איך ללמוד ביולוגיה בכיף

אני חושב שהלכתי ללמוד פיזיקה כי רציתי להבין את החוקים הבסיסיים של הטבע, אבל תמיד אהבתי גם ענפי מדע אחרים, במיוחד ביולוגיה. אולי הפחיד אותי עניין השינון ולכן לא ניסיתי מעולם ללמוד ביולוגיה במסגרת מסודרת. בשיטוטי באינטרנט מצאתי את הסרטון הנהדר הבא:



מעבר לכך שהוא משעשע במיוחד ומועיל כאמצעי שינון לקראת מבחן, אני חושב שיש כאן נקודה נוספת, שאותה הזכרתי ברשימה "המשימה: לעניין את התלמיד". בימינו על מנת לגרום לתלמידים ללמוד צריך למצוא דרכים יצירתיות. אז, ראשית, אני חושב שכיף ללמוד ואפילו לשנן באמצעות צפייה בסרטון כזה, אבל מעבר לכך - הכנת אמצעי עזר ללמידה יכולה להיות מטלה נהדרת. לדעתי, תלמיד שיעשה סרטון כזה, או משהו יצירתי אחר, יבין את החומר טוב יותר ממי שלומד רק על מנת להצליח במבחן. אני בכלל חושב שמבחנים הם אמצעי גרוע למדי להערכת תלמידים, אבל כעת לא ארחיב על כך, אלא אצרף סרטון משעשע ומחכים נוסף של אותו יוצר:

טכנוראש

לפני כמה ימים קיבלתי מכתב מקסים מיעל - מורה וקוראת של הבלוג. תודה רבה, כיף לקבל מכתבים כאלו.בין היתר, יעל הפנתה אותי לאתר מעניין במיוחד של הטכניון - טכנוראש. החברים מהטכניון מארגנים מדי שנה תחרות הנדסית-מדעית-יצירתית. לא הכרתי והופתעתי לטובה מכך שעושים בארץ דברים נהדרים כאלו. מתוך אתר התחרות:

תחרות הטכנוראש, באדיבות ד"ר רוברט שילמן (ד"ר בוב) ולזכר ניב-יה דורבן יוזם התחרות, הינה תחרות הנדסית-יצירתית, הנערכת מדי שנה כמסורת בטכניון בחיפה. בכל תחרות מוצגת משימה הנדסית חדשה, עבורה נדרש למצוא פתרון מיטבי העומד בדרישות.

הפתרונות השונים מוצגים באירוע רב-משתתפים הנערך בלב הקמפוס. הפתרונות נבחנים על ידי צוות מדענים ומהנדסים בכירים, על פי מדדים הנדסיים מוגדרים. הפתרונות הנבחרים מזכים את בעליהם בפרסים יקרי ערך. יוזם רעיון תחרויות הטכנוראש הוא ניב-יה דורבן ז"ל - סטודנט ובוגר מצטיין של הטכניון, קצין בצה"ל, אשר נרצח על ידי חייל שיכור שרצה לגנוב את מכוניתו, בשובו לביתו מטיול. התחרויות נערכות לזכרו.

התחרות השנה נקראת אינדיפנדולום וההרשמה עד סוף פברואר 2010. ההרשמה פתוחה לקבוצות של עד שלושה משתתפים שחייבים להיות סטודנטים במוסדות אקדמיים או תלמידי תיכון. האמת שגם לי מתחשק להשתתף... חבל שאני כבר לא סטודנט :-(

לצפייה באוסף סרטונים מתחרויות קודמות: ערוץ טכנוראש ביוטיוב
על הזוכה בטכנוראש 2010: הכדורסל שהגיע רחוק

התאבכות בונה בבריכה

איך ניתן ליצור גל גדול בבריכה קטנה?
פשוט מאוד! כל מה שצריך זה קרש שחייה וחוש קצב טוב.



