האם יקיר אהרונוב יזכה בפרס נובל? 50 שנה לאפקט אהרונוב-בוהם

האם אהרונוב יזכה בפרס נובל בפיזיקה? כנס 50 שנה לאפקט אהרונוב-בוהם באוקטובר

הניחושים לקראת פרסי הנובל הם בעיצומם בסתיו עד להכרזה בתחילת אוקטובר. חברת רוייטרס תומסון הביטה בכדור הבדולח ונתנה רשימה של פיזיקאים שלדעתה עשויים לזכות השנה בפרס נובל בפיזיקה. הראשון ברשימה הוא פרופ’ יקיר אהרונוב:

Thomson Reuters Predicts the Nobel Prize in Physics

 

YAKIR AHARONOV
Professor, Department of Physics, Computational Science and Engineering, Chapman University, Orange, CA, USA; also, Emeritus Professor, Tel Aviv University, Tel Aviv, Israel, and University of South Carolina, Columbia, SC, USA (joint appointment) • Winner of the 1998 Wolf Prize and the 2006 EMET Prize in the Exact Sciences

 

אין כל ספק שהפרס מגיע לפרופ’ יקיר אהרונוב, כמובן על גילוי אפקט אהרונוב-בוהם המפורסם יחד עם דיויד בוהם בדיוק לפני 50 שנה – ראו הכנס באוניברסיטת תל אביב.

אחרי מלחמת העולם השניה, דיויד בוהם היהודי ממוצא הונגרי, נהפך לפרופסור בפרינסטון ועבד גם עם אינשטיין. אינשטיין אמר לדיויד בוהם ב-10 לפברואר 1954, “אם אלוהים יצר את העולם, דאגתו העיקרית הייתה בודאי לגרום לכך שהבנתו לא תהיה קלה עבורנו”. אין כל ספק שאפקט אהרונוב-בוהם נכלל בהגדרה זו.

אפקט אהרונוב-בוהם: הוא אפקט קוונטי-מכני טהור, כאשר אלקטרון או חלקיק טעון מושפע על ידי פוטנציאלים אלקטרומגנטים בהעדר שדות חשמליים או מגנטיים שמשפיעים על האלקטרון.

אם ניקח גוף טעון, משוואות התנועה הבסיסיות שלו מבוטאות במונחים של שדות מגנטיים וחשמליים. בתמונת העולם של הפיזיקה הקלאסית, בהעדר שדות אלה אין השפעה על הגוף. בפיזיקה מקבלים גדלים שקרויים “פוטנציאלים” שבעזרתם מחשבים את השדה החשמלי והמגנטי. עכשיו נעבור למכניקת הקוונטים. המשוואות הבסיסיות שמתארות את תנועת הגופים הן כבר שונות. ב-1959 יקיר אהרונוב ודיוויד בוהם גילו שהגדלים שקרויים פוטנציאלים הם בעלי תפקיד משמעותי בעולם הקוונטי, בניגוד למה שזה בעולם הקלאסי. הם הציעו שני ניסויים שבהם תכונות מסוימות של האלקטרון יהיו רגישות לשינויים בפוטנציאלים, וזאת אפילו כאשר לא היו בסביבה שדות מגנטיים וחשמליים שפעלו על החלקיקים הטעונים. העדר שדות אלה מבחינה קלאסית כאמור פירושו שאין כל כוח שפועל על החלקיקים. אבל בעולם הקוונטי עדיין ניתן לשנות את התכונות של האלקטרון. ניסוי ראשון: חלקיק טעון מושפע על ידי אזורים בעלי פוטנציאלים חשמליים שונים, זאת כאשר אין שדה חשמלי. ניסוי שני: המקרה הנפוץ ביותר הוא אפקט סולנואיד אהרונוב-בוהם: כאשר חלקיק טעון עובר סביב סולנואיד ארוך וחש בהזזת פאזה קוונטית כתוצאה מהשדה המגנטי הכלוא בו. וזאת למרות העדר כל שדה מגנטי באזור שדרכו החלקיק חולף. הזזת פאזה זו נצפתה ניסויית על ידי האפקט שלה על טבעות התאבכות. ניסויים אלה שעומדים בניגוד להגיון ידועים בשם אפקט אהרונוב-בוהם: הידע אודות השדה האלקטרומגנטי הקלאסי שפועל לוקאלית על החלקיק הוא לא מספיק כדי לנבא את ההתנהגות הקוונטית מכנית.

ראו המאמר המקורי של אהרונוב ובוהם:

Aharonov, Y. and D. Bohm, “Significance of electromagnetic potentials in quantum theory,” Phys. Rev. 115, 485–491(1959).

אפקט אהרונוב-בוהם עלה לכותרות השנה במרץ כאשר מחקר מאוניברסיטת וורוויק גילה ננו-טבעות אהרונוב-בוהם שמאטות ומקפיאות את האור. להלן הסיפור.

חוקרים מאוניברסיטת וורוויק בבריטניה גילו דרך להשתמש בנקודות קוונטיות בצורת סופגנייה (בעלת חור באמצע) כדי להאט ואף להקפיא את האור. בכך הם פתחו טווח רחב של אפשרויות החל מאפשרויות מחשוב ועד למה שקרוי “זכוכית מאטה”.

המפתח למחקר הזה הוא ה”עירור”: אלקטרון הועף לרמת אנרגיה גבוהה יותר על ידי פוטון, כאשר הוא מותיר חור או אלקטרון נוסף בקליפה סביב הגרעין של האטום. למרות מצב האנרגיה החדש הזה, האלקטרון נותר בזוג יחד עם אחד החורים או המיקומים שנותר פנוי על ידי האלקטרונים שנעו לרמת האנרגיה הגבוהה יותר. כאשר רמת האנרגיה הגבוהה יותר של האלקטרון דועכת שוב הוא נמשך חזרה לחור שאליו הוא קשור, כאשר שוב נפלט פוטון בתהליך.

מחזור זה בדרך כלל מתרחש מהר מאוד, אבל אם ניתן למצוא דרך להקפיא או לעקב עירור זה במקום למשך זמן מה, או אז ניתן לעקב את הפליטה מחדש של הפוטון ואפקטיבית ניתן להאט או אפילו להקפיא את האור.

החוקרים מאוניברסיטת וורוויק, שבראשם ד”ר אנדראה פישר וד”ר רודולף א. רואמר מהמחלקה לפיזיקה, בחנו את האפשרויות שהציבו בפניהם טבעות זעירות (בצורת סופגניות) של חומר שבמקרה הופקו במהלך היצור של נקודות קוונטיות. כאשר נוצרו נקודות קוונטיות זעירות אלה בגודל של בין 10 עד 100 ננומטר, הפיזיקאים גרמו לחומר להינתז בעוד הם יצרו את המשטח, כאשר הם השאירו את הטבעות של החומר בצורת סופגנייה. למרות שהן נוצרו במקרה, “ננו-טבעות אהרונוב-בוהם” אלה היו מקור חדש למחקר, ובמקרה הן היו בדיוק בגודל המתאים להכיל אקסיטון (זוג אלקטרון-חור קשורים על פי התיאור שלמלה).

אולם רק היות הננו-טבעות בגודל המתאים עדיין לא מאפשר להן להכיל אקסיטון לפרק זמן כלשהו. החוקרים מוורוויק גילו שבעזרת שילוב של שדות מגנטיים וחשמליים שמיושמים לננו-טבעות אלה הם למעשה יכולים פשוט לכוון את השדה החשמלי כדי להקפיא אקסיטון במקום או לגרום לו לקרוס ואז לפלוט מחדש פוטון.

חוקרים אחרים השתמשו בחומרים אקזוטיים כדי להאט דרמטית את מהלך האור והאטו את מהירות האור למהירות של 17ms-1 בגז אולטרא קר של אטומי נתרן, טכניקות שעושות שימוש בעיבוי אינשטיין-בוז. אולם הטכניקה של החוקרים מוורוויק הייתה הפעם הראשונה שבה נמצאה טכניקה שבאמצעותה ניתן היה לגמרי להקפיא ואחר כך לשחרר פוטונים בודדים כרצוננו.

מחקר כלכלי חדש: לומר סליחה לא עולה כלום וגם זול

לרגל יום כיפור: לומר סליחה זה באמת לא עולה כלום לפי מחקר כלכלי חדש

במחקר חדש מ-21 לספטמבר שבוצע במרכז למחקרי החלטות וכלכלה ניסויית שבבית הספר לכלכלה בנוטינגהם בבריטניה, כלכלנים סוף כל סוף הוכיחו את מה שרובנו חשדנו מזה זמן רב – כאשר זה מגיע להתנצלות, זול יותר לומר סליחה.

בהתאם למחקר חדש, ממש מעכשיו (לקראת יום כיפור?), חברות שרק אומרות סליחה לצרכנים ממורמרים, מצליחות יותר מאשר אלה שמציעות פיצוי כספי לכעוסים. מסתבר שהתכסיס של הסליחה עובד. וזאת למרות שהצרכן המקבל את ההתנצלות כמעט אף פעם לא מקבל אותה מהאדם שביצע את “הפשע” – כלומר מהאדם שפגע בו מלכתחילה ורימה אותו בקניה או ברכישה למשל.

הכלכלנים בתחילה חיפשו לראות האם צרכנים שרימו אותם המשיכו לעשות עסקים באותו המקום לאחר שהתנצלו בפניהם ובקשו מהם סליחה יפה. החוקרים מצאו שהאנשים נטו פי שניים לסלוח לחברה שהתנצלה בסליחה מאשר זו שהציעה במקום מזומנים. התוצאות לכן הוכיחו שסליחה הייתה חזקה יותר ולכן זולה יותר.

הממצע המפתיע יותר הוא… שידוע שחברות מעסיקות סלחנים מקצועיים שכל משרתם היא אך ורק לומר: “סליחה” לצרכנים שחשים מתוסכלים. ניתן לחשוב שאם הסליחה לא עולה כסף או אז הצרכן יתעלם ממנה כאילו זהו דיבור זול. המחקר מראה שלא כך, והמחקר מראה שהתנצלות זו מסלחן מקצועי אכן משפיעה על התנהגות הצרכן יותר מאשר המתקתו בכסף. ומדוע?

אנשים פשוט לא מודעים לכך שעומד מולם סלחן מקצועי במקום אדם פרטי שבאמת מרגיש רגשי אשמה של החברה על כך שהיא פגעה בהם. מנקודת המבט של הכלכלה ההתנהגותית, גם אם אמירת הסליחה היא צבועה, מחושבת ופשוט אמירה זולה לכל דבר של סלחן מקצועי, היא מניבה תוצאה טובה יותר מאשר פיצוי כספי. זאת בגלל שכנראה שאמירת מילות הקסם “אני מצטער” ו-“סליחה” מעוררת בצרכן אינסטינקטים פסיכולוגיים לסלוח לחברה – אינסטינקט שקשה להתגבר עליו בצורה רציונאלית.  

מסקנה? תתחילו לומר סליחה, כי זה פשוט עובד.

מדריך הטרמפיסט לחור השחור ולחור התולעת

מדריך הטרמפיסט לחור השחור ולחור התולעת

הבה נבחין בין חורי תולעת לבין חורים שחורים: לחורים שחורים יש אופק אירועים ואילו לשפות לוע של חור התולעת אין אופק אירועים. מאפיין בולט של חור תולעת הוא המנהרה. למשל באליס בארץ הפלאות, אליס יוצאת משפת התמזה ומגיחה דרך מנהרה של מאורת השפן הישר אל עולם הפלאות. ובספר השני היא יוצאת מאוקספורד ומגיחה דרך המראה אל עולם המראה. כלומר דרך המנהרה גופים פיזיקאליים יכולים בהחלט לחלוף (לפחות בעולם הפלאות). המרחב-זמן מאוד מתעקם סמוך ללוע החור. התעקמות זו מגיעה לערכים שמתאימים בדיוק לאופק האירועים של חור שחור בעל אותה המסה. אבל את שפות לוע חור התולעת מקיף חומר (פאנטום) אקזוטי.

שיחה מקיפה על חורים שחורים. וגם שיחה על חורי תולעת, גופים מתמטיים שנובעים מתורת היחסות הכללית של אינשטיין ולא ברור אם אי פעם בכלל נגלה אותם. יתכן שהם נמצאים בדיוק בחצר האחורית מאחורינו במרחק נגיעה…

מדריך הטרמפיסט לחור השחור

נתחיל בחור שחור. חור שחור הוא גוף שיש לו שדה כבידתי כה חזק שאפילו האור לא יכול לברוח ממנו. לכן הוא שחור, כמעט לפי הוקינג. חורים שחורים אסטרופיזיקאלים יכולים להיווצר כתוצאה מקריסה של כוכבים מאוד מסיביים בעת מותם. הכוכב הוא כה מסיבי שדבר לא יכול לעצור את קריסתו הכבידתית. כל החומר של הכוכב קורס לנקודה קטנה לאין שעור, לסינגולאריות. החור השחור מוגן מפני העולם החיצוני על ידי אופק אירועים. זהו כדור מסביב לחור השחור שממנו האור כבר לא יכול לברוח. כל דבר שחוצה את אופק האירועים נעלם לעד.

מצוידים בזכוכית מגדלת, בפנס ובעוד אביזרים, איך נמצא חור שחור? כדי לגלות חור שחור צריך לבדוק את השפעת השדה הכבידתי המסיבי שלו על הגופים מסביבו, השפעתו על כוכבים ועל חומר ביקום. נוצרת קרינה כתוצאה מנוכחותו, ישנן דיסקות ספיחה סביבו –  חומר שפולט אנרגיה בזמן נפילתו אל תוך החור השחור. חורים שחורים אפילו מעקמים את האור באמצעות תופעת עדשות הכבידה. בנוסף ישנה התופעה של סילונים מחורים שחורים: סילוני חלקיקים שמסתם היא בערך כמסת הפלנטה צדק, והם מורכבים מפוזיטרונים ואלקטרונים או מאלקטרונים ופרוטונים. הם נורים לחלל הבין גלקטי למאות או אלפי שנות אור בכמעט מהירות האור. כך למרות שהם שחורים, בכל זאת חורים שחורים משאירים עדות לקיומם. אם חור שחור נוצר ליד כוכב – הכוכב נזלל על ידי החור השחור, וזוהי עדות לקיום חור שחור. יש המאמינים שגלקסיות רבות מכילות חור שחור סופר מסיבי במרכזן. חורים שחורים אלה זללו חומר כה רב שהם תפחו למסות של מיליוני שמשות.

מה רואים על שפות החור השחור?

ניסע לבקר בחור שחור. בתחילה נהיה בנפילה חופשית, חסרי משקל כמו אסטרונאוטים. מה נרגיש כאשר נגיע לשפות החור? לבסוף כוחות הגאות הכבידתיים יפרקו אותנו לגזרים. מתקרבים ומתחילים להימתח: הרגליים יותר קרובות לחור מאשר הראש. הרגליים חשות במשיכה גדולה יותר מאשר הראש. נמתחנו בדיוק כמו אליס בארץ הפלאות. הכוח שמבצע את המתיחה הוא כוח הגאות. בדיוק כמו הגלים בים על כדור הארץ, כך גם אנחנו נמתחים ונמשכים. כוחות הגאות מתחזקים. ברגע שאנחנו בתוך אופק האירועים, ניתן היה תיאורטית ללכת ערומים כי איש מבחוץ לא יכול לראות אותנו – האור מאיתנו לא יכול לחמוק מאופק האירועים. כל התהליך לוקח כמה דקות (במקרה הטוב) ותוך שניות ואף מהר יותר, בום פוגעים בסינגולאריות. לכן להיכנס לחור שחור פירושו להימחץ לגזרים בסינגולאריות. נניח שלכן הבנו מהר מאוד שעלינו לסובב את ההגאים ולשוב חזרה – הבנה זו צריכה להתרחש תוך שניות בודדות לכל היותר.

עבור אנשים על גבי כדור הארץ המסע שלנו לחור השחור יראה כמו מסע של אליס למשתה התה של הכובען המטורף, שם השעה תמיד 5 אחר הצהרים והזמן עצר מלכת. בעודנו קרבים לחור השחור הזמן הולך ומאט את קצבו. מנקודת מבטו של הצופה על כדור הארץ, ככל שנתקרב לחור השחור, תנועתנו תראה איטית יותר ויותר. לבסוף כאשר נחצה את אופק האירועים הזמן יקפא מלכת. נעמוד על אופק האירועים ולא נרגיש כל שינוי. אולם עבורנו הזמן ימשיך להתקדם כמיקודם באותו הקצב. נמשיך לראות את היקום סביב כי האור מבחוץ עדין מגיע אלינו. אם כי הכל מבחוץ יראה קצת מעוות (כי כבידת החור השחור מעקמת את האור). אם נחליט לשוב חזרה לכדור הארץ, ונסובב את ההגאים של חלליתנו ונצליח לשוב הביתה, נגלה את כדור הארץ שנים רבות בעתיד, בדיוק כמו בפרדוקס התיאומים.

