פיצוחים – 'Life's greatest seceret', יומן קריאה

אפתח הפעם בשתי שאלות טריוויה מתחום הביולוגיה המולקולרית. בחנו את עצמכם/ן.

לכל שאלה 4 תשובות אפשריות. סמנו (בדמיון) את התשובה הנכונה לכל שאלה.

שאלה 1:

מי גילתה את הריבוזום?

א) Ŧ

ב) מה זה ריבוזום?

ג) לא יודע, צריך לבדוק בויקיפדיה.

ד) עדה יונת ממכון ויצמן, שגם זכתה על עבודתה בפרס נובל בכימיה.

 

שאלה 2:

מיהם צמד החוקרים שפיצחו את הקוד הגנטי?

א) Ħ

ב) גנטי מי?

ג) לא יודע, צריך לבדוק בויקיפדיה.

ד) פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון, שגם זכו על עבודתם, יחד עם מוריס ווילקינס, בפרס נובל בפיזיולוגיה או רפואה.

ADN_animation
איור 1: אנימציה של מבנה DNA מסתובב. המקור לאנימציה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש brian0918™.

 

תשובות נכונות:

שאלה 1-ג', שאלה 2-ג'.

 

הסבר:

עדה יונת פענחה את מבנה הריבוזום שהוא מכונה מורכבת שפועלת בתא וקשורה לתרגום הבסיסים של מולקולת ה-RNA ליצירת חלבון. פרנסיס קריק וג'יימס ווטסון פענחו את מבנה ה-DNA. כלומר עבודתם החשובה ופורצת הדרך של שלושתם לא היתה גילוי המולקולות אלא פענוח המבנים והמכניזם.

***

מהו בכלל הקוד הגנטי?

החיים הם כאלה שאנחנו, היצורים החיים, בנויים מחלבונים ועל ידי חלבונים שמהווים גם את חומר הבניה וגם את כלי העבודה בתוך התא. הכוונה בחלבונים היא למולקולות שבנויות משרