מלייזר אלקטרונים חופשיים וגילוי הגלואון ועד משפט בל ותורת היחסות: סיינס חוזר להישגים יסודיים שנותרו מחוץ לרשימת הפרסים, גם כשמפתחיהם זכו בנובל על עבודה אחרת
עוד בסדרת כתבות טרום נובל: רפואה — שש פריצות דרך בביולוגיה שנותרו בלי הפרס | כימיה — שלוש פריצות דרך שעדיין מחכות לפרס (תפורסם היום, 4 באוקטובר, ב־11:40)
פרס נובל לפיזיקה העניק מאז 1901 הכרה לכמה מן ההישגים הגדולים של המדע: מחקר האלקטרון, התפתחות מכניקת הקוונטים, גילוי גלי הכבידה והבנת האקלים. ובכל זאת, רשימת הזוכים אינה רשימה מלאה של הרעיונות ששינו את הפיזיקה. כמה מן המושגים הבסיסיים ביותר בספרי הלימוד לא זכו לפרס על פיתוחם.
לקראת שבוע הכרזות הנובל, כתב סיינס אדריאן צ'ו בחר חמישה הישגים כאלה. הרשימה עוסקת בפריצות דרך שלא זכו להכרה כשלעצמן; היא אינה מתמקדת במקרים שבהם תגלית זכתה בפרס אך אחד משותפיה הושמט, כמו ליזה מייטנר בפרס שניתן לאוטו האן על הביקוע הגרעיני. גם אין מדובר ברשימה ממצה. מייקל נורמן, פיזיקאי של חומר מעובה במעבדה הלאומית ארגון, אומר לסיינס שאפשר היה להציע כמאה דוגמאות.
ההבחנה חשובה במיוחד אצל איינשטיין, פליקס בלוך ואיגור טאם. שלושתם קיבלו פרס נובל, אך על עבודות אחרות מאלה המופיעות כאן. בחלק מן המקרים התעכבה ההכרה בחשיבותו של רעיון; באחרים, קשה היה לבחור מתוך שותפים רבים את שלושת האנשים לכל היותר שהפרס יכול להינתן להם.
הלייזר שפתח חלון לתנועת האטומים
ב־2009 הפעילה המעבדה הלאומית SLAC בארצות הברית מקור קרני רנטגן שהציג קפיצה עצומה בבהירות לעומת מקורות קודמים. המתקן, הנשען על מאיץ חלקיקים באורך של כקילומטר, פתח אפשרויות חדשות לחקר חומרים. מתקנים דומים נבנו בהמשך בגרמניה, ביפן, בשווייץ, בקוריאה הדרומית ובסין.
בבסיסם עומד לייזר אלקטרונים חופשיים, רעיון שפיתח הפיזיקאי ג'ון מיידי באוניברסיטת סטנפורד בשנות ה־70. בלייזר רגיל, חומר פולט אור נמצא בין מראות, והפוטונים מעודדים פליטת פוטונים נוספים. בלייזר אלקטרונים חופשיים, אלומת אלקטרונים מהירים עוברת במערך מגנטים שמאלץ אותם להתנודד ולפלוט אור. האינטראקציה בין האור לאלקטרונים מארגנת אותם בצברים זעירים הפולטים באופן מתואם, וכך הקרינה מוגברת.
המתקן המקורי של מיידי פעל בתחום גלי המיקרו. המתקנים המתקדמים כיום מפיקים הבזקי רנטגן קצרים להפליא, ובחלקם אפשר להגיע למשכי זמן של פחות מפמטו־שנייה — מיליונית של מיליארדית השנייה. לינדה יאנג, פיזיקאית אטומית מאוניברסיטת שיקגו, מסבירה לסיינס שהבזקים כאלה מאפשרים לחקור את מבנה החומר ואף ליצור מעין סרטים בקנה המידה הטבעי של תנועות מולקולריות.
וויליאם פאולי מהמעבדה הלאומית לורנס ברקלי אומר לסיינס שוועדת הנובל גילתה עניין בתחום בשנות ה־2010. לדעתו, מיידי היה ראוי לפרס, אך השאלה הייתה מי עוד יקבל אותו. חוקרים נוספים, ובהם קלאודיו פלגריני מאוניברסיטת קליפורניה בלוס אנג'לס, תרמו את ההתקדמות שאפשרה להגיע לאורכי גל של רנטגן.
מיידי מת ב־2016. יאנג מקווה שאחרים בתחום עוד יזכו להכרה. פאולי מציע גם שאופיו העימותי של מיידי אולי פגע בסיכוייו: לאחר שעזב את אוניברסיטת דיוק ב־1998 לטובת אוניברסיטת הוואי, הוא תבע בהצלחה להשיב לידיו את הלייזר שבנה. זו הערכתו של המרואיין, ולא הסבר רשמי של ועדת הנובל.
הגלואון: חלקיק יסודי, תגלית קבוצתית
הגלואונים נושאים את הכוח החזק הקושר קווארקים בתוך פרוטונים ונייטרונים. בניגוד לחלקיקים שאפשר לזהות כשהם נעים בחופשיות, אי אפשר פשוט לחלץ גלואון בודד ולהציגו בגלאי. הקווארקים והגלואונים קשורים זה לזה בתופעה המכונה כליאה.
העדות לקיומם הגיעה ממאיץ PETRA במרכז המחקר DESY בגרמניה. בהתנגשות בין אלקטרון לפוזיטרון יכול להיווצר קווארק ואנטי־קווארק, וכל אחד מהם מוליד סילון של חלקיקים מורכבים. כאשר אחד מהם פולט גם גלואון, מופיע סילון שלישי — חתימה ניסויית שאפשר לזהות.
ביוני 1979 זיהו חוקרי גלאי TASSO אירועים כאלה. לפי הפיזיקאי והיסטוריון המדע מייקל ריורדן, רוב הצוות חיפש אז את קווארק העליון, ואילו סאו לאן וו התעקשה שהגלואון הוא מטרה מעניינת במיוחד. ריורדן סבור שוו והתיאורטיקן ג'ון אליס, שהיה בין מי שהציעו לחפש את הסילון השלישי, ראויים להכרה.
אלא שהתגלית לא הייתה הישג של שני אנשים בלבד. שלושה ניסויים נוספים ב־PETRA זיהו במהירות אותה חתימה. בין החוקרים היה גם סמואל טינג, שכבר זכה בנובל על תגלית קודמת. בסקירה ההיסטורית של DESY מצוין שבשיתוף הפעולה של TASSO השתתף גם מכון ויצמן למדע.
לפי ריורדן, גילוי הגלואון היה ראוי בהחלט לנובל. הוא משער שהקושי לבחור שלושה זוכים מתוך מכלול התרומות, לצד התחרות בין הקבוצות, אולי מנע את הענקת הפרס. הוא עצמו אינו אופטימי שההכרה עוד תגיע. גם כאן מדובר בפרשנות היסטורית של חוקר, ולא בנימוק מתועד של הוועדה.
תורת הגבישים: התשתית של האלקטרוניקה
פיזיקת החומר המעובה שינתה את העולם, בין השאר באמצעות הטרנזיסטור והמיקרואלקטרוניקה. אך שני מושגים העומדים בבסיס תיאורם של חומרים גבישיים לא זכו לנובל על פיתוחם: גלי בלוך, המתארים אלקטרונים בסריג מחזורי, ופונונים — מנות קוונטיות של תנודות הסריג.
ב־1929 גזר פליקס בלוך את הצורה המתמטית של גלי האלקטרונים בגביש. ב־1930 פיתח איגור טאם את תיאור התנודות הקוונטיות של הסריג. יחד, הרעיונות מאפשרים להבין כיצד אלקטרונים נעים בחומר וכיצד תנודות האטומים משפיעות עליהם.
הקשר בין השניים חיוני אפילו להסבר ההתנגדות החשמלית בחוט מתכת. המחזוריות המושלמת של סריג אידיאלי אינה כשלעצמה מקור לפיזור היוצר התנגדות. תנודות הסריג, לצד פגמים ומקורות פיזור אחרים, משבשות את תנועת האלקטרונים. בטמפרטורות נמוכות, לפונונים יכול להיות גם תפקיד הפוך: הם מתווכים קשר בין אלקטרונים בזוגות, מרכיב מרכזי בהסבר מוליכות־העל במתכות פשוטות.
נורמן מציע שאחת הסיבות להשמטה היא רוחב עבודתם של שני החוקרים: הם תרמו לתחומים רבים וזכו להכרה על הישגים אחרים. בלוך חלק את הנובל בפיזיקה ב־1952 על פיתוח שיטות למדידת תהודה מגנטית גרעינית; טאם חלק אותו ב־1958 על גילוי אפקט צ'רנקוב ופירושו, עם עמיתיו.
נורמן מזכיר גם את המעמד הנמוך יחסית שיוחס בעבר לפיזיקת המצב המוצק, לעומת תחומים שנתפסו כיסודיים יותר. בדיעבד, קשה להתעלם מן הפער בין היחס הזה לבין מרכזיות התחום בטכנולוגיה המודרנית.
משפט בל: להפוך ויכוח על המציאות לניסוי
איינשטיין התקשה להשלים עם הרעיון שתיאור קוונטי מספק הסתברויות לתוצאות מדידה ולא ערכים מוגדרים מראש לכל התכונות. אפשרות אחת הייתה שקיימים משתנים חבויים שהמכניקה הקוונטית אינה מתארת, והם שקובעים את תוצאות הניסוי.
ב־1964 הראה ג'ון בל כיצד לבחון מחלקה חשובה של הסברים כאלה. במערכת של חלקיקים שזורים, תורת הקוונטים חוזה מתאמים בין תוצאות המדידות. בל הוכיח שבתיאור המבוסס על משתנים חבויים מקומיים, המתאמים מוגבלים באמצעות אי־שוויונות. התחזיות הקוונטיות יכולות לחרוג מן הגבולות האלה.
בשנות ה־70 וה־80 ביצעו ג'ון קלאוזר ואלן אספה ניסויים בפוטונים שהראו מתאמים מן הסוג שחזתה המכניקה הקוונטית. ב־2022 הם חלקו את הנובל עם אנטון ציילינגר, על ניסויים בפוטונים שזורים והנחת יסודות למדע המידע הקוונטי. בל עצמו מת ב־1990 בלי לקבל את הפרס.
כריסטופר פוקס, פיזיקאי תיאורטי מאוניברסיטת מסצ'וסטס בבוסטון, אומר לסיינס שמשפט בל היה תגלית ברמה שמעבר לנובל. אך לדבריו, לפני שנות ה־90 נחשב הנושא אזוטרי, ורק כמה עשרות חוקרים התעניינו בו. כיום מבחנים המבוססים עליו משמשים גם לבחינת פעולתן הקוונטית של מערכות טכנולוגיות.
חשוב לדייק: משפט בל אינו מוכיח שכל תיאור דטרמיניסטי של הטבע בלתי אפשרי. הוא מגביל את האפשרות לשלב הסבר באמצעות משתנים חבויים עם דרישת המקומיות והנחות נוספות של המבחן. תיאוריות לא־מקומיות דורשות דיון אחר. כוחו של המשפט הוא שהפך שאלה שנראתה פילוסופית להבחנה שניתן לבדוק בניסוי.
תורת היחסות: איינשטיין זכה, המהפכה לא
תורת היחסות היא, לצד מכניקת הקוונטים, אחד משני עמודי התווך של הפיזיקה המודרנית. ובכל זאת, איינשטיין לא קיבל את הנובל על פיתוחה.
ב־1905 ערערה תורת היחסות הפרטית את התפיסה של זמן אוניברסלי אחיד ושל מרחב שאינו תלוי בצופה. על בסיס עקרון היחסות וקביעות מהירות האור בריק לצופים אינרציאליים, היא קשרה את מדידות המרחב והזמן לתנועה היחסית של הצופים. ב־1915 הרחיבה תורת היחסות הכללית את המהפכה: הכבידה תוארה באמצעות עקמומיות המרחב־זמן.
חלק מאנשי ועדת הנובל הסתייגו מן התיאוריה וחשבו שהראיות הניסוייות אינן מספיקות. לאחר מועמדויות רבות, הוענק לאיינשטיין פרס נובל לשנת 1921, ובמיוחד על גילוי חוק האפקט הפוטואלקטרי — הקשר בין תדירות האור לבין האנרגיה של האלקטרונים שהוא משחרר מחומר. ההכרה הותירה במפורש את הערכת היחסות מחוץ לנימוק הפרס.
גם הרמן מינקובסקי, שנתן ליחסות הפרטית ניסוח גאומטרי של מרחב־זמן ארבע־ממדי, לא קיבל נובל. איינשטיין הסתייג תחילה מן הניסוח, אך הגישה הגאומטרית נעשתה מרכזית בהתפתחות היחסות הכללית. מינקובסקי מת ב־1909, בגיל 44, לפני שהרעיונות נעשו לחלק מן התשתית המקובלת של הפיזיקה.
חמש הדוגמאות ממחישות שהפרס מתעד החלטות על הישגים מסוימים ברגע מסוים. חשיבותם של רעיונות נבחנת גם בדרך אחרת: אילו ניסויים הם מאפשרים, אילו תופעות הם מסבירים וכמה מן המדע שבא אחריהם נשען עליהם. במבחנים האלה, ההישגים שברשימה כבר הותירו חותם עמוק.
שאלות ותשובות
האם איינשטיין לא זכה בפרס נובל?
הוא זכה בפרס נובל לפיזיקה לשנת 1921, ובמיוחד על גילוי חוק האפקט הפוטואלקטרי. הוא לא קיבל את הפרס על תורת היחסות.
האם פרס נובל לשזירה קוונטית לא הוקיר את משפט בל?
הפרס ב־2022 הוקיר ניסויים שנסמכו על רעיונותיו של בל ואת התפתחות מדע המידע הקוונטי. בל עצמו מת ב־1990 ולא היה בין הזוכים.
מדוע קשה להעניק נובל על תגלית של צוות גדול?
פרס בתחום המדעי יכול להתחלק בין שלושה אנשים לכל היותר. בתגלית שבה השתתפו קבוצות רבות, בחירת שלושת הזוכים עשויה להיות קשה ושנויה במחלוקת.
האם היעדר פרס מלמד שתגלית אינה חשובה?
לא. גלי בלוך, פונונים ותורת היחסות הם חלק מן היסודות של הפיזיקה, גם בלי פרס על פיתוחם. הרשימה משקפת את גבולות מנגנון ההכרה ולא דירוג מלא של חשיבות מדעית.
המאמר המדעי
זו סקירה היסטורית של כמה תחומים, ולא דיווח על מחקר חדש יחיד. אחד המאמרים המקוריים המרכזיים שנדונים בה הוא מאמרו של ג'ון בל מ־1964:
On the Einstein Podolsky Rosen paradox — John S. Bell
עוד בנושא באתר הידען
- לקראת נובל ברפואה: שש פריצות דרך בביולוגיה שלא זכו בפרס
- פרס נובל לפיזיקה לשנת 2022 לשלושה מדענים מתחום השזירה הקוונטית
- מושגי יסוד בפיזיקה קוונטית: אי־שוויון בל — שעמד בבסיס פרס נובל
- תורת היחסות של איינשטיין הוכחה גם בגלקסיה אחרת
- כיצד נראו המיקרו־שניות הראשונות של היקום?
מקור: Science — Adrian Cho, 30 בספטמבר 2026.
