שדים, אנטרופיה והמסע אל עבר האפס המוחלט
ניסוי מחשבתי מן המאה ה-19 הפך לטכניקה של ממש להשגת טמפרטורות נמוכות מאוד, וסלל את הדרך לתגליות מדעיות חדשות וליישומים שימושיים
בשעה שאתם קוראים את המאמר הזה, מולקולות האוויר טסות סביבכם במהירות של 3,000 קילומטרים בשעה, מהר יותר מקליע, ומפציצות אתכם מכל עבר. באותה עת, האטומים והמולקולות המרכיבים את גופכם מתערבלים, רוטטים או מתנגשים זה בזה ללא הפסק.
חיש מהר הבנתי שנוכל ליישם את הרעיון של הבנר ועם זאת להיפטר לגמרי מן הקליע. במקום זאת נשתמש באותו עיקרון על האלומה עצמה, אבל באופן הפוך: הפעם סלילי הרובה לא יאיצו קליע אלא יפעלו באופן ישיר על מולקולות הגז ויביאו אותן למנוחה.
שום דבר בטבע אינו עומד בלי נוע, וככל שדברים זזים מהר יותר, כן הם נושאים יותר אנרגיה; אנחנו מסוגלים לחוש באנרגיה הכוללת הזאת של האטומים והמולקולות, ומכנים אותה בשם "חום".
על אף שחוסר תנועה מושלם, מצב המקביל לטמפרטורת האפס המוחלט, הוא בלתי אפשרי מבחינה פיזיקלית, הצליחו מדענים להתקרב יותר ויותר לגבול הסופי הזה. תופעות קוונטיות מוזרות מתחילות לצוץ בממלכות הקיצוניות האלה וליצור מצבים חדשים ובלתי רגילים של חומר.
בפרט, קירור ענני גז של אטומים, בניגוד לחומר במצב מוצק או נוזל, והבאתם לטמפרטורה הגבוהה רק בשבריר זעיר של מעלה מעל האפס המוחלט, העניק לחוקרים אפשרות לצפות בחלקיקי חומר המתנהגים כמו גלים, ליצור את מכשירי המדידה המדויקים ביותר בהיסטוריה ולבנות את השעונים האטומים המדויקים ביותר.
לשיטות האלה של קירור אטומים יש חיסרון: אפשר ליישם אותן רק על כמה יסודות ספורים מתוך הטבלה המחזורית ולכן היעילות שלהם מוגבלת. לדוגמה, קירור של מימן, האטום הפשוט ביותר, היה במשך זמן רב אתגר קשה ביותר. אך לא מזמן הדגימה קבוצת המחקר שלי שיטת קירור חדשה הפועלת על מרבית היסודות וגם על סוגים רבים של מולקולות.
ההשראה שלי הייתה ניסוי מחשבתי של ג'יימס קלרק מקסוול בן התקופה הוויקטוריאנית. הפיזיקאי הסקוטי הדגול הזה העלה במחשבתו את קיומו הרעיוני של "שד" שלוּ אכן היה קיים בפועל, נראה שבכוחו להפר את חוקי התרמודינמיקה.
יכולת הקירור שנתגלתה לאחרונה עתידה לפתוח כיוונים חדשים למחקר יסודי ולהוליך לקשת רחבה של שימושים מעשיים. לדוגמה, גרסאות מסוימות של הטכניקה עשויות להוליך לתהליכים של זיקוק איזוטופים נדירים שממלאים תפקידים חשובים ברפואה ובמחקר יסודי. י
כולות להיות לה גם תוצאות נלוות נוספות, כגון שיפור הדיוק של שיטות ננומטריות המשמשות לייצור שבבי מחשב. ומבחינה מדעית, קירור של אטומים ומולקולות יכול לאפשר לחוקרים לסייר באזור הדמדומים שבין פיזיקת הקוונטים לבין הכימיה הרגילה, ולחשוף הבדלים אפשריים בין התנהגות של חומר ושל אנטי-חומר.
כמו כן, קירור-על של מימן ואיזוטופים של מימן יוכל לעזור למעבדות קטנות לענות על שאלות בפיזיקה יסודית, מן הסוג שעד עתה דרש ניסויי ענק דוגמת הניסויים הנערכים במאיצי חלקיקים.
