מחקר חדש הצליח להראות תופעות קוונטיות גם בחלקיקים גדולים במיוחד – עוד צעד לפענוח ההבדלים בין העולם הקוונטי לעולם הקלאסי
בעולם הקוונטי, חלקיקים קיימים בו זמנית בכמה מצבים, וכשהם עוברים מנקודה לנקודה הם יכולים לעבור בכמה מסלולים בעת ובעונה אחת. הרעיון נכון גם למספר גדול יותר של מסלולים. בניסוי שנערך בשיתוף פעולה בין חוקרים מווינה, תל אביב ולונדון הדגימו החוקרים לראשונה את מעברה הבו זמני של מולקולה גדולה מאוד (פי יותר מ-500 מאטום מימן) בשלושה מסלולים בעת ובעונה אחת. התוצאות התפרסמו בכתב העת Science Advances.
מכניקת הקוונטים מתארת את העולם במרחקים קצרים מאוד: בדרך כלל בקנה המידה של אטומים בודדים. אחד הניסויים הראשונים שהדגים את האפקטים המעניינים שקורים במסגרת הזאת היה ניסוי שני הסדקים של דויסון וגרמר משנת 1927. בניסוי שיגרו קרן אלקטרונים לעבר מסך ובדרכם הוצב מכשול שבו נחתכו שני חרכים. מאחורי המכשול הוצב מסך שזרח בנקודות שהאלקטרונים פגעו בהן.
במקרה כזה יכולות להיות שתי תוצאות שונות מאוד. אילו האלקטרון היה כדור קשיח, למשל כמו כדור אקדח, הנקודות על המסך היו מתרכזות פחות או יותר בקו אחד מאחורי החרכים. לעומת זאת, אם האלקטרון מתנהג כמו גל בים ועובר דרך כמה מסלולים בו זמנית, פיזור הנקודות יהיה הרבה יותר רחב, עם כמה שיאים. זו בדיוק התמונה שהתקבלה בניסוי, והיא המחישה את ההבדל בין ההתנהגות של חלקיקים זעירים לבין מה שהיינו מצפים לראות במכניקה הקלאסית, העוסקת בעצמים "רגילים".
אחת השאלות היא איפה נמצא קו הגבול בין שני התיאורים האלה של המציאות. כלומר אנחנו מבינים שכדי לתאר אטום בודד אנו חייבים את מכניקת הקוונטים, אבל כדי לתאר תפוח שנופל מעץ מספיקה המכניקה הקלאסית של ניוטון, אבל כמה גדולה חייבת להיות מערכת כדי שנוכל לעבור מתיאור אחד לשני? זו שאלה מורכבת עם תשובות מורכבות. בניסוי הנוכחי היא הובילה את הנסיינים לבחון התנהגות קוונטית בעצם גדול למדי: מולקולה של פתלוציאנין (Phthalocyanine,הרכב כימי: (C8H4N2)4H2 או בקיצור: H2Pc). המולקולה הזו כבדה פי 515 מאטום מימן יחיד, והמסה שלה גבוהה פי כמה מיליונים מזו של אלקטרון. כאשר היא פוגעת במסך זרחני היא גורמת לאפקט חזק יחסית של זריחה ביחס למולקולות כבדות אחרות ובכך היא מקלה על תהליך המדידה.
תופעות קוונטיות במולקולה כבדה. תרשים הניסוי | מקור: University of Vienna; Image-Design: Christian Knobloch
החוקרים השתמשו בלייזר חזק שהאיר על חלון זכוכית שכוסה מראש בשכבה דקה של מולקולות פתלוציאנין. כשהקרן פגעה בחלון, מולקולות התנתקו ממנו ועפו במהירות לעבר מסך זרחני. בדרכן הציבו מכשול ובו שני חרירים בנקודה אחת ושלושה חרירים בנקודה אחרת. על המסך הזרחני נוצרו תמונות בנקודות הפגיעה של המולקולות.
כדי להבין את ההתנהגות המיוחדת שנמדדה כאן צריך לדמיין מולקולה אחת בודדת שמשוגרת אל המסך. היא מתקדמת במהירות אל החרירים. אילו הייתה עוברת רק דרך חריר אחד היינו מקבלים תמונה ממוקדת יחסית על המסך הזרחני, אבל אם היא עוברת בו זמנית דרך שני חרירים, התמונה תהיה כאמור מפוזרת יותר. התמונה שתתקבל עם שלושה חרירים תהיה שונה משתי קודמותיה. את ההבדלים האלה מדדו החוקרים.
נוסף על המעבר משני חרירים לשלושה, התהליך הנוכחי היה שונה מהניסוי ההיסטורי במסה של החלקיק שעובר דרך החרירים. החוקרים גילו כי אפשר לראות תופעות קוונטיות גם במולקולה הכבדה פי מיליון מאלקטרון. הממצא הזה מחדד את השאלה: היכן עובר הגבול? עד כמה אפשר להעלות את המסה ועדיין לראות אפקטים כאלה? הבנת הגבול המטושטש הזה בין העולם הקוונטי לעולם הקלאסי תאפשר לנו לדעת טוב יותר איך התיאורים השונים האלה של המציאות שזורים אלה באלה.
