יום שישי, 13 באפריל 2012

חינוך מדעי בדרום

לפני כמה שבועות פנתה אלי מישהי שעובדת בטלוויזיה ורצתה להיפגש איתי בדחיפות על מנת לדבר איתי על נושא מסוים. היא שאלה אותי מתי המועד הקרוב ביותר שבו אהיה במרכז או לפחות קרוב למרכז. בתמימותי עניתי לה שלמחרת אני מגיע לקריית מלאכי. אחרי רגע של מבוכה הבנתי שהיא לא בדיוק יודעת איפה זה או לפחות חושבת שקריית מלאכי נמצאת אי שם בדרום הרחוק והמופגז. בסופו של דבר קבענו להיפגש בשבוע הבא בגוש דן המצומצם.

המקרה הזה הזכיר לי עד כמה תושבי המרכז, או לפחות חלקם, מנותקים מיתר הארץ. הרי הנסיעה מתל אביב לקריית מלאכי לא אורכת יותר מ-40 דקות. למעשה, אני נוסע כמה פעמים בשבוע מביתי בליבנה, שנמצאת בין באר שבע לערד, לאזור המרכז וצפונה ממנו, והנסיעה לא אורכת יותר משעה ו-45 דקות. אגב, זה פרק זמן מצוין עבורי לחזור בראש על ההרצאה, לשנן את הדגשים שאני רוצה להעביר ולהגיע מוכן וממוקד לפעילות.

אחת הסיבות שבגינן עברנו מרחובות לליבנה לפני כמה שנים הייתה הרצון לקדם את החינוך המדעי בדרום, ואנו אכן מנסים להעביר כמה שיותר פעילויות באזור הנגב. אגב, ההבדל בחשיפה למדע בין תושבי הדרום למרכז הוא גדול. התלמידים שאנו פוגשים בדרום נחשפים למדע בעיקר דרך הטלוויזיה ופחות באופן של ניסויים עצמיים, ואילו התלמידים במרכז שמתעניינים במדע יכולים בדרך כלל למצוא חוגים או פעילויות העשרה קרוב לבית, ולחוות את המדע באופן ישיר ובלתי-אמצעי.

נגינה עם מצקת על קרח יבש בפעילות לילדים והורים שנערכה בדרום

אני בכוונה לא מתייחס כאן ללימודי המדע בבתי הספר, כי הרמה שלהם בכל הארץ נמוכה למדי. למעשה, עד בית הספר התיכון החשיפה למדע אמיתי, שיכול לשמש את התלמידים מאוחר יותר בלימודים גבוהים באוניברסיטה, היא אפסית. ההבדל, לדעתי, בין המרכז לפריפריה אינו נובע מרמת הלימודים בבית הספר, אלא מההיצע של פעילויות ההעשרה במדעים ובתחומים אחרים, והיצע זה יוצר פער ברמת הידע הממוצעת.

מצד שני, רמת הסקרנות של התלמידים שאנו פוגשים בדרום היא אדירה. זהו כיף אדיר עבורנו ללמד אותם, לבנות איתם ניסויים ולבצע איתם פעולות חקר. הסיפוק שלנו נובע בעיקר מרמת העניין שהתלמידים מגלים כשהם נחשפים לחומרי ניסוי מיוחדים ולציוד מעבדתי מתקדם. בקורסים שנמשכים שבועות או חודשים אפשר להבחין בעלייה תלולה ברמת הידע ובהתפתחות של מוטיבציה ללמוד מדע בעתיד, ולא פחות חשוב - ניתן לראות שינויים בדפוסי החשיבה שהופכים להיות מדעיים וביקורתיים יותר.

כשג'ודי שאלה תלמידה שלה בסיום הקורס מה תרצי לעשות כשתהי גדולה, הילדה ענתה: "אני רוצה להיות מדענית - כמוך". האם יש סיפוק חינוכי גדול מזה?

יום חמישי, 12 באפריל 2012

החלקיק המהיר מהאור והשגיאה השיטתית

חבל, אבל החדשות הפיזיקליות החשובות של חצי השנה האחרונה התבררו כשגיאת מדידה.

