stanford-oval/wikipedia huggingface dataset:
מנועי חום ומקררים קוונטיים

מנוע חום קוונטי הוא מכשיר, אשר מייצר כוח על ידי זרם חום שעובר בין מאגר חם למאגר קר. ניתן לתאר את אופן הפעולה של המנוע באמצעות חוקי תורת הקוונטים.
הראשונים לנתח את מנוע החום הקוונטי ולהבינו היו המדענים סקוביל ושולץ-דובויס בשנת 1959. הם עשו זאת על-ידי מציאת הקשר בין יעילות מנוע קרנו ובין "מייזר" רמה-3 ("מייזר"- מכשיר המייצר גלים אלקטרומגנטיים קוהרנטיים באמצעות הגברה דרך פליטה מאולצת.
מקררים קוונטיים הם בעלי מבנה דומה לזה של מנועי חום קוונטיים, אולם הם מזרימים חום מאמבט קר לאמבט חם, וזאת תוך צריכת כוח. הם תוארו לראשונה על ידי גאוסיק, שולץ-דובויס, דה-גרסה וסקוביל. כאשר מקור הכוח של המקרר הוא לייזר, התהליך נקרא "שאיבה אופטית" או קירור לייזר.
באופן מפתיע, מנועי חום ומקררים מסוגלים לפעול עד לסקלת חלקיק יחיד, ומכאן הצורך בענף בתורת הקוונטים שנקרא תרמודינמיקה קוונטית. כמו כן, מנועים קוונטיים מצייתים לחוקי התרמודינמיקה, כמו מנועים מאקרוסקופיים שאינם קוונטיים. למנועי חום קוונטים ישנה תכונה משותפת - אם נמדוד אותם בזמן פעולתם, הם יפסיקו לעבוד. זו דוגמה נוספת לכך שלא ניתן לבצע מדידה בעולם הקוונטי מבלי לצפות לתגובת נגד.
מוטיבציה

מכוניות, מקררים, מזגנים, תחנות כוח - כולם דוגמאות למנועי חום. בשנים האחרונות נעשים ניסיונות רבים במטרה ליצור מנועי חום שגודלם מינימלי. כמה מינימלי? ישנם מכשירים כאלו המגיעים לסקלת "ננו", ואף לסקלה האטומית. עם זאת, היעילות של מנועים אלו נחשבת נמוכה, ובוודאי שאינה קרובה ליעילות מנוע קרנו (אשר נחשבת כיעילות המקסימלית של מנוע חום). תופעה אשר מגבילה את יכולות מנועי החום היא תופעת אי ההפיכות, ומקובל לסווג אותה כהפסדים לטובת חיכוך, והעברות חום. אך האם ניתן לתאר את התופעה הזו באמצעות מכניקת הקוונטים? לשם כך יש להכיר ולחקור, באופן תאורטי, מנועי חום ומקררים קוונטיים. ההבנה של מודלים אלו חשובה: הם מהווים בסיס מוצק למכשירים אמיתיים.
הטכנולוגיה הקוונטית מבוססת על קירור המנגנון לטמפרטורות שהן בקרבת האפס המוחלט. לכן יש צורך בביסוס תאורטי לפעולתם של מקררים קוונטיים כדי להבין את מנגנון הפעולה ליד האפס המוחלט.
סוגים של מנועי חום ומקררים קוונטיים

ישנם מכשירים קוונטים הפועלים באופן רציף, וישנם כאלו הפועלים כ"מעגל מחזורי".
קיימים מכשירים קוונטיים רציפים אשר הפלט שלהם הוא זרם. אלו מורכבים מתאים סולאריים, אשר קולטים קרינה אלקטרומגנטית וממירים אותה לכוח חשמלי. מכשירים קוונטיים רציפים אחרים מורכבים מלייזרים, ופולטים אור קוהרנטי. דוגמה מוכרת למכשירים כאלו, ובפרט למקרר רציף, היא "שאיבה אופטית" או קירור לייזר.
בדומה למעגלים מחזוריים קלאסיים, גם למנוע חום קוונטי ישנה מחזוריות, כל מחזור מחולק למקטעים הנקראים "פעימות". פעימה היא משך זמן מסוים שבו נעשית פעולה כלשהי במנוע (למשל תרמליזציה, או יצירת עבודה). בין שתי פעימות סמוכות אין תלות, ואין להן השפעה אחת על השנייה. המעגל המחזורי המוכר ביותר נקרא "מכונת ארבע-פעימות", ו"מכונת שתי-פעימות". מנועים מחזוריים יכולים להיות מתוארים על ידי מעגל קרנו, או על ידי מעגל אוטו (Otto cycle).
באמצעות מכניקת הקוונטים ניתן לנתח באופן כמותי מכשירים קוונטיים ואת אופן ביצועם, ובפרט לחשב את החום הנכנס (מתוך מאגרי החום).
מגבר רמה-3 כמנוע חום קוונטי

