סינדרלה של הפיסיקה המודרנית

בשנת 1995 ניצבו צמד חוקרים מאוניברסיטת קולורדו שבארה"ב, אריק קורנל וקארל ווינמן, בפני אתגר לא פשוט. על שולחן הניסויים מולם עמדה קבוצת אטומי רובידיום, ומטרתם של קורנל ו-ווינמן הייתה לקרר את הדגימה הזו עד לטמפרטורה כמעט בלתי נתפשת: 170 מיליארדיות המעלה מעל האפס המוחלט. אם קורנל ו-ווינמן יצליחו במשימתם, הם עשויים להפוך את קבוצת אטומי הרובידיום לסוג חדש של חומר, שכמותו לא נראה מעולם.

• דיווח ישיר מרגע האמת של פיסיקת החלקיקים
• פרס נובל בפיסיקה לחלוצי מהפכת התקשורת
  

כדי להבין מה ניסו צמד החוקרים להשיג בשנת 1995, יש לחזור אל ראשית המאה העשרים. סאטיאנדרה בוז נולד בשנת 1894 בכלכתה שבהודו. עוד מנעוריו התבלט כמתמטיקאי מבריק במיוחד, והתקדם במסגרת האקדמיה ההודית עד למשרת מרצה לפיסיקה באוניברסיטת דאקאה.

באירופה התחוללה באותה התקופה מהפכה מדעית אדירה: איינשטיין, בוהר, שרדינגר ואחרים הפכו על פיה את תמונת העולם הניוטונית. אבל הודו הרחוקה הייתה מעט מנותקת מהזרם המרכזי ורק מדענים הודים בודדים הצליחו להגיע לכנסים, להשתלמויות ושאר ההזדמנויות להפריה הדדית שכל כך חשובות להתקדמות המדע. בוז התעניין מאוד בתורת הקוונטים, אבל הוא נאלץ במידה רבה לעבוד לבדו.

יום אחד הירצה בוז בפני הסטודנטים שלו אודות אספקטים מסויימים של תורת הקוונטים. בוז ניסה להוכיח לסטודנטים שהתאוריה עדיין אינה מושלמת: היו תופעות פיסיקליות שתורת הקוונטים לא תיארה כהלכה. אבל כפי שקורה לכל מרצה מדי פעם, בוז טעה בחישובים ליד הלוח.

כשהגיע לסוף החישוב גילה, להפתעתו, שהתאוריה שרשם על הלוח דווקא מתארת היטב את התופעות הפיסיקליות הרצויות. בוז חזר אחורה מספר צעדים בחישוב, ואיתר את השגיאה שלו. התאוריה המקובלת מתייחסת לכל פוטון של אור כאל חלקיק נפרד ועצמאי: לכל פוטון יש סט של תכונות ותמיד ניתן לתכנן ניסוי מתאים כך שיבדיל בין כל שני פוטונים על סמך תכונות אלה. בוז, בטעות, התייחס אל הפוטונים כאל חלקיקים שכל התכונות שלהם זהות לחלוטין והם בלתי ניתנים להבחנה זה מזה.

בהבזק של השראה הבין בוז שהטעות שלו כלל אינה טעות: כדי להסביר את התופעות הפיסיקליות הרצויות, חייבים להניח שישנם מצבים בהם הפוטונים זהים לחלוטין ובלתי ניתנים להבחנה זה מזה. אחרי שניתח את הרעיון לעומקו והשתכנע בנכונותו כתב בוז ב-1925 מאמר מדעי על העניין ושלח אותו לפרסום במגזינים המדעיים המובילים של זמנו. אתם יכולים לנחש את ההמשך. פיסיקאי אלמוני ממדינת עולם שלישי נידחת טוען שגילה טעות בתורת הקוונטים. כל המגזינים דחו אותו על הסף.

אך בוז לא וויתר. הוא לקח את המאמר, קיפל אותו יפה לתוך מעטפה ושלח אותו ישירות אל המדען החשוב ביותר בעולם באותו זמן - אלברט איינשטיין. אם סינדרלה הייתה פיסיקאית תאורטית, כך בדיוק הייתה צריכה להראות האגדה שלה: איינשטיין קרא את מאמרו של בוז והבין מייד שמדובר בתיקון דרמטי של התאוריה. הוא תרגם את מאמרו של בוז לגרמנית ושלח אותו, בשמו של בוז כמובן, אל מגזין מדעי. אתם יכולים לנחש את ההמשך. הגאון המפורסם ביותר של זמנו סומך את ידיו על תיקון חשוב לתורת הקוונטים. המגזין פרסם את המאמר מייד.