מדריך הטרמפיסט לחור תולעת

חור תולעת הוא תולדה של תורת היחסות הכללית של אינשטיין. חור תולעת הוא קיצור דרך, מעבר דרך תעלה בחלל ובזמן. בסדרה “בלייק הולזי היי” (“בלאק הול היי”), התלמידים למדעים נכנסו לחדר המורה למדעים בבית הספר התיכון בקנדה והיה נפער חור תולעת במרכז הרצפה. התלמידים היו שבים אחורה בזמן לתקופות זמן מסוימות בעבר (מאז שנוצר חור התולעת ברצפת בית הספר) כדי לפתור תעלומות שקשורות בבית הספר. אולי אם נצא עם מדריך הטרמפיסט לגלקסיה, ספר של ז’ול ורן, מפה לבטן האדמה, נר ועששית ונחפש חור תולעת, נמצא אחד?

הכל התחיל ב-1916 כאשר קארל שוורצשילד מצא פתרון למשוואות השדה של אינשטיין מתורת היחסות הכללית בצורת חור שחור. מיד אחר כך באותה השנה ב-1916 לודוויג פלאם גילה שמשוואות אינשטיין מאפשרות פתרון נוסף, חור לבן, ההפך מהחור השחור, אך שנע אחורנית בזמן. בעוד שהחור השחור בולע הכל, החור הלבן יורק אנרגיה וחומר החוצה. מין הסתם לכן החור הלבן מפר בצורה בוטה את החוק השני של התרמודינאמיקה ולכן לא סביר שהוא קיים בטבע. ההנחה הייתה שהחור הלבן מתחבר עם החור השחור בתעלה ביקום. כלומר ששני הפתרונות מחוברים ביניהם מתמטית על ידי תעלה במרחב-זמן כאשר הם מתארים שני אזורים שונים במרחב-זמן.

ב-1935 אינשטיין והפיזיקאי נתן רוזן השתמשו ביחסות הכללית כדי לבחון את צורת המרחב-זמן סמוך לכוכב מאוד מסיבי. הם מצאו שהמרחב-זמן התעקם למנהרה, שהיא חור ביקום. אינשטיין ורוזן שמו לב שמנהרה זו תוביל לאזור אחר של היקום. הם הבינו שמעבר דרך המנהרה הזו דרש מהירויות גבוהות יותר מזו של האור. מכיוון שזה היה אסור עלפי תורת היחסות הפרטית, אינשטיין ורוזן הסיקו שפתרון זה הוא רק מקרה מוזר מתמטי ללא ממשות פיזיקאלית והיחסות לא מאפשרת מעבר דרך גשר זה. אם גשר כזה איכשהו נפתח הוא ייסגר מיד בטרם פוטון בודד אחד יכול לעבור דרכו וכך תישמר הסיבתיות של תורת היחסות.

ב-1988 שלושה פיזיקאים מיקל מוריס, קיפ תורן ואולבי יורטסבר מהקלטק פרסמו את המאמר הרציני הראשון אודות חורי התולעת. הרעיון למאמר היה ספר מדע בדיוני בשם “מגע” מאת קארל סייגן. סייגן היה אסטרונום והכיר היטב את תורת היחסות והחורים השחורים והוא שאל את קיפ תורן, האם מסע בזמן יתכן דרך חור תולעת? תורן הבין שגשר אינשטיין-רוזן יכול לשמש כמכונת זמן. אולם תורן הזהיר שחור תולעת צריך להכיל חומר אקזוטי שלא קיים בעולמנו, חומר שיצור אנטי-כבידה או דחייה כבידתית כדי לאפשר לנוסע בזמן לעבור דרך חור התולעת מבלי שהחור יקרוס על עצמו. דחייה כבידתית יכולה להיווצר על ידי אנרגיה שלילית או לחץ שלילי. 

חורי תולעת יכולים לקשר בין יקומים שונים, הם יכולים לחבר בין מיקומים שונים באותו היקום והם יכולים אף להיות תעלה מחברת בין חור שחור לבין חור לבן, ביקום. כך צמח לו המיתוס האורבאני לפיו ישנו חור תולעת בלב כדור הארץ המחבר בין משולש ברמודה (חור שחור) למשולש השטן (חור לבן). תהיה אשר תהיה הפונקציה של חור התולעת, הפיזיקה שלו היא אותה פיזיקה, חורי התולעת נוצרים כחיבור בין שני מיקומים במרחב-זמן, כאשר הם עוקפים את המסע הרגיל במרחב-זמן התלת ממדי.

אולם נשאלת השאלה הבסיסית והמטרידה (שאין עליה עד היום תשובה), האם חורי תולעת קיימים? והתשובה היא: לא יודעים. הם אפשריים מבחינת המשוואות של תורת היחסות וזה אומר שיתכן והם קיימים ויתכן שהם רק יצירים מתמטיים. כמו תמיד עם פתרונות מתמטיים בלתי אפשריים, במידה והם באמת קיימים, חורי התולעת הם כנראה מאוד לא יציבים, קשורים באנרגיה שלילית, ולכן כל אפשרות לנוע דרכם במרחב ובזמן היא קצרת מועד. בנוסף, הקרינה שחולפת דרך חור התולעת מוסחת לכחול במידה כה רבה, שנוסע שינוע דרכם יישרף מהר מאוד.

טוב אז איך אפשר לדעת שיש לנו בחצר חור תולעת?

נניח שחורי תולעת אכן קיימים, קשה להאמין שנמצא דרך לפתוח חור תולעת בחצר יקומנו, ממש לידנו. כנראה שהם מאוד חמקניים וכנראה שנזדקק לציוד מאוד מיוחד כדי לנוע דרך חור תולעת, מה שבסופו של דבר יהיה מעשית בלתי אפשרי.

ב-2006 הפיזיקאי פול דייויס הסביר כיצד לבנות מכונת זמן דרך חור תולעת שכזה על בסיס רעיונותיו של קיפ תורן. כדי להשתמש בחור תולעת למסע בזמן למשל יש לבנות חור תולעת או למצוא כזה מוכן ומזומן ביקום. צריך למצוא תעלה שמחברת בין שני מיקומים שונים בחלל. נניח שחורי תולעת גדולים מתקיימים באופן טבעי בחלל העמוק, שרידים מהמפץ הגדול. תורן ועוזריו הציעו ב-1988 שאולי ניתן לדמיין ולמצוא יום אחד חור שחור מסתובב מטיפוס קר שמבחינה מתמטית יש בתוכו תעלות למקומות אחרים – או ביקומנו או ביקומים אחרים. במקרה של חור תולעת המקשר שני מקומות באותו היקום, המרחק החיצוני בין המקומות יכול להיות מאוד גדול (במגה שנות אור) או שהמרחק דרך חור התולעת יכול גם להיות מאוד קטן. אם כן, איך מוצאים כזה חור תולעת? התשובה של תורן ועוזריו הייתה בשעתו: לא יודעים.


 

מכאן

 

ההצעה של תורן ועוזריו הייתה שקיימים חורי תולעת תת-אטומיים היכן שהוא סביבנו באורך פלנק, כלומר באורך שהוא יותר קטן מזה של הגרעין האטומי. כל שיש לעשות הוא למשוך חור תולעת כזה מהקצף הקוונטי ולהגדילו לגודל קלאסי. יש למשוך ולהגדיל חור תולעת זעיר שכזה לגודל אנושי. אחר כך אולי יהיה ניתן להשתמש בו לנסיעה בזמן בעזרת שדות אנרגיה כמו אלה שגרמו לחלל להתנפח ממש אחרי המפץ הגדול. כמובן שיש לייצב את חור התולעת כדי שלא יתמוטט על עצמו ולבסוף תוך שימוש באפקט האטת הזמנים מהיחסות הפרטית, יש לשנות את הזמן בפתח אחד של חור התולעת ביחס לפתח האחר. נניח שבתחילה שני הפתחים של חור התולעת הם במנוחה זה ביחס לזה. אחר כך, הפתח השמאלי נותר במנוחה ואילו הפתח הימני מואץ כמעט למהירות האור, הוא מסתובב, משנה כיוון ואז שב למנוחה. יוצרים את התנועה הזו למשל על ידי משיכה כבידתית או חשמלית חזקה. תנועה זו גורמת לפתח הימני להזדקן פחות ביחס לפתח השמאלי מנקודת מבט חיצונית. כתוצאה על ידי חציה של חור התולעת מימין לשמאל, ניתן לנוע אחורה בזמן וכך אולי להפר את הסיבתיות. דייויס מציע למקם את הפתח הימני ליד פני משטחו של כוכב ניטרונים – כוכב מאוד צפוף, בעל שדה כבידה חזק. הכבידה החזקה גורמת לזמן לחלוף לאט יותר בפתח זה. וכך חור התולעת יכול לחנות שם בקביעות והפרש הזמן בין הפתחים השמאלי והימני מוקפא. נניח, אומר דייויס, שהפרש הזמן הוא 10 שנים. נוסע שעובר במנהרה של החור בפתח אחד קופץ לעתיד 10 שנים. בעוד שנוסע שעובר בכיוון השני קופץ 10 שנים לעבר ויכול להגיע לנקודת היציאה ממנה הוא בא (אבל לא לעבר שטרם יצירת חור התולעת). כך נוצרה לולאה סגורה בחלל ובזמן.  

