ריחוף באוויר כך סתם מכלום

לביטצייה קוונטית: היכולת לרחף באוויר כך סתם מכלום

הארי פוטר נטל את המטאטא נימבוס 2000 ועלה לאוויר והחל לרחף. נניח שיהיה אפשר לעשות זאת באמת במציאות?

פיזיקאים חוקרים מזה זמן שיטות למניפולציה של הכוח של הואקום הקוונטי שידוע בשם כוח קזימיר, שאותו גילה קזימיר ב-1948. הדרך הפשוטה ביותר היא לדמיין שני לוחות מתכת בואקום. מסתבר שאפילו בואקום יש פעילות ערה של שדה חלקיקים שכל הזמן מופיעים ונעלמים. הם באינטראקציה מתמדת עם הלוחות. המרווח הזעיר שבין הלוחות מגביל את סוג החלקיקים שמופיע, כך שהלחץ מאחורי הלוחות גובר על זה שבניהם ומקבלים כוח מושך. אפקט קזימיר וכוח קזימיר נובעים מהשדה שעובר קוונטיזציה. הכוח הוא לא עקב מטען חשמלי וגם לא עקב כבידה. אלא עקב הפלוקטואציות בשדות האנרגיה האופפים אותנו בחלל הריק שבין העצמים. התברר אם כן שניתן לבצע מניפולציות לכוח קזימיר ולהפוך אותו מכוח מושך לכוח דוחה ולהשתמש בו ללביטציה, כלומר לרחיפה. מחקר כזה הוא בעל יישומים לננו-רכיבים ולכן לננוטכנולוגיה. החוקרים אומרים שאותו האפקט יכול להוביל לכך שניתן להשתמש בו לריחוף של עצמים גדולים יותר גם כן, ואפילו אדם.

אפקט קזימיר

נתבונן בשני לוחות מתכתיים בריק, הממוקמים במרחק של כמה מיקרו-מטרים זה מזה. זאת כאשר לא פועל כל שדה אלקטרומגנטי חיצוני.

בהסבר הקלאסי העדר השדה החיצוני פירושו גם שאין שדה בין הלוחות. לכן לא יימדד כל כוח בין הלוחות.

עתה נעבור למה שקרוי אלקטרודינמיקה קוונטית. נחקור את השדה מבחינה קוונטית ונגלה שהלוחות משפיעים על פוטונים וירטואליים שמרכיבים את השדה.

פוטונים וירטואליים הם לא אנטי חלקיקים, אלא פוטונים שקיימים למשך פרקי זמן ובמקומות מוגבלים. מכיוון שבמכניקת הקוונטים האנרגיה והתנע הם נגזרים מהזמן והחלל, הם מכניסים אי ודאות באנרגיה ובתנע שלהם בהתאם ליחסי אי הודאות המפורסמים של ורנר הייזנברג. הם בעלי כמה מהתכונות שיש לפוטונים אמיתיים.

וכך הואקום המוחלט הוא לא ריק, אלא שופע בחלקיקים וירטואליים שכל הזמן מופיעים ונעלמים לפרקי זמן בלתי מוגדרים. זה נותן לואקום אנרגיה, אנרגית ואקום, אנרגית נקודת האפס – במובן המקורי של המושג הוא מציין את רמת האנרגיה הנמוכה ביותר האפשרית שיכולה להיות למערכת הקוונטית. המושג הוצע לראשונה על ידי אינשטיין ואוטו שטרן ב-1913.

בהסבר הקוונטי מגלים שהלוחות משפיעים על הפוטונים הוירטואליים שמרכיבים את השדה ויוצרים כוח משיכה כולל. כוח זה נמדד והוא דוגמא קוונטית טהורה.

