RESEARCH

במחקר השתתפו פרופ' קולין פרייס ותאיר פלוטניק מהחוג לגיאופיזיקה בבית הספר לסביבה ולמדעי כדור הארץ ע"ש פורטר, לצד חוקרים מאוניברסיטת טריפורה בהודו. במסגרת המחקר, שפורסם בכתב העת Atmospheric Research, הודיעו החוקרים כי: "עד לאחרונה לא הייתה כלל תופעה של ברקים באזור הארקטי, בשל הקור העז. עם ההתחממות כדור הארץ החלו להיווצר שם סופות ברקים בקיץ, ואלה מגבירות עוד יותר את תהליך המסת הקרח – במעגל של היזון חוזר."  

כפי שמסביר פרופ' פרייס: "האזור הארקטי מוגדר כאזור שנמצא צפונה מקו הרוחב 66.5° צפון. בליבו של אזור זה, סביב הקוטב הצפוני, אין יבשה, ובשל תנאי הקור הקיצוניים, הים מכוסה בשכבה עבה של קרח ימי, המשתרעת כיום על פני כ-8 מיליון קמ"ר. הקרח הלבן מחזיר את קרני השמש, ובכך הוא תורם לקירור כדור הארץ, אך בעשורים האחרונים, עם התחממות כדור הארץ, נסוג כיסוי הקרח בקצב של כ-70,000 קמ"ר לשנה, או 6.5% לעשור. (בהקשר זה חשוב לציין שהטמפרטורה בקוטב הצפוני עולה בקצב מסחרר – כ-4° עד היום, בניגוד לכ-1° בכלל כדור הארץ). נסיגת הקרח מגבירה עוד יותר את ההתחממות, מכיוון ששטחי הים הכהים, שהולכים וגדולים, בולעים את קרני השמש. כך נוצר מעגל של היזון חוזר: נסיגת הקרח מגבירה את ההתחממות אשר בתורה מגבירה את המסת הקרח, וחוזר חלילה."

סופות ברקים בקוטב הצפוני – מסימניה המדאיגים של ההתחממות הגלובלית

^{פרופסור קולין פרייס}

לדברי החוקרים, תופעת המסת הקרח בקטבים מיוחסת מלכתחילה לפעילות האנושית הגורמת לעלייה בכמות גזי החממה באטמוספירה, היוצרים מעין 'שמיכה' המשמרת את החום ואינה מאפשר לו להיפלט אל החלל. עם זאת, מחקרים לא מצאו התאמה מלאה בין נתוני גזי החממה, העולים בקצב קבוע פחות או יותר מדי שנה, לקצב המסת הקרח שמשתנה משנה לשנה. בשל הפער בממצאים, מחקר זה ביקש לבחון השפעה אפשרית של גורם נוסף – סופות ברקים – על המסת הקרח הימי באזור הארקטי.

החוקרים מסבירים כי תופעת הברקים כלל לא הייתה קיימת באזור הארקטי עד לאחרונה, בשל הקור העז השורר שם. אך בעשורים האחרונים, ככל הנראה בעקבות ההתחממות הגלובלית, החלו להיווצר שם סופות ברקים בעונת הקיץ, בתקופה בה השמש כלל אינה שוקעת ומחממת את פני השטח. המשמעות היא שפני הקרקע מתחממים, וכך נוצרות 'בועות' אוויר שעולות לשכבה גבוהה באטמוספירה, שם הן מתקררות והופכות לעננים שלעתים מתפתחים לסופת ברקים.

כדי לבחון את השערתם, שסופות הברקים תורמות להמסת הקרח בים הצפוני, הציבו החוקרים זו מול זו שתי קבוצות נתונים: צילומים של לווייני נאס"א המתעדים את נסיגת הקרח בים הצפוני כבר יותר מ-40 שנה, ונתוני סופות ברקים הנאספים על ידי הרשת העולמית WWLLN -כ-70 תחנות לאיתור ברקים, הפרוסות במוסדות מחקר בכל העולם – בין היתר על גג הבניין של הפקולטה למדעים מדויקים באוניברסיטת תל אביב. מסביר פרופ' פרייס: "ברק הינו תוצאה  של שדה חשמלי עצום שנפרק בבת אחת, ומשדר גלי רדיו שניתן לקלוט אותם גם במרחק של אלפי קילומטרים. חיישני הרשת העולמית קולטים וממפים סופות רעמים בכל מקום על פני כדור הארץ, בזמן אמת וללא הפסקה. הצלבת המידע מהתחנות השונות מאפשרת קביעה מדויקת של המיקום והזמן של כל ברק, וכך מתקבלת מפה גלובלית של ברקים לאורך זמן. לצורך מחקר זה אספנו נתונים על ברקים באזור הארקטי בחודשים יוני, יולי ואוגוסט בכל שנה מאז 2010."