הבעיות רק מתחילות. יש לצקת בחור אנרגיה שלילית שמופקת באמצעים קוואנטים (כמו למשל באמצעות אפקט קזימיר), כך שעצם יוכל לעבור דרכו בבטחה. האנרגיה השלילית מאזנת את הנטייה של חור התולעת להידחס לנקודה סינגולארית בעלת אינסוף צפיפות. כלומר היא מונעת מחור התולעת מלהיהפך לחור שחור. כמובן שזקוקים לחומר אקזוטי. החומר הזה יצור אנטי כבידה שתלחם בנטייה הטבעית של מערכת מסיבית להתפוצץ לחור השחור. אנטי כבידה או דחייה כבידתית ניתן ליצור על ידי אנרגיה שלילית או לחץ שלילי. מצבי אנרגיה שליליים ידועים כקיימים במערכות קוונטיות מסוימות, מה שמציע שהחור האקזוטי של תורן לא נשלל לגמרי על ידי חוקי הפיזיקה, למרות שלא ברור האם מספיק חומר אנטי-כבידתי יכול להיות מורכב כדי לייצב חור תולעת. ואם מדובר בחורי תולעת בסקאלה קוונטית שיש להפוך אותם לחורי תולעת גדולים, את אלו ניתן לייצב על ידי פולס של אנרגיה ואז איך שהוא לבצע להם אינפלציה לממדים שמישים. ואולם, חוסר היציבות של החורים הובנה בסוף שנות השמונים ככה חמורה שלא היה ברור באותה תקופה כיצד אדם יכול לנוע דרכם ואפילו פוטון לא יוכל לחלוף דרך לוע חור התולעת. אפילו במהירות האור הפוטון לא יכול לחלוף דרך לוע החור בטרם ילכד בתוכו באזור בעל עקמומיות אינסופית. כל שכן יצור אנושי. גורלו יהיה גרוע אף יותר. חורי התולעת פשוט יקרסו כה מהר לאחר היווצרותם שדבר לא ינצל ממה שחדר לתוכם. אכן הנוכחות של חומר-אנרגיה בתוך חור התולעת מאיץ את קריסתו. נראה שעצם הדינאמיקה של חור התולעת גורמת לו להיות בלתי ניתן לחצייה בעליל.

ב-2008 – עשרים שנה אחרי מאמרם המפורסם של מוריס, תורן ויורטסבר – חוקר רוסי בשם אלכסנדר שצקי הציע לפתע רעיון חדש: מערך אנטנות רדיו מדויק יכול אולי לצוד חורי תולעת ביקום…

 

 

סליחה אלוהים, למה פיזיקאים רוצים להיות אלוהים

האם הגיע הזמן להגדיר מחדש את אלוהים כבעל יכולות מעבר לבורא עולם? ישנם פיזיקאים שמציעים לברוא יקום במעבדתם. למה פיזיקאים רוצים ליצור יקום במעבדה? אולי כדי להיות מעט אלוהים. בשנת 2006 הועלתה הצעה מתמטית ליצירת יקום במעבדה. האם קמה תחרות לאלוהים? כנראה שלא. כי מאז 2006 לא הועלתה הצעה נוספת וגם לא נוצר יקום מתחרה לשלנו לפי מודל זה. לפחות לא ידוע לנו על כך. אפשר לשלוח את שרלוק הולמס עם זכוכית מגדלת ענקית שיחפש במאיץ ההדרונים הענק שבסרן מיני חורים שחורים שמהם יולדו יקומים חדשים וייעלמו כלא היו במהירות הבזק. ואז אולי התיאוריה תקבל אימות היסטורי. בינתיים לא שמענו על שום חדשה מסעירה מעשית בתחום. לא נמצא אף יקום חדש ולא קם איש שיצר יקום כזה (ולו אף הזעיר ביותר) במעבדה.

שמענו שפיזיקאים יצרו חורים שחורים במעבדה, כלומר יצרו במעבדה מודלים שמחקים את ההתנהגות של חורים שחורים כמו למשל חורים סונים. נדמה היה שתגליות אלה סללו את הדרך ליצירת מבנים שמימיים גדולים יותר במעבדה. אולם כלום מכל זה לא ישווה להצעתו של היפני נוביוקי סאקי Nobuyuki Sakai  והקולגות שלו מאוניברסיטת יאמגטה משנת 2006 הם גילו בשעתו דרך מתמטית-פיזיקאלית לשימוש במאיץ החלקיקים כדי ליצור יקום חדש שלם.

לרגל יום הכיפורים מובא הסיפור ומועלית השאלה הבאה: סליחה אדון עולמים אשר במרומים, הפיזיקאים כאן על כדור הארץ הנידח והלא חשוב כל כך הזה, שואלים אותך ריבונו של עולם, מהו המתכון כדי להיות אלוהים בורא העולם?

חשבו נא לרגע על הרעיון של יצירת יקום נוסף. היקום שלנו מהו? הוא בעל מיליארדי-טריליארדי גלקסיות, ומיליארדי-מיליארדי צבירי גלקסיות, ומיליארדי טריליארדי כוכבים ואינסוף הגופים שמאכלסים כל פינה נידחת שביקום שלנו שכמובן אין אנו מכירים אותם ולעולם גם לא נכירם. מכיוון שהיקום הוא בן 13.7 מיליארד שנה (כך אנו חושבים לפחות), אנו יכולים להכיר רק את החלק הזעיר של היקום שהחזיר את האור (שנע במהירות סופית וקבועה) שהספיק להגיע עד אלינו בזמן זה. ובכן ב-2006 אמרו לנו חוקרים יפנים שהם גילו דרך ליצור יקום מבראשיתו (כך שיגדל לממדי ענק אלו ביום מן הימים) ויהיה שכן נאמן ליקום שלנו. וזאת מבלי שהם מכירים את רוב רובו של יקומנו על החומר האפל שלו והאנרגיה האפלה שלו, ובייחוד כיצד הוא פועל.

ראשית, הרעיון של יצירת יקום נוסף (למה בכלל ליצור יקום נוסף? כי נמאס לנו כבר מהיקום שלנו?) הוא לא חדש. הרעיון הוא בעל היסטוריה ארוכה. אנשים החלו להרהר משחר ההיסטוריה מה יקרה אם נשים כמות עצומה של חומר או אנרגיה במקום אחד במעבדה ונירה לכיוונה בתותחים קליעים ברעש עצום. האם נוכל לרכז מספיק אנרגיה עצומה כדי ליצור מפץ גדול? לאלוהים הפתרונים. שבנו בדחילו ורחימו לאלוהים. מסתבר שכל החלקיקים שניצור בתהליך כזה ימשכו זה את זה ויקרסו תחת הכבידה של עצמם. במקום ליצור יקום במעבדה יצרנו חור שחור. שוב עלינו לבקש סליחה מהאל על שאנו רוצים לשחק במשחק הבריאה.

ב-1981 אלאן גוט מה-MIT הציע את רעיון היקום האינפלציוני. פירושו של דבר שהיקום עבר דרך תקופה של התפשטות מהירה בדיוק אחרי המפץ הגדול. איך היקום עובר אינפלציה? אף אחד לא יודע. ניצור יקום חדש במעבדה ונגלה כיצד. לפתע התעוררו תיאוריות יצירת היקום במעבדה. סליחה ריבון עולמים, אנחנו שבים למשחק הבריאה.

פיזיקאים הציעו שהואקום (מלאכותי, מזויף ועוד מיני מונחים כאלה) או המרחב-זמן הריק הוא לא ריק ככלות הכל, אלא הוא נתון לפלוקטואציות קוונטיות שגורמות לבועות מוזרות להופיע בזמנים אקראיים. בועות אלה של המרחב-זמן הן בעלות תכונות מוזרות. למשל, הן יוצרות כוח כבידה דוחה בתוכן, מה שגורם למרחב-זמן של הבועה להתנפח. גודל הבועה לא משתנה עבור צופה מבחוץ. הגידול מתרחש רק בתוך בועה עבור צופה בתוך הבועה. בגלל שהלחץ בתוך הבועה הוא תמיד נמוך יותר מהלחץ בחוץ, בועות שמתחילות לגדול מתחת לגודל מסוים קורסות תחת המתח של דפנות הבועה בטרם החלל שהן מכילות מספיק להתפשט. כלומר, אם הבועה היא קטנה מידי, דפנותיה תמיד יטו לקרוס פנימה. לגבי בועות גדולות יותר, תיאורטית הן יכולות אמנם לגדול לממדים קוסמולוגיים, אולם הן צריכות דחיפה התחלתית בטרם הן תתפשטנה. ביקום הקדום שלנו דחיפה זו סופקה על ידי המפץ הגדול – נקודה בעלת צפיפות אנרגיה אינסופית. שחזור נקודה כזו במעבדה היא הבעיה. ברוכים הבאים למעבדה של אלוהים. שוב סליחה ריבונו של עולם, החוקרים גילו בועות והם חושבים שהגיעו לפתרון הבריאה. הם מתחילים לשחק במעבדה עם כמה משוואות קוסמולוגיות.

