האם המדע אכן מסביר את העולם? ב
נביא כאן דוגמאות של מחקרים מהשנה האחרונה:
חוקרים מחפשים את התיאוריה של הכל, את הנוסחה ההגיונית שמגדירה את המציאות הפיזית המוכרת לנו, עוד לפני הסברים, איך זה קרה ולמה, חסרה לנו ההגדרה. התצפיות שלנו מסוכמות ואנו יודעים מה אנו רואים, אבל זה מחייב אותנו להגדיר את החומר, כמותו, כוחו, התנהגותו. וזה משהו שעדיין בלתי אפשרי עבור המדע בן זמננו.
ביולי 2016 חוקרים סיניים ניסו שוב (Physical Review Letters) למצוא רגליים ל"תיאוריה של הכל", ולא הצליחו.
מהי "התאוריה של הכל"?
שתי התאוריות המרכזיות בפסיקה היום הן תורת היחסות הכללית מזה, ותורת הקוונטים מזה. תורת היחסות הכללית עוסקת בכוח הכבידה (גרביטציה) – שהוא הכוח הדומיננטי המניע כוכבים וגלקסיות. תורת היחסות זכתה לאישושים רבים (כולל לאחרונה: גילוי גלי הכבידה), והיא מתארת היטב את שאנו רואים ביקום כולו.
תורת הקוונטים (כפי שפותחה לא מעט מאז החלו להגות אותה – תורת השדות הקוונטית, וכיום מדברים על "המודל הסטנדרטי"), מצד שני, עוסקת בעולם הקטן ביותר. היא מתארת את החלקיקים היסודיים בטבע, ואת הכוחות הפועלים ביניהם (פרט לכבידה: הכוחות הגרעיניים החזק והחלש והכוח האלקטרומגנטי). גם היא מתארת את תחום 'ממלכתה' היטב, ונותנת ניבויים מדויקים לאשר אנו רואים בניסויים הלכה למעשה.
לכאורה, הכל טוב… אלא ש… מסתבר שלכל אחת מהתורות האלה כשלעצמה יש 'קשיים פנימיים', וחמור מכך: הן לא מתיישבות זו עם זו.
על פי תורת היחסות, הכבידה היא עיקום של המרחב במקום בו נמצאת מסה כלשהי.
על פי תורת הקוונטים, מאידך, לא מדובר על עיקום המרחב. כוח, לפי תורה זו, מופעל באמצעות חלקיקים שהם 'נשאי הכוח': לכוח האלקטרומגנטי יש נשא הנקרא "פוטון", ולכוח המשיכה אמור להיות נשא, שאף שטרם נמצא כבר ניתן לו שם – "גרביטון".
דוגמא אחרת: על פי תורת הקוונטים, לחלקיקים אין מיקום במובן היום-יומי שאנו רגילים לדבר אליו, אלא הם נמצאים במצב שמכונה "סופרפוזיציה", לפיו יש הסתברויות שונות למיקום החלקיק במקומות שונים – ותורת היחסיות 'לא מרשה' חישוב מסוג זה, בו חלקיק יכול להופיע במקום לא צפוי, כביכול יש-מאין.
לכן, ברור לפיסיקאים, ששתי תורות אלה אינן 'סוף הדרך', ויש למצוא תאוריה שתעלים את הקשיים הפנימיים ואת הסתירות הקיימות ביניהן. תאוריה זו, שמחפשים אותה כבר עשרות שנים, זכתה לשם היומרני "התאוריה של הכל" – שכן הצפיה היא, שהיא תהיה מסוגלת להסביר ולקשור בין כל התופעות הפיזיקליות הידועות, הן במסגרת תורת היחסות והן במסגרת תורת הקוונטים; ובכלל זה – לצרף את כוח הכבידה לתורה הקוונטית.
הניסוי החדש
רבים מהמאמצים למצוא את 'תאוריה של הכל' הם תיאורטיים באופיים. פיתוח של רעיונות. כזו היא למשל תאוריית המיתרים או העל-מיתר אך בד בבד נעשים גם ניסוים שמבקשים למצוא ממשקים בין התאוריות השונות. כזה הוא גם הניסוי הנוכחי, שנעשה על ידי חוקרים מסין, ופורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review Letters:
כזכור, מכוח עקרון השקילות, בהעדר חכוך עם האוויר גופים שונים נופלים אל כדור הארץ בקצב זהה. זה נכון גם לגבי אטומים בודדים אותם נפיל אל כדור הארץ. אבל מה יקרה אם נשנה תכונה קוונטית של האטומים הללו? האם הגרביטציה 'תרגיש' בכך? אם כן – זה אולי יתן רמז לקשר כלשהו בין הכבידה לבין חלקיקי היסוד השונים.