מעגל של היזון חוזר: סופות הברקים תורמות להתחממות הגלובלית – וחוזר חלילה 

^{קרחון נמס בקוטב הצפוני}

ניתוח סטטיסטי של נסיגת הקרח מול כמות סופות הברקים העלה התאמה: ככל שגדל מספר הסופות בשנה מסוימת, כך גדל גם קצב המסת הקרחונים באותה שנה. החוקרים מסבירים זאת בכך שסופות ברקים פועלות כמעין שואב אבק ענק השואב אדי מים מפני השטח ומביא אותם אל האטמוספירה העליונה, שם הם מצטברים ופועלים כמו שמיכה שכולאת את החום ומגבירה את ההתחממות – ממש כמו גזי החממה. 

אפשרות אחרת, שנצפתה במחקר קודם, היא שסופות הברקים מגבירות את היווצרותם של ענני נוצה בשכבות הגבוהות של האטמוספירה – שגם הם מהווים שמיכה דומה.

פרופ' פרייס מסכם: "במחקר שלנו מצאנו קשר סטטיסטי מובהק בין כמות סופות הברקים באזור הארקטי בשנה מסוימת לבין קצב המסת הקרח הימי באותה שנה. המשמעות היא שהסופות מהוות גורם נוסף שמגביר את המסת הקרחונים, ומייצר מעגל של היזון חוזר: המסת הקרח מגדילה את שטחי הים שבולעים קרני שמש ומגבירים את ההתחממות, אשר בתורה מגדילה את כמות סופות הברקים, וחוזר חלילה. כתוצאה מכך, ומהתחממות כדור הארץ בכלל, אנו צופים ששכיחותן של סופות הברקים באזור הארקטי תגדל בשנים הבאות, ועמן תואץ גם נסיגת כיסוי הקרח בים הצפוני."
 

במסגרת מחקר חדש שהתקיים באוניברסיטת תל אביב ופורסם בכתב העת PNAS, בהובלת המאסטרנטית עמית נצר מהמעבדה של ד"ר אילה למפל מבית הספר שמוניס למחקר ביו-רפואי וחקר הסרטן בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג ס' וייז, הוצגה לראשונה האפשרות לייצר נוזל חכם שישמש כחיישן בפני עצמו.

הייחודיות של המחקר, בו השתתתפו גם חוקרים נוספים מהמעבדה, בהם איתי קציר וד"ר אביגיל ברוך לשם, וכן ד"ר מיכל ויטמן מאוניברסיטת בר אילן, נובעת מכך שמצב הצבירה הנוזלי פותח פתח לשימוש בחומרים החכמים במגוון שימושים, שלא היו אפשריים עד היום בחומרים חכמים בעלי אופי מוצק.

צוות החוקרים הסביר כי הייחודיות של הנוזלים החכמים היא שכתוצאה מהתכונות הכימיות שלהם, הנוזלים שומרים על הפרדה אחד מהשני, וכך יוצרים טיפות מובחנות, ששמן קונדנסנטים - טיפות זעירות של חומץ בלסמי צפות בשמן זית. בעזרת עיצוב מדויק של המבנה וההרכב של המולקולות בתוך אותם קונדנסנטים, יכולים החוקרים לקבוע למה להגיב וכיצד להשתנות בהתאם לסביבה.

במחקרים קודמים, ד"ר למפל הדגימה כיצד ליצור את הקונדנסנטים כך שישחררו את המטען שהם מכילים בתגובה לאור - פיתוח שעשוי לשמש בעתיד לשם שחרור מבוקר של תרופות בגוף, כמו גם לשימושים אחרים. במחקר החדש, ד"ר למפל ביקשה לבחון גישה אחרת לשימוש בנוזלים החכמים, כך שישמשו כ"חיישנים אופטיים" – אשר ישנו את הצבע ועוצמת הפלורוצנטיות שלהם בנוכחות ובתגובה לאנזים ספציפי. 

לדברי ד"ר למפל, המחקר נערך בהשראת תהליכים שמתרחשים בטבע. "בתוך התאים בגופנו יש מספר רב של אברונים שמשמשים למטרות שונות, למשל כמיני-מפעלים לייצור מולקולות שנדרשות לקיום ותפקוד התא. חלק מאותם אברונים מוקפים בממברנה, אולם אחרים נבדלים מסביבת התא הכללי בתהליך שנקרא הפרדת-פאזות בין נוזלים - שנובע ממספר רב של אינטראקציות חלשות שמתרחשות בין המולקולות שמרכיבות את האברון, וביחד יוצרות את ההפרדה משאר הסביבה ואת היצירה של קונדנסנט עם מיקרו-סביבה ייחודית".

ד"ר למפל הוסיפה: "בתאים, הקונדנסנטים הללו מורכבים בדרך כלל מתערובת של חלבונים וחומצות גרעין - החומר הגנטי של התא. חלבונים שלמים, שבנויים ממאות חומצות אמינו, הם מאתגרים לעבודה במעבדה. לכן אנחנו משתמשים ב'מיני-חלבונים' שבנויים משרשראות קצרות של חומצות אמינו במקום בחלבונים ארוכים. בשל אורכם הקצר, המיני-חלבונים לא מתקפלים ונותרים חסרי מבנה יציב, והגמישות הזו היא שמאפשרת להם לייצר את האינטראקציות עם חומצות הגרעין שיוצרות את הפרדת הפאזות ואת הקונדנסנטים". 

המטרה: יצירת קונדנסנטים למגוון רחב של שימושים

ד"ר אילה למפל

במקביל, ובעזרת מחקר שנערך על של רצפי חומצות האמינו הנפוצים בקונדנסנטים קיימים בטבע, ד"ר למפל וחוקרים אחרים בתחום זיהו רצפים הממלאים תפקידי מפתח ביצירה של מגוון קונדנסנטים שונים בתאים בגוף. "הבנה זו מאפשרת לנו להשתמש ברצפים שונים כמו אבני לגו בעיצוב המיני-חלבונים שלנו כדי לשלוט בפונקציות הספציפיות שאנחנו רוצים שיהיו להם", היא מוסיפה. 

"רצינו לראות אם נוכל לתכנן קונדנסנטים שישמשו כחיישנים. מלנין, הפיגמנט שקובע את צבע העור שלנו, נוצר בגוף כאשר אנזים מסוים מחמצן חומצת אמינו בשם טירוזין. רמות גבוהות של האנזים מאפיינות מחלות עור שונות, החל מהיפרפיגמנטציה וכלה במלנומה. לכן, החלטנו לתכנן את המיני-חלבון שלנו כך שיכיל טירוזין. כתוצאה מכך, כשהוספנו לנוזל את האנזים, הוא חימצן את המיני-חלבונים ושינה את התכונות האופטיות שלהם - הפך אותם פלורוסנטיים. בצורה זו, הראנו שניתן לייצר נוזל חכם שישמש כחיישן ביולוגי, במקרה זה לנוכחות האנזים". 

כעת, ד"ר למפל ועמיתיה עובדים על תכנון קונסנסנטים עם מגוון תכונות אחרות. "אנחנו מנסים לגלות ולהרחיב את השימושים והיכולות של מה ניתן לעשות עם נוזלים חכמים". כך, למשל, מעבר לייצור של חיישנים ביולוגיים רגישים, בעזרת שליטה מדויקת בהפרדת הפאזות ניתן לתכנן נוזלים חכמים שישמשו לייצור יעיל ופשוט של תרופות שהיום, כדי לייצר אותן בקנה מידה תעשייתי, יש צורך בתנאים מורכבים ויקרים. 