קליעים דוהרים
עצירת אטומים ומולקולות ושליטה בהם אינה משימה פשוטה. בניסוי טיפוסי, הצעד הראשון של החוקרים הוא ייצור גז דליל מיסוד כימי כלשהו, באמצעות חימום מוצק או אידויו באמצעות לייזר. בשלב הבא יש להאט את הגז, לסגור אותו בתא-ואקום ולהרחיקו מקירות התא.
הצעד הראשון שלי היה תחבולה ותיקה. לפני יותר מ-40 שנה גילו כימאים שגז בלחץ של כמה אטמוספרות שנמלט דרך חור קטן אל תוך ואקום מתקרר בשיעור ניכר כשהוא מתפשט. ייחודן של "אלומות על-קוליות" אלו בכך שהאנרגיה שלהן כמעט אחידה, כלומר, מהירות המולקולות תהיה קרובה מאוד לממוצע.
לדוגמה, אם אלומה יוצאת במהירות של 3,000 קמ"ש, המולקולות שבה יסטו מן המהירות הזאת לכל היותר ב-30 קמ"ש. לעומת זאת, מולקולות אוויר בטמפרטורת החדר, שמהירותן הממוצעת היא 3,000 קמ"ש, יכולות לקבל כל מהירות שהיא בין אפס לבין 6,000 קמ"ש.
פירוש הדבר, מנקודת מבט תרמודינמית, הוא שאף על פי שלאלומה יש כמות נכבדה של אנרגיה, היא בכל זאת קרה להפליא. חשבו על זה כך: צופה שנוסע לצד האלומה במהירות 3,000 קמ"ש יראה את המולקולות נעות לאט כל כך עד שטמפרטורת האלומה תהיה לא יותר ממאית המעלה מעל האפס המוחלט!
הבנתי שאם עמיתיי ואני נוכל להאט ולעצור אלומה כזאת ובו בזמן לשמר את טווח המהירויות הצר שלה, נוכל לקבל בסופו של דבר אוסף קר למדי של אטומים, ואז נוכל ללכוד אותם ולקרר אותם עוד יותר.
כדי להשיג את המטרה הזאת, החלה הקבוצה שלי לעבוד עם אלומות על-קוליות ב-2004, בשיתוף עם עוזי אבן, כימאי מאוניברסיטת תל אביב. בתחילה ניסינו לבנות מדחף שמהירות התנועה של קצות הלהבים שלו היא מחצית ממהירות אלומת הגז העל-קולית.
כיוונו פולסים מן האלומה כלפי הלהבים הנסוגים של המדחף כך שמהירות האלומה תתקזז בדיוק עם מהירות הלהבים. כשניתזו אטומי הגז מן המדחף, המדחף שאב מהם את כל האנרגיה הקינטית, ממש כפי שמחבט טניס נסוג יכול להביא כדור למנוחה.
רובה סלילי
אבל היה קשה לעבוד עם המערך הזה, מכיוון שהוא דרש כוונון מדויק להחריד. רוברט הֶבְּנֶר, מנהל המרכז לאלקטרומכניקה באוניברסיטת טקסס שבאוסטין, הציע מתווה אחר: לגרום לגז להינתז מגבו של קליע, בשעה שהקליע דוהר במורד רובה סלילי.
רובה סלילי (המכונה גם "רובה גאוס") הוא כלי נשק ניסויי שדוחף קליעים ממוגנטים החוצה מתוך קנה של רובה בעזרת שדות מגנטיים במקום בעזרת אבק שרפה. הוא פועל באמצעות האצת הקליע דרך סדרת סלילי תיל שדרכם זורם זרם חשמלי, כך שנוצרים בתוכם שדות מגנטיים.
הקליע, שבעיקרו של דבר הוא פס מגנטי, נמשך למרכז הסליל שדרכו הוא חולף. קליע מתקרב מואץ אפוא על ידי כוחות משיכה. ועם זאת, ברגע שהקליע עובר את המרכז, יתחילו הכוחות למשוך אותו לאחור וכך יאטו אותו ויחזירו אותו למהירותו המקורית.
אבל אם מפסיקים את הזרם בכל סליל בדיוק ברגע שבו הקליע עובר את מרכזו, הכוחות המגנטיים תמיד דוחפים את הקליע בכיוון הנכון - במורד הקנה.
