשטיין. אם סינדרלה הייתה פיסיקאית תאורטית, כך בדיוק הייתה צריכה להראות האגדה שלה: איינשטיין קרא את מאמרו של בוז והבין מייד שמדובר בתיקון דרמטי של התאוריה. הוא תרגם את מאמרו של בוז לגרמנית ושלח אותו בעצמו, בשמו של בוז כמובן, אל מגזין מדעי. אתם יכולים לנחש את ההמשך: הגאון המפורסם ביותר של זמנו סומך את ידיו על תיקון חשוב לתורת הקוונטים. המגזין פרסם את המאמר מייד.

בוז הפך לאישיות רצויה מאוד באירופה. הוא בילה שנה בביקורים וכנסים, עבד עם איינשטיין ומדענים נוספים וכשחזר להודו מונה במהירות הבזק לפרופסור באוניברסיטה. זה היה חריג מאוד מכיוון שסאטינדרה בוז לא היה אפילו ד"ר. ככה זה כשמישהו כמו איינשטיין ממליץ עליך, מסתבר שזה יכול לעזור.

איינשטיין המשיך ופיתח את רעיונותיו של בוז מספר צעדים קדימה. הוא שיער שלא רק פוטונים יכולים להתנהג כחלקיקים זהים לחלוטין- גם סוג מסוים של חלקיקי חומר המכונים 'בוזונים' מסוגלים לעשות כן(על שמו של בוז, כמובן). אם לוקחים קבוצת בוזונים ומקררים אותה עד קרוב מאוד מאוד לאפס המוחלט, לפתע פתאום תתרחש מעין 'מפולת שלגים אטומית': כל הבוזונים יאבדו בבת אחת כמעט את כל האנרגיה שלהם. במצב הזה הם גם יאבדו את הזהות האישית שלהם. כל התכונות הפיסיקליות שבדרך כלל מבדילות בין אטום אחד למשנהו יתאפסו. קבוצת הבוזונים תהפוך, הלכה למעשה, לאטום אחד גדול. זהו מצב חדש לגמרי של חומר: זה לא גז, זה לא נוזל וזה לא מוצק- זה…משהו אחר. התופעה הזו מכונה 'התעבות בוז-איינשטיין'. חשוב להדגיש שאסור לבוזנים לאבד את כל האנרגיה שלהם: אם חלקיק מאבד את כל האנרגיה שלו, הוא נעצר במקום- ואז נדע בוודאות את מיקומו ומהירותו, וזה יפר את עיקרון אי הודאות של הייזנברג. עיקרון זה קובע שאי אפשר, בשום אופן, לדעת את המיקום ואת המהירות של חלקיק בדיוק מושלם. הבוזונים, אם כן, יגלשו אל רמת האנרגיה המינימלית האפשרית לחלקיק.

התעבות בוז-איינשטיין הייתה במשך שנים רבות הגביע הקדוש של הפיסיקה הקוונטית. צריך להבין שתופעות קוונטיות הן קשות מאוד למדידה בניסויים: הן מתרחשות בחלקיקים קטנים ביותר, ולפרקי זמן קצרים מאוד. אבל התעבות בוז-איינשטיין יוצרת מעין סופר-אטום: חלקיק גדול שמורכב מהמון חלקיקים זהים לחלוטין. מכיוון שתכולת האנרגיה של האטומים כל כך נמוכה, כל התופעות הקוונטיות נמשכות המון זמן (יחסית, כמובן) וקל יותר לבחון אותן בניסוי. במילים אחרות, העולם הקוונטי עוזב לרגע קט את תחום המיקרו ועובר אל המאקרו. כל זה עשוי להתרחש, אם החישובים של אריק קורנל וקארל ווינמן נכונים, בטמפרטורה של 170 ננו-קלווין מעל האפס המוחלט.

השיטה שבה התכוונו להגיע אל טמפרטורה פורצת דרך זו הייתה חדשנית במיוחד: קירור באמצעות קרן לייזר. נכון, זה נשמע משונה: הרי כולנו יודעים שקרני הלייזר שסופרמן יורה מתוך עיניו ממיסות פלדה וחותכות סלעים- כיצד ניתן לקרר משהו באמצעות קרן לוהטת ומרוכזת? כאן באה לידי ביטוי גאונות ששווה פרס נובל. כשפוטון מקרן הלייזר פוגע באטום, הוא דוחף אותו קצת. האטום כבד יותר מהפוטון, כך שההשפעה היא די חלשה: משהו כמו כדור גולף שמתנגש בכדור באולינג. אבל אם ישנן מספיק פגיעות כאלה, הן מצטברות ומשפיעות על תנועתו של האטום. כזכור, כמות האנרגיה באטום באה לידי ביטוי במהירותו: ככל שהאטום מהיר יותר, הוא מכיל יותר אנרגיה. קרן הלייזר מפציצה את האטום הנע בפוטונים כנגד כיוון התנועה של האטום, ובולמת אותו. האטום כאילו נע 'נגד הרוח', והוא הולך ומאבד בהדרגה את האנרגיה שלו תוך כדי עצירה. אטום איטי הוא אטום קר, והטמפרטורה של קבוצת האטומים צונחת באופן דרמטי.

