33
עדכונים

מנוי במייל

קבלת עדכונים על רשומות חדשות ישירות לתיבת האמייל
יש להזין אימייל תקין על מנת להרשם לעדכונים
ברגעים אלו נשלח אליך אימייל לאישור/ביטול ההרשמה
*שים/י לב, מרגע עשית מנוי, כותב/ת הבלוג יוכל לראות את כתובת האמייל שלך ברשימת העוקבים.
X

חופשי ומאושר

שדות היגס לנצח - בחיפוש אחר הסימטריה האלוהית

בעקבות ההודעה של מדעני מאיץ החלקיקים LHC על גילוי חלקיק ההיגס, החלקיק אותו אוהבים לכנות "חלקיק האלוהים" והרעש התקשורתי מסביב לגילוי, הגיע הזמן לשאול על מה בעצם כל המהומה, מה כל כך חשוב בגילוי הזה ולמה דבק בו הכינוי חלקיק האלוהים? אני מזמין אותך לצלול איתי לעומק המחילה, בלי פשרות, אל עבר התובנות שהצלחנו ללמוד בינתיים על סוד הבריאה והמציאות שסביבנו. ניסיתי לכתוב את המאמר מהפשט שנמצא בתחילת המאמר דרך הדרש ועד הסוד שנמצא בסוף, כל אחד ואחת לפי היכולת והעניין.

המדענים בעצם הודיעו שהם גילו בהסתברות גבוהה של  99.99995% "חלקיק חדש שמתנהג בצורה עקבית עם התחזיות לפעילותו של חלקיק ההיגס". במילים אחרות, רוב הסיכויים שגילינו את חלקיק ההיגס, חלקיק שקיומו נחזה בתיאוריה כבר לפני 43 שנה. השמחה גדולה בייחוד בגלל שתי סיבות, הגילוי הזה הוא צעד נוסף לעבר תיאוריה שתנסה להגשים את חזונו של אינשטיין - חזון איחוד הכוחות תחת תיאוריה אחת שמסבירה את הכל- "תיאוריית השדה המאוחדת". אנחנו עדיין רחוקים מהגשמת "תיאוריה של הכל" שכזו, אך התיאוריה שניבאה את חלקיק ההיגס היא עוד תחנה בדרך למטרה וכעת יש אישוש נוסף לכך שהיא אמיתית ושאנחנו בדרך הנכונה.

הסיבה השניה היא שחלקיק ההיגס קשור למנגנון שאחראי למסות שיש לחלקיקים היסודיים שמרכיבים את היקום שלנו. המנגנון הזה שנותן מסות לחלקיקים נקרא מנגנון היגס והוא מנבא את קיומו של חלקיק ההיגס. כעת כשמצאנו שהניבוי נכון והחלקיק קיים, מתחזק הסיכוי שמנגנון היגס הוא מנגנון אמיתי ונכון. לכן אנחנו יכולים להגיד יותר בביטחון כיצד תכונת המסה נוספה לחלקיקים שמרכיבים אותנו. בגלל הקשר בין חלקיק ההיגס למנגנון שנותן מסה לכל החלקיקים ביקום (וכנראה גם בגלל הקושי הנסיוני בגילוי שלו) כונה חלקיק ההיגס בשם "חלקיק האלוהים". דמיינו יקום אחר בו אין את מנגנון היגס, כתוצאה מכך לחלקיק האלקטרון לא יהיה מסה כלל, האלקטרונים ינועו רק במהירות האור ורק בקווים ישרים ולא היו נוצרים אטומים כפי שאנו מכירים ובוודאי שחיים כפי שאנחנו מכירים לא היו מתפתחים. קיום מסות לחלקיקים היסודיים קריטי לעיצוב היקום ולכן חלקיק ההיגס כמייצג את המנגנון כולו קיבל את הכינוי היומרני הזה. אפשר לראות בכינוי חלקיק האלוהים גם רמז למטרה של החיפוש הפיסיקלי שלנו - חיפוש שאפשר לכנותו החיפוש אחר הסימטריה האלוהית והגילוי של חלקיק ההיגס הוא עוד צעד בכיוון הזה. כמובן שכאן המילה אלוהים היא רק סמל לחיפוש שלנו אחרי הבנה מלאה של המציאות סביבנו, מציאות שנראית עצומה ואינסופית.

סיפור אחר טוען שהכינוי הזה נוצר בגלל שהיה מאד קשה לנסיונאים למצוא את חלקיק ההיגס וכל פעם הם היו מתעצבנים  ושואלים "!where is this goddamn particle" והכינוי הזה קוצר לחלקיק האלוהים (בעברית זה לא יעבוד, "איפה בשם האלוהים החלקיק הזה?"). השם הופיע לראשונה בספר של פיסיקאי חתן פרס נובל בשם ליאו ליידרמן. במקור הוא רצה לקרוא לספר  the goddamn particle אבל המוציא לאור קיצר את השם ל"חלקיק האלוהים". 

הסקרנים מבין הקוראים והאמיצות שלא מפחדות לצלול לעומק המציאות ולתובנות שמחכות לנו שם בטח שואלות 'אז מה זה החיפוש הזה אחרי הסימטריה האלוהית ומה המנגנון הזה שבזכותו יש מסות לחלקיקים? ואיך בכלל אפשר לאחד את הכוחות שנראים שונים כל כך לכוח אחד?'

תיאוריה מאוחדת גדולה

אנחנו מכירים ארבעה כוחות יסודיים בטבע, גרוויטציה- כוח הכובד, הכוח האלקטרומגנטי - כוח המשיכה והדחיה שבין מטעני פלוס ומינוס חשמליים ומגנטיים, ועוד שני כוחות גרעיניים שפועלים במרחקים קצרים מאד, מרחקים בסדר גודל של גרעיני אטומים (‎10-15‎ מטר או 0.000000000000001 מטר) לשני הכוחות האלה קוראים בשמות מאד מקוריים- הכוח הגרעיני החזק והכוח הגרעיני החלש..

הכוח הגרעיני החזק בין השאר גורם לכך שיהיה בכלל גרעין לאטום. הוא גורם לחלקיקי הגרעין להצמד אחד לשני ולא נותן להם אפשרות לברוח. הכוח הגרעיני החלש גורם לחלקיקים לשנות את אחת התכונות שלהם ועקב כך להפוך לחלקיק אחר. אחת התוצאות של הכוח הזה היא ההתפרקות הרדיואקטיבית שגורמת לגרעין של אטום כבד להתפרק לאטומים קלים יותר ולפלוט חלקיקים. אם אנחנו רוצים לנסות ולאחד את ארבעת הכוחות הללו, צריך לפתח תיאוריה שתראה כיצד היקום החל מכוח אחד וכיצד הכוח הזה נשבר לארבעת הכוחות השונים שאנחנו רואים מסביבנו כיום.

כשלומדים בבית הספר על האטומים שמרכיבים את כל החומר שאנו רואים מסביבנו ביקום, כך מלמדים  אותנו שהאטום נראה. במרכז גרעין שמורכב מחלקיקים בשם פרוטונים ונויטרונים, שגם הם מורכבים מחלקיקים קטנים יותר בשם קרווארק "מעלה" וקווארק "מטה", ומסביב לגרעין האטום נעים האלקטרונים בדומה לכוכב לכת שנע סביב השמש שלו. זוהי תמונה לא ממש מדוייקת של צורת האטום, ובהמשך נראה תמונה יותר נכונה. שני הכוחות הגרעיניים פועלים במרחקים בסדר גודל של גרעין האטום. הכוח האלקטרו-מגנטי פועל גם כן ממרחקים קצרים כאלו ועד למרחקים עצומים של כוכבים ואילו כוח הכובד מורגש רק כשמגיעים למרחקים גדולים. ארבעת הכוחות מאד שונים זה מזה ולכל כוח יש מטענים שונים שמרגישים את הכוחות, לכוח האלקטרומגנטי לדוגמה יש את המטענים החיובי והשלילי ולכוח הכובד יש רק מטען אחד - המסה. איך אפשר לאחד את הכוחות השונים הללו לכוח אחד? (מקור התמונה: וויקישיתוף).