רובה סלילי
את התחבולה הזאת אפשר לבצע מכיוון שלמרבית האטומים יש לכל הפחות כמות קטנה של מגנטיות, ולכולם יש מגנטיות כשהאלקטרונים שלהם במצב מעורר. סוגים רבים של מולקולות אף הם מגנטיים.
בנינו את המתקן החדש ובחנו אותו תחילה על אטומי ניאון מעוררים ואחר כך על אטומי חמצן. הצלחנו לעצור את שני הסוגים. ללא ידיעתנו, קבוצה שעבדה בציריך שבשווייץ בניצוחו של פרֶדריק מֶרְקְט פיתחה לחוד אותו רעיון והצליחה לעצור אטומי מימן בערך באותו זמן שאנחנו ביצענו את הניסויים שלנו.
כמה וכמה קבוצות ברחבי העולם כבר בנו רובי סלילים אטומיים משלהם, שלמעשה הם מתקנים פשוטים מאוד ויציבים, המבוססים על תיל נחושת רגיל, קבלים שאפשר לקנות מן המוכן וטרנזיסטורים.
ברגע שהצלחנו לעצור אטומים באופן הזה, הדרך כבר הייתה די סלולה ללכידתם בשדות מגנטיים סטטיים. הבעיה הקשה יותר הייתה מציאת דרך לקרר אותם עוד יותר.
על אף שטמפרטורה של 0.01 מעלות קלווין (מאית המעלה מעל האפס המוחלט) נשמעת די צוננת, היא רחוקה מרחק רב מן הגבולות שהושגו בטכניקות אחרות. היה עלינו אפוא למצוא דרך להשיג טמפרטורה נמוכה אף יותר.
דרכים חד-סטריות
הרהרתי בשיטות קירור כלליות הרבה לפני שמישהו העלה בדעתו רובי סלילים אטומיים, אבל במשך זמן רב לא מצאתי פתרון. הטכניקה של קירור לייזר, שהומצאה בשנות ה-80, הייתה מוצלחת מאוד והביאה ליצירת מצב חומר המכונה עיבוי בוז-איינשטיין ולהענקת שני פרסי נובל בפיזיקה בשנים 1997 ו-2001.
אבל טווח היישומיות של קירור לייזר מוגבל רובו לאטומים בטור הראשון של הטבלה המחזורית, כגון נתרן ואשלגן, מכיוון שקל לעורר את היסודות ממצב היסוד למצב מעורר יחיד, כפי שדורשת הטכניקה.
שיטה אחרת ששקלתי הייתה קירור באידוי, המסתמכת על ליקוט האטומים החמים והשארת האטומים הקרים יותר מאחור (זהו העיקרון שבאמצעותו הזיעה מצננת את גופנו כשהיא מתאדה מן העור שלנו). אבל בלי עזרה של קירור לייזר, קשה מאוד להשיג צפיפות גבוהה דיה שתאפשר להתניע את האידוי מלכתחילה.
בפברואר 2004 ביקרתי באוניברסיטת פרינסטון ודיברתי שם עם נתניאל ג' פיש, פיזיקאי העוסק בפלזמה. הוא סיפר לי על רעיון שהוא פיתח בדיוק אז: כיצד להעביר זרם חשמלי של אלקטרונים בפלזמה - גז של אלקטרונים ויונים חיוביים - בעזרת תחבולה שגורמת לאלקטרונים לנוע בכיוון אחד ולא בכיוון האחר. שאלתי את עצמי אם נוכל להשיג תוצאה דומה בעזרת אטומים או מולקולות: לבנות "שער" שמאפשר לאטומים לעבור בכיוון אחד אך לא בכיוון אחר.
הבה נניח רגע בצד את הסוגיה הטכנית, כיצד לבנות בפועל שער חד-כיווני, וננסה ראשית כול להבין מדוע מתקן כזה יכול לעזור בקירור גז. הצעד הראשון יהיה צמצום נפח הגז בלי להעלות את הטמפרטורה שלו.
נניח שיש לנו מכל המופרד לשני נפחים באמצעות שער. אטומי גז במכל ניתזים לכיוונים אקראיים באופן אקראי ובמוקדם או במאוחר יעופו לכיוון השער. אם השער מאפשר להם לעבור רק בכיוון אחד, למשל משמאל לימין, הרי שבסופו של דבר כל האטומים יתרכזו בצד הימני של המכל.
