סיפורו של הכוח האלקטרו-חלש: איך הצליחו שני פיסיקאים לפשט את העולם, ולסבך לעצמם את החיים

.
אם אפשר היה לחלק את זוכי פרס נובל ל"ליגות" שונות על-פי
מידת החשיבות של תרומתם המדעית, היו מרטינוס וולטמן
והררדוס אטהופט ממוקמים בין המקומות הראשונים של הליגה
העליונה. אחרי ככלות הכל, הם הצליחו להגשים שאיפה עליונה
בעולמם של הפיסיקאים, שאיפה שכל צעד משמעותי בדרך
אליה עשוי להוות נימוק מספיק להענקת פרס נובל. כנגד כל
הסיכויים הם השלימו את המשימה שאחרים התחילו בה, והצליחו
לאחד שני כוחות טבע, או, ליתר דיוק, להראות ששני כוחות
טבע אינם אלא השתקפויות, או דרכי ביטוי, של כוח אחד,
בסיסי יותר. הם גם הראו כיצד אפשר לחשב מראש
ולנבא במדויק את "התנהגותו" של הכוח המאוחד.
הישג נוסף מסדר גודל כזה נראה כיום הרחק מעבר לאופק
של הפיסיקה המודרנית, אבל בינתיים, נראה שההצלחה באיחוד
הכוחות הפרידה בין שני המדענים המצטיינים.
.
פיסיקאים הם אנשים פשוטים. העולם שבו אנו חיים נראה
להם מורכב ומסובך מדי, ולכן הם צוללים שוב ושוב לעומק
האטומים, בחיפוש אחר הסברים פשוטים ככל האפשר לעובדת
קיומם של חומרים, אנשים וכוכבים. אבל התמונה שהצטיירה
לנגד עיניהם לפני שוולטמן ואטהופט נכנסו לעובי הקורה, לא
הייתה פשוטה כלל ועיקר. על-פי התמונה הזאת מורכב כל
החומר שביקום משתי קבוצות עיקריות של חלקיקים: חלקיקי
חומר דוגמת האלקטרון ומשפחתו, והקווארקים, הקרויים "פרמיונים"
על שמו של הפיסיקאי האיטלקי אנריקו פרמי; וחלקיקים נושאי
כוחות הקרויים על שמו של הפיסיקאי ההודי אקשיננדה בוזה,
בוזוני-כיול. בוזונים אלה אחראים לכך שהפרמיונים אינם נפוצים
לכל עבר במעין "מרק" חסר משמעות, ולכך שהם מתקבצים
יחד ויוצרים, למשל, את האטום, היחידה שבלעדיה קשה לדבר
על קיום חומרי במובן הרגיל של המלה.
.
הביטוי המקובל בתחום הזה אומר שחלקיקי החומר "משחלפים"
ביניהם חלקיקים נושאי כוחות. ה"שיחלוף" הוא, למעשה, מעין
משחק "מסירות" בכדור, כאשר חלקיקי החומר הם ה"שחקנים"
המתמסרים ביניהם ב"כדור" שהוא חלקיק נושא כוח. ה"כדור"
העובר מיד ליד בין ה"שחקנים", מפעיל עליהם את הכוח שהוא
נושא. לדוגמה: פרוטון (המורכב מקוורקים) שנושא מטען חשמלי
חיובי, צריך, בדרך הטבע, להיות אדיש לחלוטין לקיומו של
אלקטרון שנושא מטען חשמלי שלילי. כלומר, אם להסתמך על
תכונותיהם של שני החלקיקים האלה לבדם, אין שום סיבה לצפות
שתתפתח ביניהם מערכת יחסי גומלין כלשהי. אבל, כאשר שני
אלה "משחלפים" ביניהם פוטון, החלקיק הנושא את הכוח
האלקטרומגנטי, הם מצליחים ליצור, יחד, אטום חומר
(במקרה שב"משחק" משתתפים אלקטרון אחד ופרוטון אחד,
נוצר, בזכות הכוח האלקטרומגנטי, אטום מימן).
.
