פרס נובל לפיזיקה 2025: מכניקת הקוונטים ממיקרו למקרו

Nobel Vật lý 2025 - Ảnh 1. — המדענים ג'ון קלארק, מישל ה. דבורה וג'ון מ. מרטיניס הוכרזו כזוכים בפרס נובל לפיזיקה השנה על ידי האקדמיה המלכותית השוודית למדעים, במסיבת עיתונאים בסטוקהולם, שבדיה, ב-7 באוקטובר - צילום: רויטרס

בשנת 1925, הפיזיקאים הייזנברג, שרדינגר ודיראק גילו את מכניקת הקוונטים - תגלית מוזרה שתשנה את העולם .

בדיוק 100 שנים לאחר מכן, פרס נובל לפיזיקה לשנת 2025 הוענק לשלושה פיזיקאים אמריקאים שהביאו את אפקט המנהור הקוונטי - אפקט קוונטי מיקרוסקופי מוזר - לעולם המקרוסקופי, ופתח בפני יישומים פורצי דרך רבים.

זה נהדר להיות מסוגל לחגוג את האופן שבו מכניקת הקוונטים בת מאות השנים מביאה הפתעות חדשות. זה גם שימושי להפליא, כי מכניקת הקוונטים היא הבסיס של כל הטכנולוגיה הדיגיטלית .

אולה אריקסון (יו"ר ועדת פרס נובל לפיזיקה, נואם)

גילוי פורץ דרך של אפקט המנהור

שלושה פיזיקאים אמריקאים, ג'ון קלארק, מישל ה. דבורה וג'ון מ. מרטיניס, זכו בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2025 על "גילוי אפקטים של מנהור קוונטי מקרוסקופי וכימות אנרגיה במעגלים חשמליים", כך נכתב בהודעת ועדת נובל.

הפרס השנה מוענק לסדרת ניסויים שערכו בשנים 1984 ו-1985 על מעגלים מוליכי-על, שהדגימו כי "מנהור" - תופעת החלקיקים שעוברים דרך מחסומים שיכולה להתרחש רק במכניקת הקוונטים - יכולה להתרחש בקני מידה גדולים בהרבה ממה שחשבו בעבר.

פרופסור ג'ון קלארק, שקיבל את הדוקטורט שלו מאוניברסיטת קיימברידג' בשנת 1968, מכהן כפרופסור לפיזיקה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, מאז 1969. כיום הוא פרופסור אמריטוס בבית הספר לתארים מתקדמים של האוניברסיטה.

מישל ה. דבורה, יליד פריז וקיבל שם את הדוקטורט שלו, הוא פרופסור אמריטוס לפיזיקה יישומית במכון הקוונטים של ייל באוניברסיטת ייל.

לג'ון מ. מרטיניס תואר דוקטור מאוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. לאחר שלימד באוניברסיטה, לאחרונה עבד עם קבוצת הבינה המלאכותית הקוונטית של גוגל.

באמצע שנות ה-80, מר דבורט הצטרף לקבוצת המחקר של מר קלארק כחוקר פוסט-דוקטורט, יחד עם תלמיד הדוקטורט שלו, מרטיניס. יחד, הם קיבלו על עצמם את האתגר של הדגמת אפקט המנהור הקוונטי ברמה המקרוסקופית.

בניסויים שלהם, שלושת המדענים בנו מעגלים ממוליכי-על שיכולים להוליך זרם חשמלי ללא התנגדות. על ידי כוונון ומדידה של תכונות המעגל, הם יכלו לשלוט בתופעות שהתרחשו. חלקיקים טעונים הנעים דרך מוליך-העל יצרו מערכת שהתנהגה כאילו היו חלקיק בודד הממלא את כל המעגל.

מערכת חלקיקים זו נמצאת בתחילה במצב שבו זרם זורם ללא מתח, כאילו חסום על ידי מחסום בלתי עביר.

בניסוי, המערכת הדגימה תכונות קוונטיות על ידי בריחה ממצב זה באמצעות אפקט המנהור הקוונטי. שלושת המדענים הדגימו גם שהמערכת הייתה קוונטית, כלומר היא ספגה או פליטה רק כמויות ספציפיות של אנרגיה.