במאה ה-19 הצליח פיסיקאי בשם ג'יימס מקסוול לאחד שני כוחות שהיו נראים שונים, הכוח החשמלי והכוח המגנטי. הוא פיתח ארבע משוואות שתיארו את הכוחות ואת יחסי הגומלין ביניהם, והראו כיצד שני הכוחות הללו נוצרים מתוך אותם מטענים (המטען החיובי והשלילי). המשוואות שלו גם ניבאו שיש גלים שנעים בדיוק במהירות האור שנוצרים כאשר המטענים הללו מואצים. כך הבנו כיצד נוצרים בעצם גלי אור. לכן היום הפיסיקאים מדברים על כוח אלקטרו-מגנטי אחד ולגלי אור קוראים גלים אלקטרו-מגנטיים. כדי לפתח את המשוואות הללו מקסוול השתמש במושג שנקרא שדה, מושג שהמציא המורה שלו, הפיסיקאי מייקל פרדיי. שדה חשמלי ושדה מגנטי הם ההשפעה שעושה המטען על הסביבה שלו וברגע שמטען אחר עובר בשדה הזה הוא מרגיש אותו ועקב כך מרגיש שפועל עליו כוח חשמלי או מגנטי. כאשר מטען מואץ בתוך שדה אלקטרומגנטי כזה הוא גורם לגל בשדה, זהו הגל האלקטרו-מגנטי, גל האור (אפשר לחשוב על המטען המואץ שעובר בשדה האלקטרומגנטי בדיוק כמו יד שנעה הלוך וחזור במים ויוצרת סביבה גלי מים). שימו לב שלמרות שאנחנו לא רואים את השדה הוא ישות פיסיקלית קיימת ואמיתית בעלת תכונות פיסיקליות כמו אנרגיה. על קיום השדה אנחנו יודעים בזכות יחסי הגומלין שלו עם מטענים אחרים ובזכות ההפרעות שהמטענים עושים בו. יחסי גומלין אלה הם למשל הכוח האלקטרומגנטי וההפרעה בשדה היא גל האור.

דרך אגב, לפרדיי היתה תשובה שטובה גם היום למי ששואל מה אפשר לעשות עם גילוי חלקיק ההיגס. הוא חקר את השדות החשמליים והמגנטיים שהיו נחשבים אז לתופעות מוזרות ואקזוטיות. יום אחד הגיע אליו לביקור במעבדה ראש ממשלת בריטניה. פרדיי הראה לו כל מיני הדגמות מגניבות של חשמל עד שלבסוף ראש הממשלה אמר לו- "מאד נחמד כל מה שהראת לי, אבל מה נוכל לעשות עם זה?" לזה פרדיי השיב "אל תדאג, יום יבוא וגם על זה תוכלו להטיל מס". הוא צדק.

אחרי פרדיי ומקסוול בא איינשטיין בתחילת המאה ה-20. אינשטיין פתח את תקופת הפיסיקה המודרנית, הוא סיים לאחד את הכוח האלקטרו-מגנטי, גילה שאפשר לתאר את גלי האור כחלקיקים להם הוא קרא פוטונים, שינה לחלוטין את התפיסה שלנו היכן אנו חיים, מהם המרחב והזמן ומהו כוח הגרוויטציה והחל את חקר היקום כולו - הקוסמולוגיה. אחרי כל ההצלחות הללו הוא ניסה לפתח את תורת השדה המאוחד, תורה שתאחד את כל הכוחות בטבע. הוא ניסה לעשות זאת ללא הצלחה עד למותו בשנת 1955. הסיבה שהוא לא יכל לעשות זאת היא שהוא ניסה לאחד רק שניים מהכוחות, הכוח האלקטרומגנטי וכוח המשיכה. הוא התעלם משני הכוחות הגרעיניים שהיו חדשים מדי והתבססו על תורת הקוונטים (תורה שמתארת את התנהגות החלקיקים היסודיים) אותה אינשטיין אומנם עזר לפתח, אך לא קיבל.

רק אחרי שפיסיקאים כמו פול דירק וריצ'רד פיינמן פיתחו תורה חדשה שהצליחה לאחד את תורת הקוונטים עם חלק מתורת היחסות, תורה שנקראת תורת השדות הקוונטית ובעזרתה הצליחו להסביר את פעילות הכוח האלקטרומגנטי ושני הכוחות הגרעיניים, אפשר היה לנסות ולאחד את הכוחות. בשנת 1970 פירסמו הפיסיקאים שלדון גלשאו, אבדוס סלאם וסטיבן ויינבר תיאוריה כחלק מתורת השדות הקוונטית שהציעה כיצד לאחד שניים מארבעת הכוחות, הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החלש ולכן קוראים לתיאוריה הזו האיחוד האלקטרו-חלש.התיאוריה ניבאה קיום של ארבע חלקיקים חדשים שלא היו ידועים אז. האם האיחוד האלקטרו-חלש נכון? האם הצלחנו להבין עוד סוד של הבריאה? בשנת 1983 פיסיקאים נסוניים הצליחו למצוא שלוש מתוך ארבעת החלקיקים החזויים האלה וכך לחזק את הבטחון שלנו שהתאורייה אכן נכונה. החלקיק הרביעי שנשאר לגלות היה אותו חלקיק ההיגס שנמצא אתמול. כעת כל החלקיקים שחזתה תאוריית האיחוד האלקטרו-חלש נמצאו ונראה שאכן הצלחנו להתקדם לעבר חזונו של אינשטיין!

לפיסיקאי עבדוס סלאם יש סיפור חיים מעניין. הוא בן למשפחה ענייה מפקיסטן אך למרות הקושי הכלכלי והפחד ממחסור הוא לא ויתר על הסקרנות ועל הרגשת הפליאה שלו והלך אחרי הלב שלו ללמוד פיסיקה תיאורטית. הוא גם מוסלמי אדוק שמרבה לצוטט מהקוראן את הקריאה "לחקור את הטבע, להרהר..ולהפוך את המפעל המדעי לחלק בלתי נפרד מחיי העדה". מסתבר שאם רוצים אפשר לפרש את הקוראן גם בדרך חיובית.

עדיין לא הצלחנו לאחד את ארבעת הכוחות בעזרת "תיאוריה מאוחדת גדולה" אך אנחנו בדרך הנכונה. לפי ההשערה, מיד לאחר המפץ הגדול (כפי שרואים בצד שמאל של התמונה) האנרגיה והטמפרטורה ביקום היו מאד גבוהות וכל הכוחות היו מאוחדים תחת כוח אחד (שחור). אחרי שהיקום התקרר הסימטריה של הכוחות התפרקה מעט וכוח הכובד (כחול) התפצל מהכוח המאוחד. היקום המשיך להתקרר עד שהתפצלו הכוח הגרעיני החזק (אדום) והכוח האלקטרו-חלש (צהוב). בטמפרטורות עוד יותר נמוכות חלקיקי החומר וחלקיקי הכוח החלש קיבלו מסה בזכות מנגנון היגס וכתוצאה מכך הכוח האלקטרו-חלש התפצל לכוח האלקטרו-מגנטי (צהוב בהיר) ולכוח הגרעיני החלש (כתום בהיר), לכן כיום (צד ימין של התמונה) ישנם ארבעה כוחות יסודיים בטבע. חלקיק ההיגס שנמצא בניסוי מחזק את בטחוננו בנכונות האיחוד האלקטטרו-חלש (צהוב) ובנכונות ההשערה של איחוד הכוחות. (מקור תמונה: http://faculty.physics.tamu.edu/kamon/research/Cosmology_at_Colliders/).  

