יום שלישי, 11 במאי 2010

התגליות הפיזיקליות של המאה ה-21 - המשך

בפוסט הקודם הצגתי תחזית אישית לגבי התגליות הפיזיקליות הגדולות של המאה ה-21. כעת אני מביא את המשך הפוסט ובו יש ייצוג בולט יותר לאסטרונומיה, לקוסמולוגיה ולאסטרופיזיקה, עם נגיעה קלה גם במדעי החיים.

6. ייצור או גילוי חורים שחורים זעירים ותחילת השימוש בהם כמקורות לייצור אנרגיה. אני חייב להודות שלא הייתי שם את כל כספי על ההימור הזה, כי כרגע אין שום ראיות או רמזים לכך שחורים שחורים כאלו קיימים. מצד שני, תגלית כזו תהיה עצומה בחשיבותה, הן בצד התאורטי והן בצד היישומי. הכוונה לחורים שחורים בגודל תת-פרוטוני שאולי נוצרים בעת פגיעת קרניים קוסמיות באטמוספירה ואולי נוכל אפילו לייצר אותם במאיצי חלקיקים. צריך להדגיש שבשלב זה אין ודאות כי חורים שחורים כה קטנים קיימים. ברור לנו שיש חורים שחורים כוכביים שנוצרו בעת קריסה כבידתית של כוכבים מסיביים מאוד שסיימו את חייהם, אבל לא ידוע מהי המסה המינימלית של חורים שחורים.

לצורך הדיון נניח כי חורים שחורים זעירים, בגודל תת-פרוטוני, קיימים, ונניח שהאנרגיה של הקרינה הקוסמית ואולי אפילו של מאיץ החלקיקים LHC (האנרגיה שלו קטנה מזו של החלקיקים האנרגטיים ביותר בקרינה הקוסמית) או של מאיצים עתידיים תספיק ליצירת חורים שחורים כאלו. במקרה כזה, ובהנחה שהם לא יציבים ומתפרקים במהירות לחלקיקים אחרים, הגילוי של החורים השחורים לא אמור להיות מסובך. ברמה התאורטית הגילוי שלהם יצביע על קיומם של ממדים נוספים מלבד ממד הזמן ושלושת ממדי המרחב המוכרים, וכמו כן הוא יספק אישוש ראשוני לתחזיות מסוימות של תורת המיתרים.

ברמה המעשית נוכל להשתמש בהם לייצור אנרגיה בצורה דומה למה שמתרחש בחורים שחורים גדולים - חומר זורם לכיוון החור השחור, מסתחרר סביבו בדיסקת ספיחה וחלקו לא נכנס פנימה אלא בורח בצורת סילונים מהירים מאוד. כלומר החור השחור מאיץ את החומר שזורם לעברו, וחלקו בורח ולא נבלע בתוכו. הרעיון הוא להשתמש בסילונים הללו על מנת להניע טורבינות זעירות. אני חייב להודות שכרגע זה נשמע קצת כמו מדע בדיוני, אבל מי יודע? טוב, בואו קודם נגלה אותם ונוודא שהם לא יציבים, כלומר לא מסוכנים.

7. הבנת מנגנון היצירה של הגלקסיות ושל החורים השחורים הענקיים שנמצאים במרכזן. הגלקסיות הראשונות נוצרו בשלב מוקדם יחסית של היקום, מאות מיליוני שנה בלבד לאחר המפץ הגדול. מנגנון היצירה שלהן לא ידוע. אנו יודעים דווקא פרטים על היקום הקדום יותר ויכולים אפילו לדעת את פיזור החומר ביקום בן מאות אלפי שנה בעזרת מדידת קרינת הרקע הקוסמית, אבל טרם הצלחנו לצפות במקורות אור מ"התקופה האפלה" ("dark ages") שבין רגע יצירת האטומים (כ-400,000 שנה אחרי המפץ הגדול) ובין יצירת הגלקסיות הראשונות.

הבנת תהליך היווצרות הגלקסיות יחייב פיתוח תאוריה מספקת ומציאת דרכים לבדוק אותה בתצפית לעבר אותה תקופה אפלה, כלומר לעבר עצמים רחוקים מאוד. בהקשר זה מעניין להבין איך ומתי התפתח החור השחור הענקי שנמצא כנראה במרכזה של כל גלקסיה. זה קרה די בהתחלה, זמן קצר יחסית אחרי שהגלקסיה נוצרה או אפילו במקביל ליצירתה, אבל איך הוא בדיוק נוצר? (האם זו קריסה כבידתית?) והאם יש לו קשר ליצירת הגלקסיה שבה הוא יושב ולהתפתחות שלה? אלו שאלות מסקרנות במיוחד.

8. הבנת הרכב היקום. המדע נמצא במצב מוזר: אנחנו יודעים שחומר אפל ואנרגיה אפלה ממלאים את היקום, בכמות הרבה יותר גדולה מהחומר הרגיל המוכר לנו מתצפיות ישירות בכוכבים ובגלקסיות, אבל אין לנו מושג מהו אותו חומר אפל ומהי אותה אנרגיה אפלה. הראיות לקיומם מוצקות למדי. הגלקסיות מסתובבות מהר מכפי שהיינו מצפים אם היה בהם רק החומר הרגיל שאנו צופים בו, ומכאן ניתן להסיק לגבי קיומו של חומר אפל. מהו אותו חומר אפל? אנו לא יודעים בוודאות, אבל יש מועמדים לא רעים, ויכול להיות שבניסויי מאיצי חלקיקים נצליח לייצר חומר אפל באופן מבוקר ולחקור את תכונותיו, כך שיש סיכוי...

כעת לאנרגיה אפלה: תצפיות על גלקסיות רחוקות הראו שהיקום מאיץ את התפשטותו, ולכן לא יכול להיות שכבידה היא הכוח היחיד שקובע את המבנה של היקום. הרי הכבידה היא כוח משיכה והיא נוטה להאט את קצב ההתפשטות. המסקנה היא שיש ביקום מין אנטי-גרוויטציה, והיא זו שמכונה אנרגיה אפלה. מהי אותה אנרגיה אפלה? קצה החוט היחיד שיש לנו הוא קבוע שאיינשטיין הכניס למשוואות תורת היחסות הכללית - הקבוע הקוסמולוגי. אבל גם אם יתברר שהאנרגיה האפלה מתאימה בדיוק להשפעה של אותו קבוע, ואיינשטיין צדק למרות שחשב שטעה, עדיין יש צורך להבין מהי אותה אנרגיה ומנין נובעות תכונותיה המוזרות, כמו למשל הצפיפות הבלתי משתנה שלה ביקום מתרחב המחייבת עלייה בכמות הכוללת של האנרגיה האפלה לאורך זמן.

9. פיתוח תורה מאוחדת של כבידה ותורת הקוונטים. תורת הקוונטים נבדקה באלפי ניסויים ונמצאה מדויקת להפליא - נראה שהיא מסבירה בצורה מצוינת תופעות מיקרוסקופיות. מצד שני, תורת היחסות של איינשטיין מסבירה בצורה מצוינת תופעות הקשורות לכוח הכבידה שבדרך כלל באות לידי ביטוי במערכות גדולות. קשה יותר לבדוק את תורת היחסות הכללית, אך בכל זאת היא נבדקה במספר ניסויים בלתי תלויים ונמצאה מדויקת גם כן. הבעיה היא שיש סתירה בין תורת היחסות לתורת הקוונטים שמתבטאת בפרדוקס EPR: תורת הקוונטים מאפשרת תופעות שמתרחשות באופן מיידי במרחקים גדולים, ואילו תורת היחסות לא מאפשרת תופעות שכאלו.

תורת כבידה קוונטית אמורה לתת ניסוח שמתאים ליחסות ולקוונטים ובכך לאפשר את איחודן. באותה הזדמנות היא צריכה להסביר מדוע כוח הכבידה כה חלש יחסית לכוחות יסוד אחרים כמו הכוח האלקטרומגנטי. יש כמה מועמדים לתורה מאוחדת, למשל תורת המיתרים, אבל צריך גם לבדוק אותן בניסוי, וזה טרם נעשה. בכל הקשור לתורת המיתרים - עדיין לא נמצא לה בדל של ראיה ניסיונית משום שרוב התופעות שהיא חוזה נצפות באנרגיות גבוהות בלבד, אבל אני מאמין שניתן לחשוב על ניסויים מתוחכמים שיאפשרו בדיקה שלה גם באנרגיות נמוכות, ובמהלך המאה הנוכחית כבר נדע אם היא "הגביע הקדוש" של הפיזיקה או שאלפי מדענים בזבזו עליה את זמנם.

10. פיתוח שיטות מתמטיות ופיזיקליות לניתוח מערכות מורכבות, כמו למשל מערכות ביולוגיות. הפיזיקה נוטה פעמים רבות לתת הסברים פשוטים ולהשתמש במשוואות בסיסיות פשוטות, וזה מתכון מוצלח מאוד לתיאור חוקי היסוד של הטבע. אבל מערכות רבות אינן פשוטות, ולצורך הבנתן יש צורך בכלים אחרים, שרובם עדיין לא קיימים. מערכת מורכבת מכילה מספר גדול יחסית של גורמים שמשפיעים זה על זה, וכתוצאה מכך ההתפתחות שלה בזמן קשה לחיזוי.

