על חלקיקים מדומים ומטענים חשמליים מציאותיים

 

 

מדעני מכון ויצמן הצליחו – לראשונה בעולם – למדוד מטען חשמלי השווה לחמישית ממטענו של אלקטרון בודד. זהו המטען החשמלי הקטן ביותר שנמדד מעולם. ההישג מתפרסם בימים אלה בכתב העת המדעי היוקרתי נייצ'ר ("מדע"). בראש צוות המחקר עמד פרופ' מרדכי הייבלום ממכון ויצמן למדע. הצוות כלל את ד"ר מיכאל רזניקוב, רפאל דה-פיצ'יוטו, ד"ר טים גריפית, ד"ר ולדימיר אומנסקי, גרגורי בונין וד"ר דיאנה מהלו.

 

מאז שמטענו החשמלי של האלקטרון נמדד לראשונה, לפני כשמונים שנה, בידי הפיסיקאי האמריקאי רוברט מיליקאן, נחשב המטען הזה ליחידה הבסיסית, הקטנה ביותר, של מטען חשמלי. אבל, בשנת 1982 הציע הפיסיקאי האמריקאי רוברט לפלין הסבר לתופעות אלקטרוניות מסוימות, שממנו עלתה הנחה כי בתנאים מסוימים נוצרים בזרם החשמלי מעין מבנים של אלקטרונים המתפקדים כ"חלקיקים מדומים", שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי הקטן ממטענו ה"בסיסי" של אלקטרון בודד (שליש ממטען האלקטרון, חמישית ממנו, שביעית ממנו ואף חלקים קטנים יותר).

 

מדעני המכון בנו מערכת ייחודית, המסוגלת למדוד מטענים חשמליים זעירים, הקטנים ממטענו של אלקטרון בודד. המערכת מודדת תופעות הקרויות "קולות ירייה", הנוצרות כתוצאה מתנודות אקראיות בכמותם ובמהירותם של אלקטרונים הנעים בזרמים חשמליים שונים. תופעת "קולות הירייה" גורמת, למשל, להיווצרותם של צלילי פיצפוצים במקלטי רדיו ולהופעת נקודות "שלג" על מרקעי טלוויזיה. עוצמת "רעשי הירייה" תלויה בגודל המטען החשמלי שיצר אותם: ככל שהמטען החשמלי קטן יותר, "רעשי הירייה" קטנים יותר (ולהפך).

 

המערכת הייחודית שבנו מדעני המכון מסוגלת למדוד את "רעשי הירייה", וכתוצאה מכך ללמוד על גודל המטענים החשמליים שגרמו להיווצרותן. כך הצליחו מדעני המכון למדוד את "רעשי הירייה" של חלקיקים מדומים, שכל אחד מהם נושא מטען חשמלי השווה לחמישית ממטענו החשמלי של אלקטרון בודד.

 

ההוכחה הראשונה לנכונות התיאוריה של לפלין סופקה לפני כשנה בידי אותה קבוצה של מדעני מכון ויצמן שהצליחו למדוד, לראשונה בעולם, מטען חשמלי השווה לשליש ממטענו של אלקטרון בודד. הוכחה זו מילאה תפקיד חשוב בהחלטה להעניק לרוברט לפלין, הורסט סטורמר ודניאל טסואי את פרס נובל לפיסיקה לשנת 1998. אולם, העובדה שההוכחה הושגה בהתקן שמוליכותו היתה שליש מהמוליכות הקוונטית, עוררה ספקות מסוימים באשר לנכונות המדידה (היתה אפשרות שהמדידה התייחסה למוליכות ההתקן ולא למטען החשמלי). כדי להסיר את הספקות האלה ביצעו מדעני המכון ניסוי נוסף, שבו הצליחו למדוד מטען חשמלי קטן עוד יותר, השווה לחמישית ממטענו של אלקטרון בודד. מדידה זו בוצעה בהתקן שמוליכותו היתה שווה לשתי חמישיות מהמוליכות הקוואנטית, וגם היא הראתה תוצאה המתאימה בדיקנות לתחזיותיו של לפלין. חשיבותה של המדידה נובעת בעיקר מהעובדה שאי הדמיון בין המטען החשמלי (חמישית ממטען האלקטרון) לבין מוליכות ההתקן (שתי חמישיות מהמוליכות הקוואנטית), מעיד כי המדידה אכן מתייחסת למטען החשמלי ולא למוליכות ההתקן.