ב-1933 הפיזיקאי ההולנדי הנדריק ב. ג’. קזימיר מצא שענן החלקיקים הוירטואלים יצר לחץ כולל בואקום. החלל שבין שני הלוחות המתכתיים מוגבל, ולכן הלחץ נמוך. אולם הלחץ מבחוץ הוא לא מוגבל וגדול יותר. לכן יהיה לחץ כולל שידחוף את הלוחות יחד. קזימיר הציע את קיום הכוח המושך הכולל הזה וגם ניסח את הניסוי שלמעלה כדי לגלותו בעודו משתתף במחקר במעבדות המחקר של פיליפס בהולנד.

בדרך כלל מצב אנרגית נקודת האפס מתרחש כאשר שני הלוחות הם במנוחה ורחוקים זה מזה. אולם כאשר הלוחות מתקרבים זה לזה, ניתן לחלץ מהם אנרגיה. ולכן בגלל שניטלה מהלוחות אנרגיה קינטית, האנרגיה של הלוחות היא קטנה מאפס, כלומר אנרגיה שלילית. אנרגיה שלילית זו נמדדה במעבדה על די דריק פולדר בשנת 1948 והתוצאות אמתו את הניבוי של קזימיר.

קזימיר דיווח לנילס בוהר אודות תגליתו. בוהר הציע שניתן להסביר את הכוח בין הלוחות כנגרם מאנרגית נקודת האפס של השדה האלקטרומגנטי, על ידי פלוקטואציות קוונטיות. החלל הריק הוא ככלות הכל לא ריק, אלא מלא בואקום קוונטי, חלקיקים וירטואליים והאנרגיה של הואקום הקוונטי היא אנרגית נקודת האפס והיא אינסופית. אם אנרגיה זו היא אינסופית, השדה האלקטרומגנטי יהיה מסיבי בצורה אינסופית, כי האנרגיה והמסה קשורות על ידי הנוסחא המפורסמת של אינשטיין: E = mc2.

בצורה זו השדה האלקטרומגנטי יתמוטט תחת משקלו העצום – כלומר, תחת כבידתו. ולכן מכניזם לא ידוע מעבר לאלקטרומגנטיות הקוונטית מווסת את האינסופיות של אנרגית הואקום האלקטרומגנטית. מסתבר שבכל זאת, אנרגית נקודת האפס מתאמתת ניסויית עם כוח קזימיר.

בגלל שעוצמת כוח קזימיר יורדת במהירות עם המרחק, ניתן למדוד אותה רק כאשר המרחק בין העצמים הוא קטן לאין שעור. בסקאלת גודל תת-מיקרו-מטרית כוח זה נעשה לכה חזק, שהוא נהפך לכוח הדומיננטי בין מוליכים לא טעונים.

רחיפה

ב-1961 תיאורטיקנים רוסים ניבאו שבנסיבות מסוימות, אפקט קזימיר יכול לגרום לעצמים לדחות זה את זה.

כך התברר ב-2007 שניתן לפתח שיטות חדשות לביצוע מניפולציה דינמית ולהפוך את כוח קזימיר המושך, שאותו גילה קזימיר ב-1948 מכוח משיכה לכוח דחייה ולהשתמש בו ללביטציה, כלומר לרחיפה. מחקר כזה הוא בעל יישומים לננו-רכיבים ולכן לננוטכנולוגיה. יש לשים לב לכוחות שבדרך כלל לא שמים אליהם לב ברמת המאקרו, כי כוח קזימיר הוא למשל הגורם האולטימטיבי לחיכוך בעולם הננו. וכך אם מצליחים לבצע מניפולציה לכוח קזימיר ברכיבי ננו, ניתן להשיג ננו-מכניקה בעלת חיכוך אפס וחלקים שהם למעשה מרחפים. כלומר, ניתן להגיע ללביטציה. מכיוון שכוח קזימיר פועל בטווח האורכים של הננו- מכניקה, הוא מאוד יעיל לננוטכנולוגיה.