זה בדיוק מה שהחוקרים ביקשו לעשות ולגלות. הם לקחו אטומים של יסוד כימי הנקרא רובידיום (Rubidium) , קיררו אותם למעט מעל האפס המוחלט, והקנו להם ספין הפוך. ספין הוא תכונה שיש לחלקיקים מסוימים, המתנהגים כאילו הם סובבים סביב צירם;
השאלה שהחוקרים שאלו את עצמם היא – האם הספין ישפיע על תנועת האטומים בעת שכוח המשיכה של כדור הארץ ימשוך אותם כלפי מטה? כאמור, תשובה חיובית – היתה יכולה לתת רמז לכיוון של השתלבות כוח הכבידה עם התורה הקוונטית… אך הסתבר שלא. הכבידה היתה אדישה לספין של האטומים, שנפלו אל כדור הארץ בקצב זהה למרות הספין השונה; וממילא טרם נמצאה הדרך לחבר בין התורות השונות.
החוקרים אמנם התאכזבו מהתוצאה, אך הם השכילו להביע גם אופטימיות, וציינו כי יתכן ומכשירי המדידה שלהם לא היו רגישים מספיק לחוש בהבדל, שאולי בכל זאת קיים.
והמאמץ להמשך גילוי צפונות היקום – ימשך; כאשר גם חידושים טכנולוגיים כמו אלו שאפשרו את הניסוי הנוכחי – יוכלו להוליך לתוצאות חדשות. הלוא את גלי הכבידה התגלו רק בזכות חידושים מסוג זה – כמאה שנה אחרי שאינשטיין ניבא את קיומם בתורת היחסות הכללית.
מחקר נוסף עוסק בגילוי "הגשם החמישי" (מונח אריסטוטלי):
"אם תאושר ע"י ניסויים נוספים, התגלית של כח חמישי תשנה לחלוטין את ההבנה שלנו על היקום, אומר פרופ' ג'ונתן פנג, כולל מה שמחזיק ביחד גלקסיות כמו גלקסיה ספירלית זו.
לפי ממצאים אחרונים, גילוי חלקיק תת-אטומי, לא מוכר עדיין למדע, ייתכן ומצביע על חוק יסוד חמישי בטבע, כך פורסם בכתב העת Physical Review Letters ע"י פיזיקאים תיאורטיקאים מאוניברסיטת קליפורניה.
"אם נכון, זה מהפכני", אומר ג'ונתן פנג, פרופ' לפיזיקה ואסטרונומיה.
"במשך עשורים רבים ידענו על 4 חוקי יסוד בטבע: גרביטציה, אלקטרומגנטיות, הכח הגרעיני החזק והכח הגרעיני החלש.
אם יאושר ע"י ניסויים נוספים, התגלית הזאת של כח חמישי תשנה לחלוטין את ההבנה שלנו על היקום, עם השלכות לגבי הכוחות המאוחדים והחומר האפל."
החוקרים ב UCI התבססו על מחקר שביצעו פיזיקאים גרעיניים באקדמיה ההונגרית למדעים באמצע 2015. הם חיפשו אחר פוטונים אפלים, חלקיקים המציינים חומר אפל, אשר מכיל 85% מהמסה ביקום.
העבודה של ההונגרים מצאה דעיכה רדיואקטיבית שמצביעה על נוכחות חלקיק קל, רק פי 30 כבד יותר מאלקטרון.
החוקרים ב UCI למדו את ממצאי ההונגרים וכן ממצאים קודמים שהתגלו בתחום זה והראו שהממצאים לא יכולים להצביע על חלקיקי חומר או על פוטונים אפלים.
הם הציעו תיאוריה חדשה שהתגלית יכולה להצביע על הימצאות כח יסוד חמישי.
הקבוצה הראתה כי במקום להיות פוטון אפל, החלקיק יכול להיות "בוזון X פרוטופובי".
הכח החשמלי הנורמלי פועל על אלקטרונים ופרוטונים, אך הבוזון שזה עתה התגלה עושה אינטראקציה עם אלקטרונים וניוטרונים, בטווח קצר מאוד.
פנג הדגיש שיש צורך במחקרים נוספים, שלאחר ההסבר היכן בדיוק צריך לחפש חלקיק זה, יתאפשרו במהרה במעבדות ברחבי העולם". (מקור, הפרסום ב UCI).
הפיזיקאי פרופ' דיויד טונג מקימברידג', אומר בריאיון לסינטיפיק אמריקן: "הקואנטום שאינו קואנטי":
"העובדה שקיומם של אטומים, ובעצם של כל חלקיקי היסוד, גם הוא אינו קלט של התיאוריות שלנו. הפיזיקאים מלמדים דרך שגרה שאבני הבניין של הטבע הם חלקיקים בדידים כמו האלקטרון או הקווארק. זהו שקר. אבני הבניין של התיאוריות שלנו אינן חלקיקים אלא שדות: עצמים רציפים וזורמים המתפשטים בכל המרחב. השדה החשמלי והשדה המגנטי הם שתי דוגמאות מוכרות, אבל קיים גם שדה אלקטרון, שדה קווארק, שדה היגס ועוד כמה וכמה. העצמים שאנחנו מכנים חלקיקי יסוד אינם יסודיים, הם אינם אלא אדוות בשדות רציפים.