ב-1989 ווילי פישלר, קוסמולוג מאוניברסיטת טקסס באוסטין והקולגות שלו, גילו דרך עוקפת לבעיית שחזור נקודת המפץ הגדול במעבדה. הם הראו שאותם תהליכים קוונטיים אקראיים שיצרו את הבועה הקוונטית גם יאפשרו להפוך אותה ספונטאנית לגדולה יותר. ברגע שבועה גדולה יותר זו התפרצה החוצה, היא יכלה לעבור אינפלציה ליקום חדש ללא צורך בתהליך דחיפה ממקור בעל אנרגיה אינסופית. האם פרצנו את הסיסמא “סומסום היפתח” למעבדה של אלוהים? מסתבר שעדיין לא. כי נותרה בעיה אחת. כמו תמיד.

המעבר הספונטאני מבועה זעירה לבועה בממדים גדולים יכול להתרחש במשך זמן רב. והבועה ההתחלתית נוטה לקרוס תחת המתח של דפנותיה בטרם היא ממירה את עצמה לבועה גדולה יותר.

אומנם נראה היה שרק צריך ליצור בועה קטנה ואז לנפח אותה מהר כמו בלון ליקום ענק. אולם עברו שנים רבות והמפתחות למעבדה של אלוהים נשארו בגדר תעלומה ולא נמצאו. והנה נראה היה שב-2006 החוקרים מיפן מצאו סוג של מפתחות. סאקי הציע להשתמש במונופול מגנטי – חלקיק כדורי מוזר שמכיל שדה מגנטי צפוני או דרומי, בעל מסה עצומה שמרוכזת בנפחו הזעיר ובעל צפיפות אנרגיה עצומה שנוצרת על ידי שדה היגס. אנרגית היקום צבורה בשדות מסוגים שונים, כאשר אחד מהם קרוי שדה היגס: הוא אחראי לכך שצפיפות האנרגיה בתוך הבועות תהיה קבועה. אם נספק למונופול מספיק אנרגיה הוא יתחיל בתהליך האינפלציה. כיצד נגרום לו להיכנס לאינפלציה? אם מונופול שמרחף בחלל יתנגש בגוף מסיבי אחר הוא יצבור את המסה שדרושה לו כדי לגרום לאינפלציה. מי המועמד להתנגשות? מיתר קוסמי – קרע משוטט של המרחב-זמן. עוד לא פגשנו במיתר כזה, אבל מיתרים קוסמיים – כך מספרים לנו – נוצרו כתוצרי לוואי של המפץ הגדול. נניח שאנחנו רוצים משהו יותר קונקרטי ממיתרים. סאקי מציע שניתן לגרום לאינפלציה על ידי חלקיקים שממטירים אותם במונופול במאיץ חלקיקים. זה יוסיף מסה וכך אנרגיה למונופול ויגרום לו להתנפח ליקום לחלוטין חדש.

נניח שיצרנו כזה יקום במעבדה. איפה נשמור אותו, בארון? זה לא כל כך ילך. הוא גודל וגודל וגודל… לסאקי יש פתרון גם לזה. בתחילה תהליך יצירת היקום מעוות כל כך את המרחב-זמן, כך שהחלל בכלל מעבד את הגיאומטריה הרגילה שלו. זה בכלל לא כאילו שהיקום יתנפח ויבלע אותנו. מזל. חוץ מזה ליקום שנברא יש את המרחב-זמן משלו, ומרחב-זמן זה הוא לגמרי אחר משלנו – והוא-הוא זה שמתנפח. הסירו דאגה מלבכם. המרחב-זמן הזה שמתנפח נקרא בשם “ואקום מלאכותי”. ואילו הואקום שלנו הוא הואקום האמיתי.

אתם יודעים זה מזכיר את האתר של המאה ה-19. במאה ה-19 נהגו לכנות את המערכת באתר המערכת האמיתית ואילו את כל שאר המערכות שנעות יחסית לאתר, בשמות גנאי: “נראה”, “מלאכותי”, “לכאורה”, וכולי. אז חזרנו לאתר? במידה מסוימת כן. כבר אמרו את זה מזמן ברגע שהציעו את החומר והאנרגיה האפלים.

אלוהים ישמור. כן במעבדה. אם כן אמרנו שהיקום שבראנו הוא בעל מרחב-זמן משל עצמו, שעובר אינפלציה. ואז הלחץ מהואקום האמיתי מבחוץ על דפנות היקום בעל הואקום המלאכותי שבראנו ממשיך להגביל אותו. הכוחות (אינפלציה מול לחץ מהואקום האמיתי) מתחילים להתחרות זה בזה והיקום נאלץ ליצור בועה מהמרחב-זמן עד אשר החיבור היחיד ליקום שלנו הוא באמצעות תעלת מרחב-זמן צרה שקרויה חור-תולעת. צופה שיושב על המונופול יראה את היקום מתפשט לכל עבר, בדיוק כפי שהיקום שלנו עשה בעת המפץ הגדול. ואילו צופה מבחוץ למונופול, שיושב במעבדה ביקום שלנו ומביט על היצירה, יראה את התיאור שלמעלה. ברגע שהיקום ייפרד משלנו הוא ינעל בתוך חור שחור שלא נראה שיגדל בגודלו. חור שחור זה יפלוט קרינת הוקינג ומהר מאוד יתאדה מהיקום שלנו. היקום החדש ימשיך לגדול במרחב-זמן משלו, אבל יותיר מאחור שובל זעיר של נוכחותו ביקום שלנו. אנו יצרנו את הדבר הזעיר הזה, ולפני שהרגשנו הוא כבר התעופף… למעשה, הוא יעלם כה מהר, שלא ברור האם נוכל לוודא שיצרנו אותו בכלל.

 

מכאן.

וכך במאיץ ההדרונים הגדול של סרן (לכשיפעל מחדש) הפיזיקאים אולי יוכלו לגלות מיני חורים שחורים זעירים לאין שיעור, שמהם אולי יצוצו או יוולדו יקומי תינוקות שכאלה. יקומים אלה ייעלמו במהירות הבזק עוד לפני שהפיזיקאים יוכלו לומר את המשפט: “סליחה ריבון עולמים על ששחקנו במשחק הבריאה”. ואז לרגע קט הם ירגישו מה זה להיות אלוהים.

סולטן קוזן הגבוה ביותר בעולם

לקוראי היקרים ששלחו לי למייל ברכות שנה טובה. תודה רבה ושנה טובה גם לכם. אמשיך לתרגם את לשון המדע ואת הממצאים המדעיים הכי אחרונים בשפה מובנת לכל. לכבודכם אביא לרגל השנה החדשה סיפור מעט מוזר. סוכנות הידיעות מספרת שבלונדון השבוע עמד ליד הביג בן האדם הגבוה ביותר בעולם. הוא לא עמד ליד מגדל האייפל הגבוה… אלא ליד הביג בן הנמוך יותר.

 

האדם הגבוה ביותר בעולם הוא סולטן קוזן מטורקיה. הוא נמדד בגובה של 246 סנטימטר והוא בן 27. כך הכריז ארגון שיאי גיניס העולמי ב-17 לספטמבר.

גובהו של קוזן מוסבר כתוצאה מבעיה בבלוטת יותר המוח. הבעיה הנפוצה ביותר בבלוטת יותר המוח היא כאשר מתפתח בה גידול שפיר (לא ממאיר). גידול כזה בבלוטת יותרת המוח גרם לקוזן להיות ענק. הגידול גורם לבלוטה להפריש יתר על המידה הורמוני גדילה, מצב שידוע בשם ענקות pituitary gigantism. הגידול הוסר בשנה שעברה ורק אז קוזן הפסיק לגדול. מצב הענקות מאופיין בקצב גדילה מואץ ובכפות ידיים ורגליים גדולות. לכן מצב זה גם מסביר את גודל רגליו של קוזן: 36.5 סנטימטר, מה שמתאים כנראה למידת נעליים של בערך 55 או 56. גודל ידיו הם 27.5 סנטימטר (שקול למידת נעליים של גבר ממוצע: 44.5).

