ניר סתיו, חלון לפיסיקה
הפרופ' דייוויד גרוס. “ישראל היתה מקום טוב לרעיונות חדשים”
קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/971424093.html
הפרופסור דוויד גרוס, בוגר האוניברסיטה העברית, הוכרז אתמול כאחד הזוכים בפרס נובל לפיזיקה. יחד עמו זכו בפרס פרופ' דוויד פוליצר מהמחלקה לפיזיקה במכון הטכנולוגי של קליפורניה (קלטק) ופרופ' פרנק וילצ'ק מהמחלקה לפיזיקה של .MIT גרוס, יליד ארה'ב בן ,63 למד בתיכון ליד האוניברסיטה בירושלים. את התואר הראשון והשני בפיזיקה קיבל באוניברסיטה העברית ואת הדוקטורט באוניברסיטת ברקלי בקליפורניה. גרוס משמש כפרופסור במכון קאוולי לפיסיקה תיאורטית בסנטה ברברה, קליפורניה.
השלושה זכו בפרס בעקבות ההסבר שגיבשו לפני כשלושים שנה על אופיו של הכח הגרעיני החזק, הכח הפועל בין הקווארקים – חלקיקי היסוד המרכיבים את גרעין האטום (הקווארקים הם המרכיבים את הפרוטון ואת הניוטרון).
כח הכבידה מוכר לכולנו היטב מחיי היומיום, גם הכח החשמלי אינו זר לנו, אולם הכוחות הגרעיניים אינם נגישים לנו. הסיבה לכך היא שהכוחות הגרעיניים הם קצריי טווח ומשפיעים רק במרחק מסדר גודל של גרעין אטום (שהוא פי 100,000 קטן יותר מאטום, שהוא קטן פי 100,000 מגודלו של חיידק). גם כח הכבידה, גם הכח החשמלי וגם הכוחות הגרעיניים מתוארים בפיזיקה המודרנית באותה הצורה: הכח נגרם כתוצאה מ'שליחים', חלקיקים 'נושאי כח', המייצרים מעין הילה הנקראת 'שדה' מסביב לחלקיק טעון. אין הכוונה כאן רק למטען החשמלי המוכר לנו, ניתן גם להגדיר 'מטען' כבידתי – מסת הגוף וניתן גם להגדיר 'מטען גרעיני'. לחלקיק כמו פרוטון יש 'מטענים' מסוגים שונים. כאשר חלקיק נכנס לתוך שדה הכח (ה'הילה' המקיפה את הגוף הטעון) הוא מרגיש בו. ה'מטענים' האחראיים לכח הגרעיני החזק נקראים 'צבעים' היות ויש שלושה מהם, אשר כאשר הם מופיעים יחדיו בחלקיק אז הם מנטרלים זה את זה – כמו ששילוב של אור אדום, אור כחול ואור ירוק (RGB) יוצר כתם אור נטול צבע (אור לבן). 'מטען' הצבע ייחודי לקווארקים.
נשאי הכח הגרעיני החזק נקראים 'גלואונים', על בסיס המילה
הלועזית – glue דבק, היות והם 'מדביקים' יחדיו את רכיבי הגרעין. המשוואות המתארות את פעולת הכח הגרעיני החזק מכונות לפיכך 'תורת הכרומודינמיקה הקוונטית', QCD(כרומו = צבע). היות ובגרעין יש פרוטונים הטעונים במטען חשמלי חיובי, מתקיימת בינהם דחייה חשמלית עזה. הכח הגרעיני החזק מכונה 'חזק' היות שכח המשיכה שלו מצליח להתגבר על כח הדחייה החשמלי ו'להדביק' זה לזה את הפרוטונים.
בשנות ה 60 של המאה ה 20 כבר היה ידוע כי הפרוטון והניוטרון מורכבים מחלקיקים קטנים יותר, הקווארקים. אולם, לא היה ברור מדוע לא ניתן לייצר קווארקים בודדים (= לנתק קווארק מהגרעין) – מאיזו שהיא סיבה הקווארקים תמיד קיימים במצב קשור זה לזה, או כזוג קווארקים או כשלשה קווארקית. לעומת זאת, ניסויי פיזור באנרגיות גבוהות במאיצי חלקיקים גילו כי לעיתים הקווארקים שבתוך הפרוטון נפרדים זה מזה. נדרשה איפה תיאוריה שתסביר את האינטראקציה הבין-קווארקית, את תכונותיו הייחודיות של הכח החזק.
זו הייתה תרומתם של שלושת מקבלי הפרס, בתחילת שנות ה : 70 הם הבינו כי מאפייניו המוזרים של הכח הגרעיני החזק נובעים מתכונה בלתי-צפויה של נשאי הכח, הגלואונים. בניגוד לנשאי כח מוכרים עד אז, כגון הפוטונים (= נשאי הכח האלקטרומגנטיים), הגלואונים משפיעים לא רק על חלקיקים נושאי 'מטען' (= הקווארקים) אלא משפעים גם זה על זה. כתוצאה מכך, ככל שהקווארקים מתקרבים זה לזה האינטראקציה בינהם נחלשת, תופעה הנקראת 'חופש אסימפטוטי' (asymptotic freedom). כאשר הקווארקים מתרחקים זה מזה האינטראקציה הולכת ומתחזקת, כאילו הם מחוברים ברצועת גומי זה לזה. זו הסיבה לכך שלא ניתן להרחיק/לנתק אותם מהגרעין.
ה'חופש האסימפטוטי' נבדק נסיונית: על ידי התנגשויות של
פרוטונים באנרגיות גבוהות יותר ויותר ניתן להביא את הקווארקים קרוב יותר זה לזה, ואכן הקווארקים נעשים 'חופשיים' יותר.
בראיון לעיתון הארץ אתמול, סיפר גרוס על תקופת שהותו בישראל: 'בגיל 13 הגעתי לישראל. זו הייתה תקופה טובה לגור בישראל כי ישראל הייתה אז מדינה שקטה ואינטלקטואלית. זה היה מקום שקל למצוא בו רעיונות חדשים'. לגבי תגליתו סיפר גרוס, 'חיפשתי הסבר להתנהגות המוזרה של הקווארקים במשך שנים רבות, כשהתחלתי לעבוד על כך הייתי בן ,27 בגיל 32 מצאנו את הפתרון'.
בוגר האונ' העברית בין הזוכים בנובל לפיסיקה
מאת מרית סלווין
הפרופסור דייוויד גרוס, בוגר האוניברסיטה העברית, הוכרז אתמול כאחד הזוכים בפרס נובל לפיסיקה. יחד עמו זכו בפרס פרופ' דיוויד פוליצר מהמחלקה לפיסיקה במכון הטכנולוגי באוניברסיטת קליפורניה (קלטק) בפסדינה ופרופ' פרנק וילצ'ק מהמחלקה לפיסיקה במוסד הטכנולוגי במסצ'וסטס (MIT).
מחקרם של השלושה, שפורסם ב-1973, סייע לפיסיקה להתקרב “להגשמת החלום של ניסוח תאוריה כוללת שתוכל להסביר את כל התופעות בטבע”, כתבה האקדמיה המלכותית למדע בשוודיה בנימוקיה להענקת הפרס. גילויי החוקרים הובילו לפיתוח תאוריית הכרומודינמיקה הקוואנטית.
גרוס, יליד ארה”ב בן 63, למד בתיכון ליד האוניברסיטה בירושלים. את התואר הראשון והשני בפיסיקה קיבל באוניברסיטה העברית ואת הדוקטורט באוניברסיטת ברקלי בקליפורניה. גרוס משמש כפרופסור במכון קאוולי לפיסיקה תיאורטית בסנטה ברברה שבקליפורניה. אמש אמר גרוס במסיבת עיתונאים שקיים בקליפורניה, כי הוא “בשוק” מהחלטת ועדת הפרס. “הופתעתי אך זה מאוד מחמיא”. לדבריו, בהתחלה הוא לא חשב שגילוייו ראויים לפרס נובל אך “במהלך השנים העדויות שאספנו בניסויים השתפרו”.
גרוס מנהל את בית ספר החורף של המכון ללימודים מתקדמים באוניברסיטה העברית והוא ד”ר לשם כבוד באוניברסיטה.
בראיון ל”הארץ” אתמול, סיפר גרוס על תקופת שהותו בישראל: “בגיל 13 הגעתי לישראל. זו הייתה תקופה טובה לגור בישראל כי ישראל הייתה אז מדינה שקטה ואינטלקטואלית. זה היה מקום שקל למצוא בו רעיונות חדשים”. לגבי תגליתו סיפר גרוס, “חיפשתי הסבר להתנהגות המוזרה של הקווארקים במשך שנים רבות, כשהתחלתי לעבוד על כך הייתי בן 27, בגיל 32 מצאנו את הפתרון”.
