חדשות המדע: המגמות בעולם הפיזיקה בשפה פשוטה

ממאיץ חלקיקים קטן שמנסה למצוא חורים בתיאוריה שמסבירה "הכול", דרך חיפוש חיים בפלנטות אחרות ועד יישומים רפואיים למתכת שזוכרת את צורתה - פיזיקה היא מתחומי המדע שהכי קשה להסביר למי שאינו עוסק בתחום. השנה היא עומדת במוקד תחרות פיימלאב לתקשורת המדע, תחרות שמתמודדיה נמדדים בהצלחתם להסביר את מחקריהם לקהל - בשלוש דקות, בלי עזרים ומצגות.

מאחורי התחרות עומדים כמה גופים: האקדמיה הלאומית הישראלית למדעים, חמד"ע (המרכז לחינוך מדעי בתל אביב), מרכז המצוינות בפזיקה "היקום הקוונטי" והמועצה הבריטית למדע. והמטרה - להכשיר מדענים צעירים ביצירת גשרים בין העולם המדעי לציבור הרחב. "גלובס" ניצל את ההזדמנות ושלף לשיחה ארבעה מהמתמודדים, כדי שיסבירו לנו את המגמות בעולם הפיזיקה בשפה מובנת גם להדיוטות.

בעקבות פלנטות שיש בהן חיים

אני אסטרונום או אסטרופיזיקאי, וחוקר כוכבים בעיקר בשביל החלב", מספר לב טל-אור. "במערכת השמש שלנו יש רק כוכב אחד, השמש, וכוכבי לכת הסובבים אותו. בגלקסיית שביל החלב בלבד יש מאוד מיליארדי כוכבים, וסביב כולם יכולים להיות כוכבי לכת. אי אפשר לראות אותם בעין, אבל הם מעניינים כי כל אחד מהם יכול להיות דומה לכדור הארץ שלנו, ואז הוא יכול להיות רלוונטי להתיישבות אנושית בעתיד, או שאולי יש בו כבר חיים".

עד לאחרונה, אמרו האסטרופיזיקאים כי "יכולים" להיות סביב כל השמשות האחרות כוכבי לכת, אך לא הייתה לכך כל הוכחה. כוכבי הלכת של השמשות האחרות בגלקסיה רחוקים מאיתנו מאוד, ואורם מועט. הם אינם מאירים בעצמם, אלא רק מחזירים את האור של הכוכבים. "זה כמו לנסות לראות גחלילית מעופפת ליד הפרוז'קטור של מגדל אייפל, כשאתם נמצאים פה וכל זה מתרחש בפריז", ממחיש טל-אור.

בשנים האחרונות, חוקרים כמו טל-אור מנסים להוכיח את קיומם של כוכבי הלכת סביב הכוכבים האחרים ולגלות את מאפייניהם. כדי לעשות זאת, אין מודדים את אור כוכב הלכת, אלא את אור הכוכב שסביבו אותו כוכב לכת מסתובב, ומנסים לראות איך כוכב הלכת מפריע לו, או עושה בו שינויים.

שיטת המדידה הפשוטה יותר היא "שיטת הליקויים". אם במקרה התמזל מזלנו ומסלול כוכב הלכת עובר בינינו לבין הכוכב, נוכל לראות מעת לעת אור הכוכב קצת מועם. אם זה קורה באופן מחזורי, למשל בכל יום או בכל שנה, כנראה מדובר בכוכב לכת, כלומר גוף גדול מספיק שנע במסלול קבוע סביב אותו כוכב ומסתיר אותו. "בשיטת הליקויים התגלו ואופיינו יותר מאלף כוכבי לכת, בעיקר על ידי טלסקופ החלל קפלר, שפעל בין 2009 ל-2013", אומר טל-אור.

"הדבר החשוב שנתן לנו טלסקופ קפלר הוא סטטיסטיקה לגבי התופעה הזאת של כוכבי לכת. התוצאות היו מדהימות. מתברר שיש כוכבי לכת כמעט סביב כל כוכב שבחן טלסקופ קפלר, כלומר, אם יש כ-100 מיליארד כוכבים בשביל החלב, יש לפחות 100 מיליארד כוכבי לכת בגלקסיה שלנו. ומעניין עוד יותר: כוכבי לכת קטנים כמו כדור הארץ הם לא פחות נפוצים מכוכבי לכת גדולים יותר, כמו צדק ושבתאי".

