יקיר אהרונוב: הפיזיקאי שהוכיח שחלל ריק אינו ריק
בשנת 1959, בעבודתו עם מנחה הדוקטורט שלו דייוויד בוהם (David Bohm) באוניברסיטת בריסטול, הראה פיזיקאי ישראלי צעיר שאלקטרון יכול להיות מושפע משדה מגנטי שמעולם לא נגע בו — שדה שנכלא במלואו בתוך סולנואיד, כאשר החלקיק מוגבל לאזור שבו השדה עצמו הוא אפס מבחינה מתמטית. הטענה נשמעה כמו טעות. במקום זאת, מדובר היה באחד התיקונים המשמעותיים ביותר לאופן שבו פיזיקאים מבינים את המציאות מאז הוויכוחים בין בוהר (Bohr) לאיינשטיין (Einstein) בנושא.
מחיפה לבריסטול
יקיר אהרונוב נולד ב-28 באוגוסט 1932, במה שהיה אז ארץ ישראל המנדטורית וכיום הוא מדינת ישראל. הוא השלים תואר ראשון במדעים בטכניון — מכון טכנולוגי לישראל — בחיפה בשנת 1956, ולאחר מכן נסע לאנגליה כדי להשלים דוקטורט באוניברסיטת בריסטול, אותו סיים בשנת 1960 בהנחייתו של דייוויד בוהם, אחד מפרשני תורת הקוונטים בעלי החשיבה העצמאית ביותר במאה ה-20. חניכה זו עיצבה את כל הקריירה של אהרונוב: בוהם היה פיזיקאי שהיה מוכן להטיל ספק במוסכמות שרוב בני דורו התייחסו אליהן כסגורות, ואהרונוב אימץ הרגל זה בשלב מוקדם.
האפקט הנושא את שמו
אפקט אהרונוב-בוהם (Aharonov-Bohm effect), שפורסם בשנת 1959, הראה שאלקטרונים העוברים דרך אזור נטול שדה המקיף שטף מגנטי, רוכשים בכל זאת היסט פאזה מדיד — שינוי שניתן להבחין בו בניסוי התאבכות — התלוי בשטף הכלוא, למרות שהאלקטרונים לעולם אינם עוברים דרך אזור שבו השדה המגנטי עצמו אינו אפס. לפני תוצאה זו, פיזיקאים נהגו בדרך כלל להתייחס לפוטנציאל האלקטרומגנטי כאל נוחות מתמטית, אמצעי עזר שימושי לחישובים אך ללא מציאות פיזיקלית ישירה; ההנחה הייתה שהשדה עצמו הוא הדבר היחיד שיכול להשפיע על חלקיק. אהרונוב ובוהם הדגימו שהפוטנציאל נושא השלכות פיזיקליות משלו, הניתנות לצפייה גם באזורים שבהם השדה מתבטל לחלוטין. מכון פרנקלין, שהעניק לאהרונוב את פרס קרסון (Cresson Award) בשנת 1991, זקף לזכותו "תצפיות על פוטנציאלים אלקטרומגנטיים ותובנות במכניקת הקוונטים" שאילצו חשיבה מחודשת על מה שנחשב לפיזיקלי במכניקת הקוונטים. האפקט אושר מאז ניסויית פעמים רבות וכיום הוא נלמד כאחת ההדגמות הבסיסיות במכניקת הקוונטים, ומצוטט כמבשר ישיר לרעיונות בפיזיקה טופולוגית ובתורת כיול המעצבים את המחקר כיום.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →קריירה חוצת יבשות
הקריירה של אהרונוב הובילה אותו דרך רשימה ארוכה יוצאת דופן של מוסדות: אוניברסיטת ברנדייס (Brandeis University), ישיבה יוניברסיטי (Yeshiva University), אוניברסיטת תל אביב, אוניברסיטת קרוליינה הדרומית ואוניברסיטת ג'ורג' מייסון (George Mason University), לפני שהצטרף לאוניברסיטת צ'פמן (Chapman University) בקליפורניה בשנת 2008. בצ'פמן הוא מחזיק בקתדרה לפילוסופיית הטבע על שם ג'יימס ג'. פארלי ומנהל את המכון ללימודי קוונטים, תוך שמירה על מעמד פרופסור אמריטוס באוניברסיטת תל אביב ופרופסור מכובד במכון פרימטר (Perimeter Institute) באונטריו, קנדה. לאורך אותם עשורים הוא המשיך ליצור עבודה שערערה על הנחות פשוטות לגבי עולם הקוונטים, תוך שיתוף פעולה בנקודות שונות עם פיזיקאים כולל סטיבן הוקינג (Stephen Hawking) ולאונרד ססקינד (Leonard Susskind).