בספטמבר 2011 התפרסמו התוצאות הראשוניות של ניסוי אופרה (OPERA) הממוקם מתחת להר גראן סאסו שבאיטליה. נטען שם שחלקיקי נייטרינו אשר יצאו מהמעבדות של CERN שעל גבול שווייץ-צרפת ונקלטו בגראן סאסו נעו במהירות גדולה יותר מהאור. לא בהרבה - רק ב-7.5 ק"מ לשנייה מהר יותר מהאור שנע בריק במהירות של כמעט 300 אלף ק"מ לשנייה - אך בכל זאת זו הייתה תוצאה מדהימה כי מעולם לא נצפה חלקיק מהיר יותר מהאור.

המסלול של חלקיקי הנייטרינו מ-CERN למעבדה מתחת להר גראן סאסו, מקור: ניסוי OPERA

זה המקום להעיר שתורת היחסות הפרטית של איינשטיין לא אוסרת על חלקיקים להיות מהירים מהאור. היא אוסרת על חלקיקים שהיו אטיים מהאור להגיע למהירות האור או לעבור אותה, אבל חלקיק שהחל את חייו במהירות גדולה מהאור יכול להמשיך ולנוע במהירות על-אורית. לחלקיקים היפותטיים כאלו קוראים טכיונים, וגם אם אין חוק פיזיקלי שאוסר על קיומם, בכל זאת הם מהווים בעיה משום שבעזרתם ניתן להעביר מידע לזמן עבר. רעיון למתקן תקשורת שכזה הועלה לפני שנים וזכה לכינוי אנטי-טלפון. באמצעותו ניתן יהיה לקבל מבן השיח תשובה לשאלה עוד לפני ששאלת אותה. הבעיה היחידה של האנטי-טלפון היא שפעולתו מנוגדת לעקרון הסיבתיות, לפיו תוצא לא יכול להקדים את הסיבה ליצירתו. מצד שני, אולי עקרון הסיבתיות שגוי?

הנייטרינו הוא חלקיק מרתק - הוא כמעט חסר מסה, מחליף את זהותו עם הזמן וכמעט שלא עובר אינטראקציה עם חלקיקים אחרים. לכן הוא יכול לעבור דרך סלעים "כאילו הם היו אוויר". בניסוי אופרה השתמשו בתכונה הזו ואפשרו לחלקיקי הנייטרינו לעבור מרחק של כ-730 ק"מ בתוך כדור הארץ. אחוז זעיר מחלקיקי הנייטרינו שהגיעו לאופרה הגיבו עם החומר בגלאי ותוצרי התגובה נקלטו בגלאים. למעשה המטרה העיקרית של הניסוי הייתה למדוד את שינויי הזהות של הנייטרינו. החלקיק הזה יכול להופיע בשלוש צורות - נייטרינו אלקטרוני, נייטרינו מיואוני ונייטרינו טאו - והניסוי נועד למצוא את אחוז הנייטרינו שהופכים מנייטרינו מיואוני לנייטרינו טאו. תוך כדי כך הבינו החוקרים שיש בידיהם כלים למדוד באופן מדויק את מהירות התנועה של הנייטרינו.

בהתחלה הייתי סקפטי, אבל כשקראתי את המאמר לא מצאתי בו דופי והשתכנעתי שהם עשו עבודה טובה. למעשה, החוקרים פיתחו שיטה סטטיסטית מתוחכמת שבעזרתה הם יכלו למדוד את משך התעופה הממוצע של חלקיקי הנייטרינו מ-CERN לגראן סאסו, אף על פי שהם לא יכלו לדעת באופן חד-משמעי מתי הנייטרינו הספציפי נוצר, אלא רק לדעת מהי הקבוצה של חלקיקי הנייטרינו שממנה הוא הגיע. לטעמי הייתה רק בעיה אחת שהטילה ספק בתוצאות הניסוי: המדידה של OPERA עמדה בסתירה למדידה אסטרונומית מ-1987 שבה חלקיקי נייטרינו שמקורם בסופרנובה (SN1987A) התגלו בגלאים על פני כדור הארץ כמעט במקביל לתצפית בחלקיקי האור שנוצרו באותה סופרנובה, כלומר חלקיקי הנייטרינו לא נעו מהר יותר מהאור.

