המוסיקה של החומר

01.08.2001
ד"ר מיכה ברכוז. תורת מיתר קטנה
 
יש אנשים שכמה שהם לא מצליחים,הם לא מרוצים.תמיד הם רוצים עוד.עוד ידע, עוד הבנה, עוד פישוט.כאלה הם,מה לעשות, הפיסיקאים. קחו לדוגמה את המחקרים במבנה החומר המרכיב את היקום ואת כולנו.כמה עשרות שנים נדרשו לניסוחו של "המודל הסטנדרטי",התיאוריה המקובלת והמבוססת ביותר עד כה על מבנה החומר; אבל הפיסיקאים, אפילו לא מחצית תאוותם בידם.המודל הסטנדרטי מחלק את חלקיקי החומר לכמה "משפחות" שביניהן פועלים ארבע הכוחות. אבל הפיסיקאים שואפים להראות שכל החלקיקים הידועים לנו אינם אלא מופעים ותוצרים של"מרכיב קדום" אחד; וכל הכוחות הפועלים בטבע אינם אלא היבטים שונים של כוח קדמון אחד ויחיד. אם לא די בכך,עולם שמבוסס על אותו מרכיב קדמון יחיד הוא תקוותם היחידה של הפיסיקאים למצוא תיאור קוואנטי של כוח הכבידה ( השונה מהותית מהכוחות האחרים).
 
"המרכיב הקדום" הזה, הקרוי "מיתר",שונה מכל החלקיקים המתוארים במודל הסטנדרטי.ראשית, הוא קטן יותר. אפשר לומר שמיתר קטן מאטום באותו יחס שבו אטום בודד קטן ממערכת השמש. שנית,כל החלקיקים ה"רגילים" הם (מנקודת מבטם של הפיסיקאים) "נקודתיים" במובן הגיאומטרי של המלה. כלומר,הם חסרי ממדים. אין להם אורך,לא רוחב ולא עומק. האופי החומרי של החלקיקים האלה נובע מתהליכי "הלבשה" שבהם נעטפים החלקיקים בשדות שונים ונצמדים לחלקיקים אחרים. לעומת זאת,המיתר,לפי תיאורי מציעיו, הוא בעל ממד אחד (אורך). אופיו של המיתר ויכולתו להתנודד וליצור חלקיקים אחרים עשויים להתגלות רק במערכות בעלות אנרגיה רבה מאוד,כמו זו שהתקיימה בשברירי השנייה הראשונים לאחר המפץ הגדול, ומכיוון שאין להניח שנצליח לשחזר את תנאי המערכת הזאת על פניו של כדור-הארץ,נראה שבעתיד הנראה לעין אי-אפשר יהיה לבחון את התיאוריה הזאת בניסוי, כך שכל הפיסיקאים העוסקים בתורת המיתרים יהיו תיאורטיקאים. כאלה הם ד"ר עופר אהרוני וד"ר מיכה ברכוז, שהצטרפו באחרונה למחלקה לפיסיקה של חלקיקים במכון ויצמן למדע.
 
ד"ר אהרוני וד"ר ברכוז שואפים להראות שכל חלקיקי החומר המרכיבים את היקום נוצרים כתוצאה מרטיטת המיתרים בתהודה הנמוכה ביותר שלהם,כשהם נעים,מתלכדים,נפרדים ורוחשים במרחב-זמן. במלים אחרות: המציאות החומרית היא ה"מוסיקה" שמנגנים המיתרים. בנוסף,נראה שבמערכות של אנרגיות נמוכות יחסית המיתרים מתאפיינים בתכונותיו של חלקיק מבוקש במיוחד,שטרם נצפה ישירות: הגרוויטון, האמור לשאת את כוח הכבידה. אמנם,תורת הכבידה מציעה תיאור קלאסי משכנע למדי של הכוח החמקמק בטבע, הכבידה, בהתאמה לתורת היחסות הכללית של איינשטיין, אבל שילוב שלה בתורת הקוואנטים עשוי להתקיים רק במסגרתה של תורת המיתרים. ושילוב כזה משול בעיני פיסיקאים לא מעטים כמעט למציאתו של הגביע הקדוש.
 
אבל (נראה שתמיד יש "אבל" בעניינים האלה), בתחילה נראה היה שתורת המיתרים עשויה להתקיים רק ביקום בעל 26 ממדים.אחר כך התברר שבהנחת קיומה של סימטריית-על יורד מספר הממדים הנחוצים לקיום התורה לעשרה, ובהמשך התברר שלמעשה נחוצים לקיום התיאוריה 11 ממדים, אלא שמהיבטים שונים היא עשויה להיראות כאילו היא מחייבת 26, או עשרה או 11 ממדים. ממש כמו הפיל שכל אחד מעשרה עיוורים הממששים אותו מתאר אותו באופן שונה.בכל אופן,כשמשווים את תורת המיתרים למציאות המוכרת לנו,אין מנוס מאחת משתי מסקנות אפשריות: או שהתורה הזאת לא מתאימה לתיאורה יקום הארבעה-ממדי שלנו (הכולל את שלושת ממדי המרחב ואת ממד הזמן) , או שהיקום שלנו הוא בעל 11 ממדים,ואנחנו,בגלל מגבלותינו,איננו מבחינים בשבעה מהם.
 
כיצד יכולה תיאוריה המדברת על יקום בעל 11 ממדים לתאר את מציאות חיינו הארבע-ממדית? האם ייתכן שבמציאות יש יותר ממדים מכפי שנראה לנו? הפיסיקאים החוקרים את תורת המיתרים מראים בחישוביהם, כי מצב כזה הוא בהחלט בגדר האפשר, אם רק מוכנים להניח שלצד ארבעת הממדים המוכרים (שלצורך הפשטה אפשר לראות כל אחד מהם כקו), "מקופלים" שבעה ממדים אחרים. לפי התחשיבים האלה, אם קוטר ה"קיפול" של הממדים הנוספים האלה קטן מאוד, קיומם לא יסתור את תמונת המציאות החומרית כפי שהיא נראית לנו.כדי להבין מהם "ממדים מקופלים" אפשר לחשוב על נמלה שנמצאת על צינור שקוטרו,נאמר, חצי מטר.אם היא תלך לאורך הצינור,היא תבחין בממד אחד של עולמה: אורך. אם היא תלך מסביב לקוטרו, היא תחזור למקום שממנו יצאה למסעה ותבחין בממד נוסף,שונה. אבל,אם קוטרו של הצינור יהיה קטן מאוד,הרבה יותר קטן מגודלה של הנמלה עצמה,היא לא תוכל ללכת סביבו, ולא תבחין בו. הפיסיקאים החוקרים את תורת המיתרים מציעים תמונת מציאות שקיימים בה שבעה ממדים "מקופלים" ו"מכווצים" עד כדי כך שאיננו יכולים להבחין בהם.
 
הניסיונות לראות את עולמנו הארבעה-ממדי כהיבט חלקי של יקום המתואר באמצעות תורת מיתרים הביא לניסיונות להראות כיצד מתקיימות תופעות המוכרות לנו מעולמנו, במסגרתן של תורות כאלה.במסגרת המאמצים האלה הצליחו הפיסיקאים להראות שביקום של תורת המיתרים קיימים חורים שחורים מסוימים,שונים מאלה שקיימים ביקום שלנו, אבל בקרבתם קל ונוח יחסית לבחון תופעה הקרויה "הולוגרפיה", מה שמאפשר להשוותה לאותה תופעה המתחוללת בקרבתם של חורים שחורים ביקום שלנו.ההולוגרפיה מתבטאת בדחיסת מידע תלת-ממדי (נפח) למשטח דו-ממדי. במערכת זו מנסים ד"ר אהרוני וד"ר ברכוז לבחון בעיות שונות, כגון בעיית האינפורמציה: האם הקרינה הנוצרת באופק האירוע של החור השחור מעידה על טיבו של החומר שנבלע בחור השחור? אם נזרוק,למשל,כסא לחור שחור, האם הקרינה מאופק האירוע של ותתאר באופן כלשהו את הכסא הזה?
 