עד כאן הכל טוב ויפה, אלא שהתמונה הזאת אינה שלמה. למעשה,
לפני שוולטמן ואטהופט השלימו את משימתם, מנו הפיסיקאים
ארבעה כוחות שונים ונפרדים שפעלו בין חלקיקי החומר.
הכוח האלקטרומגנטי (שנישא על ידי פוטונים ואחראי למערכת
יחסי הגומלין שבין פרוטונים לאלקטרונים); הכוח החלש
(שלמעשה מורכב משלושה כוחות שונים שכל אחד מהם
נישא על-ידי חלקיק נושא כוח אחר, והוא האחראי לפליטה
הטבעית של קרינה רדיואקטיבית מאטומים שונים); כוח הצבע
(שגם הוא, למעשה, מורכב מקבוצת כוחות, שבזכותם הקווארקים
מתאגדים יחד ויוצרים פרוטונים וניטרונים); וכוח הכבידה (שמהווה
תעלומה בפני עצמו, ושככל הנראה נישא על-ידי חלקיקים הקרויים
גרוביטונים – שטרם נתגלו בפועל).
.
מי שמרגיש שהתמונה הזאת מסורבלת ולא ממש אסתטית,
נמצא בחברה טובה. כך חשים גם מרבית הפיסיקאים. מבחינתם
של הפיסיקאים, העולם האידיאלי מורכב מסוג אחד של חלקיקי
חומר ש"משחלפים" ביניהם סוג אחד ויחיד של חלקיקים נושאי
כוח. בעצם, אפשר לומר שהפיסיקאים אינם רק אנשים פשוטים,
הם גם אופטימיים ואידיאליסטיים במידה מפתיעה, שכן עיקר
מאמציהם מכוונים למטרה אחת ויחידה: להוכיח שהעולם
המסובך שבו אנו חיים הוא, למעשה, בבסיסו, עולם אידיאלי.
לשם כך הם שואפים להראות כי הכוחות הפיסיקליים השונים
נובעים מכוח קדמון בסיסי אחד ויחיד. אטהופט וולטמן הצליחו
להראות שאלה הם, אכן, פני הדברים, ככל שמדובר בכוח
האלקטרומגנטי והכוחות החלשים. במלים אחרות, הם הצליחו
למזג את הכוחות האלה ולהראות שלמעשה אינם אלא פנים
אחרות של כוח בסיסי יותר שזכה מיד בכינוי הכוח האלקטרו-חלש.
למעשה, וולטמן ואטהופט לא הסתפקו באיחוד כוחות עקרוני,
הם הראו כיצד אפשר לחשב ולנבא את פעילותו של הכוח
המאוחד הזה, בדייקנות מרשימה ביותר. בכך הם סיפקו את
ההוכחה המעשית הראשונה לכך ששאיפתם האוטופית של
הפיסיקאים אכן ניתנת להשגה, אם כי נראה שהצעד הבא
בדרך הארוכה הזאת (איחוד של הכוח האלקטרו-חלש עם
כוח הצבע, או עם כוח הכבידה), רחוק למדי מהישג ידנו.
.
כמה מלים על ה"כלה" וה"חתן" שוולטמן ואטהופט הצליחו
להביא בברית הנישואים. הכוח החשמלי, האלקטרומגנטי, היה
ידוע, בעצם, ליוונים הקדומים. אבל הקשר בין חשמל למגנטיות
הובן לראשונה בראשית המאה ה- 19 על-ידי מייקל פאראדיי,
בנו של נפח אנגלי. האגדה מספרת שכשפאראדיי הציג את
ממצאיו לפני אצילי הממלכה האנגלית, שאל אותו מי מהצופים
מה תועלת תצמח מהמצאתו. פאראדיי לא התבלבל. הוא הישיר
את עיניו לעיני האציל קטן האמונה וענה: "איזה שימוש אפשר
לעשות בתינוק בן יומן? איני יודע מה תועלת תצמח מההמצאה
הזאת, אבל דבר אחד ברור לי לחלוטין: אתה ושכמותך עוד
תגבו על ההמצאה הזאת הרבה מסים".
.