ד"ר למפל גם חוזה כי בעתיד הקונדנסנטים יוכלו לשמש ככלים להובלת תרופות לתוך הגוף, ואפילו ישמשו כמפעלים זעירים שמפיקים את התרופות בתוכנו.

"אפשר יהיה גם לתכנן אותם כדי שיגיבו לסביבות ספציפיות וכך לשלוט היכן בדיוק בגוף הייצור מתרחש"- ד"ר למפל.

ד"ר למפל מסכמת:

"זהו תחום מחקר חדש לחלוטין. הוא עדיין לא יודע מה הוא ולמה הוא טוב. אבל הוא מתרחב במהירות. אפשר לראות זאת במספר הרב של פטנטים ומאמרים בתחום שמתפרסמים מדי חודש בחודשו".
 

במסגרת המחקר, שהובל על ידי הדוקטורנטית עמר זלוטניק מהמעבדה של ד"ר אופיר לוי בבית הספר לזואולוגיה מהפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, בשיתוף ד"ר קית' מוסלמן מאוניברסיטת קולרדו, החוקרים בחרו להתמקד בלטאות, והדגימו כיצד בעקבות תופעת ההתחממות הגלובלית, הלטאות נוהגות לחפש מפלט מהקרקע החמה באמצעות שהייה לפרקי זמן ארוכים על עצים. החדשות הרעות הן שהתערבות אנושית במסגרת עיור, השמדת יערות והתפשטות בלתי מבוקרת של שטחים חקלאיים על חשבון יערות, מובילה לצמצום הדרגתי בהיקף העצים הממוקמים בשטחי המחייה של הלטאות, מה שעלול להביא להכחדתן בסופו של דבר.  

^{ד"ר אופיר לוי והדוקטורנטית עמר זלוטניק}

ככל שהעולם מתחמם, חשיבותם של העצים כאזור מפלט עבור בעלי חיים עולה

לדברי החוקרים, משבר האקלים ותופעת ההתחממות הגלובלית מאלצים את בעלי חיים לחפש מקומות נוחים לשהות בהם, בניסיון להימלט מאקלים חם בצורה קיצונית. זוהי כמובן תופעה טבעית בה נוקטים גם בני אדם, ואפילו תל-אביבים שנוהגים לחפש פינות מוצלות בחודשי הקיץ באזורים חשופים כדוגמת כיכר הבימה וכיכר דיזינגוף. 
וכאן נכנסים העצים לתמונה. באופן טבעי, העצים משמשים במקום מפלט זמין מהאדמה הרותחת עבור בעלי חיים שיודעים לטפס, במיוחד הודות לעובדה שככל שמתרחקים מהקרקע, טמפרטורת האוויר נמוכה יותר והרוח חזקה יותר. 

המשמעות פשוטה: ככל שמגמת ההתחממות הגלובלית הולכת ומאיצה, חשיבותם של עצים כמקום מפלט מהקרקע הלוהטת עבור בעלי חיים הולכת וגדלה. החדשות הרעות הן שדווקא בשנים האחרונות, במקומות רבים בעולם צפיפות העצים דווקא צונחת בהדרגה, בעיקר בעקבות תופעות אנושיות כדוגמת ביעור יערות וכריתת עצים לצרכים אנושיים. זהו מצב מסוכן במיוחד, במסגרתו דווקא בשעה שעקב ההתחממות הגלובלית בעלי החיים תלויים הקבה יותר בעצים לצורך הישרדות, תופעת העיור ובירוא היערות מובילה דווקא לצמצום במספר העצים הזמינים.

לדברי הדוקטורנטית עמר זלוטניק: "במסגרת המחקר, ביקשנו לבחון מה תהיה ההשפעה המשולבת של שני התהליכים הללו על בעלי חיים. באופן ספציפי, התמקדנו בלטאות, כיוון שאלו תלויות מאוד בסביבתן כדי לשמור על טמפרטורת גוף תקינה ומחסור במקומות נוחים לשהות בהם יכול להשפיע עליהן דרמטית. במחקר השתמשנו בסימולציית מחשב, שמדמה היכן כדאי ללטאה להיות, בשמש, בצל או על העץ, בכל דקה ודקה, במשך 20 שנים, תחת תנאי האקלים שהיו בעבר ותחת אלו שצפויים להיות בעתיד. באמצעות הסימולציה בחנו כיצד אוכלוסיות של לטאות יושפעו משינויי האקלים כאשר העצים זמינים, וכיצד מצבן ישתנה בעקבות כריתת עצים בבית הגידול שלהן".