בקרבתם של חורים שחורים מסוימים עשויה גם להתקיים תופעה המתוארת במה שמכונה "תורת מיתר קטנה". על אף שמה ה"ידידותי",תורה זו מסובכת הרבה יותר מתורת המיתרים ה"רגילה", שכן היא מתארת התנהגות שיתופית של מיתרים רבים המתערבים ומסתבכים אלה באלה. אבל מצד שני, בתורה זו, למשל,לא מתקיים החלקיק הנושא את כוח הכבידה, הגרוויטון."האם",שואלים אהרוני וברכוז,"השילוב החזק בין כמה מיתרים הוא הגורם לביטול הצורך בגרוויטון?"
 
עוד תחום שמעסיק את השניים הוא איחוד תורת המיתרים עם תורת השדות.איחוד כזה הוא כיום בגדר עובדה מוסכמת.למשל, בתורות שדה מסוימות,איחוד זה מתבטא בין היתר באפשרות לראות את החלקיקים הידועים לנו בכל גודל שנרצה (בהתאם למהירותם). כך,חלקיקים שהורגלנו לחשוב עליהם כעל נקודות זעירות חסרות ממדים,נראים לפתע כמעין "מוט" שבקצהו שתי נקודות התלויות זו בזו, כך שכשמזיזים אחת מהן, הנקודה האחרת מגיבה וזזה גם היא.תצורה דמויית מיתר זו מעלה שאלות רבות,שאפשר לחקור אותן בדרך של ניסויי מחשבה בלבד.
 
אבל הנושא ה"חם" ביותר במחקריהם של אהרוני וברכוז קשור למערכות היחסים שמיתרים יכולים לקיים בינם לבין עצמם.המיתר יכול להיות סגור(טבעתי) או פתוח (ישר או מפותל), וכשהוא נע במרחב-זמן,הוא "פורס" בו יריעה. כך, שני מיתרי סגורים ("טבעתיים") יכולים להתלכד למיתר טבעתי אחד שימשיך לנוע תוך שהוא פורס ביקום מעין "צינור". וכך גם מיתר בודד עשוי להתפצל לשני מיתרים. אבל איזה קשר עשוי להתקיים בין שני מיתרים הנעים במקביל זה לזה? כאמור, לפי "תמונתהעולם" הנוכחית של חוקרי המיתרים,המיתרים מתלכדים ומתפצלים לאחר שהם נוגעים זה בזה . ידוע גם שהם עשויים "לגעת" זה בזה לפרק זמן קצר מאוד,מה שייצור מעין" תעלה" זעירה שתחבר אותם ותיעלם מיד.אבל אהרוני וברכוז,בשיתוף פעולה עם פרופ' אווה סילברסטיין מאוניברסיטת סטנפורד,בוחנים באחרונה את היתכנות קיומו של קשר אחר בין המיתרים. מדובר בקשר שהוא פחות מנגיעה פיסית של ממש, משהו המזכיר "השראה",הגורמת להשפעה כלשהי של המיתרים זה על זה,משהו,שלמען האמת,למדענים עצמם אין,בינתיים,ידיעה ברורה לגביו.
 
ד"ר עופר אהרוני. מה טיבו של החומר שנבלע בחור שחור?
 

אנשי המיתרים

ד"ר עופר אהרוני- נולד ברמת גן, קיבל תואר ראשון במתמטיקה ובפיסיקה מאוניברסיטת תל-אביב בטרם גיוסו לצבא, השלים לימודי דוקטורט באוניברסיטת תל-אביב, ביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי באוניברסיטת רטגרס בארה"ב, והצטרף למכון ויצמן למדע בשנת 2000 בדרגת חוקר בכיר.

ד"ר מיכה ברכוז- נולד בתל-אביב, קיבל תואר ראשון ושני בפיסיקה מאוניברסיטת תל-אביב במקביל לשירותו הצבאי, השלים לימודי דוקטורט באוניבריסטת רטגרס, ארה"ב, ביצע מחקר בתר-דוקטוריאלי במכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון ובאוניברסיטת פרינסטון, שם שירת כחוקר במשך שלוש וחצי שנים בטרם הצטרף למכון ויצמן למדע בשנת 2001 בדרגת חוקר בכיר.

השניים יסדו במכון קבוצת מחקר חדשה שתכלול בשנה הבאה, בנוסף אליהם, חמישה חוקרים בתר-דוקטוריאליים (ארבעה מחו"ל וישראלי אחד), וכן שישה דוקטורנטים.

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם