החלקיק האלוקי

המאמר פורסם לראשונה בעלון הנוער עולם קטן 

כשבאים לעסוק בחוקי החומר בקנה מידה קטן יותר מהאטום (מה שקרוי קנה מידה קוונטי), אחת הבעיות היא שפשוט לא ניתן לראות כלום. לא רק שאין מיקרוסקופ שיכול להגדיל בקנה מידה כזה, אלא אפילו המולקולות שמרכיבות את העדשות, או את הכלים האלקטרוניים המגדילים גדולות לאין שיעור מהחלקיקים שאותם מנסים למדוד. החלקיקים קטנים לאין שיעור אפילו מהאטומים עצמם, כי הם הרי מרכיבים את האטום. ממילא, האתגר של הבנת החלקיקים הזעירים שמרכיבים את האטום הוא לא רק עצום, אלא מצריך שיטות שיכולות למדוד את ההשפעות של אותם חלקיקים מבלי לראות, לחוש או לדעת בוודאות שהם באמת שם.

ממילא, מאז תחילת ימי תורת הקוונטים היא מבוססת על תיאוריות שאת רובן לא ניתן להוכיח בצורה ישירה. ניתן לבדוק אם התיאוריה איננה סותרת ניסויים, ניתן לחזות ולנבא התנהגויות ולראות אם המציאות תואמת אותן בסופו של דבר – אך לא ניתן להוכיח.

איך איננו נופלים מבין החורים של עצמנו
ואולם העניינים מסובכים עוד יותר. בקנה המידה הקטן מאוד ישנן גם התנהגויות של חומרים וחוקים שסותרים את ההיגיון הישר במכניקה הגדולה יותר. תופעות כמו חומרים שמופיעים ונעלמים יש מאין, חלקיקים שהם גם חומר וגם גל, אי וודאות מובנית ועוד. הניסיון להבין את העולם בקנה מידה קטן כל כך קובע סדר אחר. בתחילה מגבשים את השאלות, אחר כך מגבשים תיאוריה שתענה על כל השאלות, ורק לאחר מכן, במשך שנים, בודקים שוב ושוב אם התנהגות החומר שנחשפת בניסויים סותרת או לא סותרת את התיאוריה.

דוגמא לשאלה גדולה: מזה זמן רב אנחנו יודעים שהחומר שסביבנו הוא למעשה מועט ביותר. האלקטרונים והחלקיקים הזעירים שמרכיבים את גרעין האטום הם זעירים ורחוקים מאוד זה מזה. אם היתה לנו דרך לגבש את החומר שמרכיב את הגיליון שאתם קוראים עכשיו, והיינו מבטלים את הריק שבין האלקטרון לפרוטון – לא הייתם רואים כלום, אפילו לא נקודונת זעירה של חומר. על פי העיקרון הזה, גם הידיים שלכם שאוחזות בדף, או השולחן שעליו הוא מונח הם הרבה יותר חורים מאשר חומר. כעת, מדוע הנייר פשוט לא מחליק בין החורים הללו שבידיים שלכם ונופל ל... אי אפשר אפילו לומר לרצפה, כי גם הרצפה מורכבת בעיקר מריק.

הסיכויים שאותו "חומר" זעיר שמרכיב את האטומים שמהם אתם בנויים, יתנגש בדיוק ב"חומר" שמרכיב את הכסא שעליו אתם יושבים, הוא כה קטן עד שממש איננו קיים. אם כך, מדוע אינכם נופלים אל האין? ההסבר, בגדול, מדבר על כוחות דחיה. מה שמחזיק אתכם באוויר של הכסא איננו החומר, אלא שורה ארוכה של כוחות דחיה בין האטומים שמרכיבים את גופנו לבין האטומים שמרכיבים את העץ של הכסא. את הכוחות הללו, שבעצם מרכיבים את העולם שלנו כולו, מתארים הפיסיקאים בתיאוריה הקרויה תורת הקוונטים. התיאוריה הזו, שרובה נוסחה על ידי איינשטיין לפני כמאה שנה ללא שום ניסוי מעשי אלא על הנייר וליד שולחן כתיבה, קובעת את החוקים ששולטים באותם קני מידה זעירים כל כך, את הכוחות הפועלים ואת ההנחות שאי הודאות השולטת שם מנחיתה עלינו.

הרבה מעבר לאטום
עכשיו נעקוב אחרי הסדר: הפיזיקאים רואים תופעות בטבע הזעיר ובחומר, מנסים להסביר אותם ובמשך שנים מגבשים תיאוריה, שמסבירה לפחות חלק מהתופעות. את התיאוריה מכניסים לתוך נוסחאות מתימטיות שמצידן כופות סדר והתנהגות עקבית. ממילא נובעות מהתיאוריה הנחות שונות ותחזיות שאותן בודקים, לאט לאט, על ידי ניסויים שמשתכללים והולכים. כל עוד התיאוריה איננה סותרת את העובדות המתגלות, ובוודאי כאשר היא חוזה התנהגות שניתן להוכיח – היא הולכת ומתבססת.

לפני יותר ממאה שנים הוטלה פצצה לעולם הפיזיקאי – תיאוריה חדשה שזכתה לשם "המפץ הגדול" טענה שהיקום נוצר לפני כך וכך שנים, בניגוד גמור למחשבה שהיתה מקובלת במשך אלפי שנים ש"העולם קדמון". הכל החל, על פי התיאוריה הזו, מגוש קטנטן של חומר דחוס עד אין סוף שהתפוצץ והחל להתפשט במהירות שיא, עד שלב מסויים של התקררות הדרגתית. התיאוריה, שהיתה מהפך עצום בצורה החשיבה המדעית, מכריחה כל מיני הנחות נוספות על החומר, על האנרגיה, על התרחקות החומרים זה מזה ועוד. מאז מנסים המדענים להוכיח או לפרוך את ההנחות והחוקים שנובעים מהמפץ הגדול, והתיאוריה הזו, שבעצם טוענת שהעולם נברא אי פעם בעבר, הולכת ומתבססת עד כדי כך שכיום השאלה שעליה מתווכחת האמונה עם המדע איננה "האם העולם החל פעם ולפני כן לא היה כלום", אלא "האם היתה תבונה מכוונת שהנחתה את העולם מאז שהוא החל פתאום".

אפילו החלקים הקטנים ביותר של החומר, טוענת תורת הקוונטים, מורכבים מחלקיקים קטנים עוד יותר שמתנהגים על פי חוקים משלהם. הם באים והולכים, מבטלים זה את זה (מינוס ופלוס) ופתאום לא, נשזרים זה בזה בצורה כמעט רוחנית ומשתחררים... ומרכיבים כולם ביחד, על ידי כוחות דחיה מורכבים וניתנים לחישוב, את עולם החומר כפי שאנחנו מכירים אותו. הבעיה היא שחלקיקים זעירים אלו קשורים זה בזה באנרגיות עצומות, וכדי להפריד ו"לראות" אותם (או לפחות לראות את ההשפעה שלהם על מכשירים שונים) זקוקים לעוצמות אנרגיה אדירות ולמכשירי מדידה שהמילה סופר-מדוייקים היא תיאור ממש לא מדוייק שלהם. לצורך כך בנתה האנושות, פחות או יותר, ניסוי ענק בשוויץ. מאיץ ההידרונים. הושקעו בו למעלה מ-5 מיליארד יורו, הובאו אליו 5000 מדענים מהמון מדינות בעולם, יוצרו מגנטים המקוררים כמעט עד נקודת הקיפאון המוחלט (הבדיחה אומרת שבמאיץ ההידרו נים, במיליון וחצי יורו אפשר לקנות מגנט אחד וכוס קפה אחד, בלי סוכר) לכמה ניסויים גדולים שמטרתם להביא את החלקיקים למהירות עצומה, ממש ממש קרוב למהירות האור, להטיח אותם בדייקנות לא נתפסת אחד בשני, דבר שיביא לפירוקם לשבריר שניה, ואז למדוד האם הם מתנהגים כפי שהתיאוריה חוזה שהם יתנהגו.

א-לוהי הדברים הקטנים
ובעיקר מנסה הניסוי הענק, למצוא חלקיק אחד קטנצ'יק שאחראי לכמה תופעות חשובות בחומר, תופעות שאינן ניתנות להסברה על ידי מכניקת הקוונטים ללא נוכחותו הברוכה. לדוגמא, אילולא החלקיקון הזה לא ניתן להסביר למה לחומר יש מסה (משקל, אם תרצו), או למה האלקטרון שמטענו החשמלי שלילי לא מתחבר למטענים חיוביים באטום ויוצר שיווי משקל, או אפילו למה הם נותרים רחוקים כל כך אחד מהשני (זוכרים את הציור הזה שמתאר אטום? כדורים קטנים שמסתובבים סביב כדור גדול יותר? לא שאלתם את עצמכם פעם למה הם אינם נמשכים לכדור הגדול ונשארים שם, מחוברים לנצח על ידי כוחות משיכה מגנטיים הפוכים?). כל זה דרש משהו נוסף, חלקיק נוסף במשוואה שמייצג כוח שיוצר את הדברים הללו בקנה המידה הזעיר - אך החשוב - שהרי בלעדיו כולנו היינו חוזרים לאין המוחלט בשבריר של... אי אפשר אפילו להגיד שניה כי גם מרחב הזמן לא היה קיים.

זו הסיבה שמדענים שלא בדיוק למדו בישיבות הסדר, מכנים את החלקיק בשם המכובד "א-לוהי" – מכיוון שהוא אמור להסביר את עצם קיומו של החומר, וממילא את עצם קיומנו כאן. לנו נותר להחליט האם הכינוי הזה ניתן רק בהשאלה.

את החלקיק המכונה היגס, בעיקר, מנסים למצוא במאיץ ההידרונים הגדול, או לפחות למצוא את השאריות שהוא משאיר (כי הוא עצמו נעלם מהר מדי). אז מה עושים? לוקחים פרוטונים של חומר מסויים (לעיתים עופרת), מריצים אותם במעגל מוטרף במהירות גדלה והולכת עד כמעט מהירות האור, וגורמים להם להתנגש. ואז, מנסים למדוד האם יש אנרגיות לא מוסברות שילמדו על קיומו של החלקיק. נשמע מסובך? זה אכן כך. יותר מזה אפילו, כי הוא כל כך קטן שהוא לא רק בורח למכשירי המדידה, אלא פשוט חולף לו ברווחים הענקיים שבין האלקטרון לפרוטון, או שבין המולקולות שמרכיבות את החומר. הוכחת קיומו של ההיגס תביא להוכחה נוספת של התיאוריה הקוונטית, ותפתח מן הסתם עולם חדש של חוקים להבנה, נוסחאות והבנה נוספת של היקום והבריאה. וככל שזה נראה כעת מהדיווחים משוויץ, החלקיק הסורר אכן נמצא. מדהים.