שיחה עם פרופ' אורי מאור    🔗

פיסיקאי של חלקיקים אלמנטריים מאוניברסיטת תל־אביב.

ב־1911 גילה הפיסיקאי הבריטי ראתרפורד מה שנראה לו אז כמבנה המלא והסופי של החומר. מהניסוי שעשה התברר, שהמאסה העיקרית של האטום מרוכזת בגרעינו, ושהאלקטרונים מקיפים את הגרעין כפי שכוכבי הלכת סובבים את השמש. הכול יכלו לראות בפשטות האלגנטית של מודל זה לא רק הוכחה לאמיתותו, כי אם גם עדות חותכת לאחדות האוניברסלית של חוקי הטבע.

לא חלפו אלא שנתיים והתמונה האידילית השתנתה מהקצה אל הקצה. המודל הפשוט של ראתרפורד פינה מקומו לדגם המסובך של ניל בוהר ולעקרונות פעולה שונים לחלוטין. גרעין האטום, שהכל ראו בו חלקיק יסודי ובלתי נחלק של חומר, כמו האלקטרון, התפרק במרוצת הזמן לעשרות חלקיקים. את חבל ההצלה משיטפון זה סיפקו באמצע שנות השישים אבני יסוד שאיש לא ראה אותם בעליל, הקרויות קווארקים. מאז התרבו הקווארקים והחלקיקים הקשורים בהם, ושוב מגיע מספרם לעשרות.

כיום מופנים הזרקורים לעבר מיתר זעיר, זעיר מכל דמיון, המתנודד בתוך מרחב בן עשרה ממדים, אבל שישה מתוכם מגולגלים בתוך עצמם, במרחב כה קטן שלעולם לא נוכל לראותם. מהתנודות של מיתר זה נוצרים כל החלקיקים היסודיים של החומר, כפי שמהתנודות של מיתר בכינור יכולים להיווצר כל הצלילים בסולם המוסיקלי.

ינאי: מה קורה כאן? האם הפיסיקה הפכה להיות מטאפיסיקה? מאיזה שלב בהתפתחות הפיסיקה חדל הכסא שאנחנו יושבים עליו להיות עצם דחוס חומר, כפי שאנחנו מכירים אותו מהעולם היומיומי, ונעשה מרחב שיש בו הרבה מאוד ואקום ומעט מאוד חלקיקים?

פרופ' מאור: מהשלב שבו הצלחנו לחדור עמוק יותר לתוך הגרעין ולמדוד טווחים יותר ויותר קטנים. כבר בזמנו של ניוטון הבחינו בין כוחות המגע לבין כוחות השדה, הפועלים בין שני גופים בלי שיתקיים מגע ביניהם. הכוח האלקטרומגנטי הוא כוח כזה, כי הוא גורם לשני מטענים חשמליים למשוך, או לדחות זה את זה ללא מגע ביניהם. כזה הוא גם כוח הכבידה והכוחות הגרעיניים, שהם כולם כוחות משיכה. לעומת זאת, הכוח הפועל בין מחבט הטניס לכדור הוא כוח מגע. ככל שהצלחנו למדוד ולהבין מה קורה במרחקים יותר ויותר זעירים בעולם האטומי והתת־אטומי, התברר לנו שכל הכוחות הפועלים שם הם כוחות שדה. שפה אחרת. כשאנו מציינים שהכוח הפועל בין המחבט לכדור הוא כוח מגע, אנו מספקים הבחנה מאקרוסקופית, שהיא הבחנה גסה, להבדיל מההבחנה המיקרוסקופית – שהיא מדויקת יותר.

ינאי: כוח השדה הוא שמאפשר לי לשבת בנוחיות על ואקום עצום, המשתרע בין חלקיקי חומר מיקרוסקופיים – בלתי נראים – מהם מורכב החומר של הכסא?

פרופ' מאור: אכן, אתה יושב על הוואקום שבין החלקיקים. השאלה אם החלקיקים האלה גלויים לעין או לא אינה משמעותית, שהרי גם את העולם החיצון איננו רואים במישרין, אלא בעזרת תיווך כלשהו. העין שלנו היא המתווך בתחום הראייה, והאוזן בתחום השמיעה. תהליך התיווך בינינו לבין העולם החיצון הולך ונעשה יותר ויותר מסובך, ככל שאנו עוסקים בפרטים יותר זעירים, או יותר מרוחקים, ועל כן נדרשת טכניקה מתוחכמת יותר. בעיקרון, אין בזה שינוי.

