עיקרון השקילות של איינשטיין נותר עקבי, גם בעולם הקוונטי
מחקר בינלאומי חדש, בהשתתפות הפיזיקאי זוכה פרס נובל, פרופסור סר רוג'ר פנרוז, ובהובלת אוניברסיטת בן גוריון בנגב, אוניברסיטת אולם ואוניברסיטת אוקספורד, הוכיח שעיקרון יסוד בלב תורת הכבידה של איינשטיין נותר עקבי, גם כאשר בוחנים את התנהגות החומר בעולם הקוונטי. ממצאי המחקר פורסמו בכתב העת Science Advances.
במשך יותר ממאה שנה, פיזיקאים הסתמכו על שני תיאורים מוצלחים במיוחד של הטבע. באמצעות מכניקת קוונטים המסבירה את התנהגותם של אטומים וחפצים זעירים אחרים, ובאמצעות תורת הכבידה של איינשטיין (הידועה גם כתורת היחסות הכללית), המסבירה כיצד גופים נופלים וכיצד כוח המשיכה מעצב את היקום. עם זאת, הם עדיין לא הצליחו להבין כיצד אלו משתלבים יחד.
כעת, צוות בינלאומי בהובלת המדען הישראלי, פרופ' רון פולמן מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, חקר את נקודת המפגש שלהם במעבדת 'השבב האטומי' באוניברסיטת בן-גוריון בנגב. החוקרים הבחינו בשינוי מובהק בתכונות הקוונטיות של אטומים כשהם נופלים תחת כוח הכבידה. ההשפעה שמדדו זהה לזו שנחזתה כאשר עקרון השקילות של איינשטיין, אבן יסוד בתורת הכבידה שלו, מיושם על עצם קוונטי.
עקרון השקילות קובע כי עבור צופה בנפילה חופשית, כוח הכבידה אמור להיעלם באופן נקודתי. אדם הנופל ממעלית בחופשיות, למשל, יחווה חוסר משקל. בעוד שתיאוריה זו שרדה בדיקות מדויקות במיוחד הכוללות גופים גדולים (מאקרוסקופיים), לא היה ברור כיצד ניתן לבדוק זאת בניסוי עם עצמים קוונטיים (מיקרוסקופיים), שיכולים להתנהג כגלים ולנוע בו-זמנית לאורך יותר מנתיב אחד.
בלב הניסוי נמצא מנגנון חדש שהחוקרים מכנים 'אינטרפרומטר גלילאו קוונטי', על שם התגליות של גליליאו בתחום הכבידה של גופים מאקרוסקופיים. מנגנון זה איפשר להם לעשות משהו יוצא דופן: לפצל את הגל הקוונטי הקשור לאטום בודד, כך שהוא בו-זמנית מתקדם בשני נתיבים שונים, להחזיק אחד במקומו תוך מתן אפשרות לשני ליפול בחופשיות, ולאחר מכן לאחד אותם מחדש, כדי לראות כיצד כוח הכבידה שינה את הגל הנופל.
הניסוי בוצע במלואו במעבדה שבאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, כשמטרתו להעמיד למבחן קוונטי את עקרון השקילות של איינשטיין. הניסוי נערך באמצעות אטומי רובידיום שקוררו כמעט לאפס המוחלט, ועברו מניפולציה קרוב לפני השטח של שבב אטומי שתוכנן במיוחד למטרה זו. צוות הניסוי, שכלל את הדוקטורנט אור דובקובסקי, השתמש תחילה בפולסים של מיקרוגל כדי להכניס את האטומים הקרים במיוחד למצב 'סופרפוזיציה קוונטי', עיקרון בסיסי בתורת הקוונטים המאפשר למערכת להיות בשני מצבים בו זמנית, מה שאפשר למעשה לכל אטום לנוע בשני מסלולים שונים בו זמנית. לאחר מכן, השתמשו החוקרים בחוטים חשמליים זעירים על השבב כדי לייצר שדות מגנטיים מבוקרים ומדויקים. חלק אחד של הגל האטומי הגיב לשדה מגנטי זה, מה שאפשר לחוקרים להפעיל כוח כלפי מעלה, וזה נטרל בדיוק את המשיכה כלפי מטה של כוח הכבידה. החלק השני נדחף כלפי מעלה באמצעות פולס מגנטי מבוקר ומדויק, ולאחר מכן עבר למצב שכמעט ולא הושפע מהשדה המגנטי, כך שיכל ליפול בחופשיות תחת כוח הכבידה - לאורך מסלול בליסטי, בדומה לכדור הנזרק לאוויר.