אבל ישנה בעיה עקרונית עם הפגזת פוטונים שכזו. בתוך קבוצת האטומים ישנם אטומים מהירים ואטומים איטיים, המפוזרים בתוך הקבוצה באופן אקראי. כיצד ניתן לוודא שקרן הלייזר פוגעת אך ורק באטומים המהירים, ולא פוגעת בטעות באטומים האיטיים וגורמת להם, חלילה, להאיץ דווקא? גם כאן הפיתרון ניחן בפשטות אלגנטית נהדרת. כולנו נתקלנו בתופעה המכונה 'אפקט דופלר', גם אם לא שמענו את השם הזה מעולם. כשרכב נוסע חולף על פנינו, הקול שהוא משמיע משתנה בהתאם לכיוון התנועה שלו: כשהוא מתקרב אלינו הצליל בתדר גבוה, וכשהוא מתרחק מאיתנו הצליל הולך ונעשה נמוך. (זה נשמע ככה: ). אפקט דופלר קיים גם ברמה האטומית: האטומים שנעים לכיוון תותח הלייזר יהיו מושפעים אך ורק על ידי קרן לייזר שתדר הפוטונים שלה גבוה, או במילים אחרות- לייזר של אור כחול. לכן, אם יורים לייזר של אור כחול רק האטומים שנמצאים בתנועה, ושנעים לעבר תותח הלייזר, יהיו מושפעים ממנו ויואטו. כל האטומים האחרים לא ירגישו דבר- הפוטונים יחלפו דרכם כאילו היו אוויר.

על שולחן הניסוי שלהם קורנל ו-ווינמן הניחו את דגימת האטומים במרכזו של שדה מגנטי שיצר מעין 'מיכל וירטואלי': הם כלאו את האטומים במרכזו של השדה המגנטי ומנעו מהם לברוח. החלקיקים צפו כקבוצה במיכל המדומה שלהם, מבלי שיגעו בדפנות ציוד הניסוי ויספגו חום מיותר. כעת הציבו החוקרים ארבע דיודות שפלטו קרני לייזר לעבר קבוצת האטומים מארבעה כיוונים שונים. כל אטום חם שניסה לברוח מהקבוצה נתקל בהפגזת פוטונים שבלמה אותו מייד. קארל ווינמן השווה את הדבר לניסיון ללכת בתוך סופת שלגים עזה: לכל כיוון שאתה מנסה ללכת, הרוח מכה בפניך ומונעת ממך להתקדם. עד מהרה איבדו מרבית האטומים את האנרגיה שלהם והטמפרטורה צנחה עד קרוב מאוד לאפס המוחלט.

וכל זה עדיין לא היה מספיק כדי להגיע לטמפרטורה הרצויה: לשם כך נדרש צעד אחד אחרון. החוקרים הפעילו מגנט חזק וכיוונו את פעולתו כך שהאטומים המהירים, עתירי האנרגיה, היו מסוגלים לברוח מתוך הדגימה- ורק האטומים האיטיים, הקרים, נשארו מאחור. הדבר דומה לאופן שבו כוס קפה מתקררת: האטומים המהירים והחמים עוזבים את הכוס כאדים מהבילים, והקפה שנשאר מאחור הולך ומתקרר.

זה כל מה שהיה צריך. בדיוק כפי שחזו איינשטיין ובוז כמעט שבעים שנים קודם לכן, כשאחרון האטומים המהירים עזב את הדגימה התחוללה 'מפולת השלגים' פתאומית: כל האטומים נפלו כאיש אחד לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר שלהם. קבוצת האטומים בדגימה הפכה להיות אטום אחד גדול- סוג חדש של חומר נוצר ביקום, ופרס נובל חדש נולד. מאז 1995 חזרו מדענים נוספים על ההישג, בדרגות הולכות וגדלות של הצלחה.

יש לנו עוד הרבה מה להבין ולגלות על העולם הקר והמשונה בקרבת האפס המוחלט. ככל שעובר הזמן המדענים נתקלים בתופעות נוספות שדורשות הסברים. בשנת 2000, לדוגמא, שיחזרו מספר חוקרים את הניסוי המפורסם של קורנל ו-ווינמן משנת 1995. הם ניסו להשיג התעבות בוז-איינשטיין, אבל עם אטומים כבדים יותר מאטומי הרובידיום שעליהם נעשה המחקר המקורי. הניסוי התקדם יפה כמתוכנן, עד לרגע שבו הגדילו החוקרים את השדה המגנטי. לפתע פתאום החלו האטומים להמשך זה לזה, והחלו קורסים פנימה לתוך עצמם עד שהדגימה כולה נעלמה לחלוטין. ואז, באותה הפתאומיות, התפוצצה קבוצת האטומים. שני שליש מהאטומים פשוט נעלמו כאילו לא היו. מכיוון שמדובר בסך הכל באלף וקצת אטומים, האנרגיות המעורבות בפיצוץ היו זערוריות- אבל בהתחשב בעובדה שכל הניסוי התרחש קרוב מאוד לאפס המוחלט, לא הייתה צריכה להיות שם אנרגיה כלל! נכון להיום, לפיצוץ הזה אין כל הסבר. הדחיסה הראשונית והפיצוץ שבעקבותיה מזכירים מאוד את הסופר-נובה שמתרחשת בכוכבים כבדים. מכיוון שהחלקיקים בדגימה הם בוזונים, המדענים מכנים את הריקוד המשונה שמבצעים האטומים בזמן הדחיפה והפיצוץ בשם 'בוזונובה'. אם אין הסברים טובים, לפחות השמות מוצלחים.


לרכישת הפרק •  הרשמה לעדכונים בדוא"ל על פרקים חדשים


קרא עוד בנושאים דומים:

אודות:

ספריו של רן:

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.