יום שלישי, 22 בדצמבר 2009

שאלות ותשובות על אודות המאיץ

אני מצרף את כל השאלות שנשאלתי בעת האירוח בפורום מדע וחברה של גליליאו ואת התשובות שלי עליהן.

רון: אפשר לקבל תיאור בשפה (לא מקצועית) של הניסויים המתוכננים, והמטרות שלהם, כשתגיעה ההפעלה לרמת האנרגיה המלאה שהמאיץ יכול לספק? ובאופן ספציפי: עד כמה יסודיים החלקיקים אותם אפשר יהיה לייצר?  

תשובה: שלום רון, סביב נקודות ההתנגשות נבנו ארבעה גלאים ענקיים. שניים מהם ייחודיים למטרה מסוימת (אליס ו-LHCb) ושניים כלליים יותר (אטלס ו-CMS), כלומר ניתן לגלות בעזרתם כמעט כל מה שקיים עד מסה מסוימת.
בקרוב עומד להתפרסם בגליליאו חלקו השני של המאמר על המאיץ ובו תשובה מלאה לשאלתך. אביא כאן את ראשי הפרקים.
בנוסף לבדיקה חוזרת של ניסויים קודמים מקווים לגלות חמישה דברים:
  1. בוזון היגס שהוא חלקיק יסודי. זהו חלקיק מיוחד שיש לו אינטראקציה עם כל שאר החלקיקים ומכאן מגיעה חשיבותו. מעצם קיומו ניתן להבין את מהות המסה, המהווה מושג יסוד בפיזיקה.
  2. גילוי ראיות לתורת הסופר-סימטריה. הראיות הללו יהיו בדמות אוסף של חלקיקים חדשים, רובם לא יציבים.
  3. שחזור של מצב החומר שהתקיים רגעים ספורים אחרי המפץ הגדול, ובפרט גילוי מצב צבירה חדש הקרוי פלזמת קווארקים-גלואונים.
  4. יצירת אנטי-חומר במטרה לנסות להבין למה כמות החומר ביקום גדולה לאין שיעור מכמות האנטי-חומר.
  5. גילוי חלקיקים ועצמים "אקזוטיים", כמו למשל חורים שחורים זעירים.

רולי: היי אריה, נושא שלא ציפיתי שיעלה בהקשר של מאיץ החלקיקים הוא מסע בזמן - אבל דווקא זה הנושא שתפס כותרות בחודשים האחרונים יותר מקטסטרופות של חורים שחורים..
האם יש לך עמדה בנושא ההצעה שעלתה להסבר התקלות כ"תיקון עצמי" מן העתיד? - נושא ההשפעה של העתיד על העבר לעיתים עולה מכיוונים יותר מד"ביים אבל הפעם יש כמה פיסיקאים שקשורים בדיון..

תשובה: נעים להתארח אצלך :-) שאלה מעניינת. קראתי בעיון את המאמר והתייחסתי אליו באריכות בבלוג שלי. אביא כאן את סיכום הדברים מנקודת ראותי: אותם שני פיזיקאים שפרסמו את המאמר טוענים שיש אוסף לא סביר של תקלות המונעות גילוי חלקיקים חדשים, אך אני לא רואה אוסף כזה. מדובר בתקלות רגילות שמלוות כל פרויקט גדול. כמו כן, הם טוענים שהטבע מנסה למנוע את גילויו של בוזון היגס - איני רואה משהו מיוחד בחלקיק הזה. עד היום התגלו חלקיקים רבים ובוודאי רבים נוספים יתגלו בעתיד.
בנוסף לכך, השיטה שהם מציעים על מנת להחליט אם להמשיך את הניסוי - הגרלת מספרים אקראיים - אינה מובנת לי. למה שאותה יישות מסתורית (הטבע?) תבחר להתערב דווקא בהגרלת המספרים על מנת למנוע את המשך הניסוי? האם יש להם תקשורת כלשהי איתה? נקודה נוספת היא שהם לא מדברים בהכרח על השפעה מהעתיד אלא על קיומה של יישות-על שפועלת בהווה.
לסיכומו של דבר לא התרשמתי מהנימוקים שלהם, ולמרות שהנושא בכללותו מעניין, אני סבור שהוא אינו קשור לפיזיקה בשלב זה. אולי לפילוסופיה?