הכוח החלש, או, למעשה, שלושת הכוחות החלשים, אחראים
לדעיכתם הרדיואקטיבית הטבעית של איזוטופים מסוימים (איזוטופים
הם גרסאות שונות של אטומי היסודות הכימיים). פעולתם של
הכוחות האלה גורמת, למשל, לדעיכתו הרדיואקטיבית של ניטרון,
הפולט אלקטרון והופך לפרוטון. האלקטרונים הנפלטים בתהליך
הזה מרכיבים את קרינת ביתא הרדיואקטיבית. התופעה הזאת
התגלתה לראשונה על-ידי אנרי בקרל, הצרפתי, שזכה בעקבות
זאת בפרס נובל לפיסיקה לשנת 1903. מאז נחקרה התופעה בידי
פיסיקאים רבים, אבל רק בשנת 1952 תיאר האמריקאי מוריי גל-מן
את הקרינה כתוצאה של פעולת קבוצת כוחות שהוא קרא להם
"הכוחות החלשים". גל-מן, אחד מהפיסיקאים הגדולים של המאה,
זכה בפרס נובל לפיסיקה לשנת 1969 על תרומתו להבנת מערכת
יחסי הגומלין בין החלקיקים האלמנטריים, ועל גילוי תכונה שבזמנו
קראו לה "מוזרות", שהובילה לגילוי הקווארק "מוזר".
.
הפיסיקאים, שאוהבים לחזות תופעות טבע באמצעות חישובים
(בלי זה הם לא בטוחים שהם ממש מבינים את התופעות האלה),
הצליחו לחשב את תכונותיו ואת דרכי פעולתו של הכוח
האלקטרומגנטי עד עשר ספרות לאחר הנקודה – מידה מרשימה
של דיוק שאי אפשר להגיע אליה בשום תחום מחקר אחר. אבל
ניסיונות ליישם את שיטות החישוב האלה על הכוח החלש, התנפצו
שוב ושוב על שרטונות המציאות.
.
הכשלונות נבעו מהשוני שבין שני הכוחות האלה: הכוח האלקטרומגנטי
נישא למרחקים ארוכי טווח באמצעות חלקיק (פוטון) קל מאוד.
הכוחות החלשים נישאים לטווחים קצרים מאוד באמצעות חלקיקים
(+ W, – W, ו- 0Z), שהם מאסיביים מאוד: מאסתם עשויה
להגיע למאסה גדולה פי 80 – 90 ממאסת הפרוטון. מציאת
ה"מכנה המשותף" בין החלקיקים השונים כל כך זה מזה,
נראתה כמשימה בלתי אפשרית, עד שבשנת 1967 הגיעו
האמריקאים היהודים שלדון גלשאו מאוניברסיטת הרווארד,
וסטיבן וינברג (אז מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, MIT).
יחד עם עמיתם, הפיסיקאי הפקיסטאני המוסלמי המנוח
עבדוס סלאם, הם הציעו דרך מקורית להתגבר על הבעיה:
הם "הלכו לאחור בזמן", אל התקופה שלפני היווצרות המאסה,
וכך, למעשה, התעלמו מהבדלי המאסות הניכרים בין
החלקיקים הנושאים את שני הכוחות השונים. הם גם גייסו
לעזרתם השערה שהעלו הפיסיקאים פרנסואה אנגלרט
היהודי הבלגי, רוברט בראוט האמריקאי ופיטר היגס הסקוטי.
שלושה אלה שיערו כי במערכת היחסים המורכבת שבין
הכוח האלקטרומגנטי לכוחות החלשים, פועלים שני
חלקיקים לא ידועים נוספים, שהם כינו אותם בשם "היגס".