ינאי: בכל זאת, עד לקווארקים ניתן היה לזהות חלקיקים באמצעות העקבות שהם משאירים בתא הבועות. אבל את הקווארקים אי־אפשר לגלות – לא במישרין ולא בעקיפין – כיוון שהם לכודים בתוך הצירופים שלהם, ועל כן לא ניתן לבודד אותם. כלומר, הקווארקים מסמלים שלב נוסף בתהליך ההפשטה של החומר.

פרופ' מאור: אני חושב שהטענה הזאת, לפיה איננו יכולים “לראות” את הקווארקים איננה מדויקת. הם מפגינים את קיומם בדרכים שונות. העובדה שאין לנו היום ספק בקיומם אינה נובעת מהניסוח המתמטי שלהם, אלא מכך שיש לנו מספיק חתימות ניסיוניות המוכיחות את הימצאותם. אתן לך דוגמה מתחום לגמרי אחר. עקרונית ניתן להקיש על נוכחותו של כוכב לכת במערכת השמש על־פי הפרעות קלות שמתגלות במסלולם של כוכבי לכת אחרים. כך למשל גילו ב־1930 את כוכב הלכת פלוטו. מה שעורר את החשד לקיומו היו הפרעות קלות בתנועתם של כוכבי הלכת החיצוניים, אורנוס ונפטון. למרבה המזל, במערכת השמש שלנו ניתן לצפות אפילו בכוכב לכת קטן ומרוחק כפלוטו, כך שהחיזוי על קיומו אומת בתצפית ישירה. לא כך המצב, בהכרח, לגבי כוכבי לכת הנעים סביב כוכבים מרוחקים. זוהי דוגמה טובה ליכולתה של החקירה המדעית להתנהל גם באמצעות עדויות והוכחות עקיפות.

ינאי: עם זאת, נילס בוהר עצמו נתן דעתו לתהליך המתמטיזציה של החומר, כאשר טען שיש להתייחס לאטום כאל מערכת של יחסים מתמטיים ולא כאל ממשות קונקרטית. כלומר, החומר חדל להיות משהו שאפשר להחזיק אותו ביד, לחלק אותו, לשבור אותו, לפורר אותו. הוא יותר ביטוי מתמטי מופשט, אולי עיקרון סימטרי. מכל מקום, משהו אוורירי, בלתי נתפס. זו גם תחושתך?

פרופ' מאור: לא, אם כי אני מבין את משמעות השאלה שלך. מה שגורם להרגשה הזאת הוא המעבר מאמצעי מדידה פשוטים יחסית, קרובים לאינטואיציות היומיומיות שלנו, למדידות הרבה יותר מסובכות. המתמטיקה, שבה אנו משתמשים כדי לתאר את המערכת הפיסיקלית, אינה שייכת לנושא. אני משוכנע שהקושי של בני דורו של ניוטון להבין את הלשון המתמטית שהוא נדרש לה כדי לנסח את החוקים הבסיסיים של המכניקה, היה הרבה יותר קשה מן הקושי של בני דורנו להבין את הניסוח המתמטי של תורת הקוואנטים.

ינאי: נעבור ברשותך לשאלה אחרת. כל החומר שאנחנו רואים ומכירים על פני כדור הארץ וביקום בכלל מורכב מצירופים של שני קווארקים מתוך ששת הקווארקים הקיימים. מה תפקיד יתר הארבעה? האם הם מיוצגים במודל התיאורטי של החומר משום שהפיסיקאים זקוקים מטעמי סימטרייה לשישה קווארקים?

פרופ' מאור: המציאות שאתה מתאר היא המציאות העכשווית, שבה תרומתם של ארבעה קווארקים למציאות הקונקרטית היא זניחה, גם משום שזמן החיים שלהם הוא קצר מאוד. אבל ללא קיומם איננו מסוגלים להבין את המודל השלם של החומר. אני מתכוון לומר, שהבנת המערכת כולה, לרבות החלקיקים האלה, חיונית להבנת היקום. אנו משתמשים בסימטריות מתמטיות לא כגחמה, אלא ככלי מעשי לתיאור מתומצת של התופעות הפיסיקליות כפי שאנו מודדים אותן.

ינאי: במילים אחרות, אתה זקוק לארבעה קווארקים שאיננו יודעים מה תכליתם, כדי להבין את המשמעות המלאה של שני הקווארקים הידועים לנו.