קוזן בן ה-27 קיבל סיור לאתרים העיקריים בלונדון, כאשר הוא מתנשא לגובה מעל לשאר הולכי הרגל הלונדוניים, בעודו מתערבב בין הקהל ההמון מחוץ לביג בן. האיכר הרם מ-מרדין בדרום-מזרח טורקיה משתמש בקביים כדי להסתדר. וכל זאת בגלל שחוליות ברכיו נחלשו בשל גובהו. גורמים רשמיים מגיניס טוענים שישנם רק עשרה מקרים אמינים או מאושרים בהיסטוריה של בני אדם שצמחו לגובה של 2.40 מטרים.

מאמינים שישנו בכל זאת אדם גבוה מקוזן בעולם – האוקראיני לאוניד שטדניק, שלפי הדיווחים גובהו נמדד כ-2.54 מטרים, אולם הוא לא מאפשר לאף אחד לאמת את גובהו, מדווחים מגיניס.

קוזן אומר שהדבר הטוב בלהיות כל כך גבוה הוא היכולת לראות הכל ממרומים. בנוסף, בבית משתמשים בגובהו במקום סולם, כדי להחליף נורות וכדי לתלות וילונות ולשימושים דומים.

קוזן אמר לכתבים, שברצונו להשתמש בפרסומו החדש כדי לנסוע בעולם ולפגוש אישה כדי להתחתן.

מי ייתן והשנה החדשה תביא לגבוהים (ולנמוכים שאותם הם רואים ממרומים) הצלחה ואושר רב.

לראשונה נצפו ענני אלקטרונים סביב גרעין האטום!

לראשונה נצפו ענני אלקטרונים סביב גרעין האטום!

כתמים כחולים אלה הם ענני אלקטרונים סביב גרעין אטומי פחמן.

ישנו כתם בעל סימטריה רדיאלית וכתם בעל שתי אונות כפולות ובעל צומת במרכז זה בדיוק כמו התבניות של צפיפויות האלקטרונים במה שקרוי “אורביטלים”  sו-p בתורת הקוונטים.

 

אורביטלים: פעם חשבו שהאלקטרונים הם כמו פלנטות מוצקות שסובבות את הגרעין (השמש) במודל מערכת השמש. ולכן דברו על orbits – מסלולים שנחשבו למסלולי פלנטות לכל דבר. אולם מאז שהאלקטרון נהפך לחלקיק קוונטי (גלי אלקטרונים) החלו לדבר על “אורביטלים” ואלה נהפכו לעננים במקום למסלולים. האורביטלים מתארים את ההתנהגות הדמוי-גלית של האלקטרונים באטום. מחשבים את ההסתברות למציאת האלקטרון או האלקטרונים באטום באזור מסוים סביב הגרעין. כל אורביטל מכיל עד שני אלקטרונים, מוגדר על ידי קבוצת מספרים קוונטיים ומאופיין על ידי הקווים הספקטרוסקופים: sharp, principal, diffuse, fundamental או בקיצור: s, p, d, f

את התצלומים החדשים של כתמי האלקטרונים ביצע איגור מיקאילובסקי והקולגות שלו במכון קרקו לפיזיקה וטכנולוגיה באוקראינה והוא דיווח על כך במאמר שפורסם ב-Physical Review B. התמונות שנתקבלו של ענני האלקטרונים מייצגים את צפיפות האלקטרונים סביב האטום. מיקאילובסקי והקולגות שלו קיררו גרפין כדי ליצור שרשרת אטומי פחמן לטמפרטורה של 4.2 קלווין בואקום. הם ישמו מתח של 425 וולט כדי ליצור שדה חשמלי וגרמו לאטומי המחט של מיקרוסקופ פליטת שדה לפלוט אלקטרונים אל עבר מסך זרחני ושם נוצרו התמונות של ענן האלקטרונים סביב הגרעין.

שיטה זו קרויה מיקרוסקופית פליטת שדה: פליטת אלקטרונים תחת ההשפעה של שדה אלקטרוסטאטי חזק ממתכת או מוליך למחצה אל ואקום למשטח היא פליטת שדה. תופעה זו דווחה לראשונה בשנת 1897. ב-1928 פוולר ונורדהיים הסבירו את התופעה על בסיס מנהור קוונטי של אלקטרונים. אחר כך השתמשו בתופעה של פליטת שדה כדי לפתח מיקרוסקופ. המיקרוסקופ, שמצוי בואקום, בנוי ממחט חדה מאוד שמפיקה שדה חשמלי מאוד חזק סביבה. בהפשטה, השדה החשמלי בקצה המחט הוא פרופורציוני הפוך לרדיוס המחט. האלקטרונים שנפלטים נעים לאורך קווי השדה ויוצרים כתמים כהים ובהירים על מסך זרחני. המיקרוסקופ פועל ללא עדשות והוא בעל יכולת הגדלה של 105 ויכולת חדות והבחנה של 30 אנגסטרום.

זוג התמונות בהגדלה של ענני האלקטרונים: 

 

ננו-פלסמוניקה: הלייזר הננו-פלסמוני

 

 

 

הפלסמונים נוטים להתפזר לאחר מילימטרים בודדים בלבד. לכן הם קצרי חיים.

בתחילת אוגוסט חוקרים להנדסת חשמל ומחשוב מאוניברסיטת פורדיו (מיקאיל נוגינוב וקבוצתו), בשיתוף עם אוניברסיטת המדינה של נורפולק ואוניברסיטת קורניל בארה”ב יצרו את הלייזר הזעיר ביותר – ננו-לייזר – מאז המצאתו כמעט לפני 50 שנה. הלייזר העובד הראשון הודגם ב-1960.

הנו-לייזר הוא כדור בקוטר של 44 ננו-מטרים, או מיליארדי המטרים. יותר ממיליון כאלה יכלו להיכנס אל תוך תא דם אדום. את הכדורים יצרו אוניברסיטת קורל, כאשר בנורפולק ובפורדיו סיפקו את האפיון האופטי שהיה דרוש כדי לקבוע כיצד הרכיב יתנהג כמו לייזר.

הננו-לייזר מכיל ליבת זהב מוקפת בקליפה דמוית זכוכית מלאה בצבע ירוק. כאשר הכדור מואר באור, פלסמונים שמיוצרים על ידי ליבת הזהב מוגברים על ידי הצבע. הפלסמונים אז מומרים לפוטונים של האור הנראה. הרזונטור האופטי בקוטר של 44 ננומטרים גורם לפלסמונים המשטחיים לרטוט הלוך ושוב כך שהם ירכשו אנרגיה והם נפלטים כאור לייזר.

 

(a) התכנון של הננו-לייזר: ליבת זהב שמוקפת בקליפה דמוית זכוכית מלאה בצבע ירוק. (b, c) תמונות ממיקרוסקופ אלקטרוני סורק שמראות את עובי ליבת הזהב (14 ננו-מטר) ואת עובי קליפת דו-תחמוצת הצורן (15 ננו-מטר).

(d) סימולציה של הרכיב שמראה את הרכיב פולט אור נראה באורך גל של 525 ננומטרים.   

Birck Nanotechnology Center, Purdue University

הממצאים אמתו את עבודתם של הפיזיקאים מאוניברסיטת תל אביב דויד ברגמן ומרק שטוקמן מאוניברסיטת המדינה של ג’ורג’יה – שהיו הראשונים להציע את רעיון הספאסר בשנת 2003.

הננו-לייזר עומד להתחיל מהפכה בננו-פוטוניקה, שלה יישום לדימות ולחישה ברמות גודל זעירות יותר מאורך הגל הנראה. הוא סולל את הדרך למגוון חידושים, כולל למחשבים סופר-מהירים – העושים שימוש באור במקום באלקטרונים כדי לעבד מידע. כמוכן לננו-לייזר יישום לחיישנים מתקדמים ולחידושים בדימות. ננו-פוטוניקה יכולה להוביל להתקדמות רבה במיקרוסקופים שהם פי 10 חזקים יותר מאלה שבהם משתמשים היום והם מסוגלים לראות עצמים זעירים כולל את ה-דנ”א. הרכיב מייצג התקדמות טכנולוגית שמבוססת על מעגלים ננו-פוטוניים. מעגלים כאלה יזדקקו למקור אור של לייזר, אולם לייזרים עכשוויים הם לא מספיק זעירים כדי שניתן יהיה לשלבם אל תוך צ’יפים אלקטרונים. עתה החוקרים התגברו על מכשלה זו, כאשר הם רותמים את הפלסמונים במקום הפוטונים כדי ליצור את הספאסרים. הם פרסמו את ממצאיהם בכתב העת נייצ’ר.