אני מראה את הסרטון הזה בפעילות על גלים שפיתחתי בשנים האחרונות. זו הדגמה נהדרת של התאבכות בונה. הבחור נותן מכה למים, כלומר יוצר גל חדש, בכל פעם שהגל הקיים חוזר משולי הבריכה למרכז. הוא מתחיל את המכה כשהגל במרכז נמצא בשיא הגובה ומשקיע כוח כלפי מטה עד שהגל מגיע לשפל. הגל החדש שהוא יוצר מצטרף לגל הקיים, והיות שהם באותה פאזה, כלומר השיא שלהם והשפל שלהם מופיעים באותו זמן ובאותו מיקום, הם מתחברים זה לזה. לתופעה הזו קוראים התאבכות בונה.

אם לא היה לא חוש קצב טוב והוא היה מתחיל את הדחיפה בזמן לא נכון, לא הייתה נוצרת התאבכות בונה. במקרה הגרוע ביותר, אם הוא היה מתחיל לדחוף מטה כשהגל מגיע לשפל במרכז, הגל שלו היה מתחסר מהגל הקיים. לזה קוראים התאבכות הורסת.

ניתן לקשר את הסרטון גם למושג של גלים עומדים ולמושג התהודה. הגלים נעים מהמרכז לשולי הבריכה וחזרה, אך הואיל והבחור יוצר אותם בקצב הנכון, הגלים מתחברים זה לזה באופן שנראה כאילו הם עומדים במקום. אלו הם גלים עומדים. אורך הגל שלהם ששווה לקוטר הבריכה הוא אורך הגל המתאים ליצירת גל עומד. בבריכה שהשוליים שלה גמישים יתקבל גל עומד שעולה ויורד במרכז ובשוליים, ואילו לאורך מעגל שרדיוסו שווה למחצית מרדיוס הבריכה מתקבל קו של נקודות צומת שלאורכו פני המים לא משנים את גובהם. ניתן לומר שלאורך המעגל הזה מתקיימת התאבכות הורסת בין הגל שמגיע מהמרכז ובין הגל שחוזר מהשוליים, ואילו במרכז ובשוליים מתקיימת התאבכות בונה.

בדומה למה שמתרחש בסרטון שבירת הכוס, שגם אותו אני מראה בפעילות, מתקיימת כאן תהודה. הבחור משקיע מעט כוח בקצב הנכון (בתדר המתאים) והגל גדל בעוצמתו עם הזמן.

כיום אני מעביר את הפעילות כתוכנית העשרה בת יום אחד שמטרתה להראות לתלמידי תיכון כיצד גלים שונים - גלי קול, גלי ים, גלים אלקטרומגנטיים ואפילו גלים סייסמיים (גלי רעידת אדמה) - מופיעים בחיי היומיום וכיצד אנו יכולים להשתמש בהם. לקח לי המון זמן לפתח את הפעילות, ורבים עזרו לי במשימה זו. כל אחד מהמדריכים שעבדתי איתם הוסיף מהידע שלו ומניסיונו, המורים שלחו לי פידבק, והתלמידים לימדו אותי בעזרת השאלות וההערות שלהם. אבל הפידבק הכי חזק הוא התגובה של התלמידים במהלך השיעור. אם יש משהו משעמם או מיותר - פשוט רואים עליהם. לא ויתרתי על הקטעים העיוניים, אבל צמצמתי את החלק הזה, ושילבתי אותו יחד חלקים מלהיבים יותר. המטרה שלי היא שהתלמידים ייצאו מהפעילות עם הבנה עיונית בסיסית במקביל להיכרות בלתי אמצעית ואינטואיטיבית עם עולם הגלים. אני מנסה להשיג היכרות כזו בעזרת סיפורים, סרטונים והדגמות. פעילות בודדת לא יכולה להביא להבנה מעמיקה, אבל היא יכולה לעורר את הסקרנות.

לקריאה נוספת: המשימה: לעניין את התלמיד (בבלוג הזה)

רעידת האדמה בהאיטי

לפני שבע שנים וחצי נסעתי עם ג'ודי לאיים הקריביים. זה היה ירח דבש הרפתקני למדי - בחרנו להתאכסן במלונות פשוטים ולהסתובב ברגל בערים, בהרים ובחופים על מנת להכיר את המקומות ואת התושבים. התחנה הראשונה שלנו הייתה הרפובליקה הדומיניקנית, שכנתה של האיטי על האי היספניולה. חששנו בעיקר מההוריקנים, ואכן יצא לנו לפגוש סופה טרופית שהיא מין מיני-הוריקן. לסכנת רעידות האדמה באזור לא היינו מודעים אז.