פרופ' מאור: אני אומר שאני זקוק לשישה קווארקים על מנת לדעת מדוע היקום נראה היום כפי שהוא נראה. כאמור, לארבעת הקווארקים הנוספים זמן חיים קצר ביותר, ולפיכך אנו “רואים” אותם אך ורק בניסוי מעבדה. אולם, לקווארקים אלה היה תפקיד מאוד משמעותי מייד אחרי “המפץ הגדול”. ללא קיומם, ולוּ גם לזמן קצר ביותר, החלקיקים האלמנטריים והיקום לא היו נראים היום כפי שהם נראים. למשל, ביקום שנוצר ב“מפץ הגדול” היו כמויות שוות של חומר ואנטי חומר, ואילו היקום בן־ימינו בנוי מחומר בלבד. אי־אפשר להבין את התהליך הזה, שבו האנטי חומר נעלם עם הזדקנות היקום, אלא במערכת שיש לה לפחות שישה קווארקים. אם בכלל, אנו תוהים לפעמים מדוע אין יותר משישה קווארקים ומנסים להבין את הסיבה לכך.

צבי ינאי: המשאלה שלך למספר גדול יותר של חלקיקי יסוד מפתיעה, שהרי הקווארקים חילצו את הפיסיקה משיטפון של חלקיקים, שהתגלו במהלך שנות החמישים והשישים, והציעו במקומם מודל רזה ומצומצם. ובכל זאת, מאז גדל מספר הקווארקים ונושאי הכוח, ושוב אנחנו ניצבים בפני עשרות חלקיקים יסודיים. וגם הפעם קמה קבוצה לא קטנה של פיסיקאים המציעה להחליף את כל החלקיקים הקיימים במיתר זעיר ביותר. עד כמה אתה מצדד בתיאוריה של מיתרי־על?

פרופ' מאור: התשובה שלי היא שהתיאוריה הזאת מאוד מעניינת, מאוד מבטיחה, ובוודאי מאוד פורייה, אבל אינני יודע עד כמה היא נכונה. ברשותך, אני רוצה להתייחס להיבט הכמותי של התפתחות הפיסיקה. לפני מאה שנה בערך הצלחנו לחדור לתוך האטום ולמדוד גדלים של ⁸ˉ10 ס“מ (1חלקי 1 ואחריו 8 אפסים, או החלק המאה מיליון של סנטימטר). כושר המדידה הנוכחי שלנו עומד על ¹⁶ˉ10 ס”מ. כלומר, גדלים זעירים פי מאה מיליון מקוטר האטום. שיפור מרשים זה בכושר המדידה שלנו דרש כמאה שנים. כאשר מדברים על משפחות הקווארקים והלפטונים¹, מתייחסים לגדלים נקודתיים, כיוון שאיננו יכולים לומר דבר על גופים שהרדיוס שלהם קטן מ־¹⁶ˉ10 ס“מ. מיתרי־העל נמצאים הרחק מכאן, בתוך התחום של ³³ˉ10 ס”מ, תחום הנמצא מחוץ ליכולת המדידה שלנו, ויישאר כך גם בעתיד הנראה לעין. זו קפיצה אדירה, שאם וכאשר תוכח כנכונה תהיה הצדקה להכתירה כתגלית המדעית החשובה ביותר בתולדות האנושות. לצערי, אין לי שום מושג מתי, כיצד ואם בכלל נוכל לאמת תורה מדעית זו בניסיון.

ינאי: ניתן להבין מדבריך שבין ¹⁶ˉ10 לבין ³³ˉ10 ס"מ נותר מרחב גדול מאוד ובלתי מוכר, המאוכלס אולי בחלקיקים חדשים.

פרופ' מאור: בעיקרון זה אפשרי. בין שני הגדלים האלה משתרע כנראה מדבר, שאיננו יודעים מה יש בו, אך אנו חושדים שאולי אינו עשיר בתופעות מסעירות. כדי להמשיך ולחקור מרחקים יותר ויותר קטנים אנו זקוקים למאיצי חלקיקים יותר ויותר חזקים. העלות של המאיצים הפועלים כיום נמדדת בהרבה מיליארדי דולרים, ואין הדעת נותנת שפרויקט מדעי זה, מלהיב ככל שיהיה, יהפוך לסעיף ההוצאה הגדול ביותר של האנושות. אין פירוש הדבר שזה סופו של מחקר זה. אולם, לדעתי, המשך הפעילות המחקרית בתחום ידרוש שינוי רדיקלי בפילוסופיה ובשיטות הניסיוניות הנקוטות על ידנו.

