“גדאנקנאקספרימנט” חדש: הוירוס של שרדינגר

“גדאנקנאקספרימנט” חדש (ניסוי אמיתי): הוירוס של שרדינגר

ב-1935 ארווין שרדינגר כתב את הדבר המדהים הבא: “מישהו יכול אפילו לתכנן מקרים מגוחכים למדי. חתול נכלא בתוך כלוב מפלדה, יחד עם הרכיב השטני הבא (שחייבים להגן עליו מחשש להפרעה ישירה מהחתול): במונה גייגר ישנה מעט חתיכת חומר רדיואקטיבי, כה קטנה, שאולי עם חלוף שעה אחת, אחד מהאטומים דועך, אבל גם, באותה הסתברות, אולי אף אחד. אם זה קורה, שפופרת המונה מתפקרת ובאמצעות תמסורת משחררת פטיש שמנפץ בקבוקון קטן של חומצה הידרוציאנית. אם משאירים את המערכת הזו כולה לבדה למשך שעה, נוכל לומר שהחתול עדין חי אם בינתיים שום אטום לא דעך. דעיכת האטום הראשונה תרעילו. פונקצית הגל של המערכת כולה תבטא זאת על ידי זה שתכלול בתוכה את החתול החי והמת (סליחה על הביטוי) מעורבב או מרוח כולו בחלקים שווים”.

ארווין שרדינגר – כאן וגם שם

פרדיגמת ניסוי החתול של שרדינגר היא אחד מניסויי המחשבה המפורסמים ביותר במכניקת הקוונטים. הקיום של מצבי סופרפוזיציה – השהיית החתול בין חיים למוות בו-זמנית, או עצם שמופיע במצבים שונים בו-זמנית –  היא המאפיין המזהיר ביותר של מכניקת הקוונטים.

עד כה, הקיום של מצבים אלה נבדקו בהקשר לעצמים זעירים כגון אטומים, יונים, אלקטרונים, פוטונים ואף מולקולות. לאחרונה ניסו ליצור סופרפוזיציה של אוספי פוטונים ואטומים, ואף של עצמים גדולים יותר.

עתה אוריול רומרו-איסרט ממכון מקס פלנק למכניקת הקוונטים בגרכינג בגרמניה והקולגות שלו מספרד מקווים ללכת צעד קדימה. הם מציעים את ניסוי ה”וירוס של שרדינגר”. אין זהו ניסוי מחשבה אלא הצעה לניסוי של ממש.

אוריול רומרו-איסרט. מכאן.

ניסוי באופטומכניקה קוונטית

זוכרים את ניסוי מיקלסון-מורלי המפורסם? הניסוי נועד לגלות את תנועת כדור הארץ דרך האתר המאיר באמצעות מכשיר שאותו מיקלסון תכנן והוא קרוי “אינטרפרומטר”. המכשיר מורכב מסידור של מראות – זו מול זו –  שביניהן האור מוחזר הלוך ושוב וכך יוצר כוך או חלל (cavity) אופטי של אופנים, גלים עומדים עבור תדירויות תהודה מסוימות.  

עתה נכניס גם מתנד מכני למערכת. המטרה של התחום שקרוי “אופטומכניקה קוונטית” היא לגרום לתנועה של גופים מאקרוסקופיים להגיע לגבול הקוונטי. כיצד? על ידי קירור התנועה המכנית של הגוף. הניסוי האופייני בתחום מורכב מהרכיבים הבאים: כוך או חלל אופטי, שתדירות התהודה שלו תלויה בתנועת ההעתק של מתנד מכני כלשהו, כמו למשל זרוע הקנטילבר של מיקרוסקופ כוח אטומי. התנועה המכנית מזיזה את תדירות התהודה, וכתוצאה לחץ הקרינה מופעל אל תוך הגוף המכני. האפקט הכולל שמתקבל הוא של צימוד אופטומכני, שצריך לאפשר לחוקרים לקרר את התנועה המכנית של הגוף לאנרגית מצב היסוד. או אז הגוף המאקרוסקופי שקורר יוכל להציג תופעות קוונטיות כמו סופרפוזיציה או שזירה קוונטית.  