בחיפוש אחר הסימטריה האלוהית

 תורת השדות הקוונטית היא התיאוריה הפיסיקלית המוצלחת ביותר שפיתחנו עד היום, היא מצליחה לחזות את תוצאות הניסויים בדיוק מרשים של לפחות שישה ספרות אחרי הנקודה העשרונית. היא מתבססת על שילוב של מושג השדה ועל המהפכה והרעיונות שהציג אינשטיין לפיסיקה. הרעיון החשוב ביותר שאינשטיין לימד אותנו הוא חשיבות הסימטריה. סימטריה אומרת שיש אחידות, דברים נראים אותו הדבר גם כאשר ניסינו לשנות אותם. למשל כדור הוא סימטרי לסיבובים, לא משנה לאיזה כיוון תנסו לסובב אותו, כשתביטו בו הוא תמיד יראה אותו הדבר (בהנחה שלא מצויירים עליו ציורים של פו הדב למשל..). לכדור יש סימטריה מושלמת, אבל יש עוד הרבה סוגי סימטריות ולא כולן מושלמות. למשל בתמונת פתית השלג, יש סימטריית משושה. זו סימטריה לסיבובים בזוויות של 60 מעלות. בכל פעם שננסה לשנות את התמונה שאנו רואים ונסובב את הגביש בזוויות שקשורות לשישים מעלות, נגלה שאנחנו מקבלים שוב ושוב תמונה שנראית בדיוק כמו התמונה המקורית. אבל זו לא סימטריה מושלמת, אם נסובב את הגביש בזוויות שלא קשורות לשישים מעלות, תהרס הסימטריה והתמונה לא תראה בדיוק אותו הדבר.

אנחנו מעריכים סימטריה כדבר יפה, למשל ראו בניסויים שככל שפנים אנושיות יהיו יותר סימטריות מבחינת צד ימין ושמאל כך נגדיר אותן יותר יפות. אפשר גם לדבר על סימטריות יותר מופשטות כמו סימטריות מתמטיות וגם שם נעריך אותן כדבר יפה. למשל הרעיון של איחוד הכוחות, אם יש רק כוח אחד שמאחד את כל ארבעת הכוחות, אז יש כאן סימטריה, כל שאר הכוחות אמורים להראות אותו הדבר, כדי שנראה רק כוח אחד. ארבעת הכוחות הם מעין סיבובים שונים של אותו כוח מאחד. באנלוגיה לדוגמאות הקודמות אפשר לומר שאם הסימטריה בין הכוחות מושלמת, אז לא משנה לאיזה כיוון נסובב את הכוח המאוחד- לכיוון כוח הכובד או לכיוון הכוח האלקטרומגנטי או לכיוון שאר הכוחות, תמיד נראה את אותו כוח מאחד ללא שום הבדל (לפי ההשערה זהו המצב שהיה מיד לאחר המפץ הגדול).

אם הסימטריה פחות מושלמת נוכל להבדיל בסיבובים מסויימים בין חלק מהכוחות ולא נצליח להבדיל בין כוחות אחרים (מצב זה מתאים ליקום שהתקרר מעט אחרי המפץ הגדול וכתוצאה מכך חלק מהכוחות התפצלו מהכוח המאוחד, אך כוחות אחרים עדיין נשארו סימטריים אחד לשני ולכן אי אפשר להבדיל ביניהם). ככל שנשבור את הסימטריה הזו יותר כך הכוחות יהפכו להיות שונים יותר אחד מהשני. בגלל שאנחנו רואים הבדלים גדולים בין הכוחות בימינו אנו מבינים שהסימטריה ביניהם נשברה. עדיין נשארו שאריות סימטריה בין הכוחות, אך התכונות שלהם התפצלו והתרחקו אחד מהשני עד שאנו מבחינים בארבעה כוחות הנראים שונים זה מזה. לכן תיאוריה מאחדת גדולה צריכה להכיל שני חלקים, חלק שמראה כיצד כל הכוחות מתאחדים לכדי סימטריה שלמה אחת, וחלק שני כיצד הסימטריה הזו נשברת ומקבלים את הכוחות כפי שאנו מכירים אותם כיום. האיחוד האלקטרו-חלש מצליח לעשות זאת לכוח האלקטרומגנטי ולכוח הגרעיני החלש. הוא מראה כיצד שני הכוחות הללו ניתנים לתיאור ע"י סימטריה אחת וכיצד הסימטריה הזו נשברת כך שהכוח הגרעיני החלש פועל רק על מרחקים קצרים ואילו הכוח האלקטרומגנטי פועל בכל טווח מרחקים שהוא. שבירת הסימטריה הזו מתרחשת בעקבות מנגנון היגס שנותן מסות לחלקיקים מסויימים ולא לאחרים.

 יכול להיות שסימטריה תשבר עד כדי כך שנבחין בין תופעות שונות, אך עדיין תשאר איזושהיא סימטריה בניהן, עדיין תהיה תכונה שלא משתנה בין כל התופעות השונות הללו. ז"א שיש תכונה משותפת מאחורי כל התופעות שנראות שונות וכך מאחדת בניהם, למשל תופעות שונות שלכולן יש את אותה אנרגיה. אינשטיין הבין שאם נחפש סימטריות כאלה נוכל לאחד בין תופעות שנראות שונות ולמצוא להן חוק טבע אחד שיסביר אותן. למשל בדוגמת איחוד הכוחות, אם נשארו רק שאריות סימטריה בין הכוחות שאנו רואים היום אז עדיין יש קשר בניהם, יש איזו תכונה שמשתופת מאחורי כל הכוחות וניתן למצוא חוק טבע אחד שמתאר איך התכונה הזו מקשרת בין כל הכוחות ואיך אפשר בעזרת הסימטריה ההמשותפת הזו לסובב בין הכוחות השונים . מה משותף בין כל הכוחות? כולם התחילו מאותו כוח מאוחד, לכן אפשר לכתוב חוק טבע שיתאר את הכוח המאוחד וכיצד כל הכוחות נובעים ממנו. כשנסובב את הכוח המאוחד לכיוון מסויים נקבל כוח אלקטרומגנטי, כשנסובב לכיוון אחר נקבל את כוח הכובד וכדומה. שימו לב שבמקרה כזה אומנם אפשר להבחין בין הכוחות השונים, אך הכוחות לא עומדים בפני עצמם הם רק סיבובים של הכוח המאוחד. הם הפכו להיות שקולים אחד לשני, נסובב כוח אחד ונגיע לאחר, נסובב אותו ונגיע לכוח שלישי ובסיבוב נוסף נגיע לכוח רביעי. אין הבדל מהותי בניהם, כולם דומים ומייצגים צדדים שונים של אותו כוח מאוחד שנשבר כל פעם בדרך אחרת.

יש כאן סימטריה יפה בין כל הכוחות. היא יפה בגלל שבעזרתה אפשר לאחד דברים שנראו בתחילה שונים למקור אחד שמסביר את הכל. סימטריות מופשטות יפות גם הן בגלל האיחוד הזה של תופעות שונות למקור אחד משותף. הסימטריה מייצגת שלמות, זה נראה לא מושלם כשיש דברים רבים פזורים בלי כל קשר ביניהם כמו מערכת שבקושי מתפקדת בה הדברים מחוברים טלאי על טלאי וצריך תיקונים רבים כדי שהמערכת לא תקרוס (תחשבו על כל מערכת ביורוקרטית או על הצבא כדוגמה למצב כזה). לעומת מצב סימטרי בו הכל מאוחד בעזרת חוק אחד שמסביר איך כל הפרטים במערכת מתחברים זה לזה ומשפיעים זה על זה במעין ריקוד עדין ומושלם. ההרמוניה והסימטריה בין החלקים השונים מגיעה מתוך המקור המשותף שלהם שמקשר ביניהם.

מסיבה זו כבר מימי קדם פילוסופים ניסו לאחד את תופעות הטבע השונות למקור אחד וחיפשו סימטריות בטבע מסביבם. רבים מהפילוסופים היוונים הקדומים ראו בצורות העיגול והכדור צורות מושלמות בגלל הסימטריה המושלמת שלהם ואף סגדו להם. מאוחר יותר דתות רבות עברו מתיאור העולם ע"י אלים רבים לתיאור העולם ע"י אל אחד מרכזי, בגלל אותה שאיפה לאיחוד סימטרי מושלם. הרעיון התקדם והתפתח, ובימינו כאשר אנחנו חוקרים את הטבע ומגלים את חוקי הטבע השולטים ביקום, אנחנו מחפשים את הסימטריות שיאחדו את כל תופעות הטבע תחת חוק אחד או תחת תיאוריה אחת שתסביר את הכל. כהמשך לשם "חלקיק האלוהים" אפשר לומר שאנחנו מחפשים את הסימטריה האלוהית, הסימטריה שתאחד את ריבוי התופעות לתיאוריה אחת שלמה שתסביר מהי המציאות בה אנו חיים וממנה נוכל גם להבין מה מקומנו במארג המציאות. זו מטרה שאפתנית ומרתקת ולמרות שאנחנו עדיין בתחילת הדרך, כבר עכשיו יש התקדמות רבה בהבנת המציאות שסביבנו ועד כמה היא שונה ממה שחשבנו וממה שאנחנו רגילים לו בחיי היום יום. אימרה ידועה של איינשטיין משקפת את המטרה הזו - "אני רוצה לדעת כיצד ברא אלוהים את העולם הזה. אינני מעוניין בתופעה זו או אחרת, בספקטרום של יסוד זה או אחר. אני רוצה לדעת מה חשב הבורא. השאר הם פרטים".

אלברט אינשטיין. מקור:ויקישיתוף

אלברט אינשטיין לא אהב את השם תורת היחסות, שם שהפיסיקאי מקס פלאנק נתן לתיאוריה שלו והעיתונות אימצה, הוא העדיף שיקראו לה משהו כמו תורת הדברים הקבועים כיוון שהוא חיפש חוקי טבע קבועים שהסתתרו מאחורי סימטריות. הקשר ליחסיות הוא שכשיש דברים סימטריים הם יחסיים ושקולים אחד לשני. באיחוד הכוחות לדוגמה, הכוחות יחסיים, הם רק סיבובים שונים או נקודות מבט שונות של הכוח המאוחד. בדומה, מהירויות של גופים הם דבר יחסי לצופה שמודד אותן וכתוצאה מכך אפשר לאחד אותן תחת חוק טבע אחד שיסביר את תנועת כל הגופים במהירויות שוות. אינשטיין עשה בדיוק את זה בתורת היחסות הפרטית וכתוצאה מכך התגלו לו עוד ועוד סימטריות, והוא הצליח לאחד בין תופעות רבות שנראות במבט ראשון שונות. הוא גילה לדוגמה שיש סוג של איחוד בין המרחב ובין הזמן וכן בין מושג המסה ובין מושג האנרגיה.

כשאנחנו מנסים לחקור בעזרת הפיסיקה מהם חוקי הטבע אנחנו צריכים להשתמש בשפה מתמטית, מסתבר שהמתמטיקה, ולא המילים, היא זו שמצליחה לתאר ולנבא במדוייק את חוקי הטבע. כאשר אינשטיין רשם את המתמטיקה המתאימה לכל  הסימטריות הללו ולחוקי הטבע שנגזרים מהם הוא הופתע לקבל את הנוסחה המפורסמת ביותר בפיסיקה: E=MC2 שמשמעותה היא שמסה קשורה קשר הדוק לאנרגיה ואפשר להפוך מסה לאנרגיה ואנרגיה למסה (לפי הנוסחה מעט מסה היא כמות עצומה של אנרגיה ובשמש ובפצצות אטום חלק קטן מהמסה אכן הופכות לכמות גדולה של אנרגיה)! מספרים שלאחר שאינשטיין הגיע לנוסחה הזו הוא קיבל מעין התמוטטות עצבים מרוב התרגשות ונשאר בחדרו כמה ימים.

האיחוד המוזר ביותר שנובע מתוך תורת היחסות הוא איחוד המרחב-זמן ויש לו השלכות מרחיקות לכת על טיב המציאות שנו חיים בה. נראה שהזמן הוא עוד מימד בדומה לשאר שלושת מימדי המרחב, כתוצאה מכך כל המאורעות שנראים לנו מופרדים בזמן קיימים בעצם במקביל לאורך מימד הזמן. אין ממש בהפרדה שלנו בין עבר, הווה ועתיד. היקום הארבע מימדי שלנו הוא יקום קפוא, אין בו שינוי וכל המאורעות קורים בו זמנית! (להרחבה ראו איינשטיין - האיש שהחל להוציא אותנו מהמטריקס (חלק 1)). זו היתה הפעם הראשונה שתיאוריה פיסיקלית הראתה שהמציאות שונה לחלוטין ממה שאנחנו חווים בחיי היום יום. נסו לתאר איך זה לחיות ביקום בו כשמסתכלים אחורה בכיוון מסויים רואים את העבר וכשמסתכלים קדימה רואים את העתיד. נשמע הזוי ודמיוני, אך לפי תורת היחסות זהו המצב האמיתי של היקום שלנו. אנחנו לא מסוגלים לראות את המימד הרביעי, מימד הזמן ולכן אנחנו לא רואים את העולם כפי שהוא. מנקודה זו והלאה התיאוריות הפיסיקליות הולכות ומתרחקות מחיי היום יום בנסיון לגלות היכן אנחנו חיים ומהם חוקי הטבע ששולטים במציאות שסביבנו והמחקר הפיסיקלי מאשר כל פעם מחדש את המשפט- המציאות עולה על כל דמיון!

תורת השדות הקוונטית והאיחוד האלקטרו-חלש

בתורת היחסות אינשטיין הראה לפיסיקאים את הדרך כיצד לחפש סימטריות וחוקי טבע שמאחדים תופעות שנראות שונות. הוא אומנם ניסה להמשיך ולחפש סימטריות עוד יותר גדולות שימשיכו לאחד את כל הכוחות תחת תיאוריה של הכל, אך הוא לא הצליח לעמוד במשימה הזו. אחרי המהפכה האדירה שהוא ביצע בפיסיקה נותרנו עם שני תורות פיסיקליות גדולות שמסבירות צדדים שונים של הטבע. תורת היחסות שמסבירה את כוח המשיכה ומתארת מה מתרחש במהירויות גבוהות ומצד שני ישנה תורת הקוונטים שמתארת את התנהגות החלקיקים היסודיים במרחקים מאד קטנים. שתי התורות הללו עובדות מצויין ועמדו בניסויים רבים, אך הן לא מסכימות בניהם וכשמנסים לאחד אותן נתקלים בבעיות שעד היום לא הצליחו לפתור. תיאוריה של הכל צריכה, מן הסתם, להצליח ולאחד את שתי התורות הללו וזהו האתגר הגדול ביותר של הפיסיקה בימינו. 

אבל כן הצליחו להתקדם מעט ולאחד חלק מתורת היחסות (החלק שנקרא תורת היחסות הפרטית) עם תורת הקוונטים. התיאוריה הזו נקראת תורת השדות הקוונטית ויש בה אלמנטים מתוך תורת היחסות עם אלמנטים מתוך תורת הקוונטים. האיחוד האלקטרו-חלש, זה שניבא את קיום חלקיק ההיגס, הוא בעצם חלק מתוך תורת השדות הקוונטית, לכן אם רוצים להבין מהו חלקיק האלוהים ואיך אנחנו מתקדמים לעבר הסימטריה האלוהית, צריך להבין מהי תורת השדות הקוונטית.

 תורת השדות הקוונטית ממשיכה בדרכו של אינשטיין לעבר תיאוריה של הכל ע"י תיאור תופעות הטבע בעזרת סימטריות מופשטות, ומצליחה לנבא את תוצאות הניסויים בצורה מרשימה מאד. בתורה זו מתארים סימטריות, בעזרת הסימטריות ובעזרת השבירה שלהן מנסים להסביר הכל, התנהגות של חלקיקים, הימצאות כוחות, מטענים ומסות. כפי שרומז השם, לפי תורת השדות הקוונטית הדבר הבסיסי ביותר שקיים הוא לא חלקיקים וגם לא גלים אלא שדות. זוהי הרחבה של מושג השדה שהמציא פרדיי. לכל כוח יש שדה שיוצר אותו ולחלקיקי החומר יש שדה שמייצר אותם (נקרא שדה חומר). השדה נמצא באזור מסויים של המרחב (ושל הזמן) והוא קובע לחלקיק שעובר בתוכו איך להתנהג (כמו כדור ים שעולה ויורד בגלל גלי המים).

בגלל שהשדה קבוע ואחיד ותופס אזור מסויים, אפשר להשתמש בו כדי לכפות סימטריה על חלקיקים שעוברים באזור הזה. נניח שיש חוק טבע מסויים, במקום שהוא יפעל על כל חלקיק בנפרד, אפשר לאחד אזור שלם בעזרת שדה מתאים כך שכל חלקיק שעובר שם יתנהג לפי החוק הזה. במילים אחרות, השדות כופים חוק טבע וסימטריה מסויימים באזור שלם במרחב ובזמן. כדוגמה אפשר לחשוב על מי הים כמו שדה, וברגע שיש גל צונמי כל דבר שיהיה בים ירגיש את גל הצונמי האדיר. מפלס מים הים יעלה לגובה מסויים בזמן הצונמי ויכפה על כל דבר אחר בים לעלות איתו לאותו הגובה. כל הדברים בים יתנהגו לפתע בצורה סימטרית ויעלו לאותו גובה.  הנה כך מי הים בזמן הצונמי התנהגו כמו שדה שכופה סימטריה על אזור שלם במרחב ובזמן.

שימו לב שמושג השדה מתאים לתמונת העולם שמראה לנו תורת היחסות, אנחנו חיים בארבעה מימדים בהם אין משמעות לדבר על שינוי בזמן ועל תנועת חלקיקים, הכל כבר קרה והכל ישנו בבת אחת (מה שנקרא יקום נעול) ולכן הדבר הבסיסי ביותר לא יכול להיות חלקיק שנראה שהוא משתנה עם הזמן אלא שדה אחיד במרחב-זמן הארבעה מימדי.

מיד נשאלת השאלה, איך בכל זאת עוברים משדות קבועים בארבעה מימדים לחלקיקי חומר דינמיים ולכוחות שעובדים על חלקיקי החומר, כפי שאנו מכירים?

התשובה היא שלפי תורת הקוונטים, שמסבירה את התנהגות החלקיקים היסודיים, תופעות רבות בטבע שנראות לנו רציפות, הם בעצם בדידות. אנחנו מסתכלים לדוגמה על מים, הזרם נראה לנו רציף בלי רווחים, אך אם נגדיל את התמונה ונסתכל במיקרוסקופ על זרם המים נראה שבעצם הוא בדיד ומורכב ממולקולות מים קטנות ובין המולקולות יש רווח. בצורה דומה תורת השדות הקוונטים מראה שגם שדה הוא דבר בדיד ולא רציף. אבל איך הרעיון הזה עוזר לנו לקבל חלקיקים?

אינשטיין החל את הרעיון הזה של תורת הקוונטים כאשר הוא הראה שגם אנרגיה היא גודל בדיד ולא רציף. כשאנחנו נוסעים במכונית נראה לנו שאנרגיה היא גודל רציף, אפשר ללחוץ על דוושת הגז, המכונית תקבל עוד אנרגיה והמהירות תלך ותעלה. נראה שהאנרגיה והמהירות שאנחנו מוסיפים למכונית הם רציפות. אינשטיין הראה שזה לא המצב וכשנגדיל את התמונה ונסתכל על החלקיקים שמרכיבים את החומר נראה שגם האנרגיה בדידה. יש חלקיק אנרגיה שנותן ומוסר אנרגיה בין חלקיקים אחרים. החלקיק הזה יכול להיות רק בכמויות אנרגיה ספציפיות, והדבר המפליא ביותר הוא שחלקיק האנרגיה הזה הוא בדיוק מה שאנחנו קוראים לו אור. ז"א שהאור שנראה לנו רציף בעצם בנוי מחלקיקי אנרגיה להם הוא קרא פוטונים. הרעיון הזה כל כך חשוב עד שהשם תורת הקוונטים בא מהמילה קוונטה שמציינת כמות מסויימת ובדידה. הפוטון לדוגמה הוא קוונט של אנרגיה.

תורת הקוונטים מקוונטטת תופעות רבות, ז"א הופכת משהו רציף למשהו שבנוי מחלקיקים בדידים בעלי אנרגיה בדידה. יש מנגנון מתמטי איך עושים זאת וברגע שמפעילים אותו על שדה כל שהוא מתקבלים חלקיקים בדידים של אותו השדה. מתחילים משדה בעל אנרגיה מסויימת ומראים שהאנרגיה הזו באה במנות בדידות להם אנחנו קוראים חלקיקים. אם מנת האנרגיה של החלקיק מספיק גדולה, לפי הנוסחה של אינשטיין, היא תופיע כמסה. כך הגענו לשדה לא רציף שמורכב מחלקיקים. צריך לשים לב שהשדה קודם לחלקיקים והחלקיקים שנוצרים בשדה מתנהגים לפי הסימטריות והאנרגיה של השדה.

מודל של אטום הליום. גודלו של אטום הוא בערך טריליונית המטר. אם היינו יכולים לראות אטום הוא היה נראה דומה לזה. מסביב לגרעין אטום יש שדה חומר (שדה ספינורי) שמייצר אלקטרונים בשלל מצבים אפשריים (שחור) ובמרכז האטום ישנו הגרעין בעל שדות חומר אחרים שמייצרים את הקווארקים שמרכיבים את הפרוטון והנויטרון (סגול, ורוד). חוץ משדות אלו ישנם גם את השדות של הכוחות הגרעיניים והכוח האלקטרומגנטי שמשפיעים על מבנה האטום. מקור: ויקישיתוף

לכל כוח מתאים שדה משלו ולכן לכל כוח מתאימים חלקיקים משלו שנוצרים מהשדה. לדוגמה, כשיש שני מטענים אלקטרומגנטיים (נניח חיובי ושלילי) הם מייצרים סביבם שדה אלקטרומגנטי בעל סימטריה מתאימה ובו יש חלקיקים שמעבירים את הכוח האלקטרומגנטי בין המטענים. אנו קוראים לחלקיקים אלו חלקיקים נושאי כוח (לעומת חלקיקי חומר) והם נבלעים במטענים וכך המטענים מרגישים את הכוח שפועל עליהם. אפשר לסכם שלפי תורת השדות הקוונטית הכוחות מעוברים בין מטענים בעזרת חלקיקים נושאי כוח.

אחד הפיסיקאים שפיתח את תורת השדות הקוונטית, הסביר בעזרתה מהו הכוח האלקטרומגנטי וחזה את קיום הקוורקים נקרא ריצ'רד פיינמן. הוא היה מדען מבריק ואיש מעניין. כמו אינשטיין הוא שנא רשמיות, ידע להרצות טוב והיה שנון, מצחיק וצנוע. הוא אהב הרפתקאות, גם מדעיות וגם בחיים הרגילים. בשלב מסויים לדוגמה הוא החליט להיות חצי שנה בברזיל. הוא לימד שם באוניברסיטה, למד פורטוגזית מאד מהר ולמד לתופף בתופים ברזילאים מסורתיים. כמובן שעם הידע החדש שלו הוא הצטרף והופיע עם להקה בקרנבל בריו. גם לו היתה תשובה טובה לשאלה למה בכלל צריך לחקור את הטבע, "פיזיקה זה כמו סקס. בוודאי, זה יכול להניב כמה תוצאות מעשיות, אבל זאת לא הסיבה שאנו עושים את זה."