על-פי התיאוריה הזאת, אחד מחלקיקי ההיגס "הקריב
את עצמו", התמזג עם ה- W, ובכך העניק את המאסה
לחלקיקי ה- W, ואילו חלקיקי ההיגס האחר, שלפי אותה
תפיסה הוא האחראי למאסה של מרבית החומר ביקום,
עדיין מצפה לגילויו. הטקטיקה הזאת הניבה מודל
מתמטי תיאורטי שהראה כיצד אפשר – עקרונית – לראות
את שלושת הכוחות החלשים ואת הכוח האלקטרומגנטי,
כאילו הם שני ענפים הצומחים שניהם מענף קדום
ובסיסי יותר. אבל ניסיונות לחשב ולנבא באמצעות
המודל הזה את התופעות המציאותיות, לרבות
המאסיביות הרבה של החלקיקים הנושאים את
הכוחות החלשים, הסתיימו בלא משמעות: המשוואות
התמלאו בגורמים אין-סופיים שאיש לא ידע מה משמעותם.
.
גלשאו, וינברג וסלאם, ושאר עמיתיהם לא מצאו טעם רב
להמשיך במסלול מחקר זה שנראה היה שהוא מוביל לשום
מקום. צריך לזכור שהיו אלה שנות ה-60 וה-70, והפיסיקה
ממש התפוצצה בידיהם של הפיסיקאים שרדפו אחר תגליות
חדשות כפי שאצילים אנגליים רודפים אחרי שועלים במסעי
ציד שסופם ידוע מראש. תגליות מסעירות ומהפכניות היו דבר
יום ביומו, כמעט, וכל מי שעיניו בראשו, ושלא רצה להפסיד
את המסיבה הגדולה, עבר לעסוק בתחומים שבהם אפשר
היה להגיע להישגים ברי קיימא (שקרדיט נאה, פרסים
ותקציבי מחקר בצדם). לעומת זאת, שדה הניסיונות
לקשור את הכוחות החלשים לכוח האלקטרומגנטי נותר
מיותם ושכוח ורק פיסיקאי אחד סירב לסגת ממנו: מרטינוס
("טיני") וולטמן מאוניברסיטת אוטרכט, הולנד. טיני הוא,
כפי שהעולם המדעי למד לדעת במשך השנים, אדם
קשה עורף במיוחד. הוא נשאר בשטח וכפי שפיסיקאים
לא מעטים תיארו זאת: "המשיך להטיח את ראשו בחומה
הבלתי חדירה של הבעיה הזאת". מדובר בסיטואציה
שבמידה רבה מזכירה סיפורי גבורה של חיילים שנותרו
בודדים, ובכל זאת המשיכו להיאבק על היעד, עד לבוא
הניצחון. במקרה זה מדובר בבעיה שכל ניסיון לפותרה
וכל רעיון באשר לדרך שעשויה, אולי, להביל לפתרונה,
מחייבים בדיקה שכרוכה בכמות אדירה של חישובים,
משימה שלכל הדעות היא הרבה מכפי יכולתו של אדם
בודד. אבל טיני לא נרתע, וכדי להפוך את משימת הבדיקה
לברת ביצוע, הוא השקיע זמן מאמץ ניכרים בבניית
מערכת ממחשבת ייחודית שנועדה לבצוע הבדיקות.
כך, כל תיאוריה או רעיון שהגיעו אליו, הוזנו מיד למערכת,
שכעבור זמן מסוים פלטה שוב ושוב את אותה תשובה:
הפתרון המוצע אינו נכון.
.
אלה היו פני הדברים בשנת 1968 ביום שבו עבר את סף
משרדו של טיני, באוניברסיטת אוטרכט, סטודנט צעיר,
בן 22, בשם חררדוס אטהופט. בתרמילו של אטהופט
הצעיר הייתה מקופלת היסטוריה משפחתית מדעית מרשימה
למדי. הדוד של אמו, פריץ זרניקה, זכה בשנת 1953
בפרס נובל לפיסיקה על המצאת מיקרוסקופ ניגוד-פאזות,
המנצל הבדלים בין גלי אור שונים, כדי להבחין בעצמים
שאי אפשר להבחין בהם במיקרוסקופ אור רגיל. דודו,
ניקולס ואן-קאמפן, כיהן באותה עת כפרופסור לפיסיקה
באוניברסיטת אוטרכט, לצדו של טיני וולטמן. האגדות
מספרות שטיני, בהיותו אדם קשה במיוחד, העביר
את אטהופט הצעיר במסלול מכשולים מפרך במיוחד,
כדי שיוכיח לו שהוא ראוי לעשות דוקטורט בפיסיקה בזכות
עצמו ושאינו נשען על זכויות משפחתיות. כך או אחרת,
אין חולק על העובדה שאטהופט שיכנע לבסוף את טיני,
שקיבל אותו למועדון הפרטי שלו: מועדון המתעקשים
למצוא דרך לאיחוד של הכוחות החלשים עם הכוח
האלקטרומנטי.