מיפוי רעידות האדמה בשנים 1998-1963

רעידות אדמה הן אחת התופעות הבלתי-צפויות ביותר על פני כדור הארץ. עם זאת, ניתן לפחות לדעת היכן רעידות לא יקרו - הן לא יתרחשו במקום בו לא קיים העתק (קו שבר). העתק הוא קו המפריד בין שני גושי סלעים על קרום כדור הארץ. כוחות פנימיים מניעים את הגושים האחד יחסית לשני, אולם התנועה הזו לא חלקה - ייתכן מצב שבו הגושים תקועים ולא זזים עד שמצטברת אנרגיה מספיק גבוהה. במצב זה, האנרגיה משתחררת בבת אחת בצורת רעידת אדמה כשהגושים מתחילים לנוע. יש להעיר שגם במקומות אחרים, שאינם קרובים להעתקים, תיתכן רעידת אדמה חזקה, אבל לשם כך צריכה להשתחרר כמות גדולה של אנרגיה, למשל עקב נפילת אסטרואיד או פיצוץ פצצה אטומית. פעולות אנושיות נוספות יכולות לגרום לרעידות אדמה חלשות או להעצים רעידות אדמה טבעיות.

האיטי, וגם ישראל, שוכנות באזורים בהם יש פעילות סייסמית רבה, כלומר באזורים שבהם רעידת אדמה חזקה יכולה להתרחש בכל רגע. רבים ניסו למצוא דרך לחזות רעידות אדמה מבעוד מועד, אך עד היום לא נמצאה דרך מוכחת, בעלת אחוזי הצלחה גבוהים, לעשות זאת. רוב השיטות מבוססות על סימנים מקדימים שמגיעים לפחות כמה שעות לפני הרעידה. אני הייתי מציע לנסות להבין טוב יותר את מנגנון אגירת האנרגיה בהעתקים ולנסות לכמת את כמות האנרגיה המצטברת, או לחילופין למצוא דרכים לשחרר את האנרגיה באופן מבוקר, אבל זה עדיין בגדר מדע בדיוני. בכל אופן, מציאת "תרופה לרעידות אדמה", כפי שהגדיר זאת תלמיד בפעילות שהעברתי לפני שבוע, היא ללא ספק אחת המטרות החשובות של המדע בימינו.

רעידת האדמה בהאיטי, צבע אדום מסמל רעידה חזקה במיוחד

בהיספניולה קיימת מערכת מורכבת של שברים. רעידת האדמה בהאיטי בשבוע שעבר, שמקורה בתזוזה לאורך העתק פנימי בתוך הלוח הקריבי (Enriquillo-Plantain Garden Fault), הייתה קטלנית במיוחד עקב שלוש סיבות עיקריות. הגורם המרכזי הוא איכות הבנייה במדינה - מרבית המבנים בהאיטי לא מסוגלים לעמוד ברעידת אדמה חזקה. בימינו, ללא יכולת חיזוי של רעידות אדמה, נושא הבנייה הוא האמצעי המרכזי בכל ניסיון ממשלתי להקדים תרופה למכה. לגורם זה, שעליו יש לאדם שליטה מסוימת, חברו כאן שני גורמים שאין עליהם שליטה. ראשית, עיר הבירה הצפופה של האיטי, פורט-או-פרנס, קרובה מאוד לנקודת המוקד העילית של רעידת האדמה הנוכחית. נקודה זו, הקרויה אפיצנטר, מוגדרת כנקודה על פני השטח שנמצאת מעל מוקד הרעש. ברעידת האדמה בהאיטי המרחק בין האפיצנטר לעיר היה 15 ק"מ בלבד. שנית, מוקד הרעש היה סמוך לפני השטח - עומקו עומד על 13 ק"מ בלבד. זו נקודה חשובה, משום שהגלים הסייסמיים ההרסניים ביותר נעים על פני השטח.