^{חם לי! חרדון מחפש עץ פנוי}

השורה התחתונה: כריתת עצים פוגעת בסיכויי ההישרדות של בעלי חיים

מסקנה מעניינת שעלתה מהמחקר היא ששינויי האקלים לבדם, עשויים במקרים מסוימים אף להועיל לאוכלוסיות של לטאות המתגוררות באזורים קרים. זאת מאחר שההתחממות הצפויה תאפשר ללטאות להיות פעילות למשך פרקי זמן ארוכים יותר במהלך היום ולאורך השנה. עם זאת, כאשר שינויי האקלים מתרחשים במקביל לכריתה של עצים, המגמה החיובית צפויה להתהפך, כך שאוכלוסיות רבות של לטאות עלולות למצוא עצמן מול סכנת הישרדות ממשית. 

למעשה, באזורים המתאפיינים כבר כיום באקלים חם, מגמת ההתחממות הגלובלית, גם ללא כריתת עצים, צפויה לכשעצמה לסכן את עצם קיומן של הלטאות, וכריתת עצים תחמיר את מצבן עוד יותר. 

ד"ר אופיר לוי מסכם: "המחקר שלנו התמקד בלטאות אבל הוא בעצם מדגים בעיה רחבה יותר שרלוונטית לזנים רבים של בעלי חיים. התוצאות שלנו מוכיחות כי לעצים יש חשיבות מכרעת ביכולת של בעלי חיים להתמודד עם שינויי האקלים, ובמקרים רבים הזמינות שלהם יכולה לעשות, עבור בעלי החיים, את ההבדל בין שגשוש וקריסה. המחקר שלנו מוכיח כמה חשוב לשמור על אזורים מיוערים ועל עצים בכלל, במיוחד לאור האקלים המשתנה. כחלק מהמחקר אנחנו מספקים גם כלים מעשיים יותר עבור מקבלי ההחלטות, כמו מהם גובה או צפיפות העצים הנדרשים באזורים שונים. אנחנו מקווים שהמחקר הזה ישמש כדי לבנות תוכניות יעילות יותר לשימור ושיקום של שטחים טבעיים, כדי שנוכל לספק לבעלי החיים את מה שדרוש להם כדי לשרוד".  

הגיע הזמן להתעורר: שינויי האקלים כבר פה, והולכים להשפיע על כולנו

המחקר הבינלאומי נערך בהובלת הדוקטורנט שחר חייקין ופרופ' יונתן בלמקר מבית הספר לזואולוגיה בפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס' וייז, ומוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט באוניברסיטת תל אביב. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Ecology & Evolution.

המחקר החדש חיבר לראשונה בין שני מסדי נתונים גלובליים: מטא-מחקר שנערך בשאלת שינוי בשכיחות אוכלוסיות הדגים עם הזמן, ומטא-מחקר שנערך בשאלת קצב נדידת מינים של דגים לכיוון הקטבים. בסך הכול, לאחר חיבור מסדי הנתונים, נבדקו 2,572 אוכלוסיות דגים מ-146 מינים, רובן מהאוקיינוסים האטלנטי והשקט בהמיספרה הצפונית.

"אנחנו יודעים שבעלי חיים נעים ממקומם בעקבות שינויי האקלים, צפונה, דרומה, למעלה, למטה, כתלות למיקומם ביחס לאזורים הקרירים. בהרים עולים למעלה, בים צוללים למטה, בחצי הכדור הדרומי נודדים דרומה לכיוון אנטרקטיקה ובחצי הצפוני נודדים צפונה לכיוון הקוטב הצפוני. אבל במחקר הנוכחי עניינה אותנו השאלה מה קורה לאותם מינים שנודדים. לא ידענו אם מי שנודד מרוויח כי הוא שורד או נפגע במעבר, ומלכתחילה זז כי הוא רגיש יותר. לצערנו, מצאנו שככל שדגים נודדים יותר לכיוון הקטבים - כך השכיחות שלהם יורדת והם ככל הנראה מתקשים להסתגל למקום החדש", מסביר פרופ' בלמקר.

^{שפתון מהמין Labrus bergylta בקצה התפוצה החם שלו לחופי מזרח האוקיינוס האטלנטי (צילום: שחר חייקין)}

רילוקיישן מסוכן

"במסגרת המחקר איחדנו שני מסדי נתונים גדולים: האחד בדק את מהירות שינויי התפוצה בקרב דגים, והשני בחן שינויי שכיחות של אוכלוסיות דגים מקומיים על פני עשרות שנים. מצאנו כי מינים שמגיבים מהר יותר לשינוי דווקא נמצאים בסכנה גדולה יותר", מסביר שחר חייקין. "בנוסף", הוא אומר, "לכל אוכלוסייה של מין, למשל לברק, יש תפוצה מרחבית מסוימת. חלק מהאוכלוסיות קרובות יותר לצד הקוטבי וחלק קרובות יותר לצד המשווני של תפוצת המין. היה אפשר להניח שהאוכלוסיות הקרובות יותר לשוליים הקוטביים והקרירים של אזור התפוצה ייפגעו פחות כתוצאה משינויי האקלים, אך מצאנו שההפך הוא הנכון: שינויי תפוצה מהירים לכיוון הקטבים בקרב אוכלוסיות מקווי רוחב גבוהים יותר הביאה לירידה מהירה יותר בשכיחות המין בהשוואה לאוכלוסיות משווניות מאותו המין".

לטענת החוקרים, הממצאים החדשים יכולים וצריכים להנחות את מקבלי ההחלטות באשר לניהול טוב יותר של אותם מינים ואוכלוסיות, על ידי בחינה מחודשת של מצב שימורן בראי שינויי האקלים. אוכלוסיות קוטביות של מינים הנעים מהר לכיוון הקטבים זקוקות לניטור צמוד ובחינה של אפשרויות למזעור לחצים המאיימים על שרידותם, לדוגמה הגבלות דיג.

"התרגלנו לחשוב שאם מין נודד, סימן שהוא לא בסכנה. זה לא נכון. מסתבר שדווקא למינים האלה צריך להפנות תשומת לב מיוחדת. בשנה שעברה, פורסם מחקר אחר שלנו שבדק מיני דגים מקומיים פה בחופי הארץ  והעלה ממצאים דומים: מינים שמעמיקים יותר בים בעקבות ההתחממות, מאופיינים בשכיחות אוכלוסייה יורדת. בשלב הבא בכוונתנו לבדוק את הקשר הסיבתי הזה גם במינים אחרים, שאינם דגים", מסכם פרופ' בלמקר.

^{הדוקטורנט שחר חייקין ופרופ' יונתן בלמקר}

קשה מאוד ולעיתים אף בלתי אפשרי להסתכל לתוך מערכות קוונטיות, שמורכבות מחלקיקים מיקרוסקופיים כמו אטומים או אלקטרונים. מחקר חדש באוניברסיטת תל אביב הצליח לבנות מערכת מכנית גדולה, שמצייתת לחוקי דינמיקה דומים לאלה המופיעים במערכות קוונטיות. המערכת החדשה מאפשרת להתבונן בתופעות שמתרחשות בתוך חומרים מיוחדים מסוג "טופולוגי" על ידי צילום התנועה של מטוטלות באמצעות מצלמה רגילה. המחקר, פרי של שיתוף פעולה של ד"ר יזהר נדר מהמרכז למחקר גרעיני-שורק, חביבה סירוטה-כץ מהמחלקה להנדסה ביו-רפואית, ד"ר מיטל גבע ופרופ' יאיר שוקף מבית הספר להנדסה מכנית ופרופ' יואב לחיני ופרופ' רוני אילן מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב,  פורסם לאחרונה בכתב העת המדעי PNAS.