מדידה חלשה וגבולות ההפרעה
מעבר לאפקט אהרונוב-בוהם, אהרונוב מזוהה קשר הדוק עם פיתוח תיאוריית המדידה החלשה, מסגרת לחילוץ מידע ממערכות קוונטיות תוך מזעור ההפרעה שהתצפית גורמת בדרך כלל. מדידה קוונטית סטנדרטית מכריחה מערכת למצב מוגדר, מה שהורס את הסופרפוזיציות העדינות שפיזיקאים לעיתים קרובות רוצים לחקור; גישת המדידה החלשה של אהרונוב מאפשרת במקום זאת סדרה של מדידות עדינות בעלות דיוק נמוך לחשוף מידע סטטיסטי על התנהגות המערכת מבלי לקרוס אותה לחלוטין. "מצאנו שעם מדידות חלשות, אנחנו יכולים להסיר את ההפרעה ולראות דברים חדשים", הסביר על הטכניקה. הגישה שימשה מאז באופן ניסויי כדי לחקור תופעות קוונטיות — כולל מה שנקרא "ערכים חלשים" שיכולים להימצא מחוץ לטווח הרגיל שגדלים פיזיקליים אמורים לתפוס — שבעבר נחשבו לבלתי נגישים למחקר ישיר, ובכך פתחו חלון ניסויי חדש באמת ליסודות הקוונטים.
הכרה
הכבוד שזכה לו אהרונוב הצטבר לאורך קריירה ארוכה ולא הגיע בבת אחת. הוא הפך לעמית בחברה האמריקאית לפיזיקה (American Physical Society) בשנת 1981, נבחר לאקדמיה הלאומית הישראלית למדעים בשנת 1990 ולאקדמיה הלאומית למדעים של ארצות הברית בשנת 1993, וקיבל את פרס וולף בפיזיקה בשנת 1998, פרס משותף על גילוי אפקט אהרונוב-בוהם — פרס הנחשב רחבות לאחד הכבודים היוקרתיים ביותר במדע לאחר פרס נובל. בשנת 2009, העניק לו הנשיא ברק אובמה את המדליה הלאומית למדעים, הכבוד המדעי הגבוה ביותר של ארצות הברית, על תרומתו ליסודות הפיזיקה הקוונטית.
מדוע יקיר נקרא גאון
הטיעון לכינוי אהרונוב כגאון נשען על סוג ספציפי ובר-הוכחה של תובנה: היכולת לראות שפיסת פורמליזם מתמטי שכל השאר התייחסו אליה כאל בדיה נוחה — הפוטנציאל האלקטרומגנטי — היא למעשה מציאותית פיזיקלית, ולתכנן ניסוי פשוט מספיק כדי להוכיח זאת. זו אינה מהירות חישוב גולמית; זו המיומנות הנדירה יותר להבחין בכך שהנחה פרשנית מקובלת היא שגויה, ולדעת בדיוק כיצד לגרום לטבע לענות על השאלה. הוא עשה זאת שוב עשורים לאחר מכן עם מדידה חלשה, ומצא דרך לשאול מערכות קוונטיות שאלות שבעבר הניחו שאינן מסוגלות לענות עליהן. אוניברסיטת צ'פמן מתארת אותו כ"אחד המדענים המכובדים ביותר בעולם", ובחירתו לאקדמיות הלאומיות למדעים של ישראל וארה"ב, לצד פרס וולף והמדליה הלאומית למדעים, משקפת מידה נדירה של קונצנזוס מוסדי על משקל תרומותיו. טיעון הנגד הכן הוא שאהרונוב לא עבד לבדו: האפקט הנושא את שמו מיוחס במשותף לדייוויד בוהם, ורבות מתוצאותיו המאוחרות, כולל מדידה חלשה, פותחו עם צוות משתנה של משתפי פעולה וסטודנטים לאורך עשורים — גאונות במקרה שלו נראית פחות כמו התגלות של אדם בודד ויותר כמו הרגל מתמשך של עשורים של שאילת שאלות שאחרים הפסיקו לחשוב לשאול.
מורשת
אפקט אהרונוב-בוהם נותר פרק סטנדרטי במכניקת הקוונטים לתארים מתקדמים, והשלכותיו התפשטו החוצה לתורת הכיול, מחשוב קוונטי טופולוגי ופיזיקה של חומר מעובה, תחומים שאהרונוב לא יצא להשפיע עליהם אך עיצב אותם מחדש בכל זאת. במכון ללימודי קוונטים של אוניברסיטת צ'פמן, הוא המשיך להדריך פיזיקאים צעירים גם בגילו המבוגר, תוך הרחבת שושלת חקירה שחוזרת ישירות למורה שלו, דייוויד בוהם, ולאמונה המשותפת שמכניקת הקוונטים עדיין צריכה לחשוף עוד על מה שנחשב למציאותי.