הדבר המכריע הוא שמהירויות האטומים אינן משתנות במשך התהליך, ולכן הגז יישאר באותה טמפרטורה כמו בהתחלה. (מבחינה תרמודינמית ההליך הזה שונה לגמרי מדחיסת הגז למחצית הימנית של הנפח, פעולה שגורמת לאטומים להאיץ ולפיכך להעלות את הטמפרטורה).
הצעד הבא יהיה לאפשר לגז להתפשט בחזרה לנפח המקורי שלו. כשגז מתפשט, הטמפרטורה שלו יורדת, וזו הסיבה שמכלי תרסיס מתקררים כשמשתמשים בהם. התוצאה הסופית תהיה אפוא גז בנפח המקורי אבל בטמפרטורה נמוכה יותר.
השד של מקסוול
הבעיה שהביכה פיזיקאים זה זמן רב היא שנראה כאילו שערים ממייני אטומים כאלה מפרים את חוקי הפיזיקה. כשהגז מצוי במצב הדחוס, האנטרופיה שלו נמוכה (אנטרופיה היא מדד של כמות האי-סדר של מערכת). אבל על פי החוק השני של התרמודינמיקה אי אפשר להוריד את האנטרופיה של מערכת בלי לבזבז אנרגיה וליצור יותר אנטרופיה במקום אחר.
קולמוסים רבים נשתברו על הפרדוקס הזה מאז הניסוי המחשבתי שהציג ג'יימס קלרק מקסוול ב-1871, שבו "ישות נבונה וזריזת ידיים" יכולה לראות את מהלכיהם של חלקיקים, ולפתוח או לסגור שער בהתאם.
היצור ההיפותטי הזה נודע בשם "השד של מקסוול" ונראה כאילו הוא מפר את החוק השני של התרמודינמיקה, מכיוון שהוא מסוגל להוריד את האנטרופיה של גז תוך הוצאת כמות זניחה של אנרגיה. לאחר שנים רבות, ב-1929, פתר ליאו סילארד את הפרדוקס.
הוא העלה את האפשרות שהשד אוסף מידע בכל פעם שהשער נסגר. המידע הזה, לטענתו, נושא אנטרופיה שמאזנת במדויק את הירידה באנטרופיה של הגז, וכך "מצילה" את החוק השני. (סילארד הקדים את זמנו: כמה עשורים לאחר מכן, הרעיון שלמידע יש משמעות פיזיקלית ממשית הוא שהניע את יצירת תורת המידע.)
כל הדיונים בנושא הדילמה של מקסוול, ובכללם הפתרון של סילארד, לא חרגו מגדר ההשערה התיאורטית, ובמשך עשרות שנים ארוכות נראה שנגזר גורלם להישאר כאלה.
אלא שעמיתיי ואני יצרנו את המימוש הראשון של הניסוי המחשבתי של מקסוול באופן שבו מקסוול העלה אותו בדעתו (בניסויים אחרים שנערכו לאחרונה נעשו דברים דומים ברמה העקרונית, אבל באמצעות ננו-מכניקה ולא באמצעות שערים לגז). השתמשנו בשיטה הזאת בשביל לקרר אטומים עד טמפרטורה של 15 מיליוניות המעלה מעל לאפס המוחלט.
כפי שנראה בהמשך, המתקן שבנינו מבהיר כיצד השד של מקסוול יכול להתקיים בפועל, וכן מדוע התובנה של סילארד - שמידע ממלא תפקיד מכריע - נכונה.
הסקתי שאם אני רוצה שהשער החד-סטרי יפעל, צריך שלאטומי הגז יהיו שני מצבים נבדלים זה מזה (הערכויות שונות של אלקטרונים מסביב לגרעין) ששניהם בעלי אנרגיה נמוכה ולפיכך יציבים.
הבה נקרא לשני המצבים "כחול" ו"אדום". האטומים מרחפים במכל שקרן לייזר חוצה אותו באמצע. אורך הגל של הקרן מכוונן במדויק לגודל שיגרום לאטומים "אדומים" לנתר לאחור כשהם מתקרבים לקרן, כלומר, הקרן מתפקדת בעצם כשער סגור.
בהתחלה כל האטומים "כחולים" ולכן יכולים לחלוף דרך מחסום הלייזר ללא הפרעה. אבל ממש מימין לקרן החוסמת פוגעים האטומים בקרן לייזר שנייה, המכווננת כך שאטומים יהפכו מ"כחולים" ל"אדומים" על ידי פיזור פוטון יחיד.