החוקרים מסבירים כי מושגים כגון "פונקציית גל", "סופרפוזיציה" ו-"מצבי צבירה טופולוגיים" מיוחסים בדרך כלל למכניקת הקוונטים, השולטת בעולם המיקרוסקופי של האלקטרונים, האטומים והמולקולות. לפי התיאור המקובל במערכות אלו לאלקטרון, שהוא חלקיק הנע באטום או במוצק, יכולות להיות תכונות אשר מביאות לידי ביטוי תופעות גליות, כגון ההסתברות להתפשט במרחב כמו גלים בבריכה שלתוכה נזרקה אבן, היכולת של האלקטרון להיות במספר מקומות בו זמנית, להתאבך עם עצמו ועוד.

כמו-כן, התכונות הגליות מובילות לתופעה יחודית הקיימת במוצקים מבודדים מסוימים, בהם למרות שהאלקטרונים בחומר המבודד לא זזים תחת השפעת שדה חיצוני, הסידור הפנימי של החומר בא לידי ביטוי במצב שנקרא "טופולוגי". פירוש הדבר הוא שלגל של האלקטרונים מתווסף גודל שיכול "להיסגר על עצמו" במספר אפשרויות שונות, בדומה לגליל לעומת טבעת מוביוס. מצב זה של האלקטרונים, שבגינו הוענק פרס נובל בפיזיקה בשנת 2016, נחשב למצב צבירה חדש של החומר, ומהווה נושא מחקר פעיל מאוד בעשורים האחרונים.

למרות העניין הרב, במערכות קוונטיות ובגבישים אטומיים קיימת מגבלה במדידה של תופעות אלו. זאת משום שבמערכות אלו, בגלל אופייה של מכניקת הקוונטים, אין דרך למדוד את פונקצית הגל האלקטרונית ואת הדינמיקה שלה ישירות. במקום זאת, חוקרים מודדים בעקיפין את התכונות הגליות והטופולוגיות של האלקטרונים בחומר, לדוגמא, על ידי מדידת המוליכות החשמלית של מוצקים. 

חמישים מטוטלות בשורה אחת

במסגרת המחקר, החוקרים חשבו מה אם נוכל לבנות מערכת מכנית גדולה, שתציית לחוקי דינמיקה דומים לאלה המופיעים מערכות הקוונטיות האלו, ובה נוכל למדוד הכול? ואכן הם בנו מערכת של חמישים מטוטלות בשורה, עם אורכי חוטים שהשתנו מעט בין מטוטלת אחת לשנייה. בנוסף, החוטים של כל זוג מטוטלות סמוכות חוברו אחד לשני בגובה משתנה ומבוקר, כך שהתנועה של כל אחת מהן משפיעה על תנועת שכנותיה.

מצד אחד, המערכת צייתה לחוקי הפיזיקה היומיומיים שלנו - חוקי ניוטון, אבל הערכים המדויקים של אורכי המטוטלות ושל החיבורים ביניהן יצרו קסם: חוקי ניוטון עצמם הביאו לכך שהגל שיצרה תנועת המטוטלות, יציית בקירוב מצויין למשוואת שרדינגר - המשוואה היסודית של תורת הקוונטים, ששולטת על תנועת האלקטרונים באטומים ובתוך מוצקים. התוצאה היא שהדינמיקה של המטוטלות, הנצפית לעין בעולם המאקרוסקופי (ונמדדה בפשטות על ידי הטלפונים הניידים של החוקרים), מחקה בצורה מדויקת התנהגויות של אלקטרונים בגביש.  

כשהחוקרים הסיטו כמה מטוטלות בתוך השורה, ואז עזבו אותן ונתנו לגל הנוצר להתקדם באופן חופשי, הם יכלו למדוד ישירות את התפתחות הגל בתוך המערכת - משימה בלתי אפשרית כשמדובר על תנועת אלקטרונים. יכולת זו אפשרה מדידה ישירה של שלוש תופעות. הראשונה מכונה תנודות בלוך. במערכת אלקטרונית תופעה זו מיוחסת לאלקטרונים הנמשכים בכיוון מסויים על ידי מתח חשמלי, ולמרות זאת לא נעים בכיוון המתח, כמו במתכות רגילות, אלא מבצעים תנודות הלוך ושוב בשל נוכחות הסביבה המחזורית של הגביש. תופעה זו מיוחסת רק למוצקים נקיים מאוד, שקשה מאוד למצוא בטבע. לעומת זאת, במערכת המטוטלות, נצפה גל כשהוא נע הלוך ושוב בצורה מחזורית, בדיוק בהתאם לניבוי של בלוך.