ינאי: חלק ניכר מהדברים המלהיבים שאתה מזכיר השאירו הרחק מאחור את התפיסה האינטואיטיבית של האיש הרגיל. על־פי ניסיונו היומיומי, החומר הוא דבר מאוד ממשי, הוא הקיר שהוא לא יכול לחדור בעדו, הוא השולחן שהוא לא יכול להיכנס עם היד בתוכו. והנה, לא די בתהליך ההפשטה שעבר על חלקיקי החומר, מוסיפים הפיסיקאים ואומרים עליהם שהם בכלל לא גופים נקודתיים, אלא גלים. ליתר דיוק – לפעמים גלים ולפעמים חלקיקים, תלוי באיזה מכשיר מדידה משתמשים ומה מחליטים למדוד. כפיסיקאי, נוח לך במצב הזה?

פרופ' מאור: לפעמים כן ולפעמים לא. גדולים ממני, כמו נילס בוהר ואלברט אינשטיין, הרגישו לא נוח עם חלק מהמשמעויות של הפיסיקה החדשה.

ינאי: מאז עברו שבעים שנה.

פרופ' מאור: נכון! ומשמעות הדבר היא שאנו מבינים יותר, וגם התרגלנו לפרדוקסים הישנים, ועדיין אנחנו מרגישים מאוד לא נוח עם פרדוקסים חדשים. עם זאת, חשוב להדגיש שהשאלה אם אני מרגיש נוח או לא היא עניין פסיכולוגי, ואילו הפיסיקה עוסקת בעניינים כמותיים ומדידים. אמנם היא מציגה עולם מתמטי מסובך, הפתוח למספר אינטרפרטציות, אבל הביטויים הפיסיקליים של היישים המתמטיים המופשטים צריכים בסופו של דבר להיות מדידים.

ינאי: אתה בעצם אומר, או לפחות כך אני מבין, כי העובדה שניתן לבנות מהביטויים המתמטיים המופשטים מכשירים קונקרטיים מוכיחה שהבסיס שלהם נכון. ואם למרות המבחן המעשי אנו מתקשים להבין את ההסברים התיאורטיים, צריך לחפש את הבעיה לא בפיסיקה ולא במציאות, אלא במבנה השכל שלנו.

פרופ' מאור: אינני יודע אם הבעיה היא במגבלות התובנה. אני חושב שאנחנו צריכים לשאול את עצמנו – בין היתר – אם הניסוח המתמטי של חוקי הפיסיקה הוא הניסוח היחידי האפשרי. נראה לי שיהיה מאוד קשה לענות בהחלטיות מלאה על השאלה הזאת. צריך גם לזכור, שהרצון שלנו להבין באופן אסתטי את פיסיקת החלקיקים כפועל יוצא של מספר קטן של לבנים יסודיות הוא בסך הכל ביטוי לצורת החשיבה האנושית כיום. קרוב לוודאי שגם צורת החשיבה וגם ההערכה האסתטית שלנו ישתנו עם הזמן.

ינאי: אפשר אולי לומר שהתיאורטיזציה של הפיסיקה הגיעה לרמה כזאת שהיא גורמת לטשטוש הקו בין הקיום הממשי של החומר לבין הידיעה שלנו עליו. בעבר נהגו הפיסיקאים לטעון שככל שהמודל, הפתרון או המשוואה, יותר פשוטים, כך גם הם יותר אלגנטיים ונכונים. אבל התמונה הפיסיקלית בסוף המאה העשרים לא נעשתה יותר פשוטה. להפך, היא הפכה מורכבת ועמומה יותר מכפי שהייתה בתחילת המאה. זו מגמה?

פרופ' מאור: אני בפירוש מסכים שיש מגמה בכיוון המורכבות. עם זאת, אני משוכנע שפיסיקאי צעיר בסוף המאה ה־19 נתקל בקשיים לא מועטים בניסיון להבין את משוואות מקסוול. היום, תלמיד טוב בסוף לימודי תיכון מסוגל להשתלט על החומר הזה. יתרה מזו, הבעיה הקשה ביותר שהוצגה בסוף המאה ה־19 על־ידי משוואות מקסוול הייתה מידה זו או אחרת של חוסר סימטרייה בין השדה החשמלי והשדה המגנטי. בעיה זאת נפתרה באופן מבריק על־ידי תורת היחסות המצומצמת של אינשטיין, ואת זה מלמדים היום בתיכון. הדעת נותנת שהרבה מן החומר הנתפס היום כקשה ייראה פשוט יותר בעוד מאה שנים לאנשים בעלי הכשרה מתמטית ופסיכולוגית שונה משלנו.