המדענים אינם יודעים בוודאות מהי המשמעות של אי יכולתנו ליצור הדמיה ממוחשבת של המודל הסטנדרטי. קשה להסיק מסקנות מוצקות מתוך כישלון לפתור בעיה; ייתכן מאוד שהחידה קשה ביותר, והיא מחכה לפתרון שיגיע באמצעות שיטות מקובלות. אבל היבטים מסוימים של הבעיה משמיעים צליל של משהו עמוק יותר. המכשלות הכרוכות בכך קשורות קשר הדוק למתמטיקה של טופולוגיה וגאומטריה. ייתכן שהקושי להציב פרמיונים כיראליים על השריג אומר לנו משהו משמעותי: שחוקי הפיזיקה, עמוק בפנים, אינם בדידים. איננו חיים בתוך הדמיית מחשב". (להאזנה לראיון עם טונג, היכנסו לכתובת: ScientificAmerican.com/dec2012/digital)
סינטיפיק אמריקן: חידת האנרגיה האפלה, מדוע התפשטותו של היקום מאיצה? גם אחרי שני עשורים של מחקר התשובה עדיין מסתורית, אבל השאלות נעשו ברורות יותר…
NRG אוקטובר 2017: "חוקרים: מבחינה מדעית היקום לא היה צריך להתקיים. – לפי הידע הקיים בפיזיקה, היקום סביבנו לא היה צריך להיות קיים, ועד היום לא הועלתה תיאוריה שמסבירה מדוע החומר והאנטי חומר לא השמידו את עצמם אחרי המפץ הגדול. כעת, גם מחקר חדש נכשל בהסברת החידה".
פברואר 2018 (דיווח ברוטר):
אחד מגרמי השמיים המעניינים שחוקרים באמצעות משוואות תורת היחסות הם החורים השחורים. אלה הם גופים עם כוח משיכה כל כך גדול, ששום דבר לא יכול להמלט מהם – אפילו לא אור (ומכאן שמם 'חורים שחורים'). המעטפת הסובבת כביכול סביב החור השחור שלא מאפשרת לדבר לצאת החוצה נקראת 'אופק האירועים'.
המשוואות מוסיפות ומתארות, שבחורים שחורים מסוימים, מתחת לאופק האירועים קיים אופק נוסף המכונה 'אופק קושי' (Cauchy horizon), שבו הזמן – בגלל כוח המשיכה הגדול – כמו עומד מלכת, ולכן כל דבר שיגיע לאופק זה הלכה למעשה יושמד באנרגיה הגדולה שתצטבר מכל האנרגיה שאי פעם הגיעה (בעבר) לחור השחור וזו הצפויה להגיע אליו בעתיד (כי אם הזמן עומד מלכת – גם העתיד צפוי להצטבר בה- במה שהוא מבחנתו של אופק קושי 'אותו הזמן').אלא מאי? מחקר חדש שפורסם לאחרונה בכתב העת Physical Review Letters מצא, שבנסיבות מסוימות ניתן לעבור את אופק קושי. מבלי להכנס לכל הפרטים, הדבר נובע בין היתר מכך, שהיקום מתרחב, ולכן יש אנרגיה עתידית שכלל לא תגיע לחור השחור. במצב זה, חוקי תורת היחסות עצמם – על אף האופי הדטרמיניסטי שלהם – מאפשרים לחשב לאותו הגוף שחצה את אופק קושי מספר אפשרויות להתרחשויות עתידיות.
מנוקדת מבט הפוכה פירוש הדברים הוא, שהעבר של אותו הגוף 'נמחק'; הרי אם החוקים הפיסקאליים הם חד-חד-ערכיים, אך הם נותנים מספר אפשרויות לעתיד – המסקנה היא שהעבר איננו חד-חד ערכי. הוא משתנה.
מוזר? בהחלט, אך הפיסיקה המודרנית מלאה במוזרויות מסוג זה. מה שמעניין במיוחד כאן הוא, שגם מתוך תורה דטרמיניסטית – עולים תוצאים שאינם כאלה. אז אולי באמת היקום איננו צפוי (לפחות לנו בני האדם…)?
ראה עוד: האמנם חוקי הטבע מוחלטים? היתכן שהיומרה להבין את חוקי הטבע שגויה? המילים הנפלאות ביותר במדע: 'אין לנו מושג… עדיין!' עמי בן בסט: האם האסטרופיזיקה היא מדע בדיוני?
לקריאה נוספת: תיאוריית הקוונטים לא מפסיקה להפתיע.