רעידת אדמה יוצרת ארבעה סוגי גלים שניתן להבדיל ביניהם בקלות בסייסמוגרף, מכשיר מדידה המיועד לרישום רעידות אדמה. שני סוגי גלים מסוגלים לחדור לתוך כדור הארץ. המהירים יותר, גלי P, הם גלי אורך, כלומר ההפרעה מתרחשת בכיוון תנועת הגלים. גלים אלו יכולים לעבור במוצקים ובנוזלים וכל רעידת אדמה מהווה מקור של גלים כאלו שמגיעים לכל נקודה על פני כדור הארץ. העוצמה שלהם קטנה יחסית, וייתכן שבעלי חיים, כמו כלבים, שמתחילים לנוע בחוסר שקט זמן קצר לפני רעידת אדמה חשים את הגלים הללו, בעוד שאנו בדרך כלל לא מרגישים אותם. אם כך, תנועה עצבנית של בעלי חיים יכולה להוות סימן טוב לרעידת אדמה קרובה מאוד. גלי S, שמגיעים זמן קצר אחרי גלי P, הם גלי רוחב, שבהם ההפרעה מאונכת לכיוון ההתקדמות. הם נעים רק במוצקים, ובעזרתם הבינו שבתוך כדור הארץ קיים אזור נוזלי גדול - הגלעין החיצוני. בשנת 1910 הבחינו, שבניגוד לגלי P, גלי S לא מגיעים לצד השני של כדור הארץ, והמסקנה הייתה שאזור הצל הזה נובע מחסימה שלהם בשכבה נוזלית בתוך כדור הארץ.

שני סוגי גלי השטח שנובעים מרעידות אדמה, איטיים יותר והרסניים יותר יחסית לגלי P וגלי S. המהירים יותר מבין גלי השטח, גלי לאב (love), הם גלי רוחב. אחרונים מגיעים גלי ריילי (Rayleigh) שצורתם דומה לגלי ים (גם גל רוחב וגם גל אורך), אלא שהם נעים בקרום המוצק של כדור הארץ ולא במים. גלי ריילי גורמים, בדרך כלל, למרבית הנזק. כאמור, שני סוגי הגלים הללו הם גלי שטח, כלומר הם לא יכולים לחדור לתוך פנים כדור הארץ. העוצמה הגדולה שלהם היא הסיבה העיקרית לכך שרעידות אדמה רדודות, שהמוקד שלהן לא עמוק, נחשבות למסוכנות יותר. עוצמת הגל נחלשת עם המרחק, ולכן הקרבה לאפיצנטר היא גורם מרכזי נוסף המשפיע על מידת הנזק.

מלון "ארמון החורף" ביריחו שקרס ברעידת האדמה של 1927, צולם על ידי צלמי המושבה האמריקאית בירושלים

ומה קורה בארץ? העתק ים המלח, שבשטח ישראל ממוקם בין עמק החולה בצפון לאילת בדרום, מפריד בין הלוח הערבי (עבר הירדן) שנע צפונה ובין הלוח האפריקאי. ההעתק מהווה מקור ראשי לרעידות אדמה באזורנו - רעידות אדמה חזקות התרחשו לאורכו בעבר ואין ספק שרעידות חזקות יתרחשו גם בעתיד. בהיבט כלל-ארצי, הדרך הטובה ביותר להיערך לסכנות היא חיזוק המבנים. כבר קיימת תוכנית מפורטת כיצד לעשות זאת, תמ"א 38, אלא שבפועל הביצוע נערך באטיות רבה. בערי הפריפריה, כמו טבריה ובית שאן שנמצאות באזור סיכון ראשי, התוכנית רחוקה מאוד מתחילת ביצוע. הרעיון הכלכלי מאחורי תמ"א 38 הוא שהקבלן ישפץ את הבניין, יגדיל את גודל הדירות, יבנה חניון ויתקין מעליות בחינם, ובתמורה יקבל זכות לבנות דירות על גג הבניין שיישארו בבעלותו. מבחינת הקבלנים עסקה כזו משתלמת מאוד במרכז, היכן שמחירי הדירות בשמיים, אבל במקומות כמו טבריה או קריית שמונה הדירות שהם מקבלים לא שוות את מחיר חיזוק הבניין והשיפוץ. להערכתי, בלי התערבות ממשלתית אין סיכוי שהתכנית תבוצע באזורים שבהם באמת צריך אותה.