ינאי: אולי הטיפול המתמטי בבעיות אלו נעשה קל יותר, אבל הניסיון להבינו באופן אינטואיטיבי, בעזרת השכל הישר, נשאר קשה כפי שהיה. עד היום אנחנו מתקשים לתפוס שהזמן יחסי ולא מוחלט, ושפרדוקס התאומים הוא אפשרות אמיתית.

פרופ' מאור: אני מסכים, אבל צריך להביא בחשבון שמה שאנחנו מכנים שכל ישר הוא לא חוכמה עליונה, אלא מה שלימדו אותנו בנעורינו, ומכיוון שהדור הצעיר היום לומד דברים אחרים, השכל הישר שלו גם הוא שונה משלנו. אי־אפשר להתעלם מן המהפכה האידיאולוגית העוברת על כולנו בגין השימוש ההולך וגובר במחשבים. קשה מאוד לאמוד מה תהיה האינטואיציה והיכולת המתמטית של אדם צעיר הנולד לתוך עולם כה שונה מן העולם שאליו נולדנו אנו.

ינאי: אם העלית את פער הדורות, אני רוצה לשאול אותך על יחסך לשינויים העוברים על הפיסיקה. ברבע האחרון של המאה שלנו, במסגרת מחקרים לגילוי חלקיקים חדשים, נטלו חלק קבוצות של 400 ואפילו 600 פיסיקאים וטכנאים. אני מניח שהפיסיקה בתקופת לימודיך הייתה יותר אינדיבידואלית. מה קרה? הפיסיקה הפכה להיות מחקר קבוצתי?

פרופ' מאור: אין ספק שהפיסיקה שינתה מאוד את המבנה הארגוני של עבודתה, והיא עברה גם שינויים סוציולוגיים מאוד משמעותיים. פיסיקה ניסיונית בתחום החלקיקים האלמנטריים היא היום פיסיקה של תאגידים. מדובר, כאמור, בהוצאה כספית של מיליארדי דולרים כדי לבנות מאיצי ענק ומכשירי מדידה, בלעדיהם אי־אפשר לקדם את המחקר בנושאים אלה.

ינאי: איך אתה מרגיש עם זה?

פרופ' מאור: אני מודע לכך שהתרבות המקצועית שלנו השתנתה, במובנים מסוימים לטובה, במובנים מסוימים לרעה. אין ספק שהאנשים המרכזיים בקבוצות הניסוי הגדולות הם אנשים בעלי תרבות תאגידית מצוינת, אבל לא בהכרח אנשים בעלי דמיון מקצועי מצטיין. במסגרת התרבות התאגידית אתה חייב להביא בחשבון שיקולים כלכליים. שגיאה בתחזית משמעותה לפעמים הפסד כספי של עשרות, ואפילו מאות, מיליוני דולר, ועל כן הנכונות שלך לקפוץ למים הקרים ממותנת בהתאם. אפשר להצטער על זה או לשמוח. אני יכול לומר לך, שגם עם 600 שותפים העיסוק בחלקיקים נשאר תענוג לא נורמלי ואתגר עצום לדמיון ולאינטליגנציה. עם זאת, אם הייתי היום בתחילת שנות העשרים שלי, אינני יודע אם הייתי בוחר בחקר החלקיקים.

ינאי: שוחחנו על כך שיש בפיסיקה המודרנית דברים שלא עולים בקנה אחד עם האינטואיציות שלנו. ריצ’ארד פיינמן, הנחשב לאחד הפיסיקאים הגדולים של המאה הקודמת, אמר פעם לסטודנטים שלו: אל תשאלו את עצמכם כל הזמן איך זה יכול להיות, פשוט קבלו את זה שככה הדברים נעשים. האם זה מה שהיית ממליץ לסטודנטים שלך כשהם מתייצבים מול המורכבות הגדולה של המציאות?

פרופ' מאור: בהחלט! מה עוד שלא היה קוסם כפיינמן שהצליח להציג דברים מסובכים ביותר בצורה הפשוטה ביותר. אלה מאתנו שהייתה להם הזכות להכירו אישית חסרים אותו עד היום.