התופעה השנייה שנצפתה ישירות במערך המטוטלות מכונה מנהור זנר. מנהור היא תופעה קוונטית ייחודית, אשר מאפשרת מעבר של חלקיקים דרך מחסום, בניגוד לאינטואיציה הקלאסית. במקרה של מנהור זנר הדבר בא לידי ביטוי בפיצול של חבילת הגלים תחת כח חיצוני גדול מספיק, שלאחריו החלקים נעים בכיוונים הפוכים. חלק אחד של הגל חוזר לאחור כמו בתנודת בלוך רגילה, וחלק אחר מצליח ״למנהר״ דרך מצב אסור וממשיך להתקדם. הפיצול של הגל לשניים, ובעיקר החיבור בין תוצאת המנהור לתנועת הגל ימינה או שמאלה, היא סימן היכר של משוואת שרדינגר. אכן, זו הייתה הסיבה העיקרית שהיא גרמה לשרדינגר עצמו חוסר נחת, מה שהביא אותו לנסח את הפרדוקס המפורסם שלו, לפיו ממשוואת שרדינגר עולה שמנהור קוונטי באטום בודד יכול להוביל לכך שהגל של חתול שלם מתפצל לחתול-חי וחתול-מת. החוקרים ניתחו את תנועת המטוטלות וחילצו ממנה את הפרמטרים של התנועה – כמו למשל את היחס בין העוצמות של שני חלקי הגל המפוצל, ששקול להסתברות למנהור זנר הקוונטי. תוצאות הניסוי הראו התאמה מצוינת עם הניבויים של משוואת שרדינגר.

חשוב לזכור כי בסופו של דבר, מערכת המטוטלות היא מערכת הנשלטת על ידי חוקי הפיזיקה הקלאסית, ולכן אינה יכולה לדמות את כל העושר של מערכות קוונטיות. לדוגמא, במערכות קוונטיות עצם המדידה יכולה להשפיע על התנהגות המערכת (ולגרום לחתול להיות, לבסוף, או חי או מת, כשצופים בו). ואילו כאן אין תופעה מקבילה. אבל גם בתוך הגבולות האלה, מערך המטוטלות מאפשר מדידה של תכונות מעניינות ולא טריוויאליות שמתקיימות במערכות קוונטיות, אבל שלא ניתן למדוד אותן בהן בצורה ישירה.

התופעה השלישית שנצפתה ישירות בניסוי היא התפתחות של חבילת גלים בתווך בעל מאפיינים טופולוגיים לא טריוויאליים. כאן החוקרים מצאו דרך למדוד בצורה ישירה את המאפיין הטופולוגי מתוך הדינמיקה של חבילת גלים בתווך – משימה כמעט בלתי אפשרית בחומרים קוונטיים. לצורך כך, מערכת המטוטלות כוונה פעמיים, כך שהמטוטלות דימו את משוואת שרדינגר של אלקטרונים, פעם במצב טופולוגי, ופעם במצב טריוויאלי (כלומר רגיל). מתוך השוואה של הבדלים קטנים ביותר בתנועת המטוטלות בין שני הניסויים ניתן היה להבחין בין שני המצבים. האבחנה דרשה מדידה עדינה למדי ובאה לידי ביטוי בהפרש של בדיוק חצי תנודה של המטוטלות בין שני הניסויים, שכל אחד ארך כ-12 דקות, וכלל כ-400 תנודות שלמות של המטוטלות. הפרש קטן זה נמדד בדיוק מובהק ועם התאמה לתיאוריה.

הניסוי פותח פתח למימוש של בעיות נוספות, מעניינות ומורכבות אפילו יותר, כמו השפעות של רעש וזיהומים או של זליגת אנרגיה על הדינמיקה של חבילות גלים במשוואת שרדינגר. אלו השפעות שאפשר לדמות בקלות במערכת, בעזרת הפרעה יזומה ומבוקרת לתנועת המטוטלות.