רולי: אני יותר המתארח מהמארח, אתה בפורום הרבה יותר זמן ממני..
אולי זו באמת שאלה פילוסופית, ושם נתקלים בכל מיני פרדוקסים מעניינים.

תשובה: לדעתי הפילוסופיה של מדעי הטבע לא עומדת בקצב הגילויים.
אולי העברה של נושאים פיזיקליים שעל גבול הפילוסופיה לטיפול המחלקות לפילוסופיה תסייע בהדבקת הפער ובו בזמן תניח לפיזיקאים להתעסק במה שהם טובים בו.
דוגמה שאני יכול לחשוב עליה עליה היא העיקרון האנתרופי שגוזל המון ויכוחים ודיונים בקהילה הפיזיקלית. לדעתי פילוסופים יוכלו לנתח את הסוגייה הזו טוב יותר.

אפרים: אבל חשבתי שחלקיק היגס כן חשוב, ואם חלקיק היגס הוא היושב בבסיס כל ההתנהגות של חלקיקים והכוחות ביניהם - אולי חשיפה שלו היא באמת מסוכנת?

תשובה: בוזון היגס בהחלט חשוב ואפילו יכול לשמש כהסבר בסיסי למהות מושג המסה, אך איני רואה במה הוא שונה מחלקיקים אחרים ולמה חשיפה שלו בניסוי עלולה להיות מסוכנת?
כרגע עדיין קשה לומר מה נעשה איתו כשנצליח לייצר אותו, והאם תהיה לו חשיבות תעשייתית או מסחרית. במבט היסטורי, נכון להיום, גילוי האלקטרון היה חשוב יותר.
נקודה נוספת היא שאם בוזון היגס קיים, הרי שהוא נוצר ונעלם באופן ספונטני בכל מקום ביקום, אפילו בריק. בוזוני היגס כאלו (שנקראים וירטואליים) הם אלו שאחראים למסה של כל החלקיקים. בניסוי המאיץ ינסו לייצר אותו באופן מבוקר, כך שניתן יהיה לגלות אותו באופן חד-משמעי.

יגאל: לאריה, קראתי את המאמר - תודה.
מה קורה עכשיו במאיץ?
האם יכול להיות שכבר נוצרו חורים שחורים או חלקיקים חדשים?

תשובה: שלום יגאל, כרגע המאיץ מושבת עקב פגרת חג המולד המסורתית...
התוכנית המקורית היא להשבית אותו במהלך כל חורף, כשצריכת החשמל באזור גבוהה וקשה לספק לו את החשמל הדרוש. הזמן הזה ינוצל בדרך כלל לתיקונים ושדרוגים.
בחורף הנוכחי, עקב התקלה של השנה שעברה, ההפסקה תהיה קצרה יחסית. הם מתכוונים להפעיל את המאיץ מחדש כבר בפברואר, אחרי שיכינו אותו לעבודה באנרגיה גבוהה יותר.
לדעתי לא נוצרו חלקיקים חדשים משום שטרם הגיעו לאנרגיה גבוהה. אומנם נקבע שיא עולמי, אך עדיין האנרגיה שהגיעו אליה לא גבוהה בצורה ניכרת מהאנרגיה של ההתנגשויות במאיץ הטווטרון האמריקני. את ההתנגשויות הללו (בטווטרון ) ניתחו במשך שנים ולא מצאו משהו חדש.
התוכנית היא להעלות במשך 2010 הן את האנרגיה של ההתנגשויות והן את הלומינוסיטי (luminosity) שזה בעצם גודל שקובע את כמות ההתנגשויות. פרטים טכניים על תוכנית העבודה ניתן למצוא בקישור הבא:
http://lhc-commissioning.web.cern.ch/lhc-commissioning/luminosity/09-10-lumi-estimate.htm

יגאל: מה החשיבות של הלומינוסיטי?

תשובה: כשיש יותר התנגשויות הסטטיסטיקה גדולה יותר, כך שיש סיכוי גדול יותר שיתרחשו אירועים נדירים, כמו יצירת חלקיקים חדשים.
בנוסף לכך: לעתים אירוע שנראה כמו יצירת חלקיק חדש אינו מספיק לקביעה שאכן נוצר חלקיק חדש, משום שייתכן שהאירוע הזה נובע מרעש רקע. במקרה הנוכחי תהליכים מוכרים יכולים להיחשב כרעש רקע. כשהסטטיסטיקה עולה (כמות אירועים גדולה) שגיאת המדידה היחסית יורדת, והביטחון בתוצאות עולה.