החוקרים מגרמניה ומספרד מציעים ניסוי שיבדוק, האם גוף דיאלקטרי (לא מוליך), שמקורר לאנרגית מצב היסוד ולכוד בתוך החלל האופטי שמתוכנן היטב בלחץ מאוד נמוך, יכול להתקיים במצב של סופרפוזיציה של שני “מצבי חתול” קוונטיים. המודל של החוקרים הוא ניסוי שמבוצע במסגרת “אופטומכניקה קוונטית”.

וירוס מרחף בכוך

הניסוי מורכב מחלל אופטי בואקום וגוף דיאלקטרי זעיר המרחף בתוך החלל. ישנו מנגנון של שני לייזרים משני צידי החלל. זוג לייזרים אחד יוצר שדה שלוכד את הגוף הדיאלקטרי וזוג לייזרים שני יוצר שדה מניע שגורם ללחץ קרינה המאט את תנועתו המכנית של הגוף ומאפשר קירור התנועה של הגוף. הגוף מגיע לאנרגיה הנמוכה ביותר שלו, אנרגית מצב היסוד.

כאשר הגוף הוא באנרגית מצב היסוד החוקרים מציעים לשלוח פולס של אור לחלל האופטי ולשאוב את הגוף בעזרת שדה אלקטרומגנטי חזק. הגוף יגיע למצב של סופרפוזיציה קוונטית של שני “מצבי חתול” שרדינגר – מצב של תנועה וחוסר תנועה בו-זמנית. זאת עד שמגלים את שדה האור המוחזר.

מדוע ניסוי כזה הוא חשוב? מודל זה מתאים במיוחד לאורגניזמים חיים מסוימים כגון וירוסים, ששורדים תחת לחצי ואקום נמוכים ומתנהגים מבחינה אופטית בדיוק כמו עצמים דיאלקטריים בניסויים אופטומכניים. הוירוסים ירחפו בתוך החלל כמו העצמים הדיאלקטריים בניסוי:

34252840.jpg

קראו כאן.

הוירוסים מאוד דומים לעצמים דיאלקטריים קוונטים מהטעמים הבאים:

1)    מיקרואורגניזמים חיים מתנהגים כמו עצמים דיאלקטריים, כפי שהראו ניסויים קודמים במניפולציה אופטית בנוזלים.

2)    מיקרואורגניזמים מסוימים מדגימים התנגדות מאוד גבוהה לתנאים קיצוניים, ובייחוד לואקום שדרוש לניסויים האופטומכאניים הקוונטיים. הם יכולים לחיות בואקום בלחץ נמוך.

3)    גודלם של האורגניזמים החיים הקטנים ביותר, כמו וירוסים למשל, הוא בסדר גודל של אורך הגל של הלייזר, כנדרש בתבנית הניסויית התיאורטית שמודגמת על ידי החוקרים מגרמניה ומספרד.

4)    כמה וירוסים, כמו וירוסי השפעת הנפוצים (ומה עם וירוס שפעת החזירים?…). הם בגודל אופייני של בערך 100 ננומטר, וניתן לאחסנם במשך מספר שבועות בואקום עמוק בתוך חלל אלקטרומגנטי. המועמד האידיאלי הוא וירוס מוזאיקת הטבק בעל הופעת המוט ברוחב של ננומטר אחד ואורך של 50 ננומטר.

וירוס מוזאיקת הטבק (צולם על ידי האוניברסיטה הלאומית של אוסטרליה, בית הספר למחקר ביולוגי. Copyright  מכאן).

לכן, טוענים החוקרים, המחקר פותח אפשרות לבדיקת עקרון הסופרפוזיציה והטבע הקוונטי בעצמים דיאלקטריים קוונטיים ובייחוד באורגניזמים חיים כמו וירוסים. ניתן לעשות זאת על ידי היצירה של מצבי סופרפוזיציה קוונטית ברוח פרדיגמת ניסוי המחשבה המקורי של החתול של שרדינגר. כך ניתן יהיה להביא אורגניזמים חיים מורכבים יותר אל העולם הקוונטי. ואולי יום אחד אף לממש את ניסוי המחשבה של החתול של שרדינגר?…

Advertisements