"על מה כל המהומה הזאת?" נשף בארסיות ישראל קומונסנס, פרשן דעתן הידוע בחריפות לשונו הנוקבת כול נושא שעל סדר היום - למרות קוצר הבנתו בנושאים שלא קשורים בפוליטיקה ישראלית. "כל העולם כמרקחה בגלל כמה פיזיקאים שחושבים שהם גילו "סימנים משכנעים" לקיומו של חלקיק חדש, הדומה לדעתם בכמה מאפיינים לאלה שמזהים את "בוזון היגס" המסתורי! "החלקיק האלוהי" הם קוראים לקשקוש על מסך המחשב!" הוא דחף בשאט נפש את ערמת העיתונים שלפניו וחזר בהפגנתיות לספל הבירה האירית השחורה, תוך שהוא מקפל את משקפי הקריאה המוזהבים לנרתיק עליו התנוסס מותג איטלקי יוקרתי. "אלפי חוקרים השקיעו 30 שנה ו-10 מיליארד דולר כדי לגלות משהו שאי אפשר לראות ושאורך החיים שלו קצר אפילו מתוחלת החיים של מפלגת מחאה חדשה בישראל. הצחקתם אותי."
שתקתי, כי לא רציתי להיכנס להסבר איך השתרש הביטוי המשובש "החלקיק האלוהי" בתודעה התקשורתית, כאשר המדען המצוטט התכוון להגיד "החלקיק הארור" (The God Damn Particle). "אפילו אקזיט קטן אי אפשר לעשות עם התגליות שלהם", הוא עזב את הבירה והחל לנשנש בוטנים מלוחים. "בסוף שניים או שלושה פרופסורים יקבלו פרס נובל, וכול שאר אלפי המדענים שמבזבזים את חייהם מול מסכי המחשב יסתפקו בלספר לנכדים שלהם, שהם היו שם, ב-CERN, כאשר המכונה הגדולה עבדה מסביב לשעון. לפי מה שכתוב בעיתון, עבדו על הניסוי הזה יותר פיזיקאים ממספר תלמידי הישיבה שמשתמטים השנה משירות צבאי. חפרו בשבילו מנהרה ארוכה כפליים מהתוכנית המוקפאת לרכבת תחתית בגוש דן, המכונה שורפת חשמל בתיאבון שהיה פותר את מחסור האנרגיה של ישראל בשיא הצריכה הקייצית ועם התקציב השנתי אפשר היה להציל את כלכלת יוון. ואחרי כל זה הם אפילו לא בטוחים במה שהם ראו! מדובר רק ב"וודאות של 5 סיגמא"! על מה הם מדברים הפיזיקאים האלה? אלה "חוקי טבע" או מפעל הפיס? ניסוי מעבדה או תחזית בחירות?"
Déjà Vu של פעם ביובל
רפרפתי במהירות בערמת העיתונים בזמן שהמטבוליזם הנמרץ של ישראל קומונסנס הפך את עודפי האלכוהול לאנרגיה פולמוסית, זעם קדוש וחומצה קוהלתית ("הבל הבלים, הכל הבל"). מהכתוב התברר כי צודק האיש. כל העיתונים הקדישו מקום הגון לתיאור ההתרגשות שאחזה במחנה הפיזיקאים, אבל אף אחד לא הצליח להסביר להדיוטות מדוע זה אירוע חשוב. "אתה יודע, זה לא פעם ראשונה שהפיזיקאים מתרגשים מתוצאה זעירה של ניסוי מהפכני וטוענים שזה משנה את הכול", התחלתי בזהירות. "האירוע הדומה ביותר שאני נזכר בו התרחש ב-1919, בלונדון. סיר ארתור אדינגטון, בכיר האסטרונומים בממלכה המאוחדת של אותם הימים, זימן את העיתונאים ישיבה מיוחדת של "החברה המלכותית" כדי להכריז באוזני העולם על הוכחה תצפיתית לתורת היחסות הכללית של איינשטיין, שהתפרסמה 4 שנים קודם לכן."