מחקרם של השלושה ותגליותיהם על הכוח שקושר בין הקוורקים – חלקיקים בתוך גרעין האטום – עוסק בשאלות יסוד אותם חוקרים פיסיקאים במהלך המאה העשרים. השאלות נוגעות באפיון חלקיקי היסוד הקטנים ביותר בטבע, כיצד החלקיקים האלה בונים את היקום, מהם הכוחות הפועלים בטבע וכיצד הם פועלים. בטבע יש ארבעה כוחות בסיסיים: כוח הכובד, הכוח האלקטרומגנטי, הכוח החלש, וכוח הצבע, שכולל בתוכו את הכוח החזק. כוח הצבע הוא הכוח הדומיננטי בתוך גרעין האטום. על מנת להבין את מהות כוח הצבע יש להבין תחילה את מהות החלקיקים שהוא משפיע עליהם. בתוך גרעין האטום נמצאים פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי ונויטרונים ניטרליים. סביב הגרעין מסתובבים אלקטרונים טעונים במטען חשמלי שלילי. בכדי לבדוק את הרכב החומר מרסקים הפיסיקאים את האטומים באמצעות מאיצי חלקיקים. כך גילו המדענים משפחה שלמה של כשלושים חלקיקים שלא נוצרים בתנאים רגילים על כדור הארץ, אך נחשפים באמצעות מאיצים. תגלית זו התרחשה בשנות ה-60 של המאה העשרים. בתקופה זו נכנס גרוס לתמונה. “היה אז בלבול גמור”, מספר הפרופ' אליעזר רבינוביץ, ממכון רקח לפיסיקה באוניברסיטה העברית. “מספר החלקיקים שהיה ידוע היה דומה למספר היסודות שהיו ידועים כשמנדלייב בנה את הטבלה המחזורית. הפיסיקאים היו תקועים ללא נוסחה פשוטה שתתאר את הכוח הפועל בין חלקיקי החומר בגרעין”. פיסיקאים מסוימים הציעו שאבני הבניין שמהם בנויים החלקיקים בגרעין הם חלקיקים מסוג שלא היה מוכר עד אז – קוורקים. באותו שלב היו הקוורקים יצורים בעלי מהות מתמטית בלבד. ניתן היה לבנות מהם את כל החומר הגרעיני שנצפה בטבע, ומה שלא ניתן היה לבנות מהם, לא נצפה. בה בעת, הם עצמם לא היו ניתנים לחשיפה. הדבר היה נראה כמו תיאורית קונספירציה בפיסיקה: הקוורקים בונים את כל החומר הגרעיני ואין לראותם.
ב-1973 גילו גרוס ותלמיד הדוקטורט שלו פרנק וילצ'ק ודייויד פוליצר, סטודנט לדוקטורט מאוניברסיטת הרווארד, דבר שבמבט ראשון נראה בלתי סביר לחלוטין: הם מצאו שקיימת תורה שעשויה להסביר את תורת הקונספירציה ואולי אף לאמת אותה ניסיונית. שלושת החוקרים מצאו שמתוך התורה הזו משתמע שכוחות המשיכה בין הקוורקים נחלשים ככל שהמרחק ביניהם מתקצר, ומתחזקים ככל שהמרחק ביניהם גדל. מתוך כך יוצא שקוורקים המרוחקים זה מזה מתקבצים לתוך הגרעין בגלל הכוחות החזקים הפועלים ביניהם במרחק, ולא יכולים לצאת ממנו ולכן אינם ניתנים לצפייה מבחוץ. הכוחות שמחזיקים את הקוורקים בתוך הגרעין הם כוחות הצבע.
שלושת החוקרים מצאו את הדרך שעל פיה אפשר לחשב את התנהגות הקוורקים ולאשש אותה בניסויים, ונתנו לה ביטוי מתמטי מדויק.
להודעה לעיתונות של ועדת פרס נובל
קווארקים, בוזונים וגלואונים – המודל הסטנדרטי על קצה המזלג – סיכום בלעדי לאתר הידען מאת דיקלה אורן
ידען פרס נובל
אתר חלון לפיסיקה
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~971424093~~~95&SiteName=hayadan