בסוף הנפילה, החוקרים השתמשו בפולס מגנטי נוסף מבוקר ומדויק כדי לחבר את שני החלקים בחזרה. כאשר שני הגלים התאחדו מחדש, הם עברו התאבכות משותפת. התאבכות היא תופעה פיזיקלית המתרחשת כאשר גלים נפגשים במרחב, והיא שאפשרה לחוקרים למדוד את ההבדל הזעיר בין המצבים הקוונטיים, שהצטברו בזמן שאחד נופל והשני נשאר סטטי. הניסוי מצא שעקרון השקילות של איינשטיין תקף גם למצבים קוונטיים. למרות שניסויים קודמים השתמשו בחלקיקים קוונטיים למדידת כוח הכבידה, זוהי תצפית המדידה הישירה הראשונה של מצב קוונטי של עצם הנופל בחופשיות.
פרופסור רון פולמן, החוקר הראשי מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב: "זהו מאמר ייחודי, במובן שהוא משלב ניסוי קשה עם פרשנות תיאורטית מרחיקת לכת, על אחת השאלות הבסיסיות ביותר בפיזיקה: כיצד ניתן לאחד את כוח הכבידה ואת תורת הקוונטים להבנה אחת של היקום? שני עמודי התווך הללו של הפיזיקה המודרנית חמקו עד כה מכל הניסיונות למסגרת תיאורטית מאוחדת, אך ניסוי מורכב זה נותן רמזים נוספים כיצד ניתן להשיג איחוד שכזה".
פרופסור ולאטקו ודרל, מחבר שותף של המחקר, מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת אוקספורד, הוסיף: "אין לנו תיאוריה עקבית שאומרת לנו מדוע פיזיקת הקוונטים צריכה להיכשל. ניסוי זה דוחף את מכניקת הקוונטים לאחד מתחומי החזית המסקרנים ביותר שלה, כוח הכבידה, ומראה, שוב, שניבוייו מתקיימים."
התוצאה אינה מאחדת את מכניקת הקוונטים ואת כוח הכבידה, וגם לא מראה שכוח המשיכה עצמו הוא קוונטי, אלא מדגימה שעקרון השקילות של איינשטיין נשאר עקבי עם מכניקת הקוונטים בתחום הפרמטרים שנבדקו. כמו כן, המחקר אינו מבטל את הטענה שהעלה פרופסור סר רוג'ר פנרוז, מחבר שותף למחקר וזוכה פרס נובל, לפיה מכניקת הקוונטים יכולה להתפרק עבור עצמים בעלי מאסיביות מספקת המוחזקים במצבים קוונטים למשך זמן מספיק ארוך.
בעוד שהניסוי הנוכחי לא הגיע למסות או לזמנים הדרושים לבדיקת רעיון זה, צוות המחקר מקווה שהטכניקה תהיה צעד לקראת ניסויים עם עצמים כבדים בהרבה, כולל ננו-יהלומים, שיוכלו לחקור אפשרות זו. ניסוי כזה מתנהל כעת באותה קבוצת מחקר באוניברסיטת בן-גוריון בנגב.
במחקר היה שותף גם פרופ' וולפגנג שלייך מאוניברסיטת אולם בגרמניה, מומחה לתיאוריה של תורת הקוונטים ובפרט בנושא אינטרפרומטריה, לצד חוקרים בינלאומיים נוספים מאוניברסיטת בן-גוריון בנגב, אוניברסיטת אוקספורד, אוניברסיטת סאות'המפטון, המרכז הגרמני לחלל, המכון לטכנולוגיות קוונטיות באולם, אוניברסיטת אולם ואוניברסיטת טקסס.
המחקר מומן, בין היתר, על ידי הקרן הלאומית למדע, פרויקט ה-DIP הגרמני-ישראלי, קרן המחקר הגרמני (DFG), תוכנית "ניסויי שולחן לפיזיקה בסיסית" בחסות קרן גורדון ובטי מור, קרן סיימונס, קרן אלפרד פ. סלואן וקרן ג'ון טמפלטון. המדענים מבקשים להודות גם לתורם אמריקאי המבקש להישאר בעילום שם, לג'ון מוסוריס, ליוסי וסטרגרן, לרשת אמי (Emmy Network), ולקרן גורדון ובטי מור, לקרן טמפלטון, לקרן אאוטופיה, לבן וס ולמכון Texas A&M AgriLife Research על התמיכה ומימון המחקר. למכון הגלר ללימודים מתקדמים באוניברסיטת טקסס A&M על מלגת סגל עבור עבודה זו.