מגבר רמה-3 משמש כמכשיר קוונטי. אופן הפעולה של מכשיר זה הוא שימוש באמבט קר ובאמבט חם על מנת לבצע היפוך אוכלוסין בין שתי רמות אנרגיה, אשר משמשות להגברת אור על ידי פליטה מאולצת. רמת היסוד והרמה המעוררת מצומדות לאמבט חום בטמפרטורה  T_{h}. פער האנרגיה הוא  \hbar \omega _{n}=E_{3}-E_{1}. כאשר האכלוס ברמות מגיע לשיווי משקל:
{\frac {N_{h}}{N_{g}}}=e^{-{\frac {\hbar \omega _{h}}{k_{b}T_{h}}}}
כאשר  \hbar  הוא קבוע פלאנק המצומצם וכן  k_{b} הוא קבוע בולצמן.
הרמה האמצעית,  E_{2}, ורמת היסוד, מצומדות אל האמבט הקר (בטמפרטורה  T_{c}), עם פער אנרגיה- E_{2}-E_{1}=\hbar \omega _{c} ביניהן. כאשר הן מגיעות לשיווי משקל מתקיים:
{\frac {N_{c}}{N_{g}}}=e^{-{\frac {\hbar \omega _{c}}{k_{b}T_{c}}}}
מכשיר זה פועל כמגבר כאשר הרמה האמצעית והרמה המעוררת מצומדות לשדה חיצוני בעל תדירות  \nu . על מנת לקבל תהודה אופטימלית נדרוש  \nu =\omega _{h}-\omega _{c}.
יעילות המגבר - בהמרת חום לכוח - מוגדרת להיות היחס בין העבודה היוצאת לבין החום הנכנס:
\eta ={\frac {\hbar \nu }{\hbar \omega _{h}}}=1-{\frac {\omega _{c}}{\omega _{h}}}
חשוב לשים לב: ההגברה של השדה היא אפשרית רק כאשר ישנה "צבירה" (היפוך אוכלוסין), כלומר  N_{h}-N_{c}\geq 0. נציב את הביטויים שראינו לעיל ונקבל תנאי שקול-
{\frac {\hbar \omega _{c}}{k_{b}T_{c}}}\geq {\frac {\hbar \omega _{h}}{k_{b}T_{h}}}. לבסוף נציב את התנאי בביטוי ליעילות המגבר ונקבל חסם עליון ליעילות:
\eta =1-{\frac {\omega _{c}}{\omega _{h}}}\leq 1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}=\eta _{c}
את הגודל  \eta _{c} מקובל לכנות "יעילות מנוע קרנו". מתוך החוק השני של התרמודינמיקה ניתן לראות שזוהי היעילות המקסימלית של מנוע חום. שוויון בביטוי הנ"ל מתקבל כאשר  N_{h}=N_{c}. את הקשר בין מגבר קוונטי לבין יעילות מנוע קרנו תיארו לראשונה סקוביל ושולץ-דובויס.
כעת, נסתכל על הפעולה ההפוכה: הזרמת חום מאמבט קר לאמבט חם על ידי צריכת כוח. כאמור, המכניזם מהווה מקרר. יעילות המקרר, נסמנה באות  \kappa , מוגדרת באופן הבא:
{\displaystyle \kappa }={\frac {\omega _{c}}{\nu }}\leq {\frac {T_{c}}{T_{h}-T_{c}}}
מנועי חום קוונטיים (ומקררים) מחזוריים