.
מידת ההדרכה שזכה לה התלמיד הצעיר נותרה עד היום
תעלומה, ומכל מקום, ברור שכיום היא שנויה במחלוקת
בין המורה לתלמידו. אטהופט הצעיר חזר למודל המתמטי
העקרוני של גלשאו, וינברג וסלאם, ובכוח מחשבתו
הנדיר, והיצירתי, שינה ו"כיוונן" את המודל עד שהצליח
לחשב ולנבא את פעילותו של כוח פיסיקלי בסיסי המאחד
בתוכו את שלושת הכוחות החלשים ואת הכוח האלקטרומגנטי.
המודל המתמטי של גלשאו, וינברג וסלאם התווה את מסגרת
הפתרון, אבל השינויים שהכניס אטהופט במודל הזה העבירו
את הנושא כולו ממעמד של "רעיון" למעמד של מציאות
חד-משמעית.
.
אם ההתנגשות בין וולטמן לאטהופט לא התחוללה קודם
לכן, הרי אין ספק שהיא התחוללה בנקודה הזאת. וולטמן,
פשוט, לא האמין ונראה שעד עצם היום הזה אינו מאמין,
לא במודל של גלשאו, וינברג וסלאם, ולא בקיומם של חלקיקי
היגס. "הליכה לאחור בזמן", והכנסתם של חלקיקים תיאורטיים
למערכת נראו לו כתכסיסים זולים, מעשי להטים לא מכובדים.
וכאשר מי שמבצע את הלהטים האלה בכיכר העיר הוא לא
אחר מאשר תלמידו, אפשר להניח שזה נראה לו קרוב למדי
לבגידה. אבל חוסר אמונתו של טיני לא הפריעה לוועדת
פרסי נובל להעניק – בעקבות עבודתו של אטהופט – את פרס
נובל לפיסיקה לשנת 1979 לגלשאו, וינברג וסלאם. "ממציאי"
חלקיקי ה"היגס", אנגלרט, בראוט והיגס עצמו, זכו בפרס
היוקרתי מטעם האגודה האירופית לפיסיקה. הפרס הוענק
להם בשנת 1997 בכנס השנתי של האגודה שאורגן בידי
האוניברסיטה העברית ומכון ויצמן למדע, והתקיים בירושלים.
.
כך או אחרת, העימות בין המורה לתלמידו צבר תאוצה ועשה
לו כנפיים, דבר שלדעת רבים סיכל את סיכוייו של אטהופט
לזכות בפרס נובל בראשית שנות השמונים. מה גרם לטיני
וולטמן לפתח רגשות עזים כל כך נגד תלמידו? זה עניין
שכנראה יישאר בגדר תעלומה. אפשר אולי לשער שלאחר
שנים רבות כל כך שבהן "הטיח את ראשו בחומה הבצורה
של הבעיה שאי אפשר לפתור אותה", הוא, פשוט, התרגל
למצב, התרגל לקיומה של הבעיה והחל להאמין, כמו
כל שאר הפיסיקאים שנטשו את העיסוק בתחום הזה,
שהבעיה היא, באמת, חסרת פתרון. הוא אהב לדמות
את עצמו לנער ההולנדי שמתעקש להשאיר את אצבעו
בחור שבחומה ובכך מתעמת עם איתני הטבע. אבל
אולי הוא דמה יותר לדייג הזקן מ"הזקן והים" של
המינגווי: הוא יצא לים הגדול, התעמת לבדו עם
בעיה גדולה שנראתה בלתי מנוצחת, ובסופו של דבר
ניצח, הגיע לחוף וזכה בהכרה על פועלו, בעוד שאת
הבשר החומרי של הדג הגדול, אכל מישהו אחר.