ניתן לדעת מהו גודל כוכב הלכת לפי מידת האור המעומעם של הכוכב שהוא מקיף. את המרחק שלו מהכוכב שלו ניתן לאמוד לפי זמן ההקפה, וכך ניתן להעריך גם את הטמפרטורה שלו. "אם מוצאים כוכב לכת בגודל הנכון ובמרחק הנכון, נאמר שהוא ב'אזור הישיב', כלומר שיכולים להתקיים בו חיים", אומר טל-אור, וזאת על בסיס ההנחה שכל היצורים החיים הם חומרים אורגניים צורכי מים כמונו, ולכן זקוקים לתנאים כמו שלנו.

מי אמר שצריך מים כדי לקיים חיים?

"ישנו תחום מחקר שנקרא אסטרוביולוגיה, כלומר ביולוגיה של החיים מחוץ לכדור הארץ. בתחום זה שואלים מהי הגדרת החיים ומה דרוש לקיומם. למשל, בירח של שבתאי, טיטן, יש אקלים דומה לכדור הארץ אבל במקום מים יש לו מתאן. אז הם מנסים לבדוק איך יכולים להיראות ולהתנהג חיים המבוססים על מתאן".

השיטה הנוספת לאיתור כוכבי לכת, זו שטל-אור משתמש בה, היא שיטת הדופלר. היא ותיקה יותר ומתאימה לכוכבים קצת יותר קרובים. תופעת הדופלר מוכרת לנו מתחום הקול: נניח שאנחנו עומדים במקום מסוים.

כאשר כלי רכב מתקרב אלינו, צליל הרעש הבוקע ממנו נעשה גבוה יותר ככל שהוא מתקרב ונמוך יותר כשהוא מתרחק. כשהרכב מתקרב, המרחק המתקצר גורם לגלי הקול להגיע אלינו מהר יותר, וגלים קצרים יוצרים צליל גבוה יותר. כאשר כלי הרכב מתרחק, כל גל קול מגיע אלינו בתוספת המרחק שנצבר, ולכן נשמע נמוך יותר.

אותו הדין לגבי כוכבים - כשכוכב לכת קרוב אלינו, הוא מושך את השמש שלו מעט אלינו, והיא נראית קצת אדומה. במונחי הזמן שלו, חצי שנה אחר כך, הוא נמצא הכי רחוק מאיתנו ומושך את השמש הרחק מאיתנו, כך שהיא נראית מעט כחולה. היתרון בשיטה זו הוא שמסלול כוכב הלכת לא חייב לעבור בדיוק בינינו לבין השמש שלו, בניגוד לשיטת הליקויים.

בשיטת דופלר התגלה שדווקא סביב הכוכב הכי קרוב אלינו מסתובב כוכב לכת בגודל כדור הארץ שכנראה נמצא באזור הישיב. "כוכב הלכת הזה נמצא היום במרחק ארבע שנות אור מאיתנו, כלומר יותר מאלף שנה בחללית המהירה ביותר הקיימת היום. אבל החלליות משתפרות", אומר טל-אור.

- כמה זמן יקח עד שנגיע אליו?

"אני רוצה לקוות שעוד במילניום הזה. אולי זו תהיה אופציה לנופש עבור הנינים שלנו".

- זה לא מייאש, לחקור תחום שגולת הכותרת שלו תתגלה רק זמן רב אחרינו?

"זה דווקא הכיף שלי. אני רוצה להיות שותף במשהו שישפיע גם עוד מאות אלפי שנים, והוא משהו גדול. התחום הזה נותן לנו פרופורציות, מוריד אותנו מהמלחמות הקטנות שלנו".

- מה העצה שלך למי שרוצה לתקשר מדע יותר טוב?

"להתחיל מגיל צעיר, הן שלך והן של הקהל. כסטודנט, הדרכתי במוזיאון המדע ובנוער שוחר מדע. כשמדברים עם בני הנוער הללו, מבינים שהציבור באמת רוצה לדעת".