יגאל: האמת שפעם ראשונה שאני שומע את המושג הזה. איך מגדירים אותו?

תשובה: הלומינוסיטי היא גודל שמתאר את אלומות החלקיקים. היא תלויה בצפיפות החלקיקים בכל אלומה של פרוטונים, בכמות החלקיקים ובמהירות שלהם.
חלק קטן מאוד מהפרוטונים בכל אלומה עוברים אינטראקציה בעת מפגש של קבוצות פרוטונים זו עם זו. קצב התגובות בין הפרוטונים הוא מכפלה של הלומינוסיטי בחתך הפעולה.
הלומינוסיטי נקבעת על ידי ביצועי המאיץ, ואילו חתך הפעולה, שמתאר את ההסתברות לתגובה, נובע מהפיזיקה עצמה. אחת המדידות החשובות במאיץ תהיה מציאת חתך הפעולה של תהליכים מסוימים וחתך הפעולה הכללי של אינטראקציה כלשהי בין זוג פרוטונים שנעים אחד לעבר השני במהירות גבוהה.

סילבר: מה יקרה אם לא ימצאו כלום.....

תשובה: במחקר אומרים שגם תוצאה שלילית היא חשובה, אבל אני חושב שזה יהיה מאוד מאוד מאכזב...

אלי: איך אמורים החורים השחורים המיקרוסקופיים להתנהג? סדר הגודל שלהם הרי הרבה יותר קטן מזה של החלקיקים האלמנטריים?

תשובה: אין הסכמה לגבי הצורה הגאומטרית של החלקיקים היסודיים, דוגמת האלקטרון. ההתייחסות אליהם היא כאל עצמים נקודתיים. מבחינה זו החורים השחורים הזעירים גדולים יותר משום שיש להם רדיוס מוגדר. הרדיוס הזה קטן פי עשרת אלפים בערך מגודל של פרוטון (שהוא לא חלקיק יסוד).
משערים שהחורים השחורים הללו יתקיימו לזמן קצר מאוד, פחות ממיליארדית של מיליארדית שנייה והם יתפרקו לאוסף של חלקיקים אחרים. החלקיקים הללו ייקלטו בגלאים ובעזרתם ניתן יהיה לשחזר את המסה של העצם ממנו הם נוצרו. בדרך זו יהיה ניתן לגלות בקלות יחסית חורים שחורים לא יציבים.
אם החורים השחורים הללו היו יציבים, אז הם היו גדלים באטיות רבה. להערכתי חורים שחורים זעירים יציבים יכולים לבלוע כוכב תוך כמה מאות שנים. עצם העובדה שזה לא קרה בכדור הארץ (למרות שהוא מופצץ באופן קבוע על ידי קרינה קוסמית אנרגטית מאוד) או בכוכבים אחרים שאנו צופים עליהם היא אחת הראיות לכך שהחורים השחורים אינם יציבים.

רולי: האם ההתנגשויות באנרגיה המקסימלית של המאיץ יחשפו תהליכים המתרחשים בסדר גודל של זמן-פלנק ואורך-פלנק?

תשובה: כנראה שלא - זמן פלאנק ואורך פלאנק קצרים מדי.
מאידך, מסת פלאנק היא גודל שאולי יגיעו אליו. אומנם מסת הפלאנק כפי שהוגדרה על ידי מקס פלאנק עצמו גדולה מדי, אך אם מודל ADD (שצופה את אפשרות יצירתם של חורים שחורים זעירים במאיצי חלקיקים) נכון, אז מסת פלאנק הרבה יותר נמוכה, ובמקרה כזה ייתכן שניתן יהיה להגיע אליה.
אחד המחקרים המעניינים שעשיתי בדוקטורט היה פיתוח שיטה שתאפשר את מציאת מסת פלאנק בעזרת תוצרי התפרקות של חורים שחורים זעירים. אני מקווה שישתמשו בשיטה הזו, אבל קודם צריך לגלות חורים שחורים זעירים... 

סילבר: מה הגילוי הכי מפתיע שיכול להיות?