אם ההתפתחות לאורך זמן תלויה מאוד בתנאי ההתחלה אז המערכת נקראת כאוטית. מערכת מזג האוויר היא דוגמה למערכת כאוטית. למעשה, הכאוטיות שלה מסבירה למה קשה מאוד לתת תחזית מדויקת ליותר מארבעה ימים קדימה. עם זאת, מערכות מורכבות אינן בהכרח כאוטיות, וכאלו הן בדרך כלל המערכות הביולוגיות. מאפיין מובהק של המערכות הביולוגיות הוא קיום מערכת סבוכה של משובים המספקים בקרה על התהליכים השונים. לדעתי, פיתוח כלים להתמודדות עם מערכות מורכבות, משימה מסובכת לכל הדעות, יאפשר פריצת דרך בביולוגיה בכלל ובהבנת האבולוציה בפרט.

    לסיכום, במבט כולל על מה שכתבתי ברשומה הזאת ובקודמת, אני מודה שכל זה קצת יומרני והמטרות גדולות. רשמתי עשר מטרות שנראות לי גדולות וחשובות מהיבטים שונים. בדרך לשם יהיו המון גילויים ופיתוחים קטנים ובינוניים, כמו למשל הבנה טובה יותר של תכונות חומרים, גילוי חלקיקים חדשים (בוזון היגס, חלקיקים סופר-סימטריים), גילוי גלי כבידה, פיתוחים בתחום הננו-טכנולוגיה ועוד הרבה. שווה לעקוב.

      10 תגובות:

      George אמר/ה...

      מה לגבי הבנת חץ הזמן?

      Ehoud אמר/ה...

      אכן אריה היטבת לבחור, אבל נשאלת השאלה האם אנו יכולים לחזות מראש התפתחות מדעית? אם ננסה לרגע להשליך מההיסטוריה המדעית (ואני לא בטוח שנכון לעשות כך) נראה כי צפויות תגליות גדולות ומוזרות. אני מניח כי אתה מכיר את הנאום המופרסם של הלורד קלווין:
      בתחילת המאה העשרים נשא הלורד קלווין אחד הפיסיקאים המזהירים של המאה התשע-עשרה נאום בו טען כי מלבד שתי עננות באופק הפיסיקה הסתיימה. העננות היו: קרינת גוף שחור וניסוי מיכלסון מורלי. הפיסיקה של המאה העשרים הייתה שונה לחלוטין מזו של המאה התשע-עשרה שלא לדבר על הטכנולוגיה...
      אגב גדולתו של הלורד קלווין הייתה בכך שהוא ידע לזהות מבין עשרות בעיות פתוחות בזמנו את אותן שתיים שאכן הובילו למהפכות מדעיות. אם נלמד מהדוגמא של הלורד קלווין נוכל להניח כי אין טעם לנסות לחזות לאן יתפתח המדע ואו הטכנולוגיה מצד שני עושה רושם כי מספר הבעיות ביקום שאיננו יודעים להסביר כיום הוא קטן עשרות מונים מבתקופתו של הלורד קלווין.

      אגב שאלה צדדית מענניינת הינה שהלורד קלווין לא מנה כבעיה מדעית את חוסר ההסכמה בינו לבין דרווין על גיל כדור הארץ. דרווין העריך את גיל כדור הארץ במאות מיליוני שנים בעוד הלורד קלווין העריך את גיל כדור הארץ בהרבה פחות בהסתמך על זמן בעירת השמש (החישוב הניח כי אנרגיית השמש מקורה בשריפה כימית). לו היה קלווין סופר גם בעיה זו כעננה היה חוזה גם את המהפכה שהובילה לגילוי האנרגיה הגרעינית.

      הערת אגב יש ספר של הפיסקאי הנודע פרימן דייסון שבו הוא מנסה לחזות את העתיד המדעי והטכנולוגי לעשור הקרוב, למאה הקרובה לאלף הקרוב למאה אלף שנה ולמליון שנים הבאות. הספר מבוסס על סדרת הרצאות שנתן בנושא באוניברסיטה העברית בירושלים.

      אריה מלמד-כץ אמר/ה...

      George, כתבתי מעט בעבר על חץ הזמן:

      http://arie-science.blogspot.com/2009/07/blog-post_12.html

      אני מסכים שזו בעיה מרכזית הן בפיזיקה והן בפילוסופיה, אבל קשה לפתרון. לא רציתי להסתכן ולהכניס אותה.


      אהוד, מובן שאין להתייחס להשערות שלי יותר מדי ברצינות. אם בימי חיי אראה אפילו סעיף אחד מהעשרה מגיע לפתרון מניח את הדעת - אשמח מאוד.