מאיץ חלקיקים, בקטנה

מחקר שלי הוא קצת מוזר", אומר בן אוחיון. "הקבוצה שלנו עוסקת באותם חלקיקים אלמנטריים שחוקרים במאיץ החלקיקים הענק ב-CERN בשוייץ, אבל אנחנו חוקרים אותם במעבדה שלנו, בכלים הרבה יותר קטנים, ופחות מתוקצבים".

לדברי אוחיון, חקר החלקיקים עוזר להבין טוב יותר את הכוחות הפועלים עלינו בעולם. יש משוואה שבה פיזיקאים משתמשים כדי לתאר את "הכול", כלומר את כל החלקיקים ביקום ואת כל הכוחות הפועלים עליהם. "כמו הכללים במשחק שחמט, הם אומרים מי השחקנים ביקום ואיך הם יכולים לזוז", הוא אומר. המשוואה של הכול, הנקראת גם "המודל הסטנדרטי", היא "מאוד יפה אבל גם מאוד מכוערת", הוא אומר. "משוואה יפה" פירושה שהיא קצרה ונראית הרמונית, למשל משוואת ה-E-MC^2 של איינשטיין. "המשוואה של הכול היא משוואה קצרה מספיק לכתוב על מפית נייר, אבל היא עדיין לא נראית 'יפה' מספיק. האם זה אומר שאכן צריכה להיות משוואה טובה יותר? מי יודע. לזה אין הוכחות, זו רק תחושת בטן של הפיזיקאים".

- המשוואה של "הכול" באמת מתארת הכול?

"בעיקרון כן, חוץ מהחומר האפל שעושה בעיות. אבל זו לא חוכמה גדולה כל כך, כי ברגע שגילו משהו שלא מתואר על ידי המשוואה, פשוט דחפו אותו מיד פנימה, ואז שוב המשוואה מתארת הכול".

כבר לפני 70 נטען שחסר משהו ב"מודל הסטנדרטי" והדבר הכי פשוט שיוכל לאזן את המשוואה הוא חלקיק בעל מאפיינים דומים לאלה של חלקיק היגס (שכונה בתקשורת "חלקיק האלוהים") שהתגלה בשנה שעברה הודות למאיץ ב-CERN. "הגילוי מעודד", אומר אוחיון, "אבל באיזשהו מקום הוא גם מאכזב. אם היינו מגלים שדברים לא מסתדרים כמו שחשבנו, דווקא אז היה מאוד מעניין, כי זה אומר שגילינו משהו חדש. המטרה שלי היא לחפש סטיות מהמשוואה שמתארת 'הכול"".

הדרך הקלאסית לחפש סטיות היא במאיץ החלקיקים: מביאים להתנגשות חומרים במהירויות ובאנרגיות גבוהות, ומאבחנים באמצעות חיישנים המותקנים על גבי המאיץ את מאפייני החלקיקים הנפלטים בעת ההתנגשות. על ההתנגשות להיות חזקה, אומר אוחיון, כדי ליצור המון מדידות, המון נקודות מידע, וזאת משום שהמערכת יוצרת גם המון רעש, כלומר מידע אקראי שלא אומר לנו כלום.

המתקן של אוחיון וצוותו מנסה לפעול אחרת: להפחית את הרעש, כדי שאפשר יהיה להבין את התנהגות החלקיקים גם באמצעות מעט מידע. עושים זאת על ידי קירור. במתקן מרחפים בתנאי ואקום וחוסר גרביטציה אטומים של גז ניאון. קרן לייזר עוברת דרך חלונות המתקן ויוצרת אינטראקציה עם האטומים הגורמת לקירורם עד טמפרטורה קרובה לאפס מוחלט. בטמפרטורה כזו, אין להם תנועה אקראית, ולכן אין גם רעש, אלא כל תנועה מגלה לנו משהו על טיב החלקיק. כך לא צריך המון מדידות ולא זקוקים לעוצמה של המאיץ.

לאחר שנים של בניית המתקן, יחל בקרוב הניסוי. הקבוצה תכניס למתקן ניאון רדיואקטיבי, ובאמצעות גלאים תעקוב אחר החלקיקים שהוא פולט. "אם נגלה שהכול מתנהל כצפוי, לא נזכה בפרס נובל אבל נאשש את 'המשוואה של הכול'. אם נמצא סטיות... ובכן, אז אתחיל לשמור על אורח חיים בריא כדי לחיות עד גיל 80 ואולי לקבל את הפרס. אני מזוכיסט, אז בניתי את המערכת במשך ארבע שנים. רק ארבעה צוותים בעולם עובדים על מלכודות ניאון. כל השאר עובדים עם גזים הרבה יותר פופולריים. לא נורא, בפיזיקה יש 'חוק שימור הקושי' - אם לא קשה לך, אז כנראה שמישהו אחר עשה את זה כבר קודם. הנחת היסוד היא שתמיד יהיה קשה".