עד שהבניינים בארץ יחוזקו, אם בכלל, כל שנותר הוא לזכור כמה כללי התנהגות בסיסיים בעת התרחשות רעידת אדמה. כאמור, אנו וחיות הבית עשויים להרגיש את הרעידה הראשונית הנובעת מגלי P ו-S בטרם מגיעים גלי השטח ההרסניים יותר. לכן, אם יש אפשרות להגיע לשטח פתוח, רחוק ממבנים, תוך מספר שניות - רצוי לעשות זאת. אולם, יש לשים לב שחוף ים עלול להוות מלכודת מוות עקב סכנת גלי צונאמי. מי שנוסע ברכב צריך לעצור במקום פתוח, לא מתחת לגשר או בסמוך למבנה או מתלול, ולהישאר ברכב. מי שנמצא בבית ולא יכול להגיע לשטח פתוח תוך מספר שניות צריך להגיע למקום הבטוח ביותר בבית, לפי סדר העדיפות הבא: ממ"ד, חדר מדרגות, מתחת לשולחן כבד, פינה פנימית רחוקה מחלונות וממדפים.

לא כולם מודעים לסכנה המוחשית מאוד של רעידת אדמה חזקה בישראל, ואני מקווה שכעת תהיה התעוררות, אם כי אני לא בטוח שהאייטם של האיטי יחזיק מעמד זמן רב בכותרות. כבר מזמן נוכחתי לדעת שללא עניין תקשורתי, קשה לקדם תכניות שעולות כסף רב. אבל, לפחות מבחינת המחקר הגאולוגי והעניין המדעי, אזורים שבהם קיים סיכון גבוה לרעידת אדמה, כמו ארץ ישראל, יישארו תמיד האזורים המעניינים ביותר.

עדכון: מתברר שלפני שנתיים הבחינו מדענים בעליית הלחץ לאורך ההעתק שעובר ליד פורט-או-פרנס וחזו אפשרות של רעידת אדמה קרובה בעוצמה של 7.2. הם לא טעו בהרבה: רעידת האדמה בהאיטי הייתה בעוצמה של 7.0. (הידיעה באתר physorg)

סידני לוב

נזכרתי בסידני לוב (Sidney Loeb), אבי שיטת האוסמוזה ההפוכה, כשקראתי מאמר אודות התפלת מים מאת עידן ישראל פייביש שהתפרסם בגיליון 136 של גליליאו (דצמבר 2009). זכיתי להכיר אותו לפני קצת יותר משלוש שנים כשאני וג'ודי התחלנו לכתוב על אנרגיה חלופית עבור גליליאו. המאמר הראשון עסק בשיטה לא כל כך מוכרת של הפקת אנרגיה על ידי ניצול הפרשי מליחות - אנרגיה כחולה.

תאור סכמטי של שיטת PRO להפקת אנרגיה

הרעיון מאחורי שיטת PRO (ראשי תיבות של Pressure retarded osmosis), אחת משתי השיטות של אנרגיה כחולה, הוא זה: נניח שיש לנו מיכל עם שני תאים המופרדים על ידי ממברנה שחדירה רק למים אך לא ליוני מלח (ממברנה חדירה למחצה). אם מכניסים לתא אחד מים מתוקים (בעלי מליחות נמוכה) ולתא השני מי ים (בעלי מליחות גבוהה), מים יעברו מהצד של המים המתוקים וימהלו את מי הים. לתופעה הזו קוראים אוסמוזה, והיא נובעת מהנטייה של תמיסות להשוות ריכוזים באמצעות פעפוע (דיפוזיה) כשהן באות במגע. הפקת האנרגיה נעשית באמצעות ניצול המים שעברו לתא השני לצורך הנעת טורבינה. מדינות עשירות במי נהרות הזורמים לים, כמו נורבגיה, חוקרות אפשרות לייצר אנרגיה בשיטה זו, וייתכן שהשיטה תהיה רלוונטית גם עבור ישראל אם תיכרה תעלת הימים ויתקיים מגע בין מי ים רגילים למי ים המלח. הפרשי המליחות הם הגורם המכריע כאן.