נדון במעגל אוטו (Otto cycle), המהווה דוגמה למנוע מחזורי.
המעגל מורכב מארבעה תהליכים:
1\rightarrow 2: דחיסה אדיאבטית, נקרא גם "מגנטיזציה". שינויים בשדה החיצוני מרחיבים את הפער בין רמות האנרגיה של ההמילטוניאן.
2\rightarrow 3: תהליך איזוכורי (איזומגנטי). מתקיים שיווי משקל חלקי עם האמבט החם.
3\rightarrow 4: תהליך אדיאבטי (דה-מגנטיציה) של התרחבות. בתהליך זה פערי האנרגיה של ההמילטוניאן מצטמצמים.
4\rightarrow 1: תהליך איזוכורי, נקרא גם "איזומגנטי". מתקיים שיווי משקל חלקי עם האמבט הקר, ההמילטוניאן בתהליך זה קבוע.
במנועי חום קוונטיים מחזוריים "תווך העבודה" הוא מערכת קוונטית - למשל מערכת ספינים, או אוסילטור הרמוני. על מנת לייצר כוח מקסימלי יש לדרוש שמשך הפעולה של המעגל יהיה אופטימלי. ישנן שתי סקלות זמן במקררים מחזוריים: זמן המעגל - מסומן ב- \tau _{cyc}, וסקלת זמן פנימית -  2\pi /\omega . באופן כללי, כאשר  \tau _{cyc}\gg 2\pi /\omega , נקבע שהמעגל פועל תחת תנאים קוואזי-אדיאבטיים.
בגבול טמפרטורות נמוכות מתקיימים אפקטים קוונטיים. יחידת אנרגיה במכשיר תתואר על ידי  \hbar \omega  (לעומת  k_{b}T בגבול הקלאסי).
היעילות בגבול טמפרטורות זה מוגדרת להיות:  \eta =1-{\frac {\omega _{c}}{\omega _{h}}}, והיא תמיד קטנה יותר מיעילות מנוע קרנו  \eta _{c}.
בגבול טמפרטורות גבוהות - נסתכל במערכת האוסילטור ההרמוני הקוונטי, היעילות במצב המייצר כוח מקסימלי היא  \eta =1-{\sqrt {\frac {T_{c}}{T_{h}}}}. ניתן לקבל תוצאה זו מתוך ענף בתרמודינמיקה העוסק במערכות תרמודינמיות שאינן הפיכות.
עבור זמני מעגל קצרים יותר, נוצרת תופעה המזכירה חיכוך, ודרוש כוח נוסף על מנת להאיץ את פעולת המערכת. דינמיקה כזו מתבטאת בהתפתחות של קוהרנטיות, הגורמת לתוספת בחיכוך. ניתן "לקוונטט" דינמיקה זו, ולהסיק מכך שניתן למצוא פתרונות ללא חיכוך לדחיסה/ההתרחבות האדיאבטית בזמן סופי. אם כן, נוכל לטעון שהמערכת היא אופטימלית רק ביחס לזמן המוקצב להעברת חום בה. פעולת המעגל ללא חיכוך, באופן אופטימלי, תושג רק כאשר ניתן לבטל את הקוהרנטיות.
במקרה של זמני המעגל הקצרים ביותר,  \tau _{cyc}\ll 2\pi /\omega , קוהרנטיות תורמת לכוח שמייצר המעגל.
ניתן לתאר מכונת שתי-פעימות קוונטית באמצעות מעגל אוטו המבוסס של שני קיוביטים (סיביות קוונטיות). לקיוביט אחד ישנה תדירות  \omega _{h}, ואילו לשני תדירות  \omega _{c}. פעימה אחת של המעגל - מורכבת ממצב של שיווי משקל חלקי של שני הקיוביטים עם מאגר חם ומאגר קר, במקביל. הפעימה השנייה של המעגל - מורכבת מהחלפה מלאה (או חלקית) של שתי הסיביות. פעולת ההחלפה היא פעולה הנוצרת על ידי טרנספורמציה המשמרת את האנתרופיה.
מעגל אוטו קוונטי הוא מעגל הזהה לזה שמשתמשים בו בתהליך של קירור מגנטי.
מנועים קוונטיים רציפים

מנועים קוונטים רציפים הם האנלוג הקוונטי של טורבינות. ניתן להפיק עבודה על ידי צימוד לשדה חיצוני ומחזורי. בדרך כלל השדה הוא שדה אלקטרומגנטי. מכאן, ניתן להסיק שמנוע החום הוא מודל ללייזר. ישנם מודלים שונים, המאפיינים סוגים שונים של חומרים ומקורות חום. נחקרו מספר סוגי מנועים אשר בהם הצימוד הוא לאוסילטור הרמוני.
הפעולה המחזורית למעשה מפצלת את מבנה רמות האנרגיה של החומר עימו עובדים. הפיצול מאפשר למנוע הנקרא "מנוע רמה 2" לבצע צימוד, באופן סלקטיבי, לאמבט חום ולאמבט קור וזאת על מנת לייצר כוח. התעלמות מן הפיצול, בתהליך של גזירת משוואות התנועה, יהווה הפרה של החוק השני של התרמודינמיקה.
על מנת לתדלק מנועי חום קוונטיים נשקל השימוש בדלקים שאינם תרמיים. הרעיון: להגדיל את האנרגיה של האמבט החם, תוך שמירה על האנתרופיה שלו קבועה. מכשירים אלו, לעומת זה שתואר בפסקה הקודמת, אינם מפירים את החוק השני של התרמודינמיקה.
מנועי חום קוונטיים: דוגמאות > מנוע חום קוונטי המורכב מאטום בודד

מדענים מגרמניה הצליחו לצייר את אחד ממנועי החום הקטנים ביותר שהאנושות הצליחה לייצר (נכון ל-2015). מנוע חום זה מכיל חלקיק אחד בלבד: יון סידן.
המכשיר החדשני מספק כוח זעום, בוודאי קטן מכדי לספק אנרגיה למכשירים בהם אנו משתמשים ביום-יום. עם זאת, מדענים טוענים כי הצלחת ניסוי זה מהווה נדבך חשוב בפיתוחה של פיזיקה סטטיסטית: חקירת האופן שבו חום זורם בין מערכות מיקרוסקופיות.
כל מנוע חום, מעצם הגדרתו, ממיר אנרגיה תרמית (חום) לאנרגיה מכנית (תנועה). חום מגיע דרך תווך כלשהו, בדרך כלל גז, מגוף חם (או אמבט חום) כדי לבצע עבודה מכנית - למשל, הזזת בוכנה. החום בו לא נעשה שימוש ממשיך לזרום, לתוך אמבט קר. במנוע החום הזעיר: יון הסידן מהווה גם את התווך וגם את הבוכנה. האמבט החם מסופק באמצעות רעש חשמלי, ואילו את האמבט הקר מספקת אלומת לייזר.
כדי ליצור את המנוע, המדענים כלאו את היון (מדובר ביון חיובי של סידן, ממנו הוציאו אלקטרון אחד) בתוך מלכודת חשמלית דמוית משפך, המרוכבת מ-4 אלקטרודות. גודל המלכודת הוא כ-8 מילימטרים. הם חיממו את המלכודת באמצעות רעש - שדה חשמלי אקראי שכיוונו משתנה - שאותו מייצר סט אלקטרודות נוסף. הרעש מעביר אנרגיה ליון, גורם לו לרטוט בתוך המלכודות, ולהתקדם לכיוון קצהו הרחב של המשפך. כתוצאה מכך המנוע יוצר כוח. הרעש מכובה, ויון הסידן מאט. הוא מתקרר כתוצאה מהתנגשות עם חלקיקי אור שמספקת אלומת הלייזר, אשר עוברת דרך המלכודת באופן מתמשך. הקירור מאלץ את היון לחזור לצד הצר של המשפך, שם השדה החשמלי הוא החזק ביותר. וחוזר חלילה.
מכשיר זה קולט כ-1000 פוטונים בכל מחזור מהרעש - כמות זעירה של אנרגיה. אולם עדיין, האנרגיה הזו גבוהה "בפקטור של בערך 1000" (!) מכדי שניתן יהיה לצפות בתופעות קוונטיות אותנטיות.
מנועי חום קוונטיים: דוגמאות > "יהלום ירוק"

מנוע חום קוונטי נוסף, מורכב מפרוסת יהלום מרובעת שאורך צלעה 3 מילימטר. על הפרוסה מאירה קרן לייזר ירוקה ונקודתית.
אחת הסיבות לחקור את מנוע זה היא ההשערה כי בתנאים מסוימים ניתן להשתמש בתכונת הקוהרנטיות של מערכת קוונטית על מנת שהמנוע יפיק הספק גבוה יותר מזה של מנוע חום קלאסי. גבוה ככל שיהיה, הספק זה לא יעלה על ההספק של מנוע קרנו.
יהלום הוא גוש של אטומי פחמן שנדחס בלחץ גבוה ובטמפרטורה גבוהה. כתוצאה מכך אטומי היהלום מתקבעים במבנה מסודר. לעיתים היהלום מזוהם, כלומר חלק מאטומי הפחמן מוחלפים באטומים אחרים. הדבר משנה את תכונות היהלום. דוגמה לזיהום, אשר בה נתעסק, היא כאשר שני אטומי פחמן ביהלום מוחלפים באטום חנקן אחד בלבד, ונותר מקום ריק. נקרא לסידור זה סידור NV (קיצור של Nitrogen-Vacancy Center). דרך מרכזי NV אלו ניתן לצפות בהתנהגויות קוונטיות שונות.
כאשר מאירים על מרכז NV בלייזר ירוק הוא זוהר באור אדום. הבזק הלייזר מספק אנרגיה רבה למרכז ה-NV, חלק קטן ממנה דועך דרך גלים אקוסטיים העוברים בתווך. מרבית האנרגיה הנותרת נפלטת בתור אור אדום (האנרגיה של אור אדום קטנה מזה של אור ירוק). האנרגיה שנותרה - נפלטת בתור קרינת מיקרוגל (לה אנרגיה נמוכה אף יותר).
אם כן, ספק האנרגיה של המנוע (בהשוואה למאגר החם במנוע חום קלאסי) הוא הלייזר הירוק. העבודה היוצאת ממנוע זה קשורה דווקא בקרינת המיקרוגל. כיצד יודעים זאת? מקרינים על היהלום קרינת מיקרוגל ממקור חיצוני, ומדדו את עוצמת קרינת המיקרוגל הנפלטת ממנו. העוצמה הנפלטת שנמדדה גבוהה יותר מזו שהוקרנה, משמע היהלום הגביר את עוצמת הקרינה. לכן תתבצע עבודה על קרינת המיקרוגל, ובמובן זה מדובר במנוע חום.
המדענים שביצעו את הניסוי הצליחו לחלץ מן המנוע הקוונטי הזה ביצועים טובים יותר מזה של מנוע חום קלאסי דומה, ומכאן שהשערתם אוששה.
הערות שוליים

↑  Irreversibility, אתר בריטניקה, ניתן להרחיב ולקרוא עוד על אי הפיכות בתחום התרמודינמיקה באתר זה.
↑  Gelbwaser-Klimovsky, D.; Alicki, R.; Kurizki, G. (2013). "Minimal universal quantum heat machine". Physical Review E. 87
↑  Edwin Cartlidge, Scientists build heat engine from a single atom, Science, ‏Oct. 21, 2015
↑  ניתן לקרוא הסבר קצר וענייני לתכונת הקוהרנטיות באתר הבא, תחת תת-הכותרת "דה-קוהרנטיות על קצה המזלג".
מגבר רמה 3. רמת היסוד מסומנת  E_{1}, הרמה האמצעית מסומנת  E_{2} והרמה המעוררת מסומנת  E_{3}. רמות 1,2 מצומדות למאגר קר, ואילו רמות 1,3 מצומדות למאגר חם. כאשר יש היפוך אוכלוסין בין רמות 2,3 נצבר כוח.
מעגל אוטו בדיאגרמת PV.
טורבאי