כדי להוכיח את נכונות המהפך הפרדיגמטי שחוללה התורה הזאת, שהחומר (מסה) והאנרגיה מעוותים בעצם נוכחותם את הממדים הגיאומטריים ואת הזמן, היה צריך לחכות לליקוי חמה מלא - ולסיום מלחמת העולם הראשונה. וכאשר התנאים התקיימו, במאי 1919, האסטרונומים, שהמתינו לרגעי החושך הקצרים בברזיל ובאי פרינציפה ממערב לאפריקה המשוונית חמושים במצלמות טלסקופיות, מדדו ואישרו שאכן נכון הדבר, הכוכבים שמאחורי השמש "זזו" ממקומם (כלומר האור המגיע מהם למצלמות עקף את שולי השמש במסלול "עקום", לא בקו ישר גיאומטרי). והסטייה תאמה בדיוק לערך שניבאו משוואות הגרביטציה של אלברט איינשטיין. למחרת ההכרזה בלונדון הידיעה תפסה את הכותרות הראשיות בעיתונות המכובדת בעולם, ואיינשטיין נעשה למדען המפורסם ביותר בהיסטוריה, למרות שמעטים מאוד הבינו במה מדובר. אדינגטון עצמו, שלא ניחן בצניעות יתירה, אמר "יש אולי שני אנשים בעולם שמבינים את התורה הזאת - ואני לא בטוח מי השני!".
הולדת הקוסמולוגיה
גם היום קשה להבין את תורת היחסות הכללית בלי להשקיע כמה שנים טובות בלימוד הנושא (תורת היחסות "הפרטית" היא פשוטה יחסית, להבנה וליישום, ומהווה חלק אינטגרלי של לימודי הפיזיקה משנה א' באוניברסיטה). אבל כולם מודעים לרעיונות המדהימים שהיא הנביטה בדיסציפלינה המדעית הנקראת "קוסמולוגיה": המפץ הגדול, חורים שחורים, מסעות בזמן, חורי תולעת קוסמיים, "אינפלציה" והתפשטות היקום - והסברים לעשרות תופעות אסטרונומיות "אקזוטיות" החל בפולסרים וכלה ב"אנרגיות אפלות". כל עולם המושגים זה מתבסס על המשוואה התמימה שכתב אלברט ב-1915, פרופסור בן 35 באוניברסיטת ברלין. קיים קונצנזוס בין המדענים, שזו פסגת המחשבה האנושית הטהורה, התגלמות היכולת לראות בעיני הרוח את מה שאי אפשר לראות בחושים טבעיים, והתגלות היופי העמוק של הטבע אם נעז לדון ברעיונות מהפכניים, ש"ההיגיון הפשוט" דוחה על הסף - אבל התבוננות בטבע בעיניים של ילד תמים ומתמטיקה קונסיסטנטית עושים אותם לפרדיגמה מנצחת. ודרך אגב, אין קשר בין גודל הפרמטר הפיזי שנמדד לבין גודל המהפכה הרעיונית שהתצפית עשויה לחולל.
גם אם המדידה מזהה בסך הכול סטייה זעירה ביותר של קרני האור מהקו הישר האבסולוטי, התוצאה יכולה לגרום למהפך פרדיגמה בתפיסת העולם המדעית. (ב-1919 האסטרונומים מדדו סטייה של קרני האור בשיעור אחד חלקי 2,000 של מעלה, בערך סנטימטר לקילומטר! להמחשה, אם תצאו מתל-אביב לחיפה ותסטו מהמסלול בשיעור דומה תגיעו לפאתי חיפה כ-80 ס"מ הצידה ממרכז המסלול - אפילו לא מספיק כדי לרדת לשוליים.) לאחר שקיבלנו הוכחה לכושר החיזוי של התיאוריה האיינשטיינית, המרחב כבר אינו במה אבסולוטית עליה הגופים המסיביים משחקים משחקי כוח ותנועה, אלא היא חלק מההצגה כמו טרמפולינה שמתעוותת תחת משקל הקופצים. והזמן גם הוא כבר לא מוחלט וזרימתו אינה אחידה כפי שנדמה לנו. בקנה מידה קוסמי הוא יכול להימתח ולהתכווץ - ואפילו לעצור לגמרי כאשר כל החומר מרוכז בנקודה אחת, כפי שהיה ברגע המפץ הגדול (אף אחד לא יודע אם מצידו השני של המפץ הזמן זרם בצורה המוכרת לנו). הרעיונות נשמעים מטורפים אך זו אינה תיאוריה בלבד, שעשוע אינטלקטואלי לפיזיקאים בעלי הכשרה מתמטית מפותחת מדי - מכשיר ה-GPS שלכם יטעה בניווט אם המהנדסים לא יתחשבו בעיוותי הזמן הנגרמים על ידי הגרביטציה של כדור הארץ!