 

כזכור הפלסמונים נוטים להתפזר לאחר מילימטרים בודדים בלבד ולכן הם קצרי חיים.

schematic and electron microscope image of Plasmon Laser Setup

 (Courtesy of Xiang Zhang Lab/UC Berkeley)

 

optical setup for single plasmon laser

 (Courtesy of Xiang Zhang Lab/UC Berkeley)

 

 

“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?…

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

מוצא הנבערות

לנשיא שלנו שמעון פרס יש אמרות שפר מעניינות. ולא רק בתחום הננוטכנולוגיה. ביוני כזכור הנשיא אמר “ננוטכנולוגיה הייתה קיימת גם בתקופת משה רבנו, אבל טרם התגלתה”. בתוכנית סיעור מוחות, שעסקה בנושא החינוך ושודרה בערוץ הראשון ביום שלישי ב-9:30 בערב, הנשיא אמר משפט שמתאר נכונה את החינוך במדינה: “יש אוריינות ויש בוריינות – אוריינות זה לדעת ובוריינות זה לא לדעת“.

Scientific American Magazine

סיינטיפק אמריקן יוצא החודש בפרויקט גרנדיוזי: מוצא היקום, מוצא החיים, מוצא המחשבים (לרגל 40 שנה לאינטרנט) ועוד כמה מוצאים. למשל, היקום שלנו החל במפץ גדול לפני 13.7 מיליארד שנה והתפשט תוך שהוא התקרר מאז. הוא התפתח ממרק חסר צורה של חלקיקים אלמנטאריים אל עבר יקום בעל מבנה עשיר, שאותו אנחנו מכירים היום. בהנחה שבגיליון סיינטיפיק אמריקן של ספטמבר 3009 התיאוריה הזו לא תשתנה לתיאוריה לפיה אולי היקום שלנו מונח במקרה במבחנה של מדען מטורף כלשהו ביקום מקביל, יש לנו מוצא קדמון.

מסתבר שבישראל עוסקים בעניינים פחות בוערים ויותר נבערים משאלות המוצא של היקום. ברשימה זו אעסוק בתשובות אפשריות לשאלת מוצא הנבערות. אתמקד בתחום המדעי. אם למישהו אחר יש רעיונות בתחומים אחרים הוא מוזמן לכתוב ברשימות את תשובותיו.

1) בוריינות (נבערות) חלק ראשון.

אין מוסד בעולם המודרני שהוא יוקרתי יותר מאשר המדע. חיינו תלויים במכשירים שבנייתם התאפשרה רק במאה או המאתיים האחרונות ובתגליות המדעיות. למשל, הגלויים באלקטרומגנטיות במאה ה-19 הובילו לחשמל ולמכשירים חשמליים ולאלקטרוניקה. הגילויים בתורת הקוונטים הובילו לרכיבים האלקטרונים, עד אשר כל אלה הובילו למחשב. הגילויים בביולוגיה וברפואה הובילו לפיתוח האנטיביוטיקה, ומדע החומרים הוביל לפיתוח הפלסטיק וחומרים חדשניים אחרים שבלעדיהם אנחנו למעשה לא יכולים לחיות.

במובן זה אין עוררין אודות חשיבות המדע ותגליותיו. ברמה המעשית המדע יוצר סביבה הכרחית לאנושות כדי שהיא תוכל לחיות בה והיא מעוניינת לחיות בה.

אבל המדע שנוי במחלוקת. הוא קונטרוברסיאלי כי ישנה קבוצה של אנשים שמתנגדים ליישומים העכשוויים המסוימים של המדע, כמו למשל לשימוש בכוח הגרעיני ולכורים גרעיניים, לשימוש בגרעין בתחנות כוח גרעיניות או לתופעות הלוואי של מפעלי תעשייה (זיהום אוויר), ולזיהום כתוצאה משימוש בדלק לא נטול עופרת על ידי מכוניות. פרופגנדה כזו כנגד המדע מורידה את ערכו. לכן ההתנגדויות למדע ולמחקר המדעי נוטות להיות חלקיות, לאספקטים מסוימים של היישום של הידע המדעי. אולם רב היישומים של המדע הם בלתי מעורערים ומצויים בקונסנזוס.

חרף זאת ישנה ירידה בערך המדע ובהוראת המדעים במערכת החינוך בישראל. הנושא לא מעניין וסבורים שאין זה חשוב במיוחד ללמוד אותו. חשוב ללמוד איך לעשות כסף, איך לטפל באנשים, איך להוציא אנשים מתסבוכות משפטיות, איך להרוויח בבורסה ואיך להגיע להיות כוכב נולד. המכשירים והפיתוחים הטכנולוגיים באים מאליהם וכל ילד בן ארבע יודע היום להפעיל את המיקרוגל. אבל מה זה מכשיר מיקרוגל? אם באמת התלמידים של היום לא ידעו עובדה אלמנטארית זו, מקסימום כולנו נחייה בטבע כמו האדם הקדמון. יש במילא כמה מיסטיקנים שדוגלים בפילוסופיה הזו והשאר יצרחו עד לב השמיים אם האוטופיה הזו באמת תתרחש.

בנוסף לעיצוב חיינו, הגילויים המדעיים הם במידה רבה בלתי תלויים באמונות פוליטיות ודתיות. לעומת זאת, לאחר שמתפרסמת תיאוריה מדעית, מוסדות הדת קושרים את המדע לאמונות דתיות. הכנסייה הרומית פסלה את התיאוריה של גלילאו לפיה כדור הארץ הוא עוד כוכב לכת בפינה לא חשובה ביקום. ואותה כנסייה האשימה את דרווין ואת הקופים – הסמל לברירה הטבעית שבבסיס תורתו – והשתמשה בנשק החרם כנגד תורתו. ורק כמה מאות אחר כך התפייסה עם גלילאו לאחר מותו וביום הולדתו ה-200 הכנסייה התפייסה גם עם דרווין.

המדע תלוי באפקטיביות של היישום של תגליות מדעיות. מרבית האזרחים והמדינות מעוניינים בתועלת החומרית מהגילויים המדעיים, בלא קשר לנטיות פוליטיות. וההשקעות הכספיות מתנודדות בהתאם לתועלת.

כן נכון, יש והמדע מושפע מהפוליטיקה. היטלר למשל לא הצליח להשיג פצצת אטום בגלל כמה גורמים. אולי אחד מהם הוא התנגדותו ליהודים ולמדע ה”יהודי” של אינשטיין. החקלאות הרוסית נהרסה לגמרי בגלל תורות ביולוגיות לא נכונות. אבל המדע בעקרון בדרך כלל הוא בלתי תלוי באידיאולוגיה פוליטית, כי התורות שלו אודות הטבע הן נכונות או שגויות באופן בלתי תלוי בפוליטיקה, בגזע ובאומנות של ממציאיו. המדע מתאמת או לא מתאמת באופן בלתי תלוי בדעות פוליטיות ודתיות. קבוצה של אנטי יחסותיים אנטישמיים בגרמניה של שנות העשרים, לפני עליית היטלר לשלטון, ניסו להוכיח שתורת היחסות של אינשטיין היא מדע יהודי ושגויה.

בעולם שבו ההצלחה הטכנולוגית היא מהותית לכל שלטון באשר הוא, השליטים כיום לא יפריעו למחקר המדעי על רקע אידיאולוגי. אבל בארץ שלנו – למרות שהמדע חיוני מעין כמוהו לצבא ולתעשייה – הממשלה לא מעודדת את הוראת המדעים בבתי הספר ובמערכת החינוך. יחס החברה והממשלה למדע הוא שהמקצוע לא במיוחד חשוב. דויד בן גוריון אמר: “על אנשי המדע בישראל לחשוף סודות הטבע המיוחדים לארצנו ולמצוא דרכים להשתלט על איתניו – ובזאת יפתחו דף חדש ומקורי במחקר המדעי, יעזרו להפרחת השממה המנחה כל עתידנו – ויתרמו אולי התרומה הגדולה ביותר שיש בכוח המדע לתרום לפתרון הבעיות האנושיות הגדולות”. מה נשאר מחזון זה?

נכון אנו תלויים במדע ואין באפשרותנו כיום בעולם לחיות וליהנות מרמת חיים נאותה ללא השענות על תגליות רבות של המדע. אין לנו את המקום והמקורות בעולם לחזרה כללית לטבע. השאלות, בדיוק כיצד אנו משתמשים בטכנולוגיה ובאילו טכנולוגיות אנו משתמשים, הן במידה רבה שאלות פוליטיות, שדורשות החלטות אתיות. ניתן להתווכח עליהן רבות. אולם הויכוח בנוגע לעניינים אלה לא גורר אחריו עמדה אנטי-מדעית. אלה שמתנגדים לאספקטים בתעשייה הגרעינית – כמו כורים גרעיניים אסור אבל מותר תחנות כוח גרעיניות, או מתנגדים לשניהם – או אלה שמתנגדים להנדסה גנטית – למשל מתנגדים לשיבוט של יצורים חיים – הם לא אנטי מדע. הם מתנגדים רק לאספקט מסוים במדע.

