החידות הבלתי פתורות של הפיזיקה

"על הנמר לצוד,
על הציפור לעוף,
על האדם לשבת ולתמוה, "מדוע? מדוע? מדוע?"
על הנמר לישון,
על הציפור לנחות,
על האדם לומר לעצמו כי הבין".

קורט וונגוט, "עריסת חתול"

הסקרנות היא אחד הדברים שמייחדים את בני האדם משאר בעלי החיים, שכן האדם מעולם לא הפסיק לשאול ולחקור כדי להבין טוב יותר את העולם הסובב אותו. הדבר בולט במיוחד בעולם הפיזיקה, שבו נמצאו מאז תחילת המאה ה-20 תגליות חשובות ופורצות דרך, החל בפיתוח תורת הקוונטים, תורת היחסות הכללית ותיאוריית המפץ הגדול וכלה בגילוי המדהים של גלי הכבידה בשנה שעברה. אך כמובן נותרו עוד כמה וכמה חידות בלתי פתורות שעליהן שוקדים כיום הפיזיקאים ואולי עוד יובילו אותנו לפריצות הדרך של העתיד.

החומר האפל

בשנת 1687 פרסם אייזק ניוטון את ספרו "העקרונות המתמטיים של פילוסופיית הטבע" שבו הניח את הבסיס למכניקה הקלאסית. בין השאר הוא הסביר את התנועה של גופים בהשפעת כוח הכבידה ואת תנועת הכוכבים בשמיים. אך במהלך המאה ה-20, ובעיקר בשנות ה-70 וה-80 הצטברו עדויות לכך שגופים מסוימים בחלל נעים במהירות גבוהות יותר ממה שמציעים חוקי ניוטון, ואפילו תורת היחסות הכללית לא מצליחה להסביר אותם.

בתצפיות הסתכלו המדענים על גלקסיות מסוימות ועל התפלגות המסה בתוכם, ובהתאם למרחקים בין הכוכבים וחוקי התנועה של ניוטון חישבו את המהירות של כוכבים בשולי הגלקסיה. אך הכוכבים הללו נעו הרבה יותר מהר ממה שהסבירה התורה של ניוטון.

על פי המכניקה הניוטונית, היה צריך כוח חזק יותר ממה שחושב כדי שהכוכבים הללו יישארו בתוך הגלקסיה ולא יברחו מכוח המשיכה שלה. ההסבר הרווח היום לכוח הנוסף הזה הוא שיש בגלקסיות חומר נוסף שאיננו יכולים לראות והוא מספק את כוח המשיכה הנדרש כדי לשמור את הכוכבים בגלקסיה, החומר הזה נקרא "חומר אפל".

לפי החישובים, החומר האפל צריך להיות מפוזר בגלקסיה בצורה כמעט אחידה כדי לאפשר את תנועת הכוכבים כפי שאנו רואים אותה, וכמות החומר האפל ביקום אמורה להיות גדולה פי חמישה מכמות החומר המורכב מאטומים שאנחנו רואים. עד כה לא נמצאו עדויות לקיומו, אך העובדה הזאת לא מפתיעה כלל מאחר שהוא משפיע רק על הכבידה ואינו פולט שום סוג של קרינה אלקטרומגנטית, ובכלל זה אור נראה או גלי רדיו.

החיפושים אחר החלקיקים המרכיבים את החומר האפל נמשכים ומדענים מנסים לבנות גלאים רגישים ביותר שיוכלו לזהות את השפעתו הקטנה של החומר האפל. אפשרות נוספת היא שתיאוריות הכבידה של ניוטון ואיינשטיין זקוקות לתיקון שיסביר את תנועת הכוכבים ואילו החומר האפל כלל אינו קיים. כך למשל משערת תיאוריית MOND שפיתח בשנות ה-80 פרופ' מוטי מילגרום ממכון ויצמן למדע.

האנרגיה האפלה
תעלומה נוספת שהפיזיקאים מנסים לפצח היא האנרגיה האפלה. בשנת 1929 מדד אדווין האבל (Hubble) את המהירויות של גלקסיות ומצא שכל הגלקסיות מתרחקות מאיתנו ושהיחס בין המרחק למהירות הוא קבוע, שלאחר מכן נקרא "קבוע האבל". מהמדידות שלו הסיקו שהיקום איננו סטטי אלא מתפשט בהתמדה.

ב-1998 מדדו חוקרים את התנועה של גלקסיות רחוקות מאוד באמצעות הסתכלות על סופר נובות. מהמדידות הם ראו שקבוע האבל גדל עם הזמן, כלומר היקום לא רק מתרחב אלא גם עושה את זה יותר ויותר מהר. על התגלית הזו זכו אדם ריס (Riess), בריאן שמידט (Schmidt) וסול פרלמוטר (Perlmutter) בפרס נובל לפיזיקה בשנת 2011.

ההסבר המקובל להאצה של קצב התפשטות היקום הוא אנרגיה אפלה שמקורה אינו ברור אך היא יוצרת כוחות דחייה במרחב וגורמת להתפשטותו. לפי החישובים מדובר בקרוב ל-70 אחוז מכלל האנרגיה-מסה ביקום. הסבר תיאורטי אפשרי להתפשטות יכול להינתן אם נוסיף קבוע קוסמולוגי למשוואות התנועה של תורת היחסות הכללית. הוספה של הקבוע הזה למשוואה תאפשר להסביר את ההאצה, אך זה רק הסבר אחד מתוך כמה והחוקרים עדיין חלוקים בדעותיהם.

התיאוריה של הכול
הבעיות הללו של חומר אפל ואנרגיה אפלה שייכות לעולם האסטרופיזיקה והקוסמולוגיה, שבו המרחקים עצומים והעצמים כבדים – גלקסיות, כוכבים וכדומה. במצב הזה הכוח הדומיננטי הוא הכבידה, שמתואר על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין.

המצב שונה מהיסוד כשמסתכלים על עצמים קטנים כמו אטומים, מולקולות, אלקטרונים וכו' ועל המרחקים הזעירים שביניהם. כאן כוח הכבידה חלש מאוד והכוחות הדומיננטיים הם הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק. את שלושתם מתארים בפירוט המודל הסטנדרטי של החלקיקים והפיזיקה הקוונטית.

מה שעדיין חסר הוא "תיאוריה של הכול" – תיאוריה מאוחדת שתסביר היטב את כל הכוחות בכל המרחקים והמצבים האפשריים. אלברט איינשטיין עצמו ניסה עד סוף ימיו לפתור את השאלה הזאת, אך לא הצליח להשלים אותה.

בשנות ה-70 וה-80 של המאה הקודמת ניסו פיזיקאים לענות על הבעיות הללו באמצעות תיאוריית המיתרים. התיאוריה המורכבת הזו מתארת את החלקיקים והיקום שאנו מכירים באמצעות מיתרים קטנים שמתנודדים ביקום רב-ממדי. החלקיקים שאנו רואים מורכבים מהמיתרים האלה ותכונותיהן מוסברות על ידי תנודות המיתרים. אך עד כה לא הצליחו החוקרים למצוא חיזוי משמעותי של התיאוריה שנוכל לאמץ באמצעות ניסוי, כך שהבעיה נותרה בעינה.

בפני המין האנושי עומדים עוד אתגרים רבים נוספים בבואו להבין את המציאות הסובבת אותו. בשנת 1900 עוד היה נדמה שהפיזיקאים הצליחו להסביר את רוב התופעות פרט למספר קטן של בעיות שנראו שוליות יחסית. מהפתרון של הבעיות הללו צמחו תורת הקוונטים ותורת היחסות הפרטית והכללית, שהיו מהפכות ענק ושינו את תפיסת העולם של המדענים במאה ה-20. מי יודע אילו תיאוריות יולידו במאה ה-21 הבעיות הבלתי פתורות של תקופתנו?