תשובה: הגילוי הכי מפתיע הוא משהו שלא חשבנו עליו :-) וזה בהחלט יכול לקרות.
מבין הדברים שחשבו עליהם בוזון היגס נחשב כהימור בטוח, כלומר הגילוי שלו לא יהיה מפתיע.
לעומת זאת גילוי החלקיקים הרבים שחוזה תורת הסופר-סימטריה יכול לפתוח אפיקי מחקר חדשים.
חורים שחורים זעירים הם בעיני רבים "הגביע הקדוש" של הניסוי. גילוי שלהם יאפשר צעד ראשון באיחוד של תורת הקוונטים עם תורת היחסות ובהבנה של מבנה המרחב בקנה מידה קטן. יכולים להיות להם גם שימושים בפועל - למשל בתור יצרני אנרגיה. מצד שני, יצירת חורים זעירים עלולה לסמל את סוף פיזיקת החלקיקים.

סילבר: למה זה יהיה סוף הפיזיקה של החלקיק?

תשובה: אם נגיע במאיץ לגודל הקרוי מסת פלאנק, אז לפי ההבנה שלנו כיום - עלייה באנרגיה במאיצים עתידיים תגרום ליצירה של חורים שחורים גדולים יותר ולא של חלקיקים אחרים.
כלומר, אנו נעבור מפיזיקת חלקיקים לפיזיקת חורים שחורים.

שרית: האם תקלה כמו זו שהתרחשה ב-2008 עלולה להתרחש שוב?

תשובה: אני לא חושב שתקלה כזו תחזור על עצמה משום שנעשו פעולות מנע רבות, הן באמצעות מערכות התראה והן באמצעות מערכת לשחרור לחצים. כזכור הנזק העיקרי נגרם מהליום נוזלי שהפך לגז בלחץ גבוה. הגז פגע במספר גדול של מגנטים. בנוסף לכך, נבדקו כל החיבורים החשמליים (התקלה נגרמה מניצוץ חשמלי במקום שהיה בו חיבור לא תקין), וכמובן - הוחלפו המגנטים הפגומים.
בנוסף לכך, המאיץ כבר עובד באופן כמעט מלא, כלומר כל החלקים שלו נוסו, ומחלות הילדות שמלוות כמעט כל מתקן גדול כבר כמעט מאחורינו.
אבל, כמובן, שתקלות, ואפילו תקלות גדולות וקטלניות, עלולות להתרחש. אף אחד לא חסין מפני כך. השאלה היא אם עשינו את כל מה שביכולתנו על מנת למנוע אותן. אין לי תשובה חד-משמעית על כך משום שאני לא מעורה בפעולות הבקרה שנעשות במאיץ באופן שוטף.
אני רק יכול לומר שניתן היה למנוע את התקלה הגדולה של 2008, משום שתרחיש כזה היה ידוע. להערכתי נעשו שם טעויות בתכנון ובבקרת האיכות.

שרית: אני מתנצלת מראש אם זה פוגע. האם אתה לא חושב שיש דרכים טובות יותר להשקיע את הכסף?

תשובה: שאלה מצוינת. לדעתי זה לא בזבוז כסף, ולו משום שכסף עודף אף פעם לא יילך למקום שצריכים אותו.
ולמה אני סבור שההשקעה במאיץ חשובה? יש כמה סיבות:
  1. הפרויקט סיפק ומספק הרבה מקומות עבודה, בעיקר לאנשים בעלי כישורים והשכלה.
  2. יש כאן שיתוף פעולה בינלאומי למטרות שלום - תופעה יוצאת דופן בימינו.
  3. פרויקט בעל חשיבות חינוכית, שמדגים לבני הנוער איך מדע עובד בפועל ובזמן אמת.
  4. פיתוח חלקי המאיץ הביא לקידום הטכנולוגיה והתעשייה במספר תחומים, כמו למשל על-מוליכים. להערכתי, זה תחום שיהיה רלוונטי לכולנו בעתיד. גם בתחום המחשוב הייתה התפתחות, למשל רשת הגריד (grid) שמאפשרת שיתוף ביכולת עיבוד ובזיכרון בין מחשבים בעולם כולו.
  5. הגילויים עשויים להביא ליישומים עתידיים, כפי שקרה בגילויים רבים אחרים שנבעו ממחקר בסיסי (למשל גילוי האלקטרון).
  6. נקודה אחרונה וחשובה נוגעת לדרך שבה מתקדמת האנושות. הייתי אומר זאת כך: "הסקרנות מניעה את האנושות". לא במקרה מדינות חזקות במדע טהור תמיד היו חזקות גם בתעשייה (למשל אנגליה של אמצע המאה ה-19). מדע טהור מתקדם יוצר אקלים חיובי לפיתוחים בתחומים אחרים, ובהקשר זה חשוב לדעתי שישראל תמשיך להשתייך למועדון היוקרתי של המדינות החברות בניסוי, גם אם זה כרוך בהשקעה כספית.

יום שבת, 19 בדצמבר 2009

אני מתארח בפורום מדע של גליליאו

שלום לכל הקוראים של הבלוג,
בגיליון דצמבר 2009 של מגזין גליליאו התפרסם מאמר שלי, "המאיץ הגדול וסודות היקום", אודות מאיץ החלקיקים LHC.
ביום שלישי הקרוב (22 בדצמבר), בשעות 22-19, אתארח בפורום מדע וחברה של גליליאו.
כולם מוזמנים לבקר בפורום ולשאול אותי שם שאלות הנוגעות למאיץ ה-LHC ולפיזיקה של חלקיקים בכלל.
נתראה שם,
אריה

יום רביעי, 16 בדצמבר 2009

מומנט - על מקור המילה והשימוש בה בפיזיקה

בעקבות הרשימה הקודמת אודות הסביבון, וההערה של אריאל לרשימה ההיא, התחלתי לחשוב למה בעצם כל הנושא של תנועה סיבובית כל כך מבלבל, למרות שאנו פוגשים בו הרבה בחיי היום יום. אני חושב שאחת הבעיות היא בחירת שמות לא מוצלחים. המילה מומנט (או מומנט כוח) שמהווה מושג מרכזי בתנועה סיבובית הגיעה לעברית משפות אירופאיות (moment of force באנגלית). הצרה היא שמושג מרכזי אחר בתנועה סיבובית נקרא בשם דומה: מומנט התמד (moment of inertia). מומנט הוא המקבילה של כוח בתנועה סיבובית, ואילו מומנט התמד הוא המקבילה של מסה, כלומר מדובר במושגים שונים, והשמות הדומים מבלבלים.
 
מקור המילה מומנט ב-momentum הלטיני שמורכב מהמילה movere (לנוע) והסיומת mentum שמציינת שם עצם שמקורו בפועל. האות v נשמטה במהלך הזמן. מומנטום הלטיני מתייחס בעצם לתנועה, אבל לא רק לתנועה במרחב אלא גם לתנועת זמן. כך נקראה בלטינית יחידת זמן מוגדרת המהווה את החלק הארבעים של שעה, וגם יחידת זמן קצרה ולא מוגדרת - רגע בעברית (moment באנגלית). למומנטום היו כבר בלטינית משמעויות נוספות, כמו: חלק קטן, השפעה, חשיבות. אחת המשמעויות התייחסה למשקל קטן שמניחים על מאזניים (momentum staterae בלטינית). בימי הביניים החלו המשמעויות השונות של מומנטום להתגלגל לשפות האירופאיות, כנראה דרך צרפתית עתיקה, ותוך כדי כך המילה התקצרה והפכה למומנט. חלק מהמשמעויות מופיעות באנגלית כבר בתנ"ך של ג'ון ויקליף (John Wycliffe) מהמאה ה-14. אגב, שם מופיע מומנט גם במשמעות משקל של מאזניים: "and as moment of a balaunce ben holden" כתרגום לביטוי "וכשחק מאזניים נחשבו" (ישעיהו מ', 15) וזאת בעקבות תרגום הוולגטה (התרגום הקדום של התנ"ך ללטינית). התרגום הזה שגוי משום ששחק המקראי הוא אבק כתוצאה משחיקה, ולא משקל.

אני משער שהמקור למומנט הפיזיקלי המופיע כמושג מרכזי בתנועה סיבובית נובע ממומנט במשמעות משקל קטן על מאזניים. הרי מאזניים הם דוגמה טיפוסית לשימוש במושג המומנט. מצד שני זו לא הייתה המשמעות הראשית של מומנט, כך שייתכן שההתפתחות הייתה שונה. חיפשתי ועד עתה לא מצאתי סימוכין להשערה שלי. כך או אחרת, המילה מומנטום ואחר כך גם מומנט אומצו בפיזיקה במספר משמעויות החל מהמאה ה-17, ומהפיזיקה הגיעה המילה מומנט גם למתמטיקה.

האנגלים השכילו לקרוא למומנט כוח בשם נוסף - torque - שנמצא כיום בשימוש נפוץ יותר, וזה מקל מאוד בעת הפגישה הראשונית עם הנושא של תנועה סיבובית. חבל שבעברית, ובשפות נוספות, משתמשים במילה מומנט גם לציון מומנט כוח וגם כחלק מהצירוף מומנט התמד. דווקא התרגום של המושג הפיזיקלי מומנטום לעברית - תנע - מוצלח מאוד.

חזרה לפיזיקה: מומנט או מומנט כוח הוא מכפלת הכוח במרחק מנקודת הציר. בתנועה סיבובית המומנט הוא הגודל החשוב, משום שהפעלת כוח על נקודת הציר לא תיצור תנועה סיבובית, וככל שמתרחקים מנקודת הציר כך ניתן להשקיע כוח קטן יותר בזמן נתון על מנת לקבל אותה מהירות סיבוב. זה בעצם עיקרון הפעולה של מנוף וגם של המאזניים והנדנדה. הרי ככל שיושבים קרוב יותר לציר, המשקל מורגש פחות, והנדנדה יורדת פחות. הילדים שלי הבינו את זה מזמן והם מושיבים אותי קרוב למרכז, בעוד שהם מתיישבים בצד השני, ממש בקצה הרחוק. כך הם מצליחים "לנצח" אותי ולהוריד את הנדנדה.

למה סביבון לא נופל?

גיל, חבר ותיק, שלח לי שאלה במייל:
לכבוד החנוכה, אולי תוכל להסביר בפשטות מדוע כשמסובבים סביבון הוא לא נופל? – הסבר שגם ילדים קטנים יבינו (וגם אני).
אפשר גם להעמיק לכיוון הגירוסקופ, יו-יו, כוח קוריוליס...
ובכן, השאלה הזו בכלל לא פשוטה - תנועה סיבובית היא אחד הנושאים המסובכים ביותר לתלמידי פיזיקה בתיכון. הסבר מצוין שמיועד לילדים מופיע בגיליון דצמבר 2009 של גליליאו צעיר במדור של בת-שבע וגון, אך התשובה המלאה די מורכבת. נדמה לי שעושים ניתוח מלא של תנועת סביבון בקורס מכניקה לתלמידי פיזיקה לתואר ראשון. אנסה בפוסט הזה לעשות משהו באמצע.

כשמסובבים סביבון אנו מעניקים לו תנע זוויתי. בדומה לתנע קווי, ניתן להתייחס לתנע זוויתי ככמות תנועה, אלא שכאן זו תנועה סיבובית, כלומר תנועה סביב ציר. במערכת סגורה, מבודדת בכל הנוגע לכניסה ויציאה של אנרגיה, התנע הזוויתי נשמר, ולכן בהיעדר הפסדי אנרגיה כתוצאה מחיכוך - הסביבון יסתובב לנצח. גודלו של התנע הזוויתי שווה למהירות הזוויתית (מהירות הסיבוב) מוכפלת במומנט ההתמד. מומנט ההתמד מאפיין את העצם והוא תלוי במסה שלו ובצורתו. למשל, ככל שהמסה של הסביבון מפוזרת יותר, כלומר הסביבון רחב יותר, כך מומנט ההתמד שלו גדול יותר, גם אם מסתו לא משתנה. האנרגיה הקינטית הסיבובית של הסביבון פרופורציונית למומנט ההתמד, ואם ניקח בחשבון שסביבון אמיתי מאבד אנרגיה עקב חיכוך, נגיע למסקנה שסביבון רחב צפוי להסתובב זמן רב יותר מסביבון צר.

לפני שאני ממשיך, סרטון נחמד של סביבון על סביבון שמצאתי ביוטיוב:



מה קורה מרגע שמשחררים את הסביבון מהיד?
בהתחלה, הוא מסתובב בתנועה מורכבת, שתלויה בצורה שבה שחררנו אותו, ואם המהירות הסיבובית גדולה דיה, הסביבון מתייצב תוך זמן קצר במצב כמעט אנכי. עם הזמן, המהירות הזו יורדת עקב הפסדי אנרגיה כתוצאה מחיכוך החלקה. ככל שהחוד של הסביבון דק יותר כך קטנים ההפסדים הללו, ולכן יש יתרון לסביבונים בעלי קצה חד. כשהמהירות יורדת, המצב היציב משתנה והסביבון מתחיל ליפול בגלל כוח הכובד. ניתן להתייחס לכוח הכובד כאילו הוא פועל על נקודה אחת - מרכז המסה של הסביבון. למעשה, בתנועה סיבובית אין חשיבות לכוחות, אלא למומנטים, וכאן נוצר מומנט כוח על נקודת הציר, כלומר על נקודת המגע עם המשטח. המומנט הזה יפיל סביבון שעומד במצב אנכי, בלי להסתובב, אבל ההשפעה שלו על סביבון מסתובב שונה - הוא גורם לשינוי של ציר הסיבוב. לתופעה הזו קוראים נקיפה או פרצסיה.

נקיפה היא מושג מסובך, ולדעתי קל יותר לחשוב עליו באנלוגיה לתנועה סיבובית רגילה. ניקח למשל לוויין שמקיף את כדור הארץ. אם הלוויין היה עומד במקומו, הוא היה נופל מטה עקב פעולת כוח הכובד של כדור הארץ. בעצם, המהירות ההתחלתית מאפשרת לו להישאר במסלול - כוח הכובד מושך את הלוויין לעבר כדור הארץ וכך משנה את כיוון תנועתו. השינוי הזה מתבטא כתנועה מעגלית במסלול. בצורה דומה, מומנט כוח הפועל על סביבון משנה את כיוון ציר הסיבוב וגורם לסביבון לבצע תנועת נקיפה שמורכבת מסיבוב סביב עצמו והקפה של הניצב היוצא מנקודת המגע שלו עם המשטח.

הדגמה יפה של נקיפה בעזרת גלגל אופניים, שמשמש כאן כגירוסקופ, ניתן לראות בסרטון הבא. כוח הכובד, שפועל על מרכז הגלגל, מפעיל מומנט על נקודת החיבור של הגלגל לחבל. המומנט גורם לשינוי מתמיד של ציר הסיבוב, כלומר עקב הסיבוב העצמי של הגלגל הוא לא נופל, אלא מבצע נקיפה:




על גירוסקופ, יו-יו וגם על כוח קוריוליס אני מבטיח להרחיב בפוסטים אחרים.

לקריאה נוספת:
The Motion of a Spinning Top באתר 4Physics
Precession of Spinning Top באתר HyperPhysics

יום שלישי, 1 בדצמבר 2009

המשימה: לעניין את התלמיד

"איך היה בבית ספר?”. “מעניין!". לא שומעים שיחה כזו בין הורה לילד, מהסיבה הפשוטה שהלימודים בבית הספר, בדרך כלל, לא מעניינים. ובסופו של דבר את מי זה מעניין אם השיעורים מעניינים או לא? הרי יכולת התלמידים, וכתוצאה מכך גם יכולת המורים, נמדדות לפי תוצאות המבחנים. ואולם, על מנת להצליח במבחנים צריך ללמוד את החומר ואת זה קשה לעשות כשהשיעורים כל כך משעממים. צריך להודות שבימינו קשה עוד יותר לעניין את התלמידים מבעבר. שלושת "האויבים" הגדולים שהשתלטו על חיינו במהלך 15 השנים האחרונות - הטלפון הנייד, הטלוויזיה הרב-ערוצית והאינטרנט - הביאו לאורח חיים מהיר, דינמי ומלא בגירויים מידיים. לא קל להתחרות מולם, אבל זה אפשרי, ולשם כך יש להכשיר את המורים ולהעניק להם את הכלים הנחוצים לקרב על ליבו של התלמיד.

אני רואה שלושה כלים מרכזיים שיכולים לשרת את המורים בדרך לשם. ראשית, עליהם להכיר את השפה של התלמידים ולהשתמש בעולם המושגים שלהם, אחרת אף אחד לא יקשיב להם. זה לא מסובך, רק דורש עדכון תקופתי לגבי "מה הולך היום”. הנקודה השנייה היא מערך שיעור מסודר שמוביל את התלמידים באופן לוגי מנקודה אחת לבאה אחריה, ומהמוחשי אל המופשט. תלמיד שמאבד את הקו שטווה המורה יתקשה לחזור ולהשתתף בשיעור. הנקודה השלישית היא גורם ההפתעה. אופן ההתקדמות במהלך השיעור, ובעצם גם לאורך השנה, צריך להיות מסודר והגיוני, אבל הפתעות שצצות מדי פעם ממקדות את תשומת הלב ושומרות על ערנות מתמדת. התנסות בחפירה ארכאולוגית או ביקור במעבדת לייזרים הן דוגמאות להפתעות כאלו. חשיפת בני הנוער לחזית המחקר אינה אמורה להיכנס במקום מקצועות הבסיס, אלא בנוסף להם. זו הזדמנות להראות לתלמידים את הקשר של הלימודים לעולם האמיתי ולספק להם חוויה שיכולה להיחרט בזיכרונם ולעזור להם בכל מקצוע שבו יבחרו בעתיד. אגב, ההפתעות לא חייבות להגיע מחזית המחקר. גם סדרת הדגמות מלהיבות בשיעור פיזיקה או משפט דמה לאישיות היסטורית יכולות להפוך נושא משמים לחוויה מרעננת.