לתלמידים שלי סיפרתי שאני מתלהב מהתוצאות, אבל מציע להמתין למדידות של ניסויים אחרים ולבדיקה מעמיקה של המכשור בניסוי אופרה לפני שמתחילים בבניית אנטי-טלפון. הרי תוצאות יוצאות דופן דורשות ראיות חזקות לנכונותן.

 הגלאים של ניסוי OPERA. מקור: ניסוי OPERA

ההתלהבות לא ארכה זמן רב - בפברואר 2012 הודו חברי אופרה שחיבור של סיב אופטי ששימש במערכת התזמון היה לקוי. זמן קצר אחר כך התפרסמו תוצאותיו של ניסוי ICARUS שממוקם אף הוא מתחת לגראן סאסו, ולפיהן מהירות חלקיקי הנייטרינו לא עברה את מהירות האור.

אם כך, מקור התוצאות המפתיעות של ניסוי אופרה הוא בטעות מדידה. למעשה, השגיאה הסטטיסטית שלהם הייתה נמוכה דיה, אך הם לא העריכו נכון את השגיאה השיטתית (שגיאה סיסטמטית), זו שנובעת מהמכשור עצמו. השגיאה הסטטיסטית היא גודל שתלוי בכמות המדידות - ככל שנמשיך את הניסוי נוכל להוריד את השגיאה הסטטיסטית, משום שמדידות נוספות מקטינות אותה. לעומת זאת, גודלה של השגיאה השיטתית תלוי ברמת הדיוק של המכשור עצמו וביכולת של הנסיינים להעריך מקורות שגיאה נוספים, כמו למשל חיבור לא תקין של סיב אופטי...

למרבה הצער לא קיימת כיום שיטה טובה להעריך שגיאות שיטתיות שגורמות להטיה של המדידות, ואני אף סבור שזו אחת הבעיות הקשות של הפיזיקה הניסיונית. אני חושש שבפועל מדידות רבות פחות מדויקות ממה שמדווח במאמרים המדעיים, בגלל הערכה שגויה של השגיאה השיטתית. זה אומר, בעצם, שיש לקחת בערבון מוגבל את גודל השגיאה המתפרסמת בספרות המדעית.

באתר של Particle Data Group, המסכם את הנתונים הנמדדים של החלקיקים המוכרים, מופיעים גרפים היסטוריים של מדידות שונות (קישור לקובץ pdf). במספר מקרים המדידה הנוכחית רחוקה מאוד מהמדידות המוקדמות של אותו גודל, וזה הגיוני, אבל הנקודה המעניינת היא שבאותן מדידות מוקדמות השגיאה המדווחת הייתה קטנה יחסית, כלומר הערך המקובל כיום נמצא מעבר לטווח השגיאה של אותן מדידות ישנות. המסקנה היא שבאותם ימים לא העריכו נכון את השגיאה, כנראה את השגיאה השיטתית, ולא מן הנמנע שגם כיום אנו לא מעריכים נכון את השגיאות השיטתיות בחלק מהניסויים. יחד עם זאת, אני לא חושב שהבעיה הזו ממעיטה בערכן של מדידות, וביכולת שלנו לבצע מדידות מתוחכמות, אלא מציבה אותן באור מציאותי.

אגב, במקרה הנוכחי, של החלקיק המהיר מהאור, אני לא חושב שהפרסום הראשוני היה מוקדם מדי, כי הוא דווקא עורר עניין, האיץ את חברי הניסויים המקבילים לבדוק את מהירות הנייטרינו וחייב את אנשי אופרה לבצע בדיקות מקיפות של הציוד שלהם ושל שיטות הניתוח. מצד שני, בדיעבד אנו יודעים שההערכה של השגיאה השיטתית שהם מסרו הייתה אופטימית מדי, ומן הראוי היה שהם יהיו צנועים יותר ולפחות בשלב הראשון ידווחו על שגיאה שיטתית ריאלית יותר.

אני משער שביום מן הימים תהיה לנו יכולת טובה ומדויקת יותר להעריך את גודלה של השגיאה השיטתית, או במילים אחרות אני מקווה שבעתיד נמצא דרך לחשב את השגיאה השיטתית באופן שיטתי.