ריצ'רד פיינמן. מקור: ויקישיתוף

לאחר מכן כשהוא חזר לארה"ב הוא פתר חידה שהיתה קשורה בהתפרקות רדיואקטיבית ובכוח הגרעיני החלש. הוא סיפר שבאותו זמן השוטרים המקומיים כבר ידעו מי הוא.. מסתבר שהרבה פעמים הוא היה הולך למסעדה השכונתית בשעות הקטנות של הלילה. תוך כדי הוא היה ממשיך לחשוב על בעיות לא פתורות ולפעמים כשהחישובים היו מסובכים הוא היה עוצר ועומד במקום כדי להתמקד בחישוב ולעיתים הוא היה מנופף בידיים כשהוא מסביר לעצמו מה כדאי לעשות עם החישוב. השוטרים היו רואים איש מוזר באמצע הלילה עוצר באמצע הרחוב ומנופף בידיים. הם כמובן היו באים לשאול אותו מי הוא ומה הוא עושה כאן. רק לאחר כמה פעמים כשפיינמן מסביר להם שהוא גר כאן והולך למסעדה השכונתית, הם הניחו לו. איזה יופי לשמוע על אנשים כאלה שאוהבים את מה שהם עושים בתשוקה אדירה מבלי ההפרדה מלאכותית בין עבודה לפנאי!

 כמו שיש שדה שמייצר חלקיקים נושאי כוח, ישנו שדה שמייצר את חלקיקי החומר (כמו החלקיקים שבונים את האטום). בעזרת כל השדות הללו ותהליך הקווינטוט שלהם אנו יכולים להסביר את כל החלקיקים הידועים כיום ואת התנהגותם ואף לחזות חלקיקים שלא היו ידועים, כפי שקרה עם שלושת החלקיקים שנושאים את הכוח החלש ועם חלקיק ההיגס. כך אנו מגיעים למודל הסטנדרטי שהוא אוסף כל החלקיקים הללו, חלקיקי החומר וחלקיקים נושאי הכוח.

 

זוהי תמונה של המודל הסטנדרטי. החלקיקים מסודרים לפי התכונות שלהם. כל תכונה כזו אמורה להיות מוסברת בעזרת סימטריה או שבירת סימטריה. כיום אנחנו יודעים להסביר את רוב תכונות החלקיקים. באדום רואים את כל החלקיקים נושאי הכוח ובשאר הצבעים רואים את חלקיקי החומר. בירוק רואים משפחת חלקיקים שנקראת לפטונים (בו נמצא האלקטרון) ובסגול משפחת חלקיקים אחרת שנקראת קווארקים.. המודל הסטנדרטי חזה גם את חלקיק ההיגס, למרות שהוא לא מופיע בתמונה זו. מקור: ויקישיתוף

סימטריות כיול ומנגנון היגס

כמו שאינשטיין הבין, הסימטריות הן הבסיס ומחוקי טבע שכופים סימטריה ניתן לקבל תופעות רבות. לכן כדי להסביר את החלקיקים והכוחות השונים בתורת השדות הקוונטית השדות צריכים לקיים סימטריות שונות, בייחוד אנחנו מחפשים מתי האנרגיה של השדה תשאר סימטרית. ז"א איזה פעולות אפשר לעשות על השדה ובכל זאת האנרגיה לא תשתנה. כך אפשר למצוא את משוואות התנועה שמתארות את התנהגות החלקיקים השונים. בנוסף, הפיסיקאים גילו שאפשר להגיע (כמעט) לכל הכוחות היסודיים בטבע בעזרת שבירה מסויימת של סימטריות האנרגיה הללו. אם מתחילים מסימטריה מסויימת ומעוותים אותה מעט, כך שעדיין יש סימטריה אבל היא חלקית, מופיע כוח שמנסה להחזיר את הסימטריה המושלמת המקורית וזה יהיה בדיוק אחד הכוחות היסודיים בטבע. הרעיון הוא שמעוותים את הסימטריה כך שבכל נקודה ונקודה הסימטריה מעט שונה. התלות הזו של הסימטריה במיקום ובזמן מעוותת אותה, לדוגמה תסתכלו בתמונה הבאה.

 

שעונים עגולים מצולמים דרך מראה עקומה. מקור: http://davidvso.blogspot.co.il/2011_09_01_archive.html

הצלם דיויד מצלם קיר מלא שעונים דרך מראה מעוקמת. כתוצאה, כל השעונים שיש להם סימטריה עגולה יפה נראים לא עגולים ולא סימטריים יותר. הסימטריה המקורית של השעונים התעוותה, כל העיגולים נראים מרוחים כלפי מטה. העיוות נוצר בגלל המראה העקומה, צורת השעון המשתקפת תלויה בעיוות המראה שישנו בכל נקודה ונקודה של המראה, כל נקודה מורחת ומזיזה את דמות השעון בצורה אחרת. ז"א שהסימטריה של צורת השעון נשברה כי היא תלויה בעיוות שיש בכל נקודה במראה. באותו אופן, אפשר לעוות את הסימטריה של אנרגיית השדות כך שהיא תלויה בכל נקודה ונקודה ואז כדי להחזיר חזרה את הסימטריה המקורית צריך להוסיף שדה חדש (בעל חלקיקים חדשים) ושדה זה מתאים לאחד משלושת השדות של הכוחות היסודיים בטבע, הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק או הכוח הגרעיני החלש. יש סימטריה מתאימה לכל אחד מהכוחות הללו כך שכשמעוותים אותה ע"י תלות במקום ובזמן מקבלים את שדה הכוח ואת חלקיקי הכוח המתאימים. לשיטה הזו קוראים סמטריית כיול (אנו מכיילים מחדש את הסימטריה שעוותה ומקבלים שדה כוח).

השיטה הזו עובדת מצויין עבור שלושת הכוחות הללו, אבל היתה בעיה. בגלל הסימטריה ההתחלתית (למרות שהיא עוותה) כל חלקיקי הכוחות שנוספו הם חלקיקים חסרי מסה. אבל הכוח הגרעיני החלש דורש שיהיו לו חלקיקים נושאי כוח בעלי מסה גדולה. ככל שלחלקיק יש יותר מסה, כך הוא כבד יותר ויחסי הגומלין שהוא מבצע יהיו רק עם חלקיקים קרובים, מצב זה מתאים לכוח החלש כי הוא פועל במרחקים מאד קצרים. לכן צריך היה להבין איך שוברים עוד יותר את הסימטריה כך שגם הסימטריה בין החלקיקים נושאי הכוח תשבר ולחלקיקי הכוח הגרעיני החלש תהיה מסה בעוד חלקיקי הכוח של שאר הכוחות ישארו חסרי מסה.

פיטר היגס ועוד שני פיסיקאים הציעו דרך כיצד לעשות זאת. למנגנון קוראים מנגנון היגס. הוא מתחיל מהסימטריה המעוותת כדי להגיע לכוח הרצוי ואז שובר אותה, דבר שנקרא שבירת סימטריה ספונטנית. בדיוק כמו שאף אחד לא אוהב לעבוד קשה ואם כבר חייבים להוציא הרבה אנרגיה אז ננסה לקצר את התהליך וללכת לנוח, כך מתנהגים גם החלקיקים.  אנחנו יודעים להראות שחלקיקים ינועו במצב האנרגטי הכי נמוך שהם יכולים להמצא בו (או במילים אחרות, במצב האנרגטי הכי נמוך שהשדה שלהם יכול להמצא בו). לפעמים אין ברירה והמצב הכי נמוך מבחינה אנרגטית הוא בעצמו מצב עם הרבה אנרגיה. החלקיק יהיה במצב זה אך כל שינוי קטן במצב יגרום לחלקיק לעבור למצב חדש בעל אנרגיה נמוכה יותר. אחרי המפץ הגדול, כאשר היקום היה בעל אנרגיה וטמפרטורה גבוהים, זה היה המצב של השדות השונים. כל שדות הכוח היו אנרגטיים מאד, לא היה הבדל ביניהם והם היו סימטרים לחלוטין. לכן מיד לאחר המפץ הגדול היה רק כוח מאוחד.