המורים שוכחים לעתים את התפקיד האמיתי שלהם. שמעתי לפני מספר חודשים איש חינוך בכיר אומר שתפקידו המרכזי של המורה בעולם המודרני לשמש כמתווך בין התלמיד לבין המידע שמצוי באינטרנט בשפע. אני מתנגד לכך מכל וכל. המורים נמנים עם האנשים המשפיעים ביותר בחייו של התלמיד, ומי מאתנו לא זוכר מורה מסוים או אפילו שיעור בודד, שהשפיעו עליו עד כדי גיבוש דעה או אפילו בחירת מקצוע בשלב מאוחר יותר בחיים. בעיניי, מורה אינו משגיח על קבוצת ילדים, אינו מתרגל לקראת בחינות ובוודאי שאינו מתווך - מורה הוא מחנך שעוזר לקבוצת אנשים להכיר טוב יותר את העולם ולגבש את הדרך העצמאית שלהם, ואת כל זה קשה לעשות כשהתלמידים בקושי מקשיבים לך.

על מנת להגיע למצב שבו השיעורים מרתקים את התלמידים, מערכת החינוך צריכה להשקיע קודם כל במורים עצמם, גם בשכר הוגן שיכלול את שעות ההכנה לשיעור כמרכיב חשוב וגם בהכשרה ראויה. אני רואה שלושה נדבכים בהכשרה המתמשכת של המורה. ראשית, המורים צריכים להגיע למצב של שליטה מעולה בחומר, ואת זה ניתן להשיג בעזרת אנשי אקדמיה שיסייעו להם. ההשקעה תחזור בסופו של דבר לילדים של אותם חוקרים, דרך המורים, ולכן יש סיכוי טוב שיהיו מתנדבים למשימה. שנית, יש לעזור למורים לשפר את יכולת ההופעה מול התלמידים. יכולת הופעה היא אמצעי שליטה מרכזי בידי המורה, משום שהיא מאפשרת להעלות את יכולת הקליטה של התלמידים, ולא פחות חשוב – להעלות את ההערכה הכללית כלפי המורה. גם פה אפשר להיעזר באנשי מקצוע. כל כך הרבה יועצי תקשורת מסתובבים בכנסת - אולי ניתן לגייס אותם למשהו חשוב באמת. הנקודה השלישית, והמסובכת יותר, היא בניית מערכי שיעור מעניינים. אחד הדברים שהייתי רוצה לעשות בעתיד הוא העברת השתלמויות למורים שיעסקו בבניית מערכי שיעור אטרקטיביים. יחד עם זאת, אני מודע לכך שהגורם החשוב כאן הוא הדמיון האישי של המורה, וכל מורה צריך לגבש את מערך השיעור הסופי בהתאם ליעדים שלו וליכולות שלו. מורה שמחזיק בידיו ארסנל של כלי הוראה ומשלב אותם במהלך שנת הלימודים יכול להשיג עניין מתמשך של התלמידים ובמקרים רבים אף למנוע מראש בעיות משמעת.

יחד עם אשתי ג'ודי עסקתי בשנים האחרונות בפיתוח תוכניות העשרה במדעים לתלמידי תיכון שמבקרים במכון ויצמן, ובתהליך ארוך של למידה הצלחנו להבין מה מלהיב אותם ומה מעניין אותם. הפיכת בית הספר עצמו לסביבה מעניינת ומאתגרת היא משימה קשה יותר, ואני מודע לכך שלא די ברעיונות, אלא יש לנסות אותם בשטח בפריסה רחבה, להשתפר כל הזמן וללמוד מטעויות. ולמרות הכול, המשימה הזו אפשרית.

לקריאה נוספת: "למה מורים נשחקים?" מאת אורן פרבר בבלוג מדע ושאר רוח