הענקת פרס נובל לאטהופט ולוולטמן גם יחד, הייתה
אירוע חריג במובן זה שבדרך כלל הפרס ניתן
לפותרי הבעיות, מבלי להתחשב במחקרים שעליהם
התבססו. כאן קיבלו את הפרס איש שפתר בעיה,
יחד עם איש שאינו מאמין בפתרון הזה, אבל
החזיק את הבעיה "בחיים", והתעקש להתעמת
אתה, דבר שבלעדיו סביר להניח שהיינו מחכים
עוד זמן רב מאוד לפתרונה.
.
אבל אטהופט, בסופו של דבר, אינו שונה כל כך מוולטמן.
"אני לא איש צוות", אמר ברגע נדיר של גילוי לב.
"כבר כילד ידעתי שאהיה מדען. תמיד אהבתי ספרים,
אהבתי לשאול שאלות, אהבתי לשבת ולחשוב – ושנאתי
לשחק בכדורגל. אני זוכר היטב פעם אחת שהתפתיתי
לעלות למגרש, וממש התבלבלו לי הכיוונים. לא ידעתי
להבחין מי נגד מי, והתרוצצתי שם בלי לדעת, בדיוק,
על מה עלי להגן ולאיזה כיוון עלי לתקוף. ומכיוון שמצבים
של חוסר ידיעה אינם חביבים עלי, החלטתי – ועד היום
עמדתי בהחלטה הזאת – להימנע מכדורגל, או מכל פעולה
אחרת המחייבת תיאום קבוצתי. אני מעדיף לפעול בעצמי
ולסמוך רק על עצמי".
.
מצב היחסים בין אטהופט לוולטמן הביא לכך שאוניברסיטת
אוטרכט הייתה צרה מכדי לאכלס את שניהם יחד בעת
ובעונה אחת. בתחילה, לאחר שהשלים את עבודת
הדוקטורט שלו, יצא אטהופט, כמו כל מדען בגילו
ובמעמדו, ל"מסע נדודים מדעי". כך הוא עבר,
בין היתר, במעבדה האירופית לחקר פיסיקת החלקיקים
(CERN) שליד ג'נבה, ובאוניברסיטת הרווארד. באותן
שנים ביצע כמה עבודות בעלות "פוטנציאל לנובל".
ביניהן אפשר להזכיר את תרומותיו למאמץ העולמי
שנועד למצוא דרך לשלב את כוחות הצבע ב"איחוד
הכוחות הגדול". הוא גם הראה – בתיאוריה – כי ייתכן
קיומו של חלקיקי נושא מטען מגנטי הקרוי "מונופול"
(במציאות ידוע המטען המגנטי כמי שמופיע
בשני קטבים מנוגדים, שמאזנים זה את זה). קיומם
של חלקיקי "מונופול" מהווה פוטנציאל אדיר להפקת
אנרגיה זולה. לדוגמה: ניצול כוחות הדחייה
ביניהם עשוי לשמש לשיגור יעיל וזול של חלליות.
.
זמן לא רב לאחר שאטהופט עטור התהילה שב לאוניברסיטת
אוטרכט, ארז וולטמן את מטלטליו ועקר לאוניברסיטת
המדינה של מישיגן באן-ארבור, ארה"ב, שם כיהן כפרופסור
לפיסיקה עד שפרש לגמלאות, אבל גם כיום, כ-35 שנים
לאחר אותם ימים רחוקים של עימותים מחשבתיים עם
אטהופט הצעיר, הכעס והעלבון אינם נותנים לו מנוח.
כגמלאי, חזר לעיר מגוריו, אוטרכט, בהולנד. הוא מתגורר
מרחק דקות הליכה אחדות מהאוניברסיטה, אבל בטיוליו
היומיים הוא מקפיד שכף רגלו לא תחצה את שערו של
המוסד שבו בילה את מרבית שנותיו. אולי אחד הדברים
הבודדים שאפשר ללמוד מהסיפור הזה הוא, שפתרונה
של בעיה אחת מביא בעקבותיו, בדרך כלל, בעיות חדשות.
.