Beijing saleswoman demonstrates toy which levitates by magnetic force; Physicists have 'solved' mystery of levitation 

מכאן

מהו המדע שעומד מאחורי הלביטציה הקוונטית? באפקט קזימיר בין שני הלוחות ממתכת ההפרש בלחץ של הואקום הקוונטי בין הלוחות ומחוץ ללוחות גורם ללוחות למשוך זה את זה (כוח קזימיר המושך). ניקח את שני לוחות קזימיר מהניסוי באפקט קזימיר ונשים ביניהם חומר שקוף. מה יקרה? החומר עשוי להשפיע על האופן שבו החלקיקים הוירטואליים מגיבים זה לזה והתפלגות אנרגית נקודת האפס עשויה להשתנות.

עתה נשים בין לוחות קזימיר חומר שמציג שבירה שלילית ונבנה ממנו רכיב שפועל כמו עדשה “מושלמת”. ב-2007 שני מדענים מבריטניה חישבו שבמקרה זה כוח קזימיר בין שני הלוחות יהפך ממושך לדוחה: לוחות קזימיר שמשכו זה את זה עברו טרנספורמציה שגרמה להם לדחות זה את זה. לוח אחד יכל עתה לרחף מעל לאחר במרחק שבו כוח קזימיר הדוחה בואקום הקוונטי יכל לאזן את משקל הלוח. הלוח מרחף למעשה על כלום – מרחף באוויר.

החוקרים פרופ’ אולף לאונהרדט וד”ר תומס פילבין מאוניברסיטת סנט אנדרוס בסקוטלנד יצרו אפקטים של רחיפה על ידי זה שהם הנדסו מטא-חומרים.

העדשה המושלמת שהם הנדסו יכולה למקד דמות ברזולוציה שהיא לא מוגבלת. תיאורטית ניתן לבנות עדשה כזו ממטא-חומר שבנוי מלאכותית. מהנדסים את המטא-חומר כך שיהיה לו אינדקס שבריה שלילי. עדשת המטא-חומר תעקם את האור בכיוון הנגדי לזה שעדשת חומר רגיל תעקם אותו, כי לחומר הרגיל יש אינדקס שבירה חיובי. וכך המטא-חומר שהוא בעל אינדקס שבירה שלילי מסוגל לשנות את אנרגית נקודת האפס במרווח שבין שני הלוחות. על ידי זה שכיוון כוח קזימיר מתהפך ונהפך מכוח מושך לדוחה.

הסתבר שכוח קזימיר דוחה זה הוא עד כדי כך חזק שהוא יכול לגרום ללביטציה – כלומר לרחיפה – של מראת אלומניום שהיא בעובי של 500 ננומטר. וכך הוא יכול לגרום לה לשוטט באוויר מעל לעדשה מושלמת שממוקמת על פני לוח מוליך.

החוקרים אומרים שאותו האפקט יכול להוביל לכך שניתן להשתמש בו לריחוף של עצמים גדולים יותר גם כן, ואפילו אדם.

דניאל דנגלס נולד באדינבורו שבסקוטלנד ב-20 במרץ 1833 להורים ויליאם ואליזבט הום. בגיל 17 הוא הרגיש שביתו רדוף רוחות – הוא שמע קולות, רהיטים זזים סביב בבית מעצמם, אור הבהב כך סתם – נדלק ונכבה. ובאוגוסט 1852 דניאל לראשונה הצליח לרחף. הוא נראה מרחף פעמיים ואף עלה עד לתקרה בקולות חריקה, כאשר השולחנות נעו באגרסיביות והקולות ליוו את האירוע…

מכאן

השטיח המעופף (או אם תרצו המרחף?) של הפרופסור ההודי

באותה שנה 2007 פיזיקאי הודי מהארברד בשם פרופ’ לקשמינאריאנן מאהדבאן הציע גרסה שונה ללביטציה נוסח השטיח המעופף מסיפורי אלף לילה ולילה ו-“אלדין ומנורת הקסמים”. למרות שהוא הצליח רק להדגים ריחוף של שטיח בגודל של עשרה סנטימטר, הוא וקבוצתו האמינו שניתן לגרום בעתיד לאדם לרחף.

