יום חמישי, 1 באוקטובר 2009

מחשבות על פיזיקה

בזמנו, כשהתחלתי את לימודי התואר הראשון בהנדסת חשמל בבאר שבע, הרגשתי שחסר לי משהו. אחרי שנה נרשמתי גם ללימודי פיזיקה. תמיד נמשכתי לפיזיקה בגלל שהיא מסבירה את הדברים ברמה הבסיסית ביותר, ובמבט לאחור גם למורה המעולה שלי לפיזיקה מהתיכון, איזו אנגל, הייתה השפעה. גם בתוך הפיזיקה התעניינתי יותר בתחומים שבעיני עוסקים ביסודות, בעיקר פיזיקת חלקיקים וקוסמולוגיה. במידה מסוימת ראיתי אז את הפיזיקה כבסיסית וחשובה יותר מתחומי מדע אחרים. אני זוכר שתמיד הוקסמתי מהרעיון שאולי יום אחד תנוסח "תאוריה של הכול", כלומר תאוריה פיזיקלית שתוכל להסביר את כל מדעי הטבע בעזרת מספר לא גדול של חוקים ועקרונות.

היום אני רואה את הדברים אחרת. טוב, התחתנתי עם כימאית שאוהבת ביולוגיה, והייתי צריך להתחיל לכבד את שני ענפי המדע האלו. למען שלום בית כמובן. אבל במקביל גם הגישה שלי לפיזיקה השתנתה. זה נראה כאילו היום אני ממעיט בערכה, אבל בעצם נראה לי שכיום אני מכיר יותר בערכה האמיתי.

אז מה השתנה? ראשית, אני חושב היום שפיזיקה לא אמורה להסביר את כל תופעות הטבע ובוודאי שלא את התופעות שהן מעבר לטבע, כמו רגשות ותודעה. באספקט זה אני מתנגד לגישה הפיזיקליסטית, לפיה הכול פיזיקלי ומבוסס על עקרונות פיזיקליים. אני לא חושב למשל שניתן לנסח בשפה מדעית תופעות פסיכולוגיות. זה לא אומר שבלתי אפשרי לגלות גורמים פיזיקליים לתופעות נפשיות, אלא שקיימים מושגים שהם מעבר לטווח המדע. גם אם המדע יוכל לחזות מתי ובאיזה עוצמה התופעות הנפשיות מתרחשות, עדיין המהות של אותן תופעות אינה פיזיקלית בעיני. כך למשל, אני טוען שגם אם נוכל לאפיין נטייה גנטית לדיכאון, ולהבין אלו הורמונים עודפים או חסרים בגופו של אדם השרוי בדיכאון, ואפילו להבין את פעולת המוח בשעת הדיכאון, עדיין עצם מושג הדיכאון נמצא מחוץ למדע ומבוסס על תחושה פנימית. למושגים פיזיקליים, לעומת זאת, יש בעיני משמעות אחרת, וגם אם לעתים הם קשים להגדרה, עדיין הם משמשים אותנו בניסויים מדעיים ככלי חיוני.

אני רואה את המדע באור אמפיריציסטי, כלומר מבוסס על ניסויים. יתרה מכך, אני חושב שמושגים מדעיים אמורים להיות קרובים לעולם הניסוי ושתאוריות מדעיות אמורות להסביר תוצאות של ניסויים ותצפיות ולאו דווקא לתת לנו ידע אולטימטיבי על העולם. לא מזמן החלטתי לבדוק אם יש שם לגישה הזו וגיליתי שבנושא זה ובנושאים נוספים דעותיי די קרובות לאמפיריציזם הקונסטרוקטיבי של באס ואן פראסן. כאמור, זה נראה כאילו הגישה הזו מורידה מערכה של הפיזיקה, אבל אפשר להסתכל על זה גם אחרת: היא מכוונת את הפיזיקה לעבר הדברים שהיא באמת חזקה בהם - הסברים לתופעות שנצפות בניסוי. גישה כזו אחראית למרבית הפיתוחים הטכנולוגיים בעת החדשה, שהתחילו בתור ניסוי לא מוסבר או תגלית חדשה. בסופו של יום, התאוריות אשר באו להסביר את אותם ניסויים תרמו תובנות חדשות ואפשרו פיתוחים נוספים. למשל, תורת הקוונטים, שנוצרה כשלא היה הסבר מניח את הדעת למאפייני קרינת גוף שחור (גוף שפולט קרינה רק בגלל הטמפרטורה שלו) ולאפקט הפוטואלקטרי, הפכה במהלך המאה ה-20 לכלי מרכזי בהבנת ניסויים ותופעות ובפיתוח מוצרים שימושיים, כמו לייזר, רכיבים אלקטרוניים, מיקרוסקופים אלקטרוניים ועוד ועוד.

בדיוק נתקלתי השבוע בסיפורו של פיטר היגס, חוזה בוזון ההיגס שכל כך מקווים לגלות אותו במאיץ ה-LHC. מתברר שהמאמר המקורי שלו נדחה על ידי העורך בטענה שהוא לא רלוונטי לפיזיקה, כלומר אין בו תחזיות שניתן לבדוק בניסוי. היגס הוסיף שורה האומרת שהתאוריה מרמזת על קיומו של חלקיק חדש, אבל את המאמר המתוקן הוא שלח לכתב עת אחר. המאמר הזה הפך לאחד החשובים בהיסטוריה של פיזיקת החלקיקים, ולמרות ששני מאמרים דומים נכתבו על ידי חוקרים אחרים בדיוק באותו זמן, החלקיק ההיפותטי זכה להיקרא על שמו של היגס. בכל אופן, קשה לי להאמין שכיום מאמר עלול להידחות בגלל סיבה כזו. למעשה תאוריה שלמה, תורת המיתרים, די רחוקה מיכולת אישוש ניסיונית, וככל שידוע לי לא נדרש ממאמרים העוסקים בתאוריה זו להצביע על תחזית ניסיונית קרובה. השאלה אם תורת המיתרים היא בכלל תאוריה פיזיקלית אינה פשוטה. מצד אחד התאוריה הזו עוסקת בהסברים לתופעות פיזיקליות. היא עושה זאת על ידי הענקת ממד עמוק יותר למושג החלקיק. אך מצד שני קשה, ואולי אפילו בלתי אפשרי, לבדוק אותה בעתיד הנראה לעין. אני הייתי מסווג אותה היכן שהוא בין מתמטיקה לפיזיקה, אם כי אני חייב להודות שהרעיונות הפיזיקליים העומדים בבסיס תורת המיתרים פשוט מרתקים.

הייתי רוצה לחזור לנושא הקשר בין מדעי הטבע השונים. היום אני רואה את הכימיה והביולוגיה כענפים עצמאיים, שלא רק מדברים בשפה קצת שונה מהשפה הפיזיקלית, אלא אפילו עוסקים בנושאים שהפיזיקה לא תוכל, במסגרת הכלים שיש לה, להגיע אליהם. בעת טיפול במערכות מורכבות, כמו תאים למשל, אין ברירה אלא לעבוד בכלים הביולוגיים והביוכימיים המתאימים ולא בכלים הפיזיקליים הבסיסיים של תורת הקוונטים. לשאלה אם ניתן לבצע רדוקציה של הביולוגיה והכימיה לפיזיקה, כלומר לתאר את ענפי המדע הללו באמצעות עקרונות פיזיקליים בלבד, אני נוטה להשיב שלא.