המדע הוא יותר מידי יוקרתי מכדי שנצא נגדו תוך שנצבור על ידי זה רווח פוליטי. יוקרתו של המדע היא לא פרופגנדה ותו לו, אלא היא נובעת בחלקה מההכרה המוצקה שיש לאנשים רבים כל כך תועלת מהמדע ומחדירתו של המדע לחיים של כולנו. ברמה היותר תיאורטית יוקרתו של המדע נובעת מהאובייקטיביות של טיעוני המדע ומהדרך שבה המדע מתקדם בניגוד למה שקורה לענפי ידע אחרים.

2) בוריינות (נבערות) חלק שני:

מהי ננוטכנולוגיה? ננו מה?…

היום מאוד פופולארי לדבר על ננוטכנולוגיה והתחום נהפך למאוד שווקי. מפליא שעדיין לא מופיע בסיליבוס של בית הספר התיכון בארץ מקצוע בגרות בשם “ננוטכנולוגיה”.

מגזין בריטי אף כינה את התחום “מדע מסע בין כוכבים”, באומרו ש”בעתיד אפילו משערים שעשויה להיות מכונה בהתאם לרעיונות של המשכפל של מסע בין כוכבים, כאשר אטומים יסודרו על ידי המכונה כדי ליצור כל דבר שאנשים ירצו”.

אולי כדאי שנעצור לרגע ונשאל, מהי ננוטכנולוגיה? האם היא מדע או תעשיה? התשובות משתנות בהתאם למה ששואלים ובאילו נסיבות שואלים. ננוטכנולוגיה עוסקת במדע, טכנולוגיה, יצור, כימיה, מדע הבריאות, מדע החומרים, תוכניות חלל והנדסה. היא כוללת דימות, מדידה, מידול ומניפולציה של החומר בטווח אורך הננומטר.

כך נולדו תחומים חדשים כגון: ננו-חומרים, ננו-רפואה, ננו-ביוטכנולוגיה, ננו-ליטוגרפיה, ננו-מגנטיקה, ננו-אלקטרוניקה, ננו-רובוטיקה, ננו-אלקטרומכניקה, וכולי.

חלק מהרצאתו המפורסמת של ריצ’רד פיינמן “נכתבה” בטכניקת ננו-ליטוגרפיה.

הננוטכנולוגיה היא ההבנה והשליטה בחומר בסקאלה האטומית, בסקאלת הננו. המלה ננו באה מהמלה היוונית שפירושה החלק המיליארד, מיליארד המטר.

התחום עוסק בממדים של בין 1 ועד 100 ננומטרים, כאשר בטווחי גודל אלה תופעות יחידות במינן מובילות ליישומים חדשים. בסקאלת הננו, התכונות הפיזיקאליות, הכימיות והביולוגיות של החומרים הן שונות בתכלית מאשר אלה של אטומים ומולקולות בודדות ומשל החומר הגולמי.

הננוטכנולוגיה, התעשייה והמחקר בתחום מכוונים להבנת וליצירת חומרים, מערכות ורכיבים משופרים שינצלו תכונות חדשות אלה.

האם הננוטכנולוגיה היא תורה כמו תורת היחסות? לא. ממש לא. זו אינה תורה. אם כך כדי לעסוק בננוטכנולוגיה צריך קודם כל לדעת פיזיקה, כימיה וביולוגיה בסיסיות. אם לא נקדיש מספיק שעות ללימוד בארץ של מקצועות היסוד במדע לא נוכל לעסוק בתחום “כוכב הנולד” ששמו ננוטכנולוגיה.

נתחיל בגדול ונרד לקטן. מטר הוא הגובה שלי ועוד איזה כמעט שבעים סנטימטר. הבן שלי כבר עובר אותי.

נרד עוד לתחתית כי יש שם הרבה מקום כפי שריצ’רד פיינמן סיפר בהרצאתו המפורסמת בקלטק ב-1959.

אלפית המטר היא המילימטר. עכשיו אלפית של זה ונקבל מיקרון. אלפית של אלפית של המטר.

כלומר מיקרון הוא מיליונית המטר. זוהי הסקאלה שבה בונים מחשבים, זיכרונות מחשבים ורכיבי לוגיקה.

אמרנו שיש המון מקום בתחתית למטה נכון? נרד עוד יותר…

נגיע לגודל הננומטר. ננומטר הוא אלפית המיקרון, ואלפית המיליונית של המטר (מיליארדי המטר). דמינו: מיליארד ננומטרים בתוך מטר אחד. ננומטר הוא ערך הרוחב של ששה אטומי פחמן קשורים.

כדי לקבל את הרוחב של שערה אנושית אחת אנחנו זקוקים ללא פחות מ-40,000 אטומי פחמן כאלה.

וירוס למשל הוא בגודל של בערך בין 75 ל-100 ננומטרים. ואילו בקטריות נעות בטווח של בין 1000 ל-10,000 ננומטרים. חיות הן בכל זאת גדולות יותר…

אטום מימן הוא בגודל של ננומטר אחד.

חלקיק ננומטר הוא בטווח גדלים של בין ננומטר אחד ועד 100 ננומטרים. ואילו דנ”א גודלו שני ננומטרים וחלבונים הם בטווח של בין 5 ל-50 ננומטר.

אם כך, מי המציא את השם “ננוטכנולוגיה”? נוריו טאניגוצ’י Norio Taniguchi

מאוניברסיטת טוקיו ב-1974:

N. Taniguchi, “On the Basic Concept of ‘Nano-Technology’,” Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, Japan Society of Precision Engineering, 1974.

וב-1986 אריק דרקסלר גם כן הכניס את המונח ננוטכנולוגיה והקים את מכון פורסייט למחקר ננוטכנולוגי.

Eric Drexler

3) בוריינות (נבערות) חלק שלישי:

אתמול ביבי נתניהו הודיע שהוא מוכן להפסקת הבנייה בהתאם לדרישה של אובמה. היום הוא הודיע שהוא קודם יאשר בניית מאות יחידות דיור בגדה ורק אחר כך הוא יכריז על הפסקת הבנייה. כלומר קודם הוא יבנה, ואחרי שיבנה הוא יקפיא.

בעקבות הדיווחים האלה ח”כ אופיר פינס הגיב לכך באומרו, ש”הרצון לאשר בניית מאות יחידות מבטלת למעשה את ההקפאה. מדובר בשני מהלכים המנטרלים זה את זה, ומעידים שנתניהו מנסה לאכול את העוגה ולהשאיר אותה שלמה”. 

מסתבר שבמאה ה-19 לואיס קארול כבר גילה עוגה כזו וקוראים לה עוגת השזיפים בעולם המראה. להלן ההסבר של קרול מתוך הספר עליזה בארץ המראה

“בוא הב את עוגת השזיפים, אחי!” המשיך הראם, בפנותו ממנה [מעליזה] אל המלך.

חד הקרן הוציא עוגה גדולה מן התרמיל, ומסרה לעליזה שתחזיק בה, עד שהוא נוטל משם סכין וצלחת. איך עלו כל אלה משם, דבר זה נפלא מבינתה של עליזה. הרי זה כמין מעשה-להטים, סברה.

מכאן

“אם כן תגישי את עוגת-השזיפים, מפלצת!” אמר הארי, והוא כורע-רובץ ומניח סנטרו על כפותיו. “ושבו, אתם שניכם”, (אל המלך והראם): חלוקה צודקת, דעו לכם!”

… עליזה התיישבה על שפת הנחל הקטן, כשהצלחת הגדולה על ברכיה, והייתה מנסרת בסכין בחריצות. “מרגיז מאוד!” אמרה בתשובה לארי… “חתכתי כבר כמה נתחים, אבל תמיד הם חוזרים ומתחברים!”

“אין את יודעת לטפל בעוגות-מראה”, חוה הראם. “תחילה חלקי אותן בין המסובים, ואחר כך תחתכי”.

לכאורה היתה זו שטות גמורה, אבל עליזה קמה בציטנות מרובה והעבירה את הצלחת סביב, ובתוך כך נחלקה העוגה מעצמה לשלושה. “עכשיו חתכי”, אמר הארי כשובה למקומה ובידה הצלחת הריקה.

והנה הפטנט של עוגת השזיפים: אם חותכים אותה קודם לחתיכות, החתיכות שבות אחר כך מאליהן חזרה לעוגה והעוגה נשארת שלמה. לכן ניתן קודם להחזיר שטחים ואחר כך הם במילא חוזרים חזרה אלינו. וכך אפשר להודיע על הפסקת הבניה ולדחות את הבניה לאחר כך. עם עוגה כזו קודם עוברים בין הסובבים, והעוגה נחלקת מעצמה לחתיכות ורק כאשר הצלחת ריקה, אז מחזירים חזרה את השטחים. מתכון לעוגה כאן.