רעיון הרחיפה שלו שנובע משיקולים אווירודינמיים של גיליון שנע בנוזל, פורסם בכתב העת Physical Review Letters. “המיתוס של השטיח המעופף מצוי בכל מקום בתרבויות רבות, מכשף דמויות של מסעות קסומים ומיסטיים” כותבים פרופ’ מאהדבאן ושני החוקרים במאמר. “לאחרונה, אנימטורים מיחזרו חזיונות אלה בסרטים מצויירים ואולי היום לא ירחק שבו מהנדסים יספקו לנו מסע ממשי על אחד מהם. מפרספקטיבה פיזיקאלית אנו עשויים לשאול האם שטיח מעופף הוא אפשרי, ואם כן, תחת איזה תנאים הוא עשוי לפעול”. ומלים אלה נכתבו במאמר בכתב עת פיזיקאלי…

החוקרים ממשיכים לומר שבעולם הטבע ישנן אנלוגיות רבות לשטיח המעופף – כפי שנראה על ידי יצורים ימיים או דגים בעלי מבנה אנטומי שהוא דומה לגיליון (כמו שטיח)שגולש בנוזל. תצפיות ביצורים כאלה היוו מוטיבציה למחקר לפתרון אפשרי לבעית השטיח המעופף: השטיח כ”שוחה” בנוזל. החוקרים מתבוננים במודל כזה תוך שהוא שוחה ועובר דפורמציה. הם מתבוננים בתנועת הדפורמציה שלו ומבצעים אנלוגיה לגופים ששוחים בים. פרופ’ מאהדבאן אכן עבד קודם לכן על מודל מתמטי-פיזיקאלי של גיליונות אשר עוברים קימוטים ועיקומים (דפורמציה) במרחב. ב-2007 הוא הרחיב את המחקר לעילוי הגיליונות בנוזל. למעשה הרעיון הוא ליצור מעין פלוקטואציות גליות שדוחפות כנגד האוויר הסמוך לפני המשטח האופקיים של הרצפה. התנועות הגליות יוצרות זרימת נוזל שמובילה ללחץ גבוה במרווח שמצוי בין השטיח לרצפה. דבר זה גורם להתרוממות השטיח. המשקל של השטיח מאזן את הלחץ שגרם לעילוי.

מכאן

היכן אם כן הקסם מהמזרח שמעלה את השטיח המעופף? בעודו עולה, פלוקטואציות האדוות יכולות להניע את השטיח קדימה. קודם הן מסובבות אותו קצת על הצד ממש כמו אווירון ואחר כך השטיח נע קדימה כאשר קצהו מתרומם למעלה.

פרופ’ מאהדבאן אמר לכתבי העת המדעיים, כמו נייצ’ר ודומיהם ב-2007, שמתכון זה יגרום לשטיח לעוף בדיוק כמו יצורים ימיים מסוימים שחולפים באוקיינוס. אולם מאז לא נראו שטיחים מעופפים בשמי העולם וגם הארי פוטר ומעריציו לא נראו עם מטאטאי נימבוס 2000 בשמים.

הפרופסור העריך בשנת 2007, שכדי להישאר באוויר, שטיח שמידותיו הם בערך באורך של 10 סנטימטר ורוחב של 0.1 מילימטרים, יצטרך לרטוט בערך 10 פעמים בשנייה באמפליטודה של בערך 0.25 מילימטרים. לידיעת אלאדין, נראה לי שמנורת הקסמים לא תשרוד רטט כזה והג’יני יקבל בחילה ומחלת ים בנסיעה הזו.

נניח שהשטיח הוא עבה יותר. השטיח יצטרך לעבור אדוות קשות יותר והנוסעים יחוו מחלת ים רצינית ומשמעותית בעת הנסיעה. כל זאת כדי להשיג את הרחיפה ואת המהירות הדרושה. תראו אם ברצונכם נסיעה חלקה, ניתן במקום זאת ליצור אדוות רבות וקטנות, אומר הפרופסור ההודי.

