בין הקוונטים לאיינשטיין: בבן גוריון שמו שעון אחד בשני מקומות בו זמנית

למקרה ששקלתם בכובד ראש - תמה התקופה של שני שעוני קיר, אחד לכל חדר. חוקרים מאוניברסיטת בן גוריון שבנגב הצליחו לעשות את הבלתי יאומן ולייצר שעון שיכול להיות בשני מקומות באותו הזמן.

בנימה רצינית יותר, מדובר במחקר שפורסם במהדורת כתב העת SCIENCE בסוף השבוע. צוות מחקר באוניברסיטת בן-גוריון שבנגב, בראשותו של פרופ' רון פולמן, מתאר במאמר כיצד הציבו שעון אטומי בשני מקומות שונים בו זמנית – הישג שיקדם את תפקידו של הזמן בפעילות היקום.  

המחקר עשוי לתרום בבין היתר להבנת הקשר בין תורת היחסות הכללית של איינשטיין לבין תורת הקוונטים - המהפכות הגדולות בפיסיקה של המאה ה-20, אשר בשדה המדעי נעשים ניסיונות רבים לאחד ביניהן או לכל הפחות להבין את הקשר ביניהן.

החוקרים החברים במעבדת השבב האטומי של אוניברסיטת בן גוריון לקחו אטום והפכו אותו לשעון אטומי, בדומה לזה הנמצא במערכות טכנולוגיות שונות. את האטום האמור העבירו דרך מכשיר שמסוגל לגרום לו להיות בשני מקומות בו-זמנית - האינטרפרומטר, הפועל לפי עקרונות תורת הקוונטים.

לפי תורת הקוונטים הסטנדרטית הזמן מתקדם באותו קצב בכל המקומות ביקום, בעוד שלפי תורת היחסות הכללית של אינשטיין הזמן לא מתקדם באותו קצב בכל מקום מכיוון שהזמן מושפע מכוחות גרביטציוניים של מסות גדולות כמו כדור הארץ. החוקרים שאלו, אם כן, מה יקרה לשעון שנמצא בו-זמנית בכמה מקומות שבהם הזמן מתקדם בקצב שונה לאחר שגורמים לו שוב להיות רק במקום אחד.

צוות המחקר הראה שבמצב מוזר זה מתקבלות תופעות חדשות שייתכן שבעתיד יסבירו כיצד לתורת היחסות הכללית יש תפקיד חשוב בגבול בין העולם הקוונטי, שבו מותר לגוף להיות בכמה מקומות בו-זמנית, לבין העולם הקלאסי (העולם היום יומי שלנו שבו הגופים גדולים), שבו אסור לגוף להיות בכמה מקומות בו-זמנית. המחקר רומז כי ייתכן שחלקיק, כמו אלקטרון למשל, יכול לעבור מהעולם הקוונטי לעולם הקלאסי בעזרת תורת היחסות הכללית.

צוות המחקר מתייחס לבעיה הטמונה בניסיון לפרש את הסיטואציה האמורה בשפה יומיומית, כמו בכל מקרה של תיאור מצב קוונטי – "המציאות המוזרה של העולם הקוונטי ניתנת כנראה לתיאור מדויק רק דרך המתמטיקה", על פי הצוות.

בלשון מדעית, במקום לומר שגוף כלשהו (שעון במקרה זה) היה במספר מקומות בו זמנית, נהוג לומר שהגוף נמצא בסופרפוזיציה קוונטית במרחב. בניסוח מעט שונה, ניתן לומר כי השעון נמצא במצב שבו הוא חש את המתרחש בשני המקומות בו-זמנית.

פרופ' רון פולמן במעבדתו באוניברסיטת בן-גוריון | צילום: דני מכליס, אוניברסיטת בן-גוריון

מבחינה טכנית, הצוות השתמש בטכנולוגיות מתקדמות של קירור אטומים בעזרת לייזרים, כך שאטומים ייכנסו לתחום הקוונטי שבו המצב המאפשר לאטום להימצא בכמה מקומות בו-זמנית יכול לשרוד לזמנים ארוכים מספיק בשביל לקיים את הניסוי.

האטומים קוררו לטמפרטורה קרובה מאד לאפס המוחלט (-273 C). לאחר מכן נחשפו האטומים לשדות מגנטיים חזקים ודבר זה הציב את האטומים בשני מקומות בו-זמנית.

במקביל, הועברו האטומים למצב שבו הם יכולים לשמש כשעון אטומי שמודד זמן. דבר זה מבוצע על ידי מניפולציה של המצבים הפנימיים של האטום שמורכבים ממגוון של אנרגיות ותנע זויתי (התנע המשויך לאלקטרון הסובב סביב הגרעין-Angular momentum).

צילום: שאטרסטוק