גשר לַג'וּן על נחל קיני בפתח ואדי עארה (סמוך לתל מגידו); ברקע – חאן לג'ון
מוחמד טורבאי (מת ב-1671) באיור מתוך ספרו של לורן ד'ארבייה, "מסע לארץ ישראל אל האמיר הגדול של הבדווים"
מאהל טורבאי על מורד הכרמל מעל חיפה באיור מתוך ספרו של לורן ד'ארבייה שהתארח במקום ב-1664–1665; האיור, ששובץ על ידי המהדיר בספר מ-1717, חמש-עשרה שנים אחרי מותו של ד'ארבייה, לא נעשה ממראה עיניים, כפי שניכר מתיאור מורד הכרמל, דגמי האוהלים וצורות הבניינים והביצורים של העיירה חיפה בראשית המאה ה-18 (עשרות שנים לפני הקמת 'חיפה החדשה' על ידי דאהר אל-עומר)
טֻרבַּאי (בערבית: طرباي) הייתה משפחה בעלת שורשים בדוויים, שראשיה החזיקו במרוצת המאה ה-16 והמאה ה-17 בתפקיד מושלי (סנג'ק ביי) מחוז לַג'וּן בארץ ישראל. כמו כן היו מפקדי שיירת החג' השנתית מדמשק למכה, בצד משפחות פרוח' ורדואן, ונשאו בתואר אמיר אל-חג'.
תולדות המשפחה

בני טורבאי התייחסו לשבט בני חארת'ה והתנחלו עוד בתקופה הממלוכית באזור שכם. בראשות קַרַגָ'ה אבּן טורבאי חַברוּ לסלים הראשון העותמאני בהבסת הממלוכים (1516–1517) כששירתו כמורי דרך לגייסותיו בדרכם למצרים. ממשיכו, טורבאי אבּן קרג'ה, התמיד בנאמנותו לסולטאן סולימאן הראשון גם בעת ההתקוממות ב-1520–1521 של גַ'נבַּרידי אל-ע'זאלי (جنبريدي الغزالي), מושל דמשק. כאות תודה ניתן תוקף רשמי לשלטונה של משפחת טורבאי באזור שהקיף את עמק יזרעאל, צפון שומרון והגליל התחתון, מדרום הכנרת במזרח ועד הכרמל על שלוחותיו וחופו במערב (לימים סנג'ק לג'ון). ראשיה הורשו להחזיק בתפקידיהם המסורתיים מימי הממלוכים ובתואר "מושל שתי הדרכים" (אמיר אל-דַרבַּיין) – סעיפי דרך הדואר מדמשק לקהיר שהתפצלו סמוך לחאן אל-תוג'אר לדרך הפונה דרומה בנתיב ואדי עארה ולדרך העולה מן העמק להרי שומרון – לשכם ולירושלים. אנשי טורבאי מונו לתפקיד המלווים של שיירות עולי הרגל למכה ושימשו כממלאי מקומם של אנשי רדואן במחוז עזה, כאשר אלה עסקו בליווי השיירות. אנשי טורבאי שמרו על אורח חייהם המסורתי – חיו במאהלים וגידלו גמלים שאותם סיפקו לעולי הרגל. הכנסותיהם באו מדמי הגנה ששילמו העוברים בדרכים (ע'פֿר), ממכסים שנגבו במעגני חיפה וטנטורה ומן המיסים שהעלו הכפרים במחוזם.
מעת לעת מנהיגי השבט הציקו לשלטון המרכזי, והגיעו הדברים לידי כך שבשנת 1552 יצאה אזהרה כתובה מטעם השלטונות שלא למכור לאנשי השבט "חצים, קשתות, סנדלי ברזל לסוסים, מסמרים, מזון ולבוש".
עלי אבּן טורבאי מונה למושל לג'ון ב-1559. אחריו משל עַסאף (عساف), שהרחיב את גבולו גם בתחומי סנג'ק שכם. צו עותמאני מ-1579 מעיד על טווח הדרכים שעל שמירתן הופקדו אנשיו – מקוניטרה ברמת הגולן ועד ג'לג'וליה בשרון. למרות הדחתו והגלייתו של עסאף ב-1583 נותר מחוז לג'ון בשליטת משפחתו, ובנו טורבאי ירש את מקומו. נכדו של עסאף, אחמד אבן טורבאי, משל במשך תקופה ארוכה – מ-1601 ועד מותו ב-1647 – ונודע במנהיגותו ובעוז רוחו. ב-1606–1607 סייע בדיכוי מרד ג'אנבּולאד (בכורדית: جان‌پولاد) מחלבּ ומילא תפקיד נכבד – בצד מושלי מחוזות ירושלים ושכם (בית פרוח') ועזה (בית רדואן) – בבלימת התפשטותו דרומה של שליט הרי הלבנון והגליל העליון, פח'ר א-דין השני, ובהתשתו עד למפלתו ב-1635. אנשי טורבאי היו קשורים בקשרי משפחה וחסות למשפחות פרוח' ורדואן, ושיתוף הפעולה הכלכלי והצבאי ביניהן חיזק מאוד את כוחן. בתקופתו של אחמד טורבאי נערכו ההסדרים עם המסדר הכרמליתי ונציגם האב פרוספר על מאחזי הכרמליתים בהר הכרמל.
בנו של אחמד טורבאי, זַין (زين), משל עד 1660, ואחריו עלה אחיו, מוחמד טורבאי, שמשל עד מותו ב-1671. תיאורים מפורטים של מוחמד טורבאי ושל הווי החיים בשבטו מצויים בכתביו של הסוחר והדיפלומט הצרפתי, לורן ד'ארבייה, ששהה חודשים אחדים (בסוף 1664 ובתחילת 1665) במאהל טורבאי בחוף הכרמל ובין היתר סייע למארחו בתכתובותיו עם הרשויות העותמאניות. רשימותיו של ד'ארבייה מתקופה זו ראו אור ב-1717, אחרי מותו, בספרו "מסע בארץ ישראל ב-1664 אל האמיר הגדול של הבדווים", והן מהוות מקור חשוב לחוקרי התקופה.
עוד בזמנו של מוחמד טורבאי, שהיה מכור לחשיש, ניכרו סימני ההתערערות במעמדה של המשפחה בניו משלו אחריו, אך ב-1700 דיכאו הטורקים את אנשי השבט  ומינו מפקד מחוז מטעמם. עוד קודם לכן בא לקיצו שלטונם של המושלים המקומיים בארץ ישראל – פרוח' ורדואן. התעצמותם הייתה לצנינים בעיני העותמאנים והדחתם הייתה חלק ממהלכי הריכוזיות שהובילו הווזירים הגדולים מבית קפרולו (Köprülü).
משפחת טורבאי נשכחה עד מהרה, וכבר בתחילת המאה ה-18 תפסה משפחת זידאני (שבניה ידועים כ"בַּ֫נוּ זידאן") בראשות דאהר אל-עומר את השליטה בצפון ארץ ישראל.
ראו גם

התקופה העותמאנית בארץ ישראל במאה ה-17
לקריאה נוספת

דרור זאבי, המאה העות'מאנית: מחוז ירושלים במאה השבע-עשרה, ירושלים: יד בן-צבי, תשנ"ז–1997
אלכס כרמל, תולדות חיפה בימי התורכים, אוניברסיטת חיפה ויד בן צבי, תשל"ז-1977
מוסטפא עבאסי, "מצודת קלעת אבן מע'ן (ארבל) ומקומה במאבק בין אמיר הר הלבנון לבין אמיר הגליל במחצית הראשונה של המאה ה-17", בתוך: ממגדל נוצרים ועד עיר מבצר, המכללה האקדמית כנרת, 2012, עמ' 12
מוסטפא עבאסי, "עת למלחמה ולביצור: מבצר המערות בארבל וביצורים אחרים בצפון הארץ בשנים 1602–1624", בתוך: מרדכי אביעם (עורך), ממגדל נוצרים עד עיר מבצר, 2014, עמ' 175–184
Sharon, Moshe. "The political role of the Beduins in Palestine in the sixteenth and seventeenth centuries", In: Moshe Maoz (ed.), Studies on Palestine during the Ottoman Period, Jerusalem, 1975, pp.11–30
Heyd, Uriel. Ottoman Documents on Palestine, 1552-1615: a study of The Firman according to the Mühimme Defteri, Oxford: Clarendon Press, 1960
הערות שוליים