כעת האטומים ה"אדומים" נדחים מן הקרן החוסמת ולפיכך אינם יכולים לחלוף דרך השער ולחזור לצד השמאלי. בסופו של דבר כל האטומים יתאספו בצד ימין, וצד שמאל יישאר ריק.
בפעם הראשונה הדגמנו את השער שלנו בעזרת אטומי רובידיום בתחילת 2008. קראנו לשיטה שלנו קירור בפוטון יחיד, כדי להבדיל בינה לבין השיטה המוקדמת יותר, קירור בלייזר, שדורשת פוטונים רבים כדי לקרר כל אטום.
בינתיים, בלי שידענו, גונזלו מוּגה מאוניברסיטת בילבאו שבספרד, יחד עם עמיתו אנדריאס רוּכהאופט (כיום באוניברסיטת לייבניץ בהנובר שבגרמניה), פיתחו רעיון דומה בלי להכיר את המחקר שלנו. מאז, מוגה, רוכהאופט ואני ניתחנו באופן מתמטי כמה מן ההיבטים התיאורטיים של השער.
במאמר משותף שהתפרסם ב-2006, הראנו שכשאטום מפזר פוטון אחד, הפוטון נושא עמו מידע על האטום הזה ולפיכך גם מנת (קוונט) אנטרופיה זעירה. יותר מזה, הפוטון המקורי הוא חלק מאלומת פוטונים מסודרת (קרן הלייזר), ואילו הפוטונים המפוזרים ניתזים בכיוונים אקראיים.
הפוטונים נעשים אפוא פחות מסודרים, והעלייה המתאימה באנטרופיה של האור מאזנת במדויק את הירידה באנטרופיה של האטומים, הנובעת מן המחסום שיוצר השער החד-סטרי. לפיכך, קירור בפוטון יחיד פועל כמו השד של מקסוול ממש באופן שראה ליאו סילארד בעיני רוחו ב-1929.
השד, במקרה הזה, הוא פשוט ויעיל במיוחד: קרן לייזר שמשרה תהליך בלתי הפיך על ידי פיזור פוטון יחיד. שד כזה הוא בוודאי אינו ישות תבונית וגם לא מחשב, ואינו צריך להחליט החלטות בהתבסס על מידע המגיע מן האטומים. די בעובדה שהמידע זמין ויכול, בעיקרון, להיאסף.
חזית הלכידה והקירור
השליטה בתנועה של אטומים ומולקולות פותחת כיוונים חדשים במדע. כימאים חולמים זה זמן רב ללכוד מולקולות ולקרר אותן כדי לחקור תגובות כימיות הכפופות לחוקי מכניקת הקוונטים.
רובה הסלילים פועל על כל מולקולה מגנטית ומספק השלמה לשיטה המשתמשת בכוחות חשמליים, ולא מגנטיים, כדי להאט כל מולקולה בעלת קיטוב חשמלי. אם המולקולות קטנות דיין, יוכל הקירור בפוטון יחיד להוריד את הטמפרטורות במידה מספקת כדי שתופעות קוונטיות יתחילו לשלוט.
לדוגמה, מולקולות הופכות לגלים מתפרסים שיכולים לחולל תגובות לאורך מרחקים גדולים בהרבה מן הרגיל, בלי להזדקק לאנרגיה הקינטית שמתדלקת תגובות רגילות. כמה קבוצות מחקר מתעמקות כעת בכיוון הזה.
הכתבה המלאה התפרסמה בגיליון יוני-יולי של המגזין "סיינטיפיק אמריקן - ישראל" בהוצאת אורט.
מארק ג' רייזן (Raizen) מחזיק בקתדרת מנהלי קרן סיד וו' ריצ'רדסון לפיזיקה באוניברסיטת טקסס שבאוסטין, שם הוא גם קיבל את תואר הדוקטור שלו. תחומי העניין שלו כוללים לכידה אופטית ושזירה קוונטית. כשהיה פעוט, זכה רייזן לפגוש את ליאו סילארד, שהיה מטופל של אביו הקרדיולוג, והסביר מדוע השדים של מקסוול אינם מפרים את חוקי התרמודינמיקה.
לפנייה לכתב/ת 
ג'יימס מקסוול