כשהתקדמנו בתחקיר ראינו שם אחד שחוזר שוב ושוב במאמרים המדעיים הנוגעים ליישומים השונים של מתקני אנרגיה כחולה, ולהפתעתנו גילינו שהאיש חי בארץ ועדיין עוסק במדע בגיל 89. זה היה סידני לוב: פרופסור, מהנדס כימיה וממציא מוכשר, שהגה את אחת השיטות של האנרגיה הכחולה, שכלל את השנייה, ולא פחות חשוב - הוא היה הראשון שהצליח ליישם מתקן התפלת מים באמצעות אוסמוזה הפוכה. כיום זו השיטה המועדפת בעולם להתפלת מי ים.

המשותף לאוסמוזה הפוכה ולאוסמוזה רגילה הוא שימוש באותה ממברנה חדירה למחצה, אלא שהפעם ממלאים רק תא אחד במי ים. כשמפעילים לחץ על מי הים, עוברים מים דרך הממברנה לתא השני. המים הללו הם מים מתוקים טובים לשתייה. על מנת ליצור את הלחץ צריך להשקיע הרבה אנרגיה, אבל נראה שאין ברירה - במקומות רבים בעולם, כולל ישראל, מים מותפלים הפכו למצרך הכרחי.

פרופסור סידני לוב בביתו

למזלנו, הצלחנו לקבוע פגישה עם פרופ' סידני לוב, וזכינו לשוחח עמו במשך כמה שעות. זו הייתה חווייה מעשירה ומרתקת עבורי. אני זוכר אותו כאדם צנוע, אדיב וסבלני, בעל שילוב נדיר של גישה הנדסית עם גישה מדעית. מצד אחד היה חשוב לו לספק לנו הסבר מדעי מדויק לכל שאלה ומצד שני הוא התעמק בפרטים הטכניים, שהם בעצם אלו שמאפשרים הפיכת עיקרון מדעי ליישום מוצלח.

סיפור מעניין אחד קשור להמצאה הגדולה שלו - ממברנה חדירה למחצה יעילה במיוחד. הוא ועמיתו ניסו מגוון ממברנות. אחת מהן, עשויה מצלולוז-אצטט, נתנה ביצועים מרשימים בבדיקה הראשונה, אך בבדיקה השנייה הביצועים היו עלובים. הם המשיכו לחקור וגילו ששני הצדדים שלה שונים ויש חשיבות לכיוון שבו שמים את הממברנה: הצד הדק צריך להיות מופנה כלפי התא שממנו עוברים המים לצד השני. "לפעמים אני תוהה אם היינו ממשיכים לבדוק ממברנה זו, אילו הניסוי הראשון שלה היה נכשל", אמר לנו פרופ' לוב כשפגשנו אותו.

אני מביא כאן קטע מהמאמר "אנרגיה כחולה" שהתפרסם בזמנו בגיליון 99 של גליליאו (נובמבר 2006).

את פרופ' לוֹבּ בן ה-89 אנו פוגשים בביתו ביישוב עומר, ליד באר-שבע, בו הוא מתגורר כבר למעלה משלושים שנה. לראשונה הוא הגיע לבאר-שבע בשליחות אונסק"ו, בשנת 1967, על-מנת להקים מפעל התפלה בקיבוץ יטבתה וללמד את טכנולוגיית האוסמוזה ההפוכה בישראל. ההזמנה הייתה לשלושה חודשים, אך לוֹבּ נשאר שלוש שנים, שבסיומן הוא שב לארצות-הברית רק כדי לחזור ולעלות לארץ באופן רשמי. הוא החל לחקור וללמד באוניברסיטת בן-גוריון שזה עתה נוסדה. מתקן האוסמוזה ההפוכה הראשון בישראל להתפלת מי תהום מלוחים אכן הוקם ביטבתה, אם כי בתחילה הקיבוצניקים חששו מהמים המותפלים, ובעצם, הקיבוצניקיות היו אלה שעשו את הצעד הראשון ומצאו שימוש למים הרכים - חפיפת ראש. ותיקי הקיבוץ עוד זוכרים, שכדי לשכנע אותם לנסות וללגום מהמים, הביא פרופ' לוֹבּ את ד"ר ברלין מבית החולים סורוקה, שהצליח להפחיד אותם כהוגן לגבי הנזקים בשתיית מים מלוחים.