בכל זאת, עם היוודע רעיון השטיח המעופף תהו ושאלו את הפרופסור האם אדם יוכל לעופף עליו, והוא ענה במאמרו שזה עדיין בגדר העולם המיסטי והקסם לעת עתה וזו התשובה מדוע איננו רואים בשמים שטיחים מעופפים. ומדוע? מכיוון שהמנוע שדרוש להניע את הויברציות של השטיח יצטרך להיות מאוד חזק. בנוסף יצטרכו לטוות את השטיח מחומרים אולטרא-קלים ומיוחדים (אולי ממטא-חומרים?). כמובן שבמים ניגוד הצפיפות בין השטיח למים הוא לא כמו באוויר, ולכן שטיחים מעופפים עבים הם מן הסתם הגיוניים במים… אבל פרופ’ מאהדבאן קווה שעבודתו לבסוף תוביל גם תוביל למטרה זו שאדם יעוף בשטיח מעופף בשמים. בכל אופן, מאז שנת 2007 פרופ’ מאהדבאן לא דיבר על השטיח המעופף…

יוגיסטים הודים (עוסקים ביוגה) שעושים לביטציה תועדו מאז 1884. בשנת 1936 פורסמו תמונות של היוגיסט סאביאה פולאבאר, גורו הודי. הוא ביצע רחיפה במשך ארבע דקות שלמות. ב-6 ליוני 1936 הוא ריחף כך אל מול קהל עדים של 150 איש. הוא היה במצב של טראנס עמוק – כאשר הוא יושב ואיבריו מקופלים. 

עוזריו בתחילה הקימו אוהל קטן באזור פתוח. אחר כך היוגיסט עצמו החל לסמן מעגל מים סביב היקף האוהל. הצופים לא הורשו להכניס נעליים לאזור שסומן על ידי המעגל. אחר כך היוגיסט נכנס לאוהל ושם הוא נותר חבוי ולא ראו אותו במשך מספר דקות. לאחר מספר דקות הנוכחים הסירו את האוהל. ברגע שהוא נחשף היוגיסט נראה כאשר הוא שרוי אופקית כמה סנטימטרים מעל לקרקע. הוא היה שרוי בטרנס והוא שם את ידו מעל למקל שהיה מכוסה במטלית. לבסוף הוא שקע למצב אופקי לקרקע.

התהליך כולו ארך בערך חמש דקות בסך הכל. כאשר האוהל הוסר היוגיסט היה שרוי על הקרקע עדיין בטרנס עמוק. מתנדבים נתבקשו לישר את אבריו. כאשר הוא נחת שוב חזרה לקרקע, הוא לא יכל לישר את אבריו בתחילה ממצבם הנעול. הצופים היו צריכים להתיז מים עליו ולשפשף אותו במשך חמש דקות בטרם הוא יצא ממצב הטרנס שלו ובטרם הוא יכל להשתמש באבריו.

הוא צולם וחדשות לונדון פרסם את סיפורו ואת התמונות.

 

מכאן

ריחוף של זהב

בינואר השנה הפיזיקאים ג’רמי מונדי, פדריקו קפאסו וקבוצתם דווחו שהם לראשונה ביצעו ניסוי שמדגים את הגרסה של אפקט קזימיר הדוחה, כלומר לראשונה הדגימו לביטציה או ריחוף. התוצאה של הניסוי הייתה מן אפקט שהוא כמו כוח העילוי שחווים בעולם המאקרו שלנו: כאשר גופים שהם פחות צפופים מהמים צפים על פי המים שסביבם. ולכן ניתן היה לכנות זאת עילוי קוונטי. ארכימדס צריך לזעוק “אאוריקה” עתה באמבט עם כתר מזהב טהור של המלך שלו.

הקבוצה בחרה שני חומרים (דו-תחמוצת הצורן וזהב) השרויים בנוזל (ברומובנזן – ריאקציה של ברומין לבנזין עם מימן ברומי) והראתה שניתן לראות שפלוקטואציות קוונטיות מניעות את החומרים זה מזה.

מכאן

Advertisements