בהקשר דומה של חידוד ההבדלים בין הפיזיקה לשאר מדעי הטבע שמתי לב השבוע לתופעה מעניינת. עבדתי יחד עם ג'ודי על פעילות לתלמידי תיכון שמשלבת אספקטים פיזיקליים, ביולוגיים וכימיים. תוך כדי כך הבחנתי שקל לי להתבונן במושגים פיזיקליים מכמה היבטים, ושאני עושה את זה באופן טבעי. לא מדובר רק באספקטים שונים של אותה תופעה, אלא גם בהסברים שונים לתופעה אחת, ובניסוחים שונים לאותם עקרונות. כך למשל, קיימים מספר ניסוחים לחוק השני של התרמודינמיקה, והקשר ביניהם אינו אינטואיטיבי:
  1. חום לא זורם באופן ספונטני מעצם קר לעצם חם.
  2. לא ניתן להמיר חום באופן מלא לעבודה.
  3. האנטרופיה של מערכת סגורה (מבודדת) לעולם אינה יורדת.
וברמה בסיסית עוד יותר, למושגים פיזיקליים כמו אנטרופיה, מסה וכוח יש מספר הגדרות. אין לי שום בעיה עם זה. להיפך, אני חושב שמכיוונים שונים ניתן להבין את המושגים המסובכים הללו יותר טוב. אבל לא לכולם זה מתאים - חבר שלי (שלא ראיתי אותו שנים), סטודנט מצטיין, פרש לצערי מלימודי פיזיקה בדיוק בגלל הבעיה הזו של כפל משמעויות וכפל הסברים לאותם מושגים פיזיקליים. ואולי טוב שהוא פרש - לפי העדכון האחרון שקיבלתי הוא הפך למנהל בכיר בחברת היי-טק גדולה...

2 comments:

Ehoud אמר/ה...

רציתי לנסות ולאפיין/לבסס קצת יותר את הטענות שאתה מעלה על ההבדל בין פסיקיה לכימיה ובפרט לביולוגיה.
הפיסיקה במהותה מחפשת המרכיבים היסודיים ובדרך מוחקת את הפרטים. לדוגמא כדור שנופל מתואר על ידי נקודת מסה. בחוקי ניוטון אין חשיבות לגודל שלו לצורה שלו(שיכולים לקבל משמעות בתאור פיסיקלי יותר מורכב הכולל יכוך) ובפרט לא לדברים כמו הצבע שלו החומר ממנו הוא עשוי ועוד... הביולוגיה לעתים מתעניינת בעיקר בפרטים.
מעבר להבחנה של כיצד מתוארות תופעות על ידי שתי הדיספלינות השונות קיימים ההבדלים העקרוניים הבאים:
1.מערכות ביולוגיות לא פועלות באופן אופטימלי הן תוצאות של אבולוציה. מהנדס היה מסוגל לייצר מערכת שתהייה יעילה יותר מזו הביולוגית לתפקוד מסוים אבל המערכת הביולוגית היא גמישה וניתן לבצע בה שינויים לפי הצורך. הגוף הביולוגי עובד עם מה שיש לו כדי לייצר תפקוד מסוים ולפתור בעיה.

2. אין הפרדת סקאלות (זמן, אורך, אנרגיה). בפיסיקה הפרדת סקאלות מאפשרת לתאר תופעות מקרוסקופיות ללא צורך בתיאור האטומיסטי שלהם. ההפרדת הסקאלות מאפשרת דיון בפיסיקה ללא ידיעה של החלקיקים היסודיים המרכיבים את החומר. בביולוגיה תפקוד האורגניזם תלוי לעתים בתפקוד התא הבודד ותפקוד התא הבודד תלוי בהמון מנגנונים פנימיים.

3. הפרטים לא ניתנים להזנחה בעוד שבפיסיקה לתופעה מסויימת יש מספר גורמים קטן ולכן ניתן לבצע הפשטה שלה הרי בביולוגיה מספר הפרמטרים המשפעים הוא לא בהכרח קטן דבר הפוגם ביכולתה לרדוקציה למודלים פשוטים. המודלים הפשוטים הרבה פעמים מפספסים את העיקר.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אלו אכן אספקטים נוספים שלא חשבתי עליהם - תודה אהוד.

לגבי סעיף 1 - הייתי מוסיף ואומר שיש לנו נטייה לחפש את ההגיון מאחורי התופעות (למשל: "למה בועות סבון מסתדרות בצורת כדור?" או "למה אנו הולכים על שניים?"). הייתי אומר בהקשר למה שכתבת שההגיון הביולוגי הוא פעמים רבות אבולוציוני, כלומר תלוי בהיסטוריה הספציפית של מהלך ההתפתחות, ואילו ההגיון הפיזיקלי מבוסס על חוקים ועקרונות בסיסיים יותר שפועלים כל הזמן.

הייתי מוסיף לסעיף 3 שזה לא רק כמות הפרמטרים אלא גם האופי המורכב של הקשרים ביניהם.