בתחילת המאה ה-20 חולל אלברט איינשטיין מהפכה באופן שבו אנו תופסים את העולם שלנו, כשניסח את תורת היחסות. אחד העקרונות המרכזיים בה קובע כי מהירות האור היא המהירות המרבית שבה תיתכן תנועה ביקום: חומר או מידע לא יכולים לנוע מהר יותר מ-299,792,458 מטרים לשנייה. אולם בפיזיקה המודרנית קיימים מקרים שבהם תנועה עשויה להיראות כאילו היא מפירה את חוקי תורת היחסות ומתרחשת במהירות גבוהה ממהירות האור. מחקר שהתפרסם לאחרונה בכתב העת Nature, בהובלת פרופ' עדו קמינר מהפקולטה לפיזיקה בטכניון יחד עם הסטודנטים תומר בוכר ואלכסיי גורלך וד"ר שי צסס, הצליח לצפות בתנועה כזו ולנתח אותה בדיוק חסר תקדים.
2 צפייה בגלריה
אילוסטרציה של מערבולות מסתובבות ב"בריכת אור זוהרת" של גלי האור
(איור: תומר בוכר וקבוצת AdQuanta)
כשאור פוגש אלקטרונים
התופעה שניתחו החוקרים מתרחשת בקנה מידה ננומטרי – כלומר, מדובר בהתרחשויות בגודל של מילארדית המטר. במסגרת הניסוי הקרינו החוקרים קרני לייזר על חומר דק במיוחד, בעל תכונות מבניות ייחודיות. כאשר אור מאיר על החומר, אלקטרונים בתוכו משתחררים ממקומם ומתחילים לנוע. תנועת האלקטרונים משפיעה על האור והאור משפיע על תנועת האלקטרונים, כך שקשה לנתח את התנועה שלהם בנפרד. אפשר לחשוב על האור ועל האלקטרונים יחדיו בתור מעין חלקיק חדש, שמתנהג קצת כמו אור וקצת כמו חומר, ופיזיקאים נוטים לכנותו פולריטון.
עוד כתבות באתר מכון דוידסון לחינוך מדעי:
עם כלי רכב ורחפנים: התוכנית המעודכנת להקמת בסיס על הירח
מחלות ללא גבולות: דלקת קרום המוח בישראל, אבולה באפריקה
הניאנדרטל שקדחו לו בשן
אחת הדרכים לנתח את הפולריטונים האלו היא למדוד את האור שמרכיב אותם. החוקרים התעניינו בתכונה מסוימת של האור – המופע (פאזה) שלו. המופע של גל מודד היכן הגל נמצא במהלך המחזור שלו. למשל, אם נחשוב על גלים במים, המופע מתאר אם הגל נמצא בשיא הגובה, בשפל, או בכל נקודה ביניהם. גם לגלי אור יש מופע, ומדידה שלו מאפשרת ללמוד פרטים נוספים על האור ועל המקור שפלט אותו. מדידת המופע של האור הראתה כי באור ישנן מערבולות, אזורים שבהם המופע של האור משתנה באופן מעגלי, בקצב שהולך וגדל ככל שמתקרבים למרכז המערבולת, בדומה לזרימת המים במערבולות בים. נקודת המרכז של המערבולת נקראת סינגולריות, והיא מעניינת מאוד מבחינה מתמטית ופיזיקלית, כיוון שגדלים פיזיקלים מסוימים משתנים בסביבתה בקצב גבוה מאוד.
2 צפייה בגלריה
החוקרים בנו מערכת ניסוי ייחודית, שיכולה לצלם ולמדוד את המתרחש ברזולוציה של ננומטרים בודדים ובפרקי זמן של פמטו-שניות. פרופ' עדו קמינר וד"ר מיכאל ינאי
(צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון)
לשבור את שיא המהירות?
עיקרו של הניסוי היה מעקב אחר המערבולות הללו לאורך זמן. החוקרים בנו מערכת ניסוי ייחודית, שיכולה לצלם ולמדוד את המתרחש ברזולוציה של ננומטרים בודדים ובפרקי זמן של פמטו-שניות, כלומר מיליוניותשל מיליארדיות השנייה. הם עקבו אחר תנועתן של נקודות הסינגולריות של המערבולות, וראו שהן מתקרבות זו לזו. ככל שהנקודות התקרבו מהירותן גדלה, עד שהן נפגשו – ושתי המערבולות התאיינו ונעלמו. באופן חריג, מעט לפני ששתי המערבולות נפגשו הן נעו אחת לעבר השנייה במהירות גבוהה ממהירות האור.
בשלב הזה אפשר לתהות: כיצד זה ייתכן? האם איינשטיין טעה ועלינו לשכתב את חוקי הפיזיקה? התשובה היא לא, ועל מנת להבין זאת ניזכר כי בתחילת הכתבה ציינו ששום גוף או מידע לא יכולים לנוע מהר ממהירות האור. מתברר שאנחנו יכולים לצפות בתנועה שמהירה ממהירות האור כל עוד היא לא שוברת את הכלל הזה. המשפט הזה נשמע מופשט למדי, ולכן אפשר להשתמש בדימוי פשוט ויומיומי: דמיינו שאתם עומדים בחדר חשוך ומקרינים אור מפנס על קיר רחוק מאוד. אם תניעו את היד שלכם במהירות על פני הפנס, מצד אחד לשני, הצל שיוטל על הקיר הרחוק ינוע מרחק עצום בזמן קצר מאוד. הצל יכול בקלות לנוע מהר יותר מהיד שלכם, ואם הקיר רחוק מספיק – אפילו מהר יותר מהאור. למרות זאת, אין שום גוף או חלקיק שנע מהר ממהירות האור בתרחיש הזה, וגם אי אפשר להשתמש בתנועתו של הצל כדי להעביר בין שתי נקודות מסר שמהיר ממהירות האור.
במקרה של הניסוי בטכניון, המערבולות הן סוג של "צל" שנובע מהאינטראקציה בין האור לחומר. המידע הפיזיקלי האמיתי והאנרגיה עדיין נעים במהירות רגילה, שקטנה ממהירות האור, אך הנקודה הגיאומטרית שבה המערבולת נמצאת יכולה לנוע במהירות גדולה ממהירות האור. התנועה המהירה של המערבולות נחזתה תיאורטית בעבר, אך זוהי התצפית הניסיונית הראשונה שלה.
המחקר הכה גלים הן בעקבות העניין התיאורטי בתנועה מהירה ממהירות האור וביחסי הגומלין בין האור לחומר, והן בעקבות היכולות הניסיוניות המרשימות שאליהן הגיעו החוקרים, שעשוי להיות להן שימוש יישומי בהקשרים נוספים. היכולת לשלוט ביחסים בין אור לחומר ולצלם אותם ברמות דיוק כאלה עשויה לאפשר מחקר מתקדם יותר של טכנולוגיות ננו-פוטוניות, שמשתמשות ביחסי הגומלין בין אור וחומר בסקאלות קטנות במיוחד.