- אם תגלה שמשהו לא נכון, זה אומר שכל המודל איננו נכון?

"לא, זה כמעט שלא ייתכן, כי כל שינוי בתיאוריה גם יצטרך להסביר את כל התצפיות הקודמות, שהיום מוסברות במשוואה. זה לא כל כך נכון מה שחושבים בציבור, שהמדע כל הזמן מפריך את עצמו לחלוטין. למשל, איינשטיין לא הראה שניוטון טעה, אלא הראה מקרי קצה שבהם התיאוריה שלו לא תופסת. ניוטון עדיין צודק רוב הזמן. כבר כמעט אין מקרה שבו מישהו חושב שהעולם שטוח, ובעצם הוא עגול".

- ואחרי שאמרת את זה, דווקא מחר נגלה שאכן טעינו בכול...

"תראי, בכל פעם שאדם מדליק מחשב או טלפון סלולרי, הוא מסתמך על כל הידע הנצבר בתחום החשמל והקוואנטים. אם באמת לא היינו יודעים כלום, לא היינו יכולים לבנות טלפון סלולרי".

המתכת שזוכרת את צורתה

מיר ויצמן, המועסק בחברת מכשור רפואי המפתחת שתלים למדידת לחץ דם בעורקים, מתמחה בניטינול, שגשוגת של המתכות ניקל ואלומיניום, השייכת למשפחת המתכות בעלות " זיכרון צורה". למה הכוונה? המתכת חוזרת תמיד לצורה אחת שבה עוצבה. "בתיק שלי יש תמיד חוט מתכת שניתן לעוות לכל מיני צורות, אבל כששמים אותו במים חמים, הוא יחזור תמיד לצורה אחת - אותיות המילים 'ניקל טיטניום', ניטינול", הוא מסביר.

- איך זה עובד?

"בטמפרטורה גבוהה, יש למתכת הזו מבנה גבישי אחד בלבד - מבנה של קובייה. כלומר, האטומים בחומר חוברים זה לזה ביחס של 90 מעלות ויוצרים מבנה של קובייה. לעומת זאת, בטמפרטורות נמוכות יותר, המבנה גבישי, כמו קובייה שמשכו באחד מקודקודיה. כאשר מפעילים מאמץ על החומר בטמפרטורה הנמוכה, הכיווניות שלו משתנה בהתאם לכיוון הפעלת הכוח והחומר משנה את צורתו. אבל כשהטמפרטורה גבוהה, האטומים מסתדרים שוב בזוויות של 90 מעלות והמתכת חוזרת לצורתה המקורית".

לתכונה הזאת יש יישומים בתחום הרפואה, ובמיוחד בניתוחים זעיר-פולשניים. כשרוצים להחדיר שתל לגוף דרך חור קטן כדי לעשות מינימום נזק לרקמה, מקפלים את השתל לכל צורה שהיא ובתוך הגוף, במפגש עם חום הגוף או באמצעות זרם חשמלי, הוא מתחמם וחוזר לצורה ש"זכר". המתכת חוזרת לצורתה המקורית בטמפרטורה שקובע מפתח המוצר, על פי הרכב החומרים המדויק של השתל וטיפול מקדים בחום שהשתל עובר. הוא יכול לבחור שהשתל יחזור לצורתו המקורית ב-10 מעלות או ב-70 מעלות.

"פעם, לפני כ-15 שנה, כשהיו טלפונים סלולריים עם אנטנות, האנטנות היו מאוד אלסטיות ובעצם היו עשויות מניטינול. גם ברכבי חלל שמקבלים אנרגיה מהתאים הסולאריים המצפים אותם יש מעין "וישר" להסרת האבק מהם, מגב עם מערכת הפעלה לא חשמלית העשוי מניטינול. כשמחממים אותו, הוא חוזר לצורה המקורית ומנקה אגב כך את הפאנל הסולארי".

יש גם מעצבי אופנה שמשלבים חוטי ניטינול בפרטי לבוש שמקפלים את עצמם כתגובה לשינויי טמפרטורה. חברת חזיות יוקרתית מסוימת משחילה חוטי ניטינול סופר אלסטיים בחזיות כדי להחליף את חוטי המתכת הנוקשים.

- מה העצה שלך למי שרוצה לתקשר מדע יותר טוב?

"אני נתקל לעתים באנשי מדע וטכנולוגיה שחיים ונושמים את תחום המחקר שלהם ושוכחים שיש המון תובנות ומסקנות שהן לא מיידיות אפילו עבור אנשי מדע אחרים שלא עוסקים באותו התחום. אני מציע למצוא כמה שיותר דוגמאות מוחשיות מחיי היומיום שבהם אנחנו נתקלים באותו עיקרון מדעי שהם מנסים להעביר".

לייזר בהספק של כל תאורת ארה"ב

לעד שלייפר פועל במעבדת הלייזרים בעוצמה גבוהה במטרה "לבנות מאיצים הרבה יותר קומפקטיים", כדבריו. "במקום לבנות מאיץ באורך קילומטרים, לבנות מאיץ לייזר שאפשר להניח על שני שולחנות במעבדה".

למאיץ חלקיקים בגודל כזה יש כל מיני שימושים מחקריים ויישומיים, אך המעניין שבהם הוא כנראה היישום הרפואי. במכשיר כזה ניתן להאיץ פרוטונים, המשמשים בטיפול הקרנה לחולי סרטן. יתרונם של הפרוטונים על פני קרינת רנטגן, למשל, הוא שאפשר לתכנן אותם כך שיחדרו לגוף במרחק מדויק ו"יתפוצצו" רק במקום שבו נעצרו, או יותר נכון יפרקו את כל האנרגיה שלהם. כך ממקדים את האנרגיה במקום הגידול וגורמים מינימום נזק לרקמות בריאות.

נשמע מצוין, אלא שמאיץ פרוטונים רגיל עולה לבית החולים כ-100 מיליון דולר. בשיטה שעליה עובד שלייפר, ניתן יהיה לבנות אותו בכמה מיליונים "בלבד" ולהנגיש את הטיפול להרבה יותר בתי חולים. חברה ישראלית בשם HIL כבר עובדת על הפן היישומי של השיטה.

באמצעות מאיץ קטן וזול יחסית, ולייזר רב-עוצמה, ניתן גם לבצע היתוך חם, כלומר להפוך מימן להליום ולשחרר כך כמות גדולה של אנרגיה. תהליך זה זהה למתרחש בשמש. ככל שמאיץ החלקיקים והלייזר רב העוצמה שיעשו זאת יהיו זולים יותר, כך השיטה תהיה יישומית יותר.

הסוד בבניית מאיץ כזה הוא בלייזרים שבהם משתמשים במעבדה, שבעזרתם מאיצים פרוטונים לאנרגיות גבוהות - 100 מגה אלקטרון וולט (לשם המחשה, בקיר בבית שלנו יש מתח חשמלי של 220 וולט "בלבד"). הספק של לייזר נמדד בוואט, כמו מנורות הליבון הביתיות, אולם הלייזרים הללו מגיעים להספקים הנעים בין טרה ואט (10 ואט בחזקת 12) לפטה ואט (10 ואט בחזקת 15). טרה ואט אחד זה בערך תצרוכת החשמל של כל ארה"ב, כך שהלייזר של שלייפר הוא בעל הספק גבוה יותר.

הדבר מתאפשר משום שהלייזר מגיע להספקים הללו רק ליחידות זמן קצרות מאוד. "הלייזר שאיתו אני עובד בירושלים מגיע להספק של 2 טרה-ואט למשך 30 פמטו שניות (פמטו שנייה זה שנייה כפול 10 בחזקת מינוס 15)", אומר שלייפר.

- מה העצה שלך למי שרוצה לתקשר מדע יותר טוב?

"פיזיקה ניסיונית היא מקצוע קשה, אבל כשזה עובד אתה רואה את היופי בכך שהכול מתחבר - במציאות, ולא על הנייר. רק מי שהצליח להסביר את הפיתוח שלו לקהל הרחב באמת מבין מה הוא עושה".