לאחר התקררות מסויימת השדות מיד יכלו לרדת למצב בעל אנרגיה הרבה יותר נמוכה (אך עדיין לא אפס). בעקבות הירידה הזו היתה שבירת הסימטריה הספונטנית ולכן החלקיקים קיבלו מסה והכוחות החלו להיפרד. הסימטריה שהתחלנו ממנה מחלחלת ומכתיבה גם כמה מצבי אנרגיה מינימליים יש לשדה. בגלל הסימטריה יש לשדה כמה מצבים בעלי אנרגיה נמוכה אליהם הוא יכול לרדת, וכל המצבים הללו סימטריים אחד לשני (ז"א בעלי בדיוק אותה אנרגיה נמוכה). שבירת הסימטריה התרחשה ברגע שהשדה ירד למצב מסויים של אנרגיה נמוכה ולא למצב אחר. למרות שיש לשדה הרבה מצבים לבחור מהם בעלי אנרגיה נמוכה, הוא יורד רק לאחד מהם. אפשר לומר שהשדה בחר רק מצב אחד מכל המצבים וכך נשברת הסימטריה של כל המצבים הללו (פתאום בחרנו רק אחד מהם. ראו גרף).

גרף זה שנקרא גרף כובע הסומבררו, מתאר את מצבי האנרגיה השונים של השדה, לפי מנגנון היגס. ככל שעולים למעלה (ציר V בגרף) כך האנרגיה גבוהה יותר. שאר הצירים מציינים את הערכים שהשדה יכול להיות בהם. במצב 1 (במעלה הגבעה) השדה (והחלקיקים שלו) בעלי אנרגיה מינימלית מאד גבוהה, כפי שהיה מיד לאחר המפץ הגדול. במצב 2 היה שינוי כל שהוא ומיד השדה ירד למצב מינימום אנרגיה חדש, הרבה יותר נמוך מהמצב הקודם. שימו לב שיש לשדה אינסוף מצבים חדשים כאלה של מינימום אנרגיה, מסביב לגבעת האנרגיה. כל המצבים הללו בעלי אותה אנרגיה נמוכה. אך כשהשדה יורד הוא בוחר באופן אקראי מצב אחד מתוך כל המצבים האפשריים הללו. בחירה זו שברה את הסימטריה של מצבי מינימום האנרגיה למצב יחיד אותו השדה בחר.  מקור: higgs_Gerard_t_Hooft__Scholarpedia

אז מה היה לנו כאן? התחלנו מסימטריה כלשהיא כך שאפשר לבצע פעולות על האנרגיה של השדות והיא נשמרת, עיוותנו אותה כדי לקבל שדות כוח שונים ואז בעזרת מנגנון היגס שברנו את הסימטריה של מצבי מינימום האנרגיה האפשריים שיש לשדה. כתוצאה מכל התהליך הזה יש לנו שדות של כוח והשדות האלה שברו את הסימטריה ובחרו אנרגיה מינימלית מסויימת. האנרגיה הזו גדולה מאפס וכתוצאה מהאנרגיה החדשה הזו נוספים חלקיקים חדשים לשדה. לחלקיק אחד יש אנרגיה סביב האנרגיה המינימלית הזו, אנרגיה זו נראית לנו כמו מסה ולכן החלקיק הזה הוא מאסיבי בעל מסה (בגרף ניתן לתאר אותו כמו החלקיק האדום במצב 2 שנע מעט למעלה ולמטה כמו בנדנדה סביב אנרגיית המינימום שהוא בחר). זהו חלקיק ההיגס. חוץ ממנו נוצרים חלקיקים נוספים חסרי מסה (בגרף ניתן לתאר אותם כחלקיק שנע מסביב לגבעה ועובר על כל מצבי מינימום vאנרגיה השונים), הם נבלעים בשדה הכוח שהתחלנו איתו ומוסיפים מסה לחלקיקים נושאי הכוח של השדה. כך בעקבות שבירת הסימטריה הספונטנית של מצבי האנרגיה המינימלית של השדות יש לחלקיקי הכוח מסה. 

כל הרעיון של מנגנון היגס הוא שהמצבים שהשדה יכול לבחור כדי להגיע למינימום אנרגיה, לא נותנים לו אנרגיה אפס אלא אנרגיה ששונה מאפס. וכאשר השדה בוחר את אחד המצבים הללו הוא שבר את הסימטריה בין המצב הנבחר לשאר המצבים שמתאימים לאותה אנרגיה מינימלית. בגלל השבירה הזו והאנרגיה המינימלית שגדולה מאפס מקבלים חלקיקים חדשים שמשנים את מאזן המסות. את מנגנון היגס אפשר להפעיל על כל שדה. אם נפעיל אותו על שדות של הכוח החלש נקבל שלחלקיקי הכוח החלש יש מסה, כמו שרצינו. בנוסף נקבל גם את חלקיק ההיגס. אם נוסיף למשוואות שלנו גם את שדות החומר, נגלה שגם הם קיבלו מסה. כך, בעזרת שבירת הסימטריה הספונטנית הזו הצלחנו להראות כיצד כל חלקיקי החומר (קווארקים, אלקטרונים וכדומה) קיבלו מסה ואיך חלקיקי הכוח החלש קיבלו מסה גם כן.

מנגנון היגס והאיחוד האלקטרו-חלש היו מוכרים כבר משנות השבעים. באיחוד הזה התחלנו מסימטריה משותפת לשני שדות כך שהאנרגיה שלהם לא משתנה, ביצענו סימטריית כיול מתאימה לכוח החלש (עיוותנו את הסימטריה המקורית כך שיופיע הכוח החלש) וכך מתוך שני השדות הופיעו שני חלקיקים טעונים במטען חשמלי שמעבירים את הכוח הגרעיני החלש ועוד שני חלקיקים ללא מטען חשמלי. אחד מהם הוא חלקיק שגם מעביר את הכוח הגרעיני החלש והחלקיק האחרון הוא החלקיק שמעביר את הכוח האלקטרומגנטי. כך איחדנו בין שני הכוחות הללו. לאחר מכן ביצענו את מנגנון היגס וקיבלנו ששלושת החלקיקים שמעבירים את הכוח הגרעיני החלש קיבלו מסה ואילו החלקיק שמעביר את הכוח האלקטרומגנטי נשאר ללא מסה (ואכן אנחנו יודעים שהחלקיק שמעביר את הכוח האלקטרומגנטי הוא אותו הפוטון שאינשטיין תיאר כחלקיק אנרגיה חסר מסה). בנוסף קיבלנו גם את חלקיק ההיגס שנוצר כתוצר לוואי מהפעלת מנגנון היגס.

עם כל הכבוד לתיאוריה, לסימטריות ולמשוואות יפות, ללא תוצאות ניסויים שתומכות בתיאוריה, הן לא שוות דבר, כי במקרה כזה הן לא מתארות את הטבע שסביבנו. ולכן ריצ'רד פיינמן אמר "זה לא משנה כמה התיאוריה שלך יפה, זה לא משנה כמה אתה חכם. אם היא לא מתיישבת עם הניסוי, היא שגויה". תמיד יש מעט התרגשות כשעושים ניסוי שאמור להכריע האם התיאוריה נכונה או לא, למרות שכששאלו את אינשטיין בשנת 1919 לקראת תוצאות ניסוי שהיה אמור לבדוק את תורת היחסות, האם הוא חושש, אינשטיין השיב שלא. כשהעיתונאים המשיכו ושאלו אותו, ומה יקרה אם הניסוי יראה שתורת היחסות לא נכונה? אינשטיין חייך והשיב אז אני ארחם על אלוהים..

בתחילת שנות השמונים נבנו מאיצי חלקיקים חדשים שיכלו להגיע לאנרגיות מספיק גבוהות ולמצוא את שלושת החלקיקים שנושאים את הכוח הגרעיני החלש. הם באמת מצאו את שלושתם, שניים מהם היו בעלי מטען חשמלי ואחד ללא מטען כזה, בדיוק לפי התחזיות של תיאוריית האיחוד האלקטרו-חלש. אך מה עם חלקיק ההיגס? התיאוריה חוזה גם את קיומו (בעקבות מנגנון היגס שהכרחי עבור האיחוד האלקטרו-חלש). עד כמה שגילוי שלושת חלקיקי הכוח החלש הוא גילוי מרשים שמחזק את הסיכוי שהתיאוריה נכונה, עד שלא ימצאו גם את חלקיק ההיגס, תרחף עננה מעל נכונות התיאוריה. כדי למצוא אותו היה צורך בבניית מאיץ חלקיקים עוד יותר גדול ומרשים. חיכינו מעל לעשרים שנה עד שסיימו לבנות את מאיץ החלקיקים LHC ורק בו ניתן היה להגיע לאנרגיות מספיק גבוהות מהם יווצר חלקיק ההיגס. והנה היום הגיע וחלקיק ההיגס החזוי אכן נמצא!

