הקוונטים מתחממים ומתקררים

האם קצב המדידות עשוי להשפיע על התוצאה? למשל, האם ייתכן שחומו של חולה נקבע על-פי קצב מדידות החום שמבצע הרופא, כך שהחום עולה כאשר המדידות תכופות יותר, ויורד כאשר קצב המדידות פוחת? מתברר שזה בדיוק מה שקורה כאשר ה"חולה" הוא עצם קוונטי: אטום, מולקולה או התקן ננו-מוצק. אלה הם פני הדברים על-פי תיאוריה חדשה שפיתחו פרופ' גרשון קוריצקי, ד"ר נועם ארז  ותלמיד המחקר גורן גורדון, מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע, יחד עם ד"ר מתיאס נסט מאוניברסיטת פוטסדם בגרמניה. המחקר פורסם באחרונה בכתב-העת המדעי Nature.

התופעות המתוארות בתיאוריה החדשה של פרופ' קוריצקי חורגות מהכללים המקובלים של תורת-החום (תרמו-דינמיקה), שעל-פיהם מגע בין מקור חום גדול ("אמבט" חום) לבין עצם קטן ממנו חייב להביאם בהדרגה (לפחות בממוצע) לשיווי-משקל תרמי, כלומר אל טמפרטורה קבועה ומשותפת. חברי קבוצת המחקר של פרופ' קוריצקי קוראים תיגר על תפיסה זו, הנחשבת אוניברסלית, ככל שהדברים אמורים בקבוצת מערכות קוונטיות המצויות במגע עם אמבט חום, וכאשר מבוצעות מדידות תכופות של הטמפרטורה או האנרגיה שלהן.

לפי התיאוריה החדשה, מדידות תכופות עשויות לחמם או לקרר את המערכות הקוונטיות ואת האמבט כאחד, ושינוי הטמפרטורה תלוי רק בקצב המדידות, ללא קשר לכללי התרמודינמיקה המקובלים. כך, באופן מתמיה, המערכות עשויות (בממוצע) להתחמם אף אם האמבט קר יותר, או להתקרר אף אם האמבט חם יותר. עם זאת, פרופ' קוריצקי מדגיש כי אי-אפשר לבנות בדרך זו מכונת תנועה נצחית ("פרפטום מובילה"), שכן ביצוע המדידות מחייב השקעת אנרגיה.

מדוע מתחוללת התופעה הזאת? בניגוד למדידות מקובלות ("קלאסיות") אשר עשויות להיות לא-פולשניות לחלוטין, מדידות קוונטיות מבטלות בהכרח את הצימוד בין המערכת הנמדדת לאמבט - ומביאות לאובדן ההתאמות ביניהן. בתום המדידה המהירה מתחדש הצימוד בפתאומיות, דבר הגורם למעבר אנרגיה ממכשיר המדידה הן למערכת והן לאמבט, כלומר לחימום. המפתח לתופעה זו הוא אי-הוודאות הקוונטית, שעל-פיה בזמנים קצרים המערכת והאמבט אינם ניתנים להבחנה אנרגטית. בזמנים ארוכים במקצת, האנרגיות של המערכת והאמבט עוברות תנודות חריפות, על חשבון אנרגיית הצימוד ביניהם. תנודות אלה עשויות לגרום לקירור ביחס לטמפרטורה ההתחלתית. לפיכך, בהתאם למרווחים בין המדידות, אפשר לחמם או לקרר את המערכת. מדידות עוקבות יאפשרו צבירה הדרגתית של הקירור או החימום, וכך, במשך זמן לא רב, להביא לשינוי גדול בטמפרטורה.

התופעות החזויות חושפות תופעות בסיסיות בלתי-מוכרות שמקורן בדינמיקה קוונטית בזמנים קצרים, בתחום שעד עתה נחשב ללא-קוונטי (קלאסי): תרמודינמיקה של צברי-מערכות. התיאוריה החדשה מדגימה כי אפשר להבחין בתופעות קוונטיות בכל מערכת, אם הניסוי מבוצע ברמה מספקת של דיוק בזמן. מבחינה יישומית צפויות תופעות אלה לאפשר פיתוח התקני חימום וקירור חדשניים שפעולתם מהירה בהרבה מאלה הקיימים. המדענים מקווים שבקרוב יבוצעו במקומות שונים בעולם ניסויים מעשיים לבחינת התיאוריה החדשה.