פרופ' לוֹבּ מספר שבמשפחתו לא היו מדענים, וגם לו לא היו שאיפות בתחום. הוא סיים לימודי הנדסה כימית באוניברסיטת אילינוי והלך לעבוד בתעשייה הצבאית והאזרחית בקליפורניה. אחרי 16 שנה התעורר בו שוב חיידק הלימודים והוא נרשם ללימודי תואר שני ושלישי באוניברסיטת UCLA. יחד עם שותפו למחקר, סריניווסה סורירג'אן (Sourirajan), שאיתו הוא שומר על קשר עד היום, התוודע סידני לוֹבּ לרעיונות של פרופ' ריד (Reid) מפלורידה, לגבי האפשרות להתפיל מים בעזרת אוסמוזה הפוכה. את פרסומו העולמי קנה לוֹבּ בזכות היישום המוצלח הראשון של השיטה. זה קרה בשנת 1965, בקואלינגה (Coalinga), עיירה קטנה ושכוחת אל בקליפורניה, בה הוקם בשנה זו המפעל המסחרי הראשון להתפלת מים בשיטת האוסמוזה ההפוכה. הוא נזכר בחיוך, שלמבחן המסכם שלו בלימודי הדוקטורט, שנה קודם לכן, ביקשו ממנו הבוחנים להביא שלטים עם שאלות, משום שכבר אז הוא היה המומחה מספר אחד בעולם לאוסמוזה הפוכה.

בעקבות עליית מחירי הנפט, הגה פרופ' לוֹבּ את רעיון האנרגיה הכחולה בשנת 1973. "לקחתי תהליך התפלה שבו משקיעים אנרגיה, ופשוט הפכתי אותו", הוא מסביר. הרעיון המקורי היה להשתמש בהפרשי המליחות בין נהר הירדן לים המלח, ואם לא בישראל אז לפחות בנהר ירדן אחר – זה שנשפך לימת המלח ביוטה. כיום, עשרים שנה מאז פרישתו לגמלאות, הוא ממשיך במחקר תיאורטי של ממברנות ובתכנון מתקני אנרגיה כחולה. "כשהוא עובד על מאמר, סידני לא ישן ולא אוכל כמה ימים" – מתלוננת רעייתו בנושא זה. לפני שש שנים, כאשר ביקר בחברת Statkraft בנורבגיה, קיבל פרופ' לוֹבּ הצעה מפתה לשמש כיועץ בשכר. למרות גילו, הוא סירב להצעה, רק משום שהתבקש לחתום על הסכם סודיות. עם זאת, הוא עדיין שומר על קשר עם הנורבגים ומתעדכן לגבי התקדמות מחקר הממברנות שלהם. הוא אופטימי בקשר לאנרגיה כחולה ומעריך שתוך עשרים שנה היא תחליף שיטות אחרות במדינות חוף שופעות מי נהר.

השנה נסגר מבחינתו מעגל, עת הוענק הפרס הראשון על שמו, בכנס בצרפת. את הפרס יזמה פרופ' מרים בָּלַבַּן, עורכת כתב העת Desalination, אותו כתב-עת שבגיליון הראשון שלו פורסם המאמר המקורי של סידני לוֹבּ על אוסמוזה הפוכה, לפני למעלה מארבעים שנה.

פרופ' סידני לוב נפטר ב-12 בדצמבר 2008, בגיל 92. יהי זכרו ברוך.

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.

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