מאת פֶּסַח בֶּנְסוֹן ועוֹמֶר נוֹבוֹסֶלְסְקִי • 3 בספטמבר 2026
ירושלים, 3 בספטמבר 2026 (TPS-IL) — במשך יותר ממאה שנה, תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין ומכניקת הקוונטים עברו אינספור מבחנים, אך פיזיקאים התקשו ליישב ביניהן. כעת, מדענים בישראל ומחוצה לה עשו צעד חדש בהבנת האופן שבו הן מתקשרות, על ידי מדידה ישירה של האופן שבו כבידה משנה אובייקט קוונטי בזמן נפילתו.
הממצאים עשויים לתרום בסופו של דבר לחיישנים קוונטיים רגישים יותר למדידת כבידה ותאוצה, עם יישומים פוטנציאליים בסקרים, מיפוי גיאולוגי וניווט ללא תלות ב-GPS.
ההתקדמות אינה רק בכך שמדענים מדדו כבידה באמצעות אטומים קוונטיים; ניסויים כאלה נעשו בעבר. במקום זאת, החוקרים מדדו ישירות שינוי ספציפי ב"פאזה" של גל קוונטי כאשר אטום נפל בחופשיות תחת כבידה – אפקט שנחזה על ידי עקרון השקילות של איינשטיין.
אוניברסיטת בן-גוריון בנגב בבאר שבע ב-8 ביוני 2026. צילום: יואב דודקביץ'/TPS-IL
הניסוי הובל על ידי אוניברסיטת בן-גוריון בנגב, אוניברסיטת אולם ואוניברסיטת אוקספורד, כאשר הפיזיקאי זוכה פרס נובל סר רוג'ר פנרוז היה בין החוקרים המעורבים. הוא פורסם בכתב העת המדעי Science Advances.
"מכניקת הקוונטים אומרת לנו שחלקיק הוא גם גל", אמר פרופ' רון פולמן מהמכון ע"ש אילזה כץ למדע וטכנולוגיה של ננו-ממדים באוניברסיטת בן-גוריון ל-The Press Service of Israel. "לגלים, בין אם גלי ים, גלי קול, גלי אור או גלים קוונטיים, יש תכונה הנקראת פאזה."
"בעוד שאנשים מדדו את תאוצתם של גופים הנופלים בחופשיות מאז גלילאו, איש מעולם לא מדד את התכונות הקוונטיות של אובייקט קוונטי הנופל בחופשיות, ובפרט, כיצד הפאזה שלו משתנה עקב נפילה חופשית", אמר.
אטום נופל אחד, שני מסלולים
עקרון השקילות, אבן יסוד של היחסות הכללית, קובע שהשפעות הכבידה יכולות להיעלם מקומית עבור צופה בנפילה חופשית – אדם הנופל בחופשיות במעלית, למשל, יחווה חוסר משקל. העיקרון נבדק עם חומר רגיל בדיוק יוצא דופן. אך אובייקטים קוונטיים יכולים להתנהג כגלים ויכולים לעקוב אחר שני מסלולים בו-זמנית.
"בניסוי שלנו השתמשנו בכלל זה כדי למקם אטום בשני מקומות ובשני מסלולים בו-זמנית. במסלול אחד הוא נפל בחופשיות ובמסלול השני הוא היה סטטי ביחס לכדור הארץ, כאשר האחרון שימש כנקודת ייחוס", הסביר פולמן.
החוקרים קיררו ענני אטומי רובידיום לטמפרטורות קרובות לאפס המוחלט ועיצבו אותם ליד שבב אטומים שתוכנן במיוחד. שדות מגנטיים החזיקו חלק אחד של הגל האטומית במקום, בעוד שהחלק השני הורשה ליפול בחופשיות. לאחר מכן הוחזרו שני החלקים יחד, והגלים שלהם התערבו, מה שאפשר לחוקרים למדוד את ההבדל הזעיר בפאזה הקוונטית שנצבר בין החלקים הנופלים והסטטיים. שינוי הפאזה שנמדד תאם את הערך שנחזה על ידי עקרון השקילות של איינשטיין עבור אובייקט קוונטי.
פולמן אמר שהניסוי משמעותי מכיוון שמדענים עדיין חסרים תיאוריה המסבירה כיצד כבידה ומכניקת הקוונטים פועלות יחד. "שתיהן הוכחו כיעילות, אך מדענים מעולם לא הצליחו לנסח תיאוריה המתארת כיצד שתיהן פועלות יחד באותו יקום", אמר ל-TPS-IL.
הניסוי אינו מראה שכבידה עצמה היא קוונטית, וגם אינו מבסס תיאוריה מאוחדת של כבידה ומכניקת הקוונטים. במקום זאת, הוא מדגים שבתנאים שנבדקו, עקרון השקילות של איינשטיין תואם לסופרפוזיציה קוונטית. הוא גם אינו בוחן את הצעתו של פנרוז שמכניקת הקוונטים עלולה לקרוס עבור אובייקטים מסיביים מספיק המוחזקים בסופרפוזיציות קוונטיות למשך זמן רב מספיק.
לקראת פיזיקה חדשה
עם זאת, החוקרים מקווים להשתמש בטכניקה עם אובייקטים כבדים הרבה יותר. "הניסוי שלנו פתח את הדלת לניסויים מורכבים יותר בעתיד לבחינת הממשק בין שתי התיאוריות", אמר פולמן ל-TPS.
הצוות כבר מפתח ניסוי המשתמש ביהלום ננומטרי במקום באטום. אובייקט מסיבי מספיק המוצב בסופרפוזיציה קוונטית עשוי לאפשר לחוקרים לבחון האם מכניקת הקוונטים וכבידה מתנהגות באופן שונה בסקאלה שבה האינטראקציה ביניהן הופכת משמעותית יותר. "ברגע שהוא יוצב בסופרפוזיציה, הוא ייצור סופרפוזיציה של המרחב-זמן עצמו, וכאן אנו עשויים לראות פיזיקה חדשה לחלוטין", אמר פולמן.
אם יצליחו, ניסויים כאלה עשויים להציע דרכים חדשות לחקור את הקשר הבלתי פתור בין מכניקת הקוונטים לכבידה. החוקרים גם רואים פוטנציאל ארוך טווח לטכניקות הבסיסיות בחיישנים קוונטיים המסוגלים למדידות מדויקות ביותר של כבידה ותאוצה, כולל שימושים בסקרים, מיפוי גיאולוגי וניווט במקומות בהם אותות GPS אינם זמינים.