בחיפוש אחר הסימטריה האלוהית, ומה עכשיו?

איך מתקדמים מכאן הלאה בחיפושינו אחרי התיאוריה של הכל? באופן משעשע עם גילוי חלקיק ההיגס הסתיים תפקידם של המודל הסטנדרטי ותורת השדות הקוונטית בצורתה הנוכחית. הגענו כנראה לקצה היכולת שלה מבחינת המשך איחוד הכוחות. אומנם בעקבות הצלחת האיחוד האלקטרו-חלש, ניסו פיסיקאים ללכת באותה דרך ולאחד גם את הכוח הגרעיני החזק עם הכוח האלקטרו-חלש, אך האיחוד הזה נקלע לבעיות. הבעיה החמורה ביותר של האיחוד החזק היא שאחד הניבויים של התיאוריה טוען שחלקיק הפרוטון (שמורכב מקוורקים ומרכיב את גרעין האטום ביחד עם הנויטרון) אמור להתפרק לחלקיקים יותר קלים. אומנם אמור לקחת זמן מאד ארוך עד להתפרקות שלו, אך אם יש מספיק פרוטונים ניתן לבדוק את הניבוי הזה ולמצוא פרוטון מתפרק. עד היום לא הצלחנו להבחין אפילו בפרוטון אחד שעבר התפרקות.

אולי צריך להמשיך ולחפש אחר התפרקות כזו ואולי הגיע הזמן לעבור לתיאוריות חדשות ונועזות שצועדות אל מעבר למודל הסטנדרטי. אחרי הכל, הטבע תמיד מפתיע אותנו מחדש והמציאות הולכת ומתגלית כמקום מוזר יותר ויותר. יש עוד בעיות עם המודל הסטנדרטי ותורת השדות הקוונטית. הבעיה העיקרית היא שהתיאוריה לא מצליחה לאחד את כוח הכובד עם שאר הכוחות, לא רק שהיא לא מצליחה לאחד בניהם, היא אפילו לא מצליחה לתאר את כוח הכובד- הגרוויטציה. כשמנסים לקוונטט את שדה הגרוויטציה ולהוציא ממנו חלקיקים נושאי כוח כובד מגיעים לתוצאות לא הגיוניות של אינסוף. זהו רמז לכך שהתיאוריה לא מספיק טובה.

יש שתי תיאוריות עיקריות שיוצאות אל מעבר למודל הסטנדרטי ומנסות להרחיב את הסימטריות בכדי לאחד את כל חוקי הטבע תחת תיאוריה של הכל. אחת נקראת סופר-סימטריה והשניה נקראת תורת המיתרים. תורת המיתרים היא כרגע המועמדת העיקרית להיות התיאוריה של הכל. מבחינה מתמטית היא מצליחה לאחד את כל כוחות הטבע, כולל הגרוויטציה ואת כל החלקיקים. כמובן שזה אומר שהיא תיאוריה עוד יותר מוזרה מכל התיאוריות הפיסיקליות שהוכחו עד היום, ובין השאר היא טוענת שאנו חיים לא בשלושה מימדי מרחב ומימד זמן אחד אלא ב11- מימדים.. הבעיה היא שמאד קשה לבדוק האם היא נכונה. אין לה ניבויים ישירים שניתן לבדוק כרגע במאיצי החלקיקים.  

התפקיד של מאיץ החלקיקים LHC לא הסתכם רק בחיפוש וגילוי חלקיק ההיגס. המטרה היותר מעניינת שלו היא לנסות ולמצוא כעת עדות לנכונות אחת התיאוריות הללו. כולנו מצפים להודעה מצוות המאיץ על גילוי חלקיקים חדשים ואקזוטיים שלא נראו עד היום. חלקיקים כאלו יפרצו את המודל הסטנדרטי ויאלצו אותנו להמשיך ולהרחיב את התיאוריות הקיימות, ואולי אחד מהחלקיקים הללו יתאים לניבוי של תיאוריית הסופר-סימטריה. אפשרות עוד יותר מהפכנית תהיה למצוא עדות עקיפה לקיומם של מימדים נוספים מעבר לארבעת המימדים הידועים. עדות כזו תהיה הממצא הנסיוני הראשון שמאשש את תורת המיתרים. בהחלט יש למה לצפות בשנים הקרובות ונראה שמהפכה בפיסיקה היא רק עניין של זמן.

  בחיפושינו אחרי משמעות והבנה של המציאות סביבנו הגענו לכך שהמציאות מאד שונה ממה שאנו מכירים כמציאות היום יומית. התחלנו לחשוף בעזרת סימטריות את חוקי הטבע הבסיסיים שיוצרים את העולם שלנו ואת היקום שלנו והגענו לתובנות מרתקות. מרחב זמן ארבע מימדי מלא בשדות סימטריה שמהם נוצר החומר. החומר שנראה לנו כדבר הבסיסי ביותר שיש הוא רק צל של מהויות בסיסיות יותר, כיום נראה שהמהות היסודית הזו היא שדה מופשט, אך אמיתי בעל אנרגיה. המסה שנראית לנו דבר כה מוחשי היא עוד סוג של אנרגיה שאנו יכולים למדוד ולגלגל לסוגי אנרגיה אחרים כמו אנרגיית חום ואור. ומי יודע? אולי אנחנו חיים בכלל במרחב 11 מימדי?

איזה עולם מוזר אנו חיים בו! כל התובנות הללו מערערות את התפיסות הרגילות שלנו, כמו למשל מה זה החומר הזה שאנו מורכבים ממנו? הוא אפילו לא הדבר הבסיסי ביותר שיש. האם אי פעם נוכל לעבור ולתאר את העולם בעזרת המהויות היסודיות האמיתיות שמרכיבות אותו?  לאן יובילו אותנו המשך החיפושים אחר התיאוריה של הכל, אחר הסימטריה האלוהית? אי אפשר לדעת, מה שכן ניתן לומר הוא שהתיאוריות הפיסיקליות ימשיכו להיות יותר ויותר מוזרות ככל שנעמיק להבין היכן אנחנו באמת נמצאים. אנחנו עומדים על אי קטן של הבנה, מסביבנו ים ענק ואולי אינסופי של מסתורין ואנחנו מצליחים אט אט ובנחישות להגדיל את החוף ולבנות ממנו גשרים לכל עבר.

התובנות הללו מגמדות את חיי היום יום שלנו, נותנות פרספקטיבה ומעוררות השראה. כל כך הרבה זמן ואנרגיה אנחנו משקיעים לריק בתחרויות מזויפות, מלחמות אגו ושליטה באחרים, האם לא כדאי במקום זאת להשקיע את זמננו בהרחבת האי ובהרחבת ההבנה מהי המציאות האמיתית שאנו חיים בה ומה הפוטנציאל הגלום בנו? האם לא כדאי להשקיע את מרבית המשאבים והזמן שלנו לפיתוח הפוטנציאל הזה ובפתרון חידת הקיום?

The Beatles Strawberry Fields Forever

איך אפשר לסיים מאמר שנקרא שדות היגס לנצח מבלי לשים את המקור לשם - שדות תותים לנצח, של הביטלס. שיר סוריאליסטי ומוזר, אבל עכשיו אתם כבר מבינים ואתן כבר יודעות, המציאות האמיתית שלנו מוזרה וסוריאליסטית בעצמה. אז תתמסרו לחוויה ותנו לי לקחת אתכם לעומק כי אני הולך לשדות ההיגס, שום דבר אינו אמיתי, ואין במה לאחוז. שדות היגס לנצח!

 

 

 


הוספת תגובה

נשארו 150 תוים
נשארו 1500 תוים

12 תגובות

© כל הזכויות לתוכן המופיע בדף זה שייכות ל freenl אלא אם צויין אחרת