↑  הציור, מעשה ידיו של ג'ון דאגלס וודוורד, מופיע בכרך השני של "ארץ ישראל הציורית" (1881) (בעמ' 24) בתוך מאמרה של מרי אליזה רוג'רס, "שומרון ועמק יזרעאל"
1 2 3  הספר –
Voyage dans la Palestine vers le grand Émir des Bédouins  (הדפסת אמסטרדם, 1718) זמין לקריאה במרשתת (בצרפתית) וכך גם תרגומו  לאנגלית (מהדורת 1732)
↑  השם נזכר לראשונה במסמכים עותמאניים ב-1520, והוא מופיע בהם בצורות שונות, ובהן תֻראבֶּכּ; אוריאל הד מייחס את השם למוצא שאינו ערבי ומשה שרון מציין שהשם מוכר אצל ממלוכּים-צ'רכּסים; לורן ד'ארבייה (זכרונות, 1735, כרך שלישי, עמ' 156) קושר את השם למִלה הערבית "תֻראבּ", שמשמעהּ עפר, אבק
↑  מחוז לג'ון, שהיה במאות ה-16 וה-17 חלק מאיילט דמשק, כלל ארבע נפות (נאחיות): ג'נין, חוף עתלית, שׁערָה (אזור לג'ון–אום אל-פחם) ושׁפָא (הגליל התחתון המזרחי), ובהן עשרות כפרים ושלוש עיירות – בית שאן, ג'נין וחיפה
1 2  זאב וילנאי, אריאל - אנציקלופדיה לידיעת א"י, ת"א: עם עובד, 1976, עמ' 2619
↑  Heyd, Ottoman Documents, 1960, pp.109-110
↑  ככל הנראה בכפר טירה; במקום היה מסגד שבפתחו נקבעה כתובת לפיה בשנת 1579 "ציווה על בניית זה המקום המבורך האמיר עסאף"; תצלום של הכתובת נעשה על ידי המזרחן והדיפלומט פון מולינן (E.F. von Mülinen) ב-1908, והוא מובא גם בתרגום לעברית של ספרו, "הכרמל של פון מולינן" (הוצאת מאגנס, 2013), בעמ' 174–175
↑  הקביעה לפיה מוחמד טורבאי היה אנאלפבית אינה מדויקת; הוא העסיק מזכיר מיוחד לצורך התכתובות בשפה הטורקית, שבה לא שלט
מבצר הארבל

| --- | --- |

מגורים בארבל
 היסטוריה
 תקופות:  התקופה הרומית בארץ ישראל 
 מיקום
 מדינה:  ישראל 
 קואורדינטות:  32°49′30″N 35°30′02″E﻿ / ﻿32.82506°N 35.500514°E﻿ / 32.82506; 35.500514
  (למפת הגליל העליון מוגדלת) מצוקי הר ארבל(למפת הגליל העליון רגילה) מצוקי הר ארבל(למפת ישראל רגילה) ירושלים תל אביב חיפה ראשון לציון אשדוד באר שבע נתניה אילת קריית שמונה בית שאן קצרין טבריה עפולה חדרה נהריה עכו כרמיאל אשקלון מצפה רמון  ערד עזה יריחו ירדן סוריה לבנון סיני (מצרים) הים התיכון נצרת לוד רהט הים האדום מצוקי הר ארבל(למפת ישראל מוגדלת) ירושלים תל אביב חיפה ראשון לציון אשדוד באר שבע נתניה אילת קריית שמונה בית שאן קצרין טבריה עפולה חדרה נהריה עכו כרמיאל אשקלון מצפה רמון  ערד עזה יריחו ירדן סוריה לבנון סיני (מצרים) הים התיכון נצרת לוד רהט הים האדום מצוקי הר ארבל
 
מצוק ארבל
מצוק ארבל
מצוק ארבל
ביצורי הארבל שוכנים במצוקי הר ארבל. במצוקים חצוב מבצר, סביבו חומות בעלות קמרונות. ניתן לראות על פני השטח טורי מדרגות ומערות החצובות על המדרונות. מערות אלה הן מערות מגורים הכוללות מתקנים חצובים, מקוואות, בריכות ובורות מים מטויחים. המצוקים משני צדדיו של נחל ארבל כוללים ממזרח את מצוקי הארבל וממערב את מצוקי הר ניתאי המתנשאים שניהם לרום מאות מטרים ובהם נתגלו שרידי מבצר ומערות חצובות בהן מערכת ביצורים גדולה, מבואות ומעברים, קירות מגן ומדרגות.
היסטוריה

ככל הנראה מערות הארבל שימשו כבר בתקופה פרהיסטורית. בשנת 161 לפנה"ס המצביא הסלאוקי בקכידס הגיע לעיר ארבל שבגליל, ולפני עלייתו לירושלים הציב מצור על הנמלטים למערות ותפסם. אצל יוסף בן מתתיהו בפירושו לספר חשמונאים א' מוזכרת בארבל המערה הצבאית של בקכידס.
בתקופת בית שני היה הגליל תחת שלטונו של הורדוס, שהוכתר ב-37 לפנה"ס על ידי הרומאים לשליט הגליל. הורדוס ביקש לדכא את מורדי הגליל, תומכי אנטיגונוס החשמונאי. תושבי הארבל נודעו כמי שהתנגדו באופן נחרץ לשלטונו. עדותו של יוסף בן מתתיהו לגבי הארבל מוקדשת לשני עניינים:
מערות ארבל כמקום התבצרותם של יהודים כנגד הורדוס בשנת 39–40 לפנה"ס
כפר המערות ארבל, שבוצר על ידו ערב המרד הגדול בשנת 66 לספירה.
המערות שכנו בצלעות הרים תלולים שהדרך אליהם הייתה מוגבלת והעמידה את צבאו של הורדוס בפני קשיי נגישות. הורדוס נאלץ להשתמש בדרכי לחימה מתוחכמות וזאת משום שדרכי הלחימה השגרתיות לא היו רלוונטיות בסיטואציה הקיימת. השיטה כללה הורדה של חיילים בארונות קשורים בחבלים, עד שהגיעו לפתחי המערות, שם, את מי שתפסו הרגו ובמתנגדים שהחזיקו מעמד, פגעו באש. הקנאים לא נכנעו והעדיפו למות ולא ליפול בשבי.
המערות הטבעיות הקרסטיות, שהותאמו למגורי אדם, הן כנראה כפר המערות הנזכר אצל יוסף בן מתתיהו. כפר המערות שבארבל מוזכר כאחד מ-19 הביצורים של יוסף בן מתתיהו ולמעשה היה חלק מההכנות למרד הגדול של היהודים בשלטון הרומאי (שנת 68 לספירה). הלוחמים היהודים בחרו להקים מערך הגנה באמצעות כניסה לתוך המערות הנמצאות שם בשפע על ידי השתלשלות בחבלים, הפיכתן למגורים והכשרתן כמקום מפלט ללוחמים ומשפחותיהם בשעת חירום (כמו בימי הורדוס). לא מן הנמנע שנעשה שימוש במערות הנגישות ביותר גם בימי שיגרה ושקט.
הצלבנים, הממלוכים והטורקים השתמשו גם הם במצוקיו של הארבל לצורכיהם והקימו עליהם מבצר גדול בנקודה אסטרטגית בדרך הים. אין הרבה ידיעות על הארבל בתקופות אלה.
הביצורים המכונים בשם "קלעת אבן מעני" מיוחסים לשלטון העות'מאני ונבנו בראשית מאה ה-17 על ידי מושל צפת - עלי, בנו של האמיר פח'ר א-דין השני לבית מען. המבצר בנוי בתוך מערכת של מערות הנפרשת לאורך המצוק. נתגלו מדרגות המקשרות בין שלושת מפלסי המבצר.
ממצא ארכאולוגי

מבחינת הממצא הארכאולוגי הנתון באתר, ניתן לראות מבצר חצוב בראשו של ההר, המבצר מוקף חומות. על פני השטח ניתן לראות מערות וטורי מדרגות. על המדרונות חצובות מערות מגורים, מתקנים חצובים, מקוואות ובורות מים מטויחים. אל הבורות הובילו מים באמצעות מתקני הטיה.
ב-1992 נערך סקר ארכאולוגי במערות מצוק ארבל על ידי המרכז לחקר מערות (מלח"מם) עבור רשות הטבע והגנים, במהלכו נסקרו כ-50 מערות ומופו כ-36 מהן. רוב המערות נמצאות באזור המכונה "כפר המערות". בצוק הארבל נחצבו או הוכשרו למגורים יותר מ-120 מערות, סדורות בשבעה מפלסים, חלקן ממזרח וחלקן ממערב. מצידה של כל קבוצת מערות מזדקף עמוד סלע המקשה את הגישה למקום. ככל הנראה בזמנו הגיעו אליהן בעזרת סולמות וחבלים והיושבים בהן הרגישו מוגנים. במרבית המערות ניכרים סימני חציבה וטיח.
במאמרם של יגאל טפר ויובל שחר, שפורסם בקתדרה 61, בשנת 1991, דווח כי התגלה ממצא נומיסמטי ונותח זמנם של הטיח ושל שרידי בנייה קדומה בחזית המערות. ממצא זה אינו מאשר שימוש במערות בתקופה הלניסטית חשמונאית מוקדמת. במורד שלרגלי המערות נתגלתה פזורה קרמיקה מן התקופה הרומית המוקדמת בקבוצת המערות המערבית בהר ארבל נתגלו ממצאים המתוארכים לתקופה הביזנטית. בחינה ראשונית של הקרמיקה מלמדת כי היישוב במערות אלה לא המשיך אחרי תקופה זו.
לקריאה נוספת

אברהם איזדרכת, "הארבל - מצוק מורדים ובקעת חולמים", בשביל הארץ (רשות הטבע והגנים), עמ' 22–25
ינון שבטיאל, "ההר החלול", בשביל הארץ, ספטמבר 2004, עמ' 14–18
יצחקי גל, מושון גבאי, מדריך ישראל החדש, כרך 4: הגליל התחתון וחופו ובקעת כינורות, ירושלים, 2001, עמ' 80–83
מוסטפא עבאסי, "עת למלחמה ולביצור: מבצר המערות בארבל וביצורים אחרים בצפון הארץ בשנים 1602–1624", בתוך: מרדכי אביעם (עורך), ממגדל נוצרים עד עיר מבצר, 2014, עמ' 175–184
הערות שוליים

↑  אברהם איזדרכת, "
הארבל – מצוק מורדים ובקעת חולמים", בשביל הארץ, עמ' 22–25
1 2  ינון שבטיאל, "ההר החלול", בשביל הארץ, ספטמבר 2014
1 2  יצחקי גל, מושון גבאי, מדריך ישראל החדש, כרך 4: הגליל התחתון וחופו ובקעת כינורות, ירושלים, 2001, עמ' 80–83
1 2  הר ארבל באתר רשות העתיקות
↑  יגאל טפר ויובל שחר, "ארבל הגלילית", קתדרה 61, יד יצחק בן-צבי, 1991