בוז הפך לאישיות רצויה מאוד באירופה. הוא בילה שנה בביקורים וכנסים, עבד עם איינשטיין ומדענים נוספים וכשחזר להודו מונה במהירות הבזק לפרופסור באוניברסיטה. זה היה חריג מאוד מכיוון שסאטינדרה בוז לא היה אפילו ד"ר. ככה זה כשמישהו כמו איינשטיין ממליץ עליך.

איינשטיין המשיך ופיתח את רעיונותיו של בוז מספר צעדים קדימה. הוא שיער שלא רק פוטונים יכולים להתנהג כחלקיקים זהים לחלוטין - גם סוג מסוים של חלקיקי חומר המכונים 'בוזונים' (ע"ש בוזה, כמובן) מסוגלים לעשות כן. אם לוקחים קבוצת בוזונים ומקררים אותה עד קרוב מאוד מאוד לאפס המוחלט, לפתע פתאום תתרחש מעין 'מפולת שלגים אטומית': כל הבוזונים יאבדו בבת אחת כמעט את כל האנרגיה שלהם.

במצב הזה הם גם יאבדו את הזהות האישית שלהם. כל התכונות הפיסיקליות שבדרך כלל מבדילות בין אטום אחד למשנהו יתאפסו. קבוצת הבוזונים תהפוך, הלכה למעשה, לאטום אחד גדול. זהו מצב חדש לגמרי של חומר: זה לא גז, זה לא נוזל וזה לא מוצק - זה...משהו אחר.

התופעה הזו מכונה 'התעבות בוז-איינשטיין'. חשוב להדגיש שאסור לבוזונים לאבד את כל האנרגיה שלהם: אם חלקיק מאבד את כל האנרגיה שלו, הוא נעצר במקום - ואז נדע בוודאות את מיקומו ומהירותו, וזה יפר את עיקרון אי הודאות של הייזנברג. עיקרון זה קובע שאי אפשר, בשום אופן, לדעת את המיקום ואת המהירות של חלקיק בדיוק מושלם. הבוזונים, אם כן, יגלשו אל רמת האנרגיה המינימלית האפשרית לחלקיק.

התעבות בוז-איינשטיין הייתה במשך שנים רבות הגביע הקדוש של הפיסיקה הקוונטית. תופעות קוונטיות הן קשות מאוד למדידה בניסויים: הן מתרחשות בחלקיקים קטנים ביותר, ולפרקי זמן קצרים מאוד. אבל התעבות בוז-איינשטיין יוצרת מעין סופר-אטום: חלקיק גדול שמורכב מהמון חלקיקים זהים לחלוטין. מכיוון שתכולת האנרגיה של האטומים כל כך נמוכה, כל התופעות הקוונטיות נמשכות המון זמן (יחסית, כמובן) וקל יותר לבחון אותן בניסוי.

במילים אחרות, העולם הקוונטי עוזב לרגע קט את תחום המיקרו ועובר אל המאקרו. כל זה עשוי להתרחש, אם החישובים של אריק קורנל וקארל ווינמן נכונים, בטמפרטורה של 170 ננו-קלווין מעל האפס המוחלט.

השיטה שבה התכוונו להגיע אל טמפרטורה פורצת דרך זו הייתה חדשנית במיוחד: קירור באמצעות קרן לייזר. הפוטונים שבקרן הלייזר מתנגשים באטומים ומאיטים אותם וכזכור, כמות האנרגיה באטום באה לידי ביטוי במהירותו: אטום איטי הוא אטום קר. הטמפרטורה של קבוצת האטומים צנחה באופן דרמטי.

לאחר מכן החוקרים הפעילו מגנט חזק וכיוונו את פעולתו כך שהאטומים המהירים, עתירי האנרגיה, היו מסוגלים לברוח מתוך הדגימה - ורק האטומים האיטיים, הקרים, נשארו מאחור. הדבר דומה לאופן שבו כוס קפה מתקררת: האטומים המהירים והחמים עוזבים את הכוס כאדים מהבילים, והקפה שנשאר מאחור הולך ומתקרר.

זה כל מה שהיה צריך. בדיוק כפי שחזו איינשטיין ובוז כמעט שבעים שנים קודם לכן, כשאחרון האטומים המהירים עזב את הדגימה התחוללה 'מפולת השלגים' פתאומית: כל האטומים נפלו כאיש אחד לרמת האנרגיה הנמוכה ביותר שלהם. קבוצת האטומים בדגימה הפכה להיות אטום אחד גדול - סוג חדש של חומר נוצר ביקום, ופרס נובל חדש נולד.