      רשימת התגליות העתידיות מרמזת על רשימה מעניינת עוד יותר שבה אעסוק בהזמנות אחרת - הבעיות הלא פתורות של הפיזיקה. הלורד קלווין אכן השכיל להציג בעיות לא פתורות מרכזיות שעשויה להיות להן השפעה מכרעת.

      לדעתי כבר לפני 1900 הוא הבין שההערכה שלו לגבי גיל כדור הארץ אינה מדויקת, ונדמה לי שהוא הסכים עוד קודם לכן שגיל כדור הארץ עשוי להיות הרבה יותר גבוה ממה שהוא שיער - בסדר גודל של מאות מיליוני שנה. הוא גם ידע לומר שאם קיים מקור אנרגיה אחר ולא מוכר באותם ימים, ייתכן שגיל השמש הרבה יותר גדול.

      האם הכוונה לספר Imagined worlds של דייסון? אני זוכר שרציתי לקרוא אותו כבר מזמן, אבל לא הספקתי. אולי עכשיו זו הזדמנות טובה.

      Ehoud אמר/ה...

      אריה,

      כן התכוונתי לimagined world של דייסון, ספר מענין אבל לטעמי פחות טוב מאחרים שלו: Disturbing the universe או From Eros to Gaia.

      ולנסיה אמר/ה...

      אני חוזה/מקווה שנגיע לפריצות דרך בתחום הניורולוגיה. הייתי אומרת אם הייתי אופטימית יותר שזה יביא לקץ תיאורית הדואליות גוף/נפש, אבל אני מכירה אנשים ואת הנטיה שלהם להגן על אמונות תלושות מהמציאות בכל מחיר.
      ההבנה החדשה שנרכוש תאפשר לנו מניפולציות וגירויים ישירים למערכת העצבים והשד יודע איך זה ישנה את פני החברה שלנו...

      אריה מלמד-כץ אמר/ה...

      תודה ולנסיה, אני הגבלתי את עצמי לפיזיקה ואסטרונומיה (ותחומים קרובים).

      באמת קשה לדעת איך נוירולוגיה תשנה את חיינו. על פניו, יש לזה פוטנציאל לשנות את כל עולם החוויות שלנו ואת יכולת קבלת המידע והוצאתו. במילים אחרות, חיבור ישיר למוח יכול לעקוף את החושים, ואולי אפילו חלקים בתוך המוח עצמו.

      האם ההתפתחות הזו תתרחש בתשעים השנים הקרובות? אני לא בטוח, כי בכל הנוגע לחקר המוח, אנו נמצאים ממש בהתחלה, ככל שידוע לי.

      אגב, למה לדעתך דואליות גוף-נפש שגויה? ככל שידוע לי השאלה פתוחה.

      ofer אמר/ה...

      תקעתי את תגובתי במקום הלא נכון אז... הנה היא שוב מילה במילה...

      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.

      אריה מלמד-כץ אמר/ה...

      עופר - זה נשמע מעניין ומעורר מחשבה. תודה.

      רק את הסעיף על תורת הקוונטים לא הבנתי. האם תוכל להרחיב?
      אגב, האם בתחזית שלך תורת הקוונטים תיעלם לגמרי או שהיא תישאר כקירוב כלשהו?

      ofer אמר/ה...

      עניות דעתי היא שתורת הקוונטים איננה תורה אלמנטרית אלא תורה אפקטיבית. ממש כמו שמכניקה סטטיסטית היא לא אלמנטרית אבל היא נותנת ניבויים מעולים על מערכת תרמודינמית, כך גם המכניקה הקוונטית היא לא יותר מאשר תאור סטטיסטי של "הדבר האמיתי" בסקלות החשובות באמת של הטבע, כלומר סקאלת פלאנק (או פחות...). זאת גם הסיבה שהשפה הטבעית של המכניקה הקוונטית היא שפת ההסתברויות. לכן, לדעתי, לא יסתבר שהתורה "לא נכונה" אלא שהיא לא אלמנטרית ולכן אין לגזור ממנה מסקנות פילוסופיות עמוקות על המציאות. . אגב, הרעיון הזה הוא לא מקורי שלי, מצאתי אותו אצל טהופט... ואימצתי אותו בחום כיוון שהוא מתלכד עם מחשבות אחרות שהיו לי על הנושא.

      אריה מלמד-כץ אמר/ה...

      רעיון מעניין ומקורי.

      יש לי שתי בעיות איתו:

      1. תורת הקוונטים מתאימה לכל מה שאנו מודדים, גם אם קשה להבין את השפה שלה.

      2. מדידות של אי שיוויון בל שיכול להכריע בין תורת הקוונטים לאפשרויות רבות נוספות מראות שתורת הקוונטים נכונה. כלומר, התאוריה החלופית צריכה להסביר גם את התוצאות של מדידת אי שיוויון בל.