פעולה חשודה מרחוק
הסיפור של בוזון היגס (Higgs Boson) ב-2012 אינו נוגע לתורת היחסות הכללית אבל אפשר למצוא להם שורשים פילוסופיים משותפים. איינשטיין לא היה מאושר מחוק הגרביטציה של ניוטון, זה שלומדים בבית ספר תיכון, משום שהחוק מדבר על "פעולה חשודה מרחוק" (Spooky Action At Distance, בפי איינשטיין). על פי נוסחת ניוטון, הכוכבים מושכים זה את זה מבלי לבוא במגע, אפילו אם מיליארדי שנות אור מפרידות ביניהם. תורת היחסות הכללית מחליפה את מושג הכוח הפועל מרחוק בגיאומטריה גמישה של המרחב. הגופים לא "מושכים" ונמשכים, אלא "מכופפים" את המרחב ובכך גורמים לגופים אחרים לנוע על קווים "עקומים" כאילו כוחות סמויים דוחקים אותם מדרך הישר. השמש, למשל, מכופפת את הקו לאורכו נע כדור הארץ (קו שהיה אמור להיות ישר אם המרחב היה ריק לחלוטין) כך שנוצרת אליפסה סגורה, במקום ישר ללא התחלה וסוף. "פעולה חשודה מרחוק" קיימת גם בניסוח הקלאסי של חוקי האלקטרומגנטיות ושם הפתרון נמצא במאה ה-19 במושג "שדה", שהמציא מייקל פאראדיי (Faraday). השדה מתאר בהמחשה נפלאה ובדיוק רב את הכוחות בין מטענים חשמליים ואפילו לאפשר קיומם של גלים אלקטרומגנטיים, אבל הוא לא מסביר דבר. לכולם ברור שמדובר ב"טריק חישובי", שטיח תחתיו אפשר לטאטא שאלות מציקות שאין להן תשובה. כמו, איך קווי הכוח דוחפים או מושכים? מה בעצם מתנדנד בגל אלקטרו-מגנטי? ולמה מהירות הגל הזה לא תלויה בשאלה, באיזו מהירות וכיוון נע המדיום (כפי שהרוח נושאת את הקולות וזרמי הים את הגלים).
איינשטיין הראה שהגל יכול להיות ממשות פיזיקלית גם כשאין לו מדיום חומרי מתנדנד (כפי שהאוויר רועד בהתפשטות גלי קול. גלים אלקטרומגנטיים, כמו אור ורדיו, לא נזקקים ל"אתר" והם מתפשטים גם דרך וואקום חסר תווך פיזי). אבל מעבודה אחרת של איינשטיין צמחה תורת הקוואנטים ואיתה ההבנה, שכל מה שניתן לתיאור כגל יכול גם לקבל תיאור של חלקיק נע. השדה האלקטרומגנטי מתאר בשפה של גלים את הדינמיקה של חלקיק בשם "פוטון", הנושא את הכוחות בין שני מטענים חשמליים. ושני התיאורים חייבים לתת את אותן תוצאות נמדדות בניסויים. להמחשת המושג "נושא את הכוחות" תדמיינו שני שחקני כדור על גלגליות המחליקים על משטח נטול חיכוך. כאשר שחקן א' זורק את הכדור לכיוון שחקן ב', הוא נהדף בכיוון ההפוך - תוצאה ישירה של חוק הפעולה והתגובה של ניוטון. כאשר הכדור מגיע ליעדו ושחקן ב' תופס אותו, גם הוא נהדף מהמסלול כתוצאה מספיגת התנע של הכדור. במבט על, שני השחקנים שנעו קודם במקביל התחילו להתרחק זה מזה לאחר שהכדור "העביר את הכוח" ביניהם. זה מה שקורה כאשר שני אלקטרונים דוחים אחד את השני באמצעות החלפת "פוטון וירטואלי".
תורת השדות הקוואנטית
מבית הגידול הזה צמחה "תורת השדות הקוואנטית", שמחילה על חלקיקי הכוח את הדרישות הכלליות של תורת הקוואנטים. בולטת בדרישות אלו החובה להתחשב לא רק בחלקיקים "ממשיים", שמדדנו את תכונותיהם ישירות, אלא גם חלקיקים היפותטיים "וירטואליים", שקיומם נגזר מחוק "אי הוודאות" של הייזנברג ואי אפשר למדוד אותם אלא רק את הנגזרות של השפעתם על חלקיקים ממשיים יותר. יישום תורת השדות הקוואנטית על האינטראקציה האלקטרומגנטית (ידוע בקיצור QED) נחל הצלחה פנטסטית ביכולתו לחשב ערכים מספריים של קבועי טבע (כמו המומנט המגנטי של אלקטרון), בדיוק חסר תקדים - יותר טוב מאחד למיליארד. באופן טבעי הטכניקה (במיוחד השיטות שפיתח ריצ'רד פיינמן) הפכה למודל חיקוי לחישוב כל שאר הכוחות בטבע. במיוחד, הפיזיקאים השתמשו בטכניקה זו כדי לתאר את "הכוח הגרעיני החזק", זה ש"מדביק" את הפרוטונים והנויטרונים ומאפשר קיום גרעיני אטומים. המודל המצליח, שהכניס ללקסיקון את ה"קווארקים" וה"גלואונים", את "הסופר-סימטריה" ו"איחוד הכוחות", קיבל את התואר המחייב "המודל הסטנדרטי". עבור הפיזיקאים שעוסקים בחלקיקים אלמנטריים, המודל הסטנדרטי מספק את מה שנותנת "הטבלה המחזורית" לכימאים. הבנה עמוקה איך כל צורות ההתבטאות של חומר נוצרות מקומבינציות של אבני בניין ספורות, תוך הגבלות מסוימות על חוקי הבניה (חוקי סימטריה, שלא ניכנס להם כאן).
על אף הצלחתו המרשימה, המודל הסטנדרטי לא נותן תשובה לאחד המאפיינים של חלקיקי חומר, המסה. בניגוד לגדלים קוואנטיים אחרים, כמו מטען חשמלי, "ספין" או "מוזרות", המסה מקבלת ערכים שנראים אקראיים במנעד רחב מאוד של ערכים - אבל לא ערכים שליליים (לכול שאר "המספרים הקוואנטיים" יש מספר קטן של ערכים בדידים לבחור מהם). חלקיק כוח יכול להיות חסר מסה, כמו הפוטון, ועדיין להפעיל כוחות על חלקיקים אחרים. לחלקיקי כוח אחרים יש מסה (כפי שיש לבוזונים W ו-Z, שמעבירים את הכוח הגרעיני החלש), אבל קיומם קצר מאוד, מיליונית של מיליונית של מיליונית השנייה, ולכן לא נראה אותם בניסוי, רק את תוצאות קיומם הארעי. חלקיקי הכוח נוצרים "אד הוק" כאשר מאלצים התנגשויות בין חלקיקי חומר אנרגטיים, כפי שנעשה במאיץ החלקיקים. ככול שנשקיע יותר אנרגיה בהתנגשות כך נקבל סיכוי טוב יותר ליצירת חלקיקים מסיביים יותר. (זה החוק הידוע אודות הזהות של חומר ואנרגיה.) מאחר ובוזון היגס אמור להיות מסיבי פי 120 בערך מפרוטון, המאיץ חייב להיות עוצמתי במיוחד. היום, רק למאיץ LHC שבמעבדות CERN יש סיכוי לא אפסי לחולל התנגשויות בהן נוצר בוזון היגס כאחד מתוצרי הפיכת האנרגיה למסה.
