יום ראשון, 18 ביולי 2010

פרסקטי, פיזור בהאבהא וימיו המוקדמים של האינטרנט

בסתיו 1999 השתחררתי משירות הקבע והתלבטתי אם לעשות תואר שני בפיזיקה או בהנדסת אלקטרוניקה. דיברתי עם פרופ' אמנון מועלם מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת בן-גוריון והוא הציע לי הצעה שלא ניתן לסרב לה: לבלות את הסמסטר הראשון במאיץ חלקיקים שנמצא במכון מחקר בפרסקטי, שליד רומא. אמרתי לו שאני רוצה לחשוב, והוא שאל: "מה, אתה נשוי?". עניתי שלא. "אז על מה יש לך לחשוב?", הוא אמר. הוא צדק, ולמחרת אמרתי לו שאני מסכים, תשובה שלא הפתיעה אותו בכלל. תוך ימים ספורים התארגנתי ויצאתי בטיסה לרומא.


למרות שפיספסתי את הסמסטר הראשון של התואר השני והיה לי די קשה בסמסטר הבא, במבט לאחור ההחלטה שלי הייתה נכונה. זו הייתה הזדמנות נהדרת עבורי להכיר באופן בלתי-אמצעי את התחום שבו עסקתי בעשר השנים הבאות, וחוץ מזה הכרתי קצת איטליה ואת האוכל האיטלקי שהוגש לנו מדי יום בארוחת הצהריים.

משום מה הקולגות שלי במכון המחקר האיטלקי היו בטוחים שאני דוקטורנט עם ניסיון בפיזיקת חלקיקים, ולכן הם התפלאו בכל פעם ששאלתי שאלות בסיסיות. החלטתי לשאול רק על נושאים מתקדמים ולנסות להשלים את החסר לבד בספרייה של מכון המחקר או בעזרת האינטרנט שהיה אז שונה מאוד מאיך שהוא נראה כיום.

מושג אחד שדי נתקעתי בו נקרא "פיזור בהאבהא" (Bhabha scattering). "האם לקחת בחשבון את פיזור בהאבהא?", הייתי שומע בכל פגישת עבודה. "פיזור בהאבהא יכול להסביר את זה", הם נהגו לומר זה לזה כשהוצגו תוצאות ראשוניות של הניסוי, וכמעט בכל פעם שהתקבלו תוצאות לא צפויות, שלא התאימו לתחזית, היה מי שצעק: "ואולי זה בגלל פיזור בהאבהא?".

לא מצאתי ספר שמסביר מה זה פיזור בהאבהא. מאמרים דווקא מצאתי, אבל ההנחה של הכותבים הייתה תמיד שהקורא מכיר את המושג. ניסיתי את כוחי באינטרנט, אבל למרות שעות של חיפושים לא הצלחתי למצוא אפילו רמז, מלבד מה שהיה ידוע לי כבר קודם: המושג קשור לפיזיקת החלקיקים. באותם ימים נהגתי לרשום לעצמי על פתק מושגים שאני רוצה להבין - בפיזיקה ובתחומים אחרים. פיזור בהאבהא עלה בגאווה לראש הרשימה.

באחת מפגישות העבודה שבהן השתתפתי דיברנו על התוצאות שהתקבלו זה עתה. אני לא זוכר את כל הפרטים, אלא רק שהתוצאות היו ממש מוזרות. בשלב מסוים השתרר שקט שנמשך כדקה. "אולי זה נובע מפיזור בהאבהא?", אמרתי בשקט. הם לא היו רגילים לשמוע אותי, וכולם הסתובבו מיד לעברי. אחרי כמה שניות מישהו אמר: "אני חושב שכן". "נכון", "בהחלט", אמרו שאר המשתתפים והמשתתפות, ואני הרגשתי גאווה, אבל את המושג עדיין לא הבנתי. למעשה, ביררתי את משמעותו רק כשחזרתי מאיטליה.

פיזור בהאבהא הוא אינטראקציה בין אלקטרון לפוזיטרון (אנטי-אלקטרון) שבסופה נשאר אלקטרון אחד ופוזיטרון אחד. בניסוי KLOE שבו השתתפתי גורמים להתנגשויות אנרגטיות בין אלקטרונים לפוזיטרונים, ופיזור בהאבהא הוא אחד התהליכים הנפוצים שמתרחשים שם. הוא מהווה רעש רקע לתהליכים הנדירים יותר שאותם מעוניינים לחקור, ועל כן יש עניין לדמות אותו בצורה הטובה ביותר בעזרת תוכנות הסימולציה ולהבין אם מה שאנו רואים הוא אכן התהליך הנדיר שאותו מחפשים או פיזור בהאבהא הפחות מעניין. בגלל שהתחזית לגבי פיזור בהאבהא מדויקת, משתמשים בכמות האירועים שנמצאו כמתאימים לפיזור זה גם על מנת למדוד את עוצמות קרני החלקיקים (luminosity), גודל שמשתמשים בו עבור כל תוצאה המתקבלת בניסוי.

נזכרתי בסיפור הזה היום כשחשבתי על כך שאני כבר לא משתמש בפתקים על מנת לרשום מושגים לא מוכרים, אלא מוצא את התשובה מיד. אני חושב שיש לכך שלוש סיבות:
  1. האינטרנט מכיל היום הרבה מידע בצורות שונות - אתרים, בלוגים, אנציקלופדיות, מאמרים וספרים - וכל אלו מאפשרים גישה למקורות שקודם היה קשה להגיע אליהם. אחד הדברים שהאינטרנט יצר הוא שיתוף של ידע שנמצא אצל סתם אנשים בעולם, והשיתוף הזה מאפשר למצוא תשובות למגוון גדול של שאלות. אני מקווה שיותר ספרים יעלו לרשת. זה ישפר מאוד את נגישותו של מידע רב-ערך שכיום שמור בעיקר בספריות.
  2. מנועי החיפוש מאפשרים, תוך שימוש במילות חיפוש נבונות, למצוא מידע ביעילות ובמהירות. ולמרות הביקורת שיש לי על גוגל, אין ספק שהחבר'ה הללו עשו מהפכה. 
  3. עם הזמן רכשתי ניסיון בסינון מידע וכיום אני יכול במהירות יחסית לדעת אם מדובר במידע אמין או לא. לדעתי צריכים לשים על זה יותר דגש בבתי ספר, ולנסות ללמד את הילדים לסנן מידע. הרי האינטרנט עתיד לתפוס מקום גדול עוד יותר בחיינו.

יום חמישי, 15 ביולי 2010

סימפוניה לוובוזלה

הזכייה הראשונה של ספרד, פול התמנון והוובוזלות המטרידות הם סיכום טוב למונדיאל שהסתיים זה עתה. בסך הכל נהניתי, לפחות עד שלב רבע הגמר שבו כשלו שתי הנבחרות האהובות עלי. זו הסיבה לכך שאת המשחקים האחרונים ראיתי בלב שקט, ואפילו היה לי פנאי נפשי להתעמק קצת בנושא הוובוזלה. מתברר שוובוזלה יכולה להיות יותר מכלי מונוטוני משעמם, ועל כך אני רוצה לכתוב בפוסט הזה, שצפוי להיות מוזיקלי באופן מיוחד.

אני רוצה לפתוח עם הבולרו של רוול בביצוע של שתי וובוזלות:



אני מודה שזה נשמע פחות טוב מבולרו בביצוע של תזמורת. אבל בכל זאת, איך הם עושים את זה?

ובכן, הוובוזלה שייכת למשפחה של כלי נשיפה הקרויים brass instruments. בתרגום מדויק זה יישמע "כלי נגינה מפליז", וחצוצרה או טרומבון מפליז הם אכן נציגים מוכרים ממשפחה זו. המונח העברי המקובל הוא "כלי נשיפה ממתכת", אבל גם הוא לא מדויק משום שגם כלים מעץ, מפלסטיק (הוובוזלה) ואפילו השופר נמנים עם קבוצה זו. יותר מדויק להגדיר אותם ככלי נשיפה שדרוש רטט של השפתיים על מנת ליצור בעזרתם קול.

כאשר נושפים דרך שפתיים צמודות, האוויר פותח את השפתיים, ומיד אחר כך הן חוזרות במהירות חזרה בגלל הקפיציות שלהן ובגלל שנוצרת יניקה עקב לחץ האוויר הנמוך משני צידי השפתיים. ירידת הלחץ נובעת מזרימת האוויר: לפי עקרון ברנולי עלייה במהירות הזרימה מקטינה את הלחץ. התהליך חוזר על עצמו מאות פעמים בשנייה ומתקבל גל קול בתדר של מאות הרץ שניתן לשמוע אותו. שינוי במתיחות השפתיים גורם לשינוי בתדר משום ששפתיים מתוחות יותר חוזרות מהר יותר למצבן הסגור והתוצאה היא תדר גבוה יותר.

אנו לא יכולים להבחין בתנועה שהקצב שלה עומד על מאות פעמים בשנייה, אבל מצלמה מהירה יכולה לקלוט אותה, והתוצאה המפתיעה נראית כך:



הרטט של השפתיים חיוני להפקת צליל מהכלים הללו, אבל התדר של הצליל נקבע על ידי תכונות הכלי, ולתדר של רטט השפתיים השפעה עקיפה יותר. התדר הבסיסי של כלי הנשיפה נקבע בראש ובראשונה על ידי אורכו. גם לפעמון (הפתח הרחב בקצה הפתוח של הכלי) יש השפעה, ובאופן כללי הוא מזיז את התדר מעלה. הנקודה המעניינת היא שבכלי נשיפה ממתכת, כמו בכלי נגינה אחרים, התדר הבסיסי מלווה בהרמוניות שהן כפולות של התדר הבסיסי. העוצמה היחסית של ההרמוניות משפיעה על גוון הצליל (timbre) וזו הסיבה המרכזית לכך שכלי נגינה שונים נשמעים אחרת גם כשמנגנים בהם את אותו תו.

לפעמון השפעה נוספת: הוא מגביר את עוצמת ההרמוניות הגבוהות, בתחום תדרים של קילו-הרצים בודדים, וזה בדיוק התחום שבו הרגישות שלנו לגלי קול היא הגבוהה ביותר. עקב כך, כלי נשיפה עם פעמון נשמע לנו חזק יותר. כך למשל, עוצמת גלי הקול בפתח הוובוזלה עומדת על 125 דציבל, וזה קרוב לסף הכאב. המסקנה היא שאם הגעתם למגרש ולידכם נגן וובוזלה נלהב, כדאי לתפוס מרחק. הספקטרום של הוובוזלה, כלומר תמונת התדרים שיוצאים ממנה, מראה שהתדר הבסיסי עומד על 242 הרץ, וההרמוניות שלו, שהן כאמור כפולות של התדר הבסיסי, חזקות יחסית.

שתי וובוזלות - באדיבות אלעד טורצ'ין

כעת, חזרה לשאלה המקורית של הפקת תווים שונים מוובוזלה. האופן שבו משתמש הנגן בשרירי הפנים, בלשון ובשפתיים קרוי אמבושיור (Embouchure). הצליל המופק מהשפתיים חלש מדי, אך הוא מעורר את כלי הנשיפה לרעוד בתדרים הטבעיים שלו. התדר הנמוך ביותר בסדרה של הרמוניות המופק מהכלי קובע את התו המוזיקלי, ועליו ניתן לשלוט באמצעות האמבושיור. הכלל הוא זה: על מנת ליצור תו המתאים לתדר מסוים, על הנגן להפיק מהשפתיים צליל בתדר נמוך מעט מהתדר הזה. תחום התדרים של הצליל המופק מהשפתיים רחב יחסית והוא מכיל גם את התדר הטבעי של הכלי. כך נוצר מצב של תהודה - הכלי מגביר באופן ניכר את גלי הקול שמגיעים אליו מהשפתיים על ידי יצירת גלים עומדים, שהם גלים שנעים קדימה ואחורה בתוך הכלי ומגבירים זה את זה באמצעות התאבכות בונה. אגב, רק חלק קטן מגל הקול, מבחינת עוצמה, יוצא החוצה דרך הפתח, מתפזר ומגיע לאוזניים שלנו, מכאן שעוצמת הגל בתוך הצינור הרבה יותר גדולה.

על מנת להסביר איך ניתן ליצור סדרת תווים שימושית בכלי נשיפה צריך לקחת בחשבון שהגדלת התדר פי שניים מעלה את הצליל באוקטבה אחת. עלייה באוקטבה פירושה שהתו לא משתנה, כך למשל: התדר של תו A (לה) באוקטבה הנמוכה ביותר הוא 27.5 הרץ, באוקטבה הבאה התדר כפול ועומד על 55 הרץ, על מנת להגיע לתו A הבא יש להכפיל שוב את התדר ולהפיק צליל שתדרו 110 הרץ ואחר כך 220 הרץ, 440 הרץ וכך הלאה. כאמור, באמצעות האמבושיור אנו יכולים להפיק בכלי נשיפה סדרת תדרים שהם כפולות של התדר הבסיסי. אם לצורך הדוגמה יש לנו כלי שמפיק תדר בסיסי של 27.5 הרץ, אז באמצעות שינוי מתיחות השפתיים נוכל ליצור את כל הכפולות שלו: 55 הרץ, 82.5 הרץ, 110 הרץ, 137.5 הרץ, 165 הרץ וכן הלאה. סדרת התדרים הזו קרויה סדרה הרמונית והיא מאפשרת לנגן יצירות מורכבות. הסיבה היא זו: המרווח המוזיקלי בין ההרמוניות הגבוהות קבוע מבחינת הפרש תדרים, אך קטן מבחינת המרווח המוזיקלי ולעתים הוא מתאים בדיוק רב לתווים ספציפיים.

לסיכום הנושא, ניתן באמצעות האמבושיור להפיק תווים שונים. כלי נשיפה מתכתיים מודרניים, שיש בהם שסתומים, מאפשרים לשנות את אורך הצינור על ידי לחיצה על השסתומים, וכך הם משנים את התדר הבסיסי של הכלי. לכל תדר בסיסי סדרה הרמונית משלו, ובצורה זו ניתן להגיע למגוון תדרים גדול יותר.

אם כך, מתיחות השפתיים קובעת את התדר הנמוך ביותר המופק מהכלי, והוא זה שקובע את התו המוזיקלי, אך לגורמים נוספים יש השפעה על הצליל. כל נגן חצוצרה יודע שעוצמת הנשיפה משנה את הגוון של הצליל - היא מגבירה את התדרים הגבוהים. הגברה של תדרים מסוימים בלבד כתגובה לשינוי בעוצמת האות בכניסה קרויה תגובה לא לינארית. הסיבה לתגובה הלא לינארית של כלי הנשיפה טרם התבררה סופית: ייתכן שהסיבה נעוצה בשפתיים שנסגרות חזק בכל מחזור של הרטט ועקב כך יוצרות גל המכיל תדרים גבוהים רבים אשר מוגברים בכלי, וייתכן שמדובר בתגובה לא לינארית של הכלי עצמו.

בדיג'רידו, הנמנה עם אותה קבוצה של כלים שבהם דרוש רטט של השפתיים, הסיפור מורכב עוד יותר משום שניתן לשלוט בו גם באמצעות הלשון ומיתרי הקול. למען האמת הכלי הזה חביב עלי במיוחד ואני מקווה להרחיב עליו בפעם אחרת. בינתיים אני מצרף קטע מדהים של ויליאם ברטון (William Barton), אחד מנגני הדידג' הטובים בעולם:



ולסיום ביצוע מרשים של "התקווה" בעזרת שופר. כמו בקטע הפתיחה עם הוובוזלות הפקת התווים השונים נעשית על ידי שינוי תדר רטט השפתיים שקובע את התו שיוצא מהשופר.



לקריאה נוספת:
Brass instrument (lip reed) acoustics: an introduction, באתר של האוניברסיטה האוסטרלית UNSW.

אחרי פרסום הרשימה הפנה אותי חבר לפרט היסטורי מעניין: החצוצרות הקדומות, למשל שתי החצוצרות מבית המקדש השני המופיעות על שער טיטוס ברומא (בצד ימין), נראות ממש כמו וובוזלות.