מדען אורח פרופ' זוהר קומרגודסקי

מהי, לדעתך, פריצת הדרך המשמעותית או המסקרנת ביותר שנעשתה בתחום המחקר שלך בשנים האחרונות?

הפיזיקה שנלמדת בתיכון, הכוללת את חוק חיבור המהירויות של גלילאו ושלושת חוקי התנועה של ניוטון, אינה אלא קירוב מסוים לחוקי הטבע בפועל. התיקונים לחוקי גלילאו וניוטון בטלים בשישים כאשר מדובר בחיי היום, אולם כאשר מתחילים לבחון גופים שנעים קרוב למהירות האור או גופים קטנים מאוד (אטום מימן, למשל), חוקי הפיזיקה "הקלאסית" הופכים לבלתי רלוונטיים משום שהם מנבאים תוצאות אחרות מאלה שעולות בניסויים.

מה שהחליף את הפיזיקה הקלאסית הוא תורת השדות הקוונטית, המאפשרת לדון באופן עקבי בחלקיקים קטנים ומהירים. למעשה, המסגרת הזו מספקת את סט חוקי הפיזיקה המדויקים ביותר הידועים לאנושות. היא אמנם סובלת מחוסר עקביות כאשר מנסים להבהיר באמצעותה תופעות כמו חורים שחורים או את המפץ הגדול, אך היא בכל זאת הבסיס היציב ביותר למה שאנחנו יודעים על העולם. עד כדי כך, שחוקי תורת השדות הקוונטית ידועים כיום תחת השם "המודל הסטנדרטי". ובכל זאת, זהו "עוף מוזר" שרק התפתחויות בשנים האחרונות הפכו אותו למעט פחות מוזר.

ההיסטוריה של הפיזיקה רצופה בגילויים שנסמכו על שיטות עבודה מתמטיות חדשות שפותחו במטרה לבסס תיאוריות חדשות. כלומר, במקום להשתמש באקסיומות מתמטיות מוכחות כדי לבנות באמצעותן השערות חדשות, פיסיקאים רבים עובדים הפוך: יש להם אינטואיציה לגבי מה עשוי לעבוד ומכאן הם מחברים שפה מתמטית חדשה שתסייע להם לתמוך באינטואיציה זו. לדוגמה, כתוצאה מניסיונותיו להבהיר את תנועת גרמי השמיים, ניוטון פיתח חלקית את החשבון האינפיניטסימלי (מה שבתיכון מוכר כחדו"א: חשבון דיפרנציאלי ואינטגרלי). ובאופן דומה, כתוצאה מניסיון להסביר את הספקטרום של אטומים שונים, דיראק פיתח את תורת ההתפלגויות. במקרים אלה ואחרים, לאחר מספר שנים, המתמטיקאים הצליחו לקחת את הכלים המתמטיים החלקיים הללו ולעגן אותם באמצעות הוכחות מסודרות. הוכחות מתמטיות אלה הן מעין "תו כשרות" אחרון אך קריטי לנכונותן של התיאוריות הפיסיקאליות.

תורת השדות הקוונטית היא עוף מוזר משום שמצד אחד, היא מצליחה לנבא בדיוק חסר תקדים את התוצאה הנכונה בהמון ניסויים (למען האמת, איננו מכירים ניסוי אחד העומד בסתירה לתורת השדות הקוונטית). אך מצד שני, החישובים שהפיסיקאים עושים הם כמעט תמיד מקורבים בלבד ועשרות שנים של עבודה מאומצת של מתמטיקאים, בניסיון לעגן את כלי החישוב הללו בהוכחות מסודרות, עלו בתוהו. בשנים האחרונות התרחשה פריצת דרך משמעותית ביותר בתחום, לאחר שנמצאו הרבה מודלים מתמטיים מדויקים שבהם פיסיקאים יכולים להשתמש. הדבר יוביל בוודאי לביסוס שאר הכלים המתמטיים העומדים מאחורי תורת השדות הקוונטית ולמעשה, לביסוס הבנתנו את היקום.

מהם המחקרים שמעסיקים אותך בתקופה זו?

בעקבות פריצת הדרך שתיארתי קודם, חישובים רבים שבעבר לא חלמנו שיתאפשרו הינם ברי ביצוע כיום באופן מדויק. אני מתעניין, בין היתר, בהשלכות שונות של החישובים החדשים הללו. למשל, אחד הדברים המוזרים שמכניקת הקוואנטים מנבאת הוא, שהוואקום איננו מערכת שאין בה כלום, וכי למעשה, בלתי אפשרי להגיע למצב פיסיקלי שבו "אין כלום". הוואקום מלא בחלקיקים שעצם קיומם מתממש ונמוג חליפין. לכן, אחד האתגרים המעניינים ביותר הוא להבין את מבנה הוואקום. זה אומנם נשמע כמו אוקסימורון, "מבנה של וואקום", אך אפשר לעכל את הרעיון ברגע שמבינים שאין באמת דבר כזה "שום דבר". בשנים האחרונות נושא זה מעורר עניין רב בתחומים שונים בפיזיקה ותוך כדי חקירה, עולות שאלות חדשות. למשל, חלק מהמודלים מנבאים כי החלקיקים המופיעים "יש מאין" תלויים בהתנהגותם של חלקיקים אחרים, בחלק אחר של המרחב. שני חלקיקים שזורים ישפיעו זה על תכונותיו של זה, גם אם מפריד ביניהם מרחק של מיליוני שנות אור. על כן, במחקר "אנטרופיית שזירת הוואקום" (vacuum entanglement entropy), אנחנו מנסים להבין כיצד חלקיקים שקיומם מתממש בוואקום באזור אחד של המרחב, עשויים להשפיע על חלקיקים באזור אחר.

כיצד אתה רואה את העתיד של תחום המחקר שלך?

תורת השדות הקוונטית הפכה לשפה האוניברסלית של הפיזיקה במאה ה- 21. שפה זו שגורה לא רק בפיהם של חוקרי כבידה קוונטית, אלא גם במגוון תחומים אחרים, כמו פיזיקה סטטיסטית, תורת החלקיקים, פיסיקת חומר מעובה ועוד. יחד עם זאת, למרות שאנו יודעים הרבה על הפונולוגיה של השפה, התחביר עדיין לא מפותח דיו. המשך פיתוח השפה והתכונות של תורת השדות הקוונטית בוודאי ישפיע רבות על הבנת תופעות רבות שפיסיקאים מתמודדים איתן. למשל, עד היום איננו מבינים כיצד ייתכן שהפרוטון (חלקיק בגרעין האטום) הוא כל כך כבד באופן יחסי. הפרוטון מורכב משלושה קווארקים אך באופן משונה, המסה של שלושת הקווארקים יחד הינה קטנה בהרבה ממסת הפרוטון עצמו. ההסבר הרווח הוא, שמסת הפרוטון נובעת מתופעה שקיבלה את השם "הכוח הגרעיני החזק", אולם אף אחד מעולם לא הצליח, באמצעות חישוב מפורש, להראות שהתופעה הזו בכלל קיימת. הבנה טובה יותר של תורת השדות הקוונטית בהחלט עשויה לקרב אותנו לפיצוח תעלומה זו ורבות אחרות.

מהו ההסבר האלגנטי, העמוק או היפה ביותר בעיניך לתופעה כלשהי?

באופן אינטואיטיבי, אנחנו יודעים שכל הדברים הקיימים בעולם נמצאים באחד מתוך שני מצבים: או שהם בתנועה או שהם עומדים במקום. כך מפתה לחשוב גם לגבי חלקיקי האטום אבל כאן עולה פרדוקס, שנובע מהעובדה שחלקיקים אלה טעונים חשמלית. אילו אלקטרון היה שרוי בחוסר תנועה ביחס לגרעין האטום שלו, הוא היה קורס לתוכו בגלל המטענים החשמליים המנוגדים (האלקטרונים טעונים מטען שלילי ואילו הפרוטונים בגרעין נושאים מטען חיובי). לעומת זאת, אילו האלקטרון היה מסתובב סביב גרעין האטום הוא היה חייב לפלוט אנרגיה כמו כל אובייקט טעון חשמלית, מה שהיה גורם לו להאט עד שהוא שוב היה קורס לגרעין ומשמיד אותו. אם אחד התרחישים האלה היה מתממש, לא היו קיימים אטומים שיהוו חומר כלשהו בעולם. מן הסתם אנחנו יודעים שזה אינו המצב ונשאלת השאלה, כיצד מצליחים להתקיים אטומים יציבים?

התשובה לשאלה זו היא למעשה הרעיון המשונה אך הבסיסי של מכניקת הקוונטים: בעולם המיקרו של האלקטרונים אין משמעות למיקום של חלקיק. למרות שהאלקטרון הוא חלקיק, אין לנו דרך לנבא היכן הוא נמצא, אלא רק את הסיכוי למצוא אותו במקום מסוים במרחב. לכן ההמחשה המפורסמת, לפיה האלקטרון חג סביב גרעין האטום כפי שהירח חג סביב כדור הארץ, היא המחשה לא מוצלחת. האלקטרון נמצא בכל מקום בכל רגע נתון. כלומר, למרות שהאלקטרונים בהחלט קיימים, הם אינם נמצאים בתנועה מחד גיסא, ואינם עומדים במקום מאידך, ולכן הם לעולם לא יקרסו לתוך גרעין האטום.

לגבי מה אתה אופטימי?

המאה העשרים הביאה עמה סדרה מרשימה של פריצות דרך מדהימות, הן בטכנולוגיה שעומדת לרשות האנושות והן בהבנה המדעית כיצד היקום פועל. אולי זה טיפשי לצפות שבמאה העשרים ואחת תתחוללנה מהפכות באותו קנה מידה, אולם אני בהחלט אופטימי שמהפכות גדולות אכן יקרו. באופן ספציפי יותר, אני מאוד אופטימי שנצליח לבסוף לגשר על הפערים בין תורת היחסות הכללית של איינשטיין ובין מכניקת הקוונטים, גם אם ניאלץ לוותר על הדרך האינטואיטיבית בה אנו תופסים את העולם. גיאומטריה, למשל, היא מדע עתיק שעד היום משחק תפקיד מכריע הן במתמטיקה והן בפיזיקה, אבל האם היא הפריזמה הנכונה להבין דרכה את העולם?

מכניקת הקוונטים כבר גרמה לנו זה מכבר לוותר על כמה אינטואיציות קרובות לליבנו ונדמה כי כל ניסיון לאחדה עם תורת היחסות הכללית יוביל לבסוף לוויתור על הרעיון שהגיאומטריה מתארת את עולמנו. כיוון שחלקיקים מאבדים את משמעות מיקומם במרחב וגם תנועתם הופכת לפחות מוגדרת וברורה, אנחנו הולכים ומשתחררים מהמשמעות הקלאסית של מושג החלקיק. תורת היחסות הכללית של איינשטיין דנה בגיאומטריה של המרחב-זמן ועל מנת להחיל את תורת הקוונטים על תורת היחסות, נצטרך לעבור מגיאומטריה קלאסית, בה אובייקטים מוגדרים היטב, לגיאומטריה קוונטית. קשה לצפות כיצד נתפוס את העולם ביום שאחרי אך זה בוודאי יהיה מעניין.