Nobel Vật lý 2025 - Ảnh 2. — איור של אפקט המנהור הקוונטי-מכני: זרוק כדור על קיר, והוא קופץ חזרה. אבל זרוק חלקיק מיקרוסקופי, והוא עובר דרך הקיר. אפקט זה בדרך כלל פוחת עבור קבוצה גדולה של חלקיקים, ולכן אנחנו אף פעם לא רואים מישהו עובר דרך קיר בחיי היומיום - צילום: יוהאן יארנסטאד/האקדמיה השוודית למדעים

סלילת הדרך לטכנולוגיה קוונטית

לניסוי השלכות חשובות על הבנת מכניקת הקוונטים. בעבר, אפקטים מכניים קוונטיים מקרוסקופיים כללו חלקיקים מיקרוסקופיים רבים ששולבו יחד כדי לייצר תופעות כמו לייזרים, מוליכי-על ונוזלי-על. עם זאת, הניסויים של שלושת הפיזיקאים זוכי פרס נובל השנה יצרו השפעה מקרוסקופית ישירה.

מצב קוונטי מקרוסקופי מסוג זה פותח פוטנציאל חדש לניסויים המנצלים תופעות השולטות בעולם המיקרוסקופי. ניתן לחשוב עליו כמעין אטום מלאכותי בקנה מידה גדול, המשמש לסימולציה וסיוע בחקר מערכות קוונטיות אחרות.

יישום חשוב היה מחשב הקוונטים שמרטיניס יישם מאוחר יותר. הוא השתמש בדיוק באותה כימות אנרגיה שהוא ושני חתני פרס נובל שלו הדגימו, תוך שימוש במעגלים עם מצבים כימותיים כביטים קוונטיים או קיוביטים כאשר מצב האנרגיה הנמוך ביותר הוא 0 והגבוה יותר הוא 1.

מעגלים מוליכי-על הם אחת הטכניקות הנחקרות במאמץ לבנות מחשבים קוונטיים. מרטיניס היה ראש קבוצת המחקר של גוגל בתחום המחשוב הקוונטי בין השנים 2014 ל-2020.

מר קלארק אמר כי מחקרם סייע לסלול את הדרך להתקדמות טכנולוגית, כמו לידתם של הטלפונים הניידים. ועדת פרס נובל אישרה גם: "אין כיום טכנולוגיה מתקדמת שאינה מבוססת על מכניקת הקוונטים, כולל: טלפונים ניידים, מצלמות... וכבלי סיבים אופטיים".

כאשר פיזיקה וכימיה נפגשות ב"מנהרה" הקוונטית

פרס נובל לפיזיקה לשנת 2025 הוענק לשלושה מדענים על תגליותיהם במכניקת הקוונטים לפני 40 שנה. תוצאה זו אינה מפתיעה במיוחד, שכן אונסק"ו בחרה בשנת 2025 כשנת המדע והטכנולוגיה הקוונטית הבינלאומית.

ועדת פרס נובל קבעה: "מכניקת הקוונטים היא הבסיס לכל הטכנולוגיה הדיגיטלית... הניסויים שלהם הניחו את היסודות להתקדמות טכנולוגית חדשה המבוססת על עקרונות קוונטיים".

שלושת הפיזיקאים הללו גילו את אפקט המנהור וקבעו את קפיצות האנרגיה במעגלים חשמליים. אפקט המנהור הפך במהרה למושג מרכזי בהסבר תגובות כימיות רבות.

ניתן לדמיין זאת בפשטות כמו בעת מעבר דרך מעבר האי ואן: מגיבים צריכים לעתים קרובות "לטפס על המעבר" עם אנרגיה גבוהה מאוד, אך לפעמים הם "עוברים דרך המנהרה", ומתגברים על מחסום האנרגיה מהר יותר כדי ליצור תגובה.

מנהור נלמד ברמה אוניברסיטאית בספרי לימוד בקינטיקה כימית, ומעוצב באמצעות שיטות קוונטיות בעת חישוב קבועי קצב תגובה. פיזיקה וכימיה, שוב, משתלבות בצורה נפלאה.

פרופ' Nguyen Minh Tho - פרופסור לשם כבוד באוניברסיטת KU Leuven, בלגיה

חזרה לנושא

ד"ר נגוין טרונג דאן

מקור: https://tuoitre.vn/nobel-vat-ly-2025-co-hoc-luong-tu-tu-vi-mo-den-vi-mo-20251007222830181.htm