הקוואנטיזציה של שדה הגרביטציה
למעשה, ככל שהחלקיק מסיבי יותר אפשר לצפות לאורך חיים קצר יותר וקושי רב יותר לאתר אותו בניסוי מהסוג שמבוצע ב-CERN. בניסויים דומים שנערכו מאז שנות ה-70 נחשפו את כל חלקיקי הכוח שאחראים לשדות הכוח הגרעיניים, החזק והחלש, בנוסף לפוטון הוותיק שנושא את הכוח האלקטרומגנטי - ורק כוח אחד נשאר חריג, הגרביטציה. הקושי להכניס את הגרביטציה תחת כנפי תורת הקוואנטים הוא הדחף לפיתוח "תורת המיתרים" ותיאוריות דומות שעדיין מחכות להוכחה ניסויית. למרות חוסר הוודאות הנוכחי בנוגע למודל שיצליח (במידה וקיים כזה) לגשר בין תורת היחסות (הגרביטציה) לתורת הקוואנטים (חלקיקי הכוח) אנו בטוחים שכול תיאוריה המנסה לספק תיאור "קוואנטי" לשדה הגרוויטציה חייבת לכלול תוצאה אחת - שאינה תלויה בפרטים לא ידועים אחרים: צריך שיהיה בה חלקיק המעביר את הכוח בין כל שני חלקיקים בעלי מסה, ללא תלות בתכונות אחרות של האינטראקציה ההדדית. לחלקיק כזה (לא בטוח שיש רק אחד) קוראים בוזון היגס, על שם התיאורטיקן הסקוטי Peter Higgs שהיה הראשון לטעון כי קיומו מחויב על פי תורת השדות הקוואנטית.
התואר "בוזון" (על שם Satyendra Nath Bose, פיזיקאי הודי) מציין אחת משתי מחלקות מיון של חלקיקים. השנייה היא "פרמיון" (על שם Enrico Fermi, פיזיקאי איטלקי-אמריקאי). ההבדל בין השתיים נובע מתכונה הנקראת Spin והיא מתארת סוג של סימטריה במרחב. לא אכנס לפרטים כאן (הם לא פשוטים ולא אינטואיטיביים) ורק אציין שכל חלקיקי הכוח הם מסוג "בוזון", כולל החלקיק שאמור לשאת כוח גרביטציוני. בז'רגון של פיזיקאים חלקיק זה "נותן לחומר את תכונת המסה" משום שבלעדיו לא פועל הכוח שמאפיין גופים בעלי מסה מאז ימי ניוטון: משיכה הדדית.
מרק של חלקיקים ווירטואליים
ומה בנוגע ל"חוק השני" של ניוטון, זה שמציב את המסה בתפקיד "שומרת המומנטום", בנוסחה הקושרת בין כוח לתאוצה? כאן הרי אין שתי מסות שצריך להעביר כוח ביניהן. ובכן, זו הנקודה בה המושג וירטואליות חוזר לסיפור. בוזוני היגס וירטואליים נוצרים יש מאין ונעלמים כהרף עין - לפני שהפיזיקה הקלאסית מספיקה להאשים אותם בחבלה בחוק שימור האנרגיה. פרצה זו בחוק הוותיק והמכובד מתאפשרת הודות לשערוריית חוק "אי-הוודאות" של הייזנברג הידוע לשמצה, החוק ששמט את קרקע הדטרמיניזם מתחת ליסודות הפיזיקה הקלאסית. גם המרחב הריק מחלקיקי חומר ממשיים אינו ריק לחלוטין. אחת מנגזרות חוק אי הוודאות מחייבת למלא את הוואקום בתסס רוחש של חלקיקים ווירטואליים שצצים ונעלמים בלי שנוכל להבחין בכך, כולל כמובן בוזוני היגס ווירטואליים. כאמור, בוזונים ווירטואליים אינם ניתנים לצפייה ישירה, אבל קיומם ממשי מספיק עבור מסות שמנסות לעבור ממקום למקום. ים הבוזונים פועל כמו מי הבריכה על השחיין. הם מתנגדים לתנועה על ידי הפעלת כוחות. כל עוד המהירות קבועה, "שקול הכוחות" (ההפרש בין הכוחות הפועלים לדחיפה והכוחות הבולמים) מתאפס וההתמדה נשמרת. אבל כדי להאיץ יש צורך בכוחות דחיפה נוספים משום שההתנגדות גוברת. כפי שרצים בגשם נרטבים יותר בחזיתם מאשר בעורפם.
ללא בוזוני היגס נעלמת המסה והתוצאה היא התאיינות העולם. לא רק שחלקיקי החומר לא נמשכים זה לזה כדי ליצור אטומים, מולקולות, כוכבים וגלקסיות, גם חלקיקי הכוח משתוללים. לחלקיק חסר מסה, כמו הפוטון, יש טווח השפעה אינסופי. אנו קולטים, מודדים ומצלמים אור שמגיע אלינו ממרחק 13 מיליארד שנות אור. זה אור שנפלט מהיקום הצעיר, כשגילו היה רק 5 אחוז מגילו היום (הגלקסיות הרחוקות ביותר שנצפו עד כה שיגרו אלינו את האור רק 700 מיליון שנה אחרי המפץ הגדול). אבל כוחות גרעיניים הם קצרי טווח משום שהם מועברים על ידי חלקיקים מסיביים. אם חלקיקים אלה יאבדו את מסתם הם יוכלו להשפיע למרחקים אסטרונומיים והדבר מבטיח קריסה של היקום לנקודה אחת בזמן הקצר ביותר האפשרי. זאת משום שהכוחות האלה הרבה יותר חזקים מהגרביטציה. ואם לחץ "האנרגיות האפלות" יכול לגבור על משיכת הגרביטציה ולשמור על יקום הולך וגדל, כוח גרעיני חזק בעל טווח השפעה קוסמי יתגבר על כול כוח אחר וידחוס את כל החומר לחור השחור האולטימטיבי, הקוטב הנגדי למפץ הגדול.
צעד ענק במסע אינטלקטואלי, שלעולם לא יבוא לסיומו
מהתיאור הנ"ל מתברר שהפיזיקאים בנו מבנה רעיוני מופלא - עם נקודת תורפה אחת. זה יכול להיות מגדל קלפים שקורס אם לא נמצא את הקלף האחרון, בוזון היגס, ונכניס אותו למקומו המייצב. או להפוך לתיאוריה השלמה, האלגנטית והחזקה ביותר שהמדע הפיק במאה ה-20. מותר להיות אופטימי, למרות שלעולם אי אפשר להיות בטוח שמחר לא תתגלה תופעה שלא עולה בקנה אחד עם המודל הקיים וזו תאלץ אותנו להתחיל לבנות מודל חדש בפרדיגמה חדשה. ההיסטוריה של המדע המודרני מראה שכאשר מודל פיזיקלי מגיע לבשלות של "המודל הסטנדרטי", כלומר כל הנגזרות המתמטיות שלו אושרו בתצפית - כולל אישור קיומם של הבוזונים W ו-Z המעבירים את הכוח החלש, שנמצאו כבר בשנות ה-80', 15 שנה אחרי שהתיאורטיקנים ניחשו את הצורך בהם - גם החלקיק החסר ימצא בסופו של דבר. האירוע ה-CERN לא בא לחגוג את סופו של דבר, אלא צעד גדול, היסטורי, נוסף במסע שלעולם לא יגמר.
ודרך אגב, וודאות של "5 סיגמא" היא הרבה יותר ממה שנדרש בבית המשפט בדיני נפשות. להמחשה, הביטחון של המדענים בתקפות התוצאה משתווה לביטחון בתוצאות סקר שהקיף כ-2 מיליון בוחרים ויותר משני שליש מהנשאלים העדיפו מפלגה מסוימת (לצורך הפשטות נניח שיש רק שתי מפלגות). האם זה אומר שבבחירות לא יתכן ודווקא המפלגה השנייה תנצח משום שיש לה רוב גדול עוד יותר אצל הבוחרים שלא השתתפו בסקר? לא. אבל אני הייתי מהמר על התוצאה החזויה ביחס של 1 למיליון. וודאות של 5 סיגמא היא אפילו חזקה יותר.