יום שני, 10 במאי 2010

התגליות הפיזיקליות של המאה ה-21

בפוסט הקודם סיפרתי על המאמר שכתבתי בזמנו אודות התגליות הגדולות בכל הזמנים בפיזיקה ובאסטרונומיה. נזכרתי בו כשמצאתי מסמך במחשב אודות גילויים עתידיים. לא זכורה לי הסיבה המדויקת שלשמה הכנתי אותו, אבל לפי מצבו מובן לי שהוא נשאר בגדר טיוטה ראשונית. הנה המסמך לאחר שהשקעתי בו עוד כמה שעות היום וביצעתי הרחבות קלות. אין ספק שכל אחד מהנושאים המופיעים בו ראוי להרחבה משמעותית יותר. בינתיים אני מפרסם אותו במצב גולמי למדי, אבל מבטיח להרחיב ולפרט בעתיד. אם כן, זו רשימת התחזיות שלי לגבי גילויים בפיזיקה ובאסטרונומיה (וגם קצת טכנולוגיה) במאה ה-21, לא לפי סדר חשיבות:

1. מציאת הסבר אינטואיטיבי לעקרונות תורת הקוונטים. ניסויים רבים מאוד מאששים את תורת הקוונטים וברור לנו שזו תאוריה מדויקת במיוחד. עם זאת, שלא כמו בענפי פיזיקה אחרים, עקרונות תורת הקוונטים קשים להבנה. כדוגמה ניתן להביא את בעיית המדידה - בעת ביצוע מדידה מערכת יכולה לעבור ממצב המהווה סכום של מצבים שונים (סופרפוזיציה) למצב בודד המתאים לערך הנמדד (מצב עצמי המתאים לערך עצמי). אומרים שבתהליך המדידה מתרחשת קריסה של פונקציית הגל של המערכת, אך מנגנון הקריסה וחלקו של המודד בתהליך זה אינם ניתנים להבנה אינטואיטיבית בכלים שיש לנו היום. אני מאמין שהבנה אינטואיטיבית שכזו תאפשר את הבנת פעולתה של תורת הקוונטים גם במערכות גדולות שמכילות מספר גדול של אטומים או מולקולות, ובאותה הזדמנות נקבל פתרון לפרדוקס החתול של שרדינגר.

2. פיתוח מחשבים קוונטיים גדולים. המחשבים הדיגיטליים הרגילים, המוכרים לכולנו, מבוססים על ביטים, כלומר יחידת הזיכרון הבסיסית יכולה להימצא באחד משני מצבים - 0 או 1. מחשב קוונטי מבוסס על קיוביטים (ביטים קוונטיים) שכל אחד מהם יכול להימצא במצב 0 או 1 וגם בסופרפוזיציה של שני המצבים הללו. התוצאה היא שאוסף של n קיוביטים נמצא ב-2 בחזקת n מצבים בו-זמנית, וניתן לבצע פעולות על כל המצבים הללו במקביל. הדבר יאפשר ייצור של מחשבים מהירים מאוד שגודלם הפיזי קטן. מחשבים קוונטיים קטנים, שיש בהם מספר בודד של קיוביטים כבר יוצרו, אבל ייקח עוד זמן עד שיפותח מחשב קוונטי שיחליף את המחשב הביתי ואף יעלה עליו. זו תהיה קפיצת מדרגה בכל הנוגע ליכולת החישוב ולמהירות החישוב, מה שישמח במיוחד את אנשי התוכנה, החוקרים ויותר מכולם את ה...גיימרים.

3. פיתוחים מגוונים בתחום החומרים. למשל, ייצור חלליות מחומרים קלים, חזקים ובעלי יכולת לחסום קרינה, שיהפכו את המסע בחלל למשימה בטוחה, פשוטה ויומיומית. אני סבור שהפיתוחים בתחום החומרים ישפיעו על חיינו כמעט בכל אספקט, וכך למשל כבר בעשור הקרוב נראה טלפונים ניידים בעלי צורה משתנה או שנקנה בגדים שניתן לשנות בהם את המידות והצבעים בהתאם לצורך. גם מטא-חומרים מהווים כר פורה לפיתוחים עתידיים, ולא רחוק היום שבו אפשר יהיה לקנות לפורים גלימת הארי פוטר ההופכת את הלובש אותה לבלתי נראה.

4. הבנת מנגנון הפעולה של מוליכי-על הפועלים בטמפרטורות גבוהות וייצור מוליכי-על הפועלים בטמפרטורות קרובות ל-0 מעלות צלזיוס. מוליכי-על הם חומרים שמשנים באופן חד את תכונותיהם בטמפרטורות נמוכות. ההתנגדות החשמלית שלהם אפסית ויש להם עוד כמה תכונות חשמליות ומגנטיות ייחודיות. מרבית מוליכי-העל פועלים בטמפ' קרובות לאפס המוחלט (273.15- מעלות צלזיוס), ואת אופן פעולתם אנו יודעים להסביר באמצעות תאוריה הקרויה BCS על שם מגליה. בנוסף להם התגלו מוליכי-על שפועלים בטמפ' של עשרות מעלות מעל האפס המוחלט, אולם אופן פעולתם לא מובן בשלב זה. לדעתי, הבנה כזו היא משימה תאורטית אפשרית, והיא תסלול את הדרך לייצור של מוליכי-על בטמפ' הרבה יותר גבוהות, קרוב ל-0 מעלות צלזיוס. מוליכי-על כאלו יוכלו לשמש למגוון מטרות, כמו למשל בניית רשת חשמל כלל-עולמית שאין בה איבודי אנרגיה. אני הולך להשתמש בהם למטרה חשובה עוד יותר: הדגמות פיזיקליות משעשעות...

5. הפיכת היתוך גרעיני לשיטה מרכזית לייצור אנרגיה. כ-85% מהאנרגיה המיוצרת כיום מבוססת על שריפת דלקי מאובנים. לשיטה זו מספר חסרונות: השריפה גורמת לזיהום קרקע ואוויר (מלבד גז טבעי), נפלט פחמן דו-חמצני שעלול להגביר את אפקט החממה, המשאבים ייגמרו יום אחד ועד אז אנו נהיה תלויים במדינות עשירות במחצבי דלקי מאובנים. בהקשר זה, רצוי שהשיטות החלופיות שיכנסו לשימוש יהיו נקיות, מתחדשות וזולות. אנרגיה גרעינית המבוססת על ביקוע של גרעינים כבדים, כמו אורניום, היא פתרון חלקי, משום שהיא מותירה תוצרי לוואי רדיואקטיביים. אני מאמין שאנרגיית רוח, אנרגיה סולארית, אנרגיה הידרואלקטרית, אנרגיה כחולה ושיטות נקיות נוספות יתפסו מקום רב יותר בשוק האנרגיה של המאה ה-21.

אבל ההבטחה האמיתית היא פיתוח כורי היתוך גרעיני שמאפשרים יצירת אנרגיה כשגרעינים של אטומים קלים (למשל איזוטופים של מימן) נפגשים ומתאחדים לגרעין כבד יותר. תהליך כזה מתרחש בשמש ובכוכבים אחרים. על מנת שהגרעינים יתקרבו למרחק מספיק קטן זה מזה, כך שיתרחש היתוך, יש צורך להתגבר על הדחייה החשמלית ביניהם (הם טעונים במטען חיובי). לשם כך יש להקנות להם מהירות גבוהה, כלומר להשתמש במתקן שבו הגרעינים מחוממים לטמפ' גבוהה מאוד. עד היום לא הצליחו לבנות כור היתוך שמפיק יותר חשמל ממה שמשקיעים בו, אבל בעשורים הקרובים המצב עשוי להשתנות. הכור הניסיוני ITER צפוי להיות השלב הראשון בדרך לייצור מסחרי של אנרגיית היתוך גרעיני. אבל זה ייקח עוד זמן, והחבר'ה הרציניים ולמודי ההבטחות בתחום זה משערים שלא נראה כורי היתוך מסחריים לפני 2050.
    המשך ברשומה הבאה...

    6 תגובות:

    אורן פרבר אמר/ה...

    השמיים הם הגבול...פוסט מעניין
    היתוך גרעיני ישנה את העולם מהקצה אל הקצה. למשל - רוב מדינות ערב יחזרו להיות מדבריות חול כמו בימי מוחמד. וגם - כל בעיית המחזור תפתר כי אפשר יהיה לזרוק את האשפה לכורי היתוך של אלפי מעלות ולקבל...אטומים בלי זיהום בכלל!
    הייתי מוסיף גם שיטות התקדמות במרחב שאינן מבוססות על שריפת דלק. אולי שינויים במרחב-זמן? אחרי הכל, מנגנון ההנעה של רקטות כיום מבוסס על פיזיקה של המאה ה-18.
    לגבי תורת הקוואנטים, לעניות דעתי הפיזיקאי Amit Goswami מצא הסבר קוהורנטי לתורת הקוונטים, אך הוא לא מקובל על הקהילה המדעית מכיוון שהוא שובר את הפרדיגמה המטריאליסטית של המדע.

    Ehoud אמר/ה...

    אריה

    רציתי להציע רשימה אלטרנטיבית:
    לדעתי הבעיה בהי הידיעה העומדת בפני הפיסיקה היום היא בניה של מודל קוסמולוגי מניח את הדעת
    לטעמי המסה האפלה והאנרגיה האפלה הן מעין מודל אתר המשקף את חוסר הידיעה הבסיסי שלנו בתחום. מעבר לכך שאין היום מודל לגרויטציה קוונטית.

    מבחינת הביולוגיה אני חושב כי הבנת מנגנון פעולתו של המוח הוא אחד האתגרים הגדולים העומדים בפני האדם. הבנת מקור החיים גם הוא אתגר עצום.

    מבחינה טכנולוגית אני רואה אתגר גדול בהנדסה גנטית ויכולות שיבוט. לתחום זה יתכן ויהיו השלכות על ייצור מזון זול לאוכלסיית עולם הולכת וגדלה.

    לגבי הרשימה שלך הרשה לי להיות ביקורתי:
    לטעמי הבנה של תורת הקוונטים אינה בעיה מדעית כי אם בעיה קונספטואלית/פילוסופית.
    לגבי מחשב קוונטי אני כלל לא בטוח כי מבחינה עקרונית ניתן לייצר מכונה כזו שלא לדבר על האתגר הטכנולוגי האדיר. כבר כעשרים שנה מנסים לייצר מחשב קוונטי כמעט ללא הצלחה. דרושה פריצת דרך משמעותית כדי שתחום זה יהיה רלוונטי כנ"ל לגבי כורי היתוך שתמיד נמצאים ארבעים שנה בעתיד ללא קשר לתאריך בו נאמרת התחזית הזו.

    ולגבי הסכמות:
    אני שותף לדעתך כי פריצה החוצה מחוץ לכדור הארץ אל החלל היא צעד חשוב והכרחי וכן כי מדע החומרים מתפתח בצורה מרשימה. בנוסף ברור כי משבר האנרגיה גם הוא אחד הבעיות העקריות העומדות בפני האנושות לגבי ההתחממות הגלובלית איני בטוח כל כך.

    אריה מלמד-כץ אמר/ה...

    אהוד, בחלק מדבריך כיוונת לנקודות נוספות שאני מתכוון להעלות בחצי השני של הפוסט.

    אורן, אני מודה שלא הכרתי את Amit Goswami. אנסה לקרוא קצת מהדברים שהוא כתב.

    מדריך הבית אמר/ה...

    מעניין מאד. תודה.

    אריה מלמד-כץ אמר/ה...

    תודה לך מדריך הבית. כיף לשמוע תגובות ולדעת שאנשים קוראים את הבלוג.

    ofer אמר/ה...

    אני סבור שהמאה העשרים ואחת...
    - תקבור סופית את תורת המיתר כתורה מאחדת או תורה יסודית.
    - תקבור סופית את המכניקה הקוונטית כפי שאנו מכירים אותה היום ותחליף אותה במכניקה סטטיסטית על דרגות החופש בסקלת פלאנק.
    - תכשיר את השטח למהפכה מושגית במה שקשור במרחב-זמן.
    - תאפשר מהפכה בהנעה ובשל כך מסעות בחלל בתוככי מערכת השמש.
    - תאפשר פיתוח ממשקי אדם מכונה פרימיטיביים ברמה של רקמה מול מעבד.
    - התקדמות מרשימה בטיפול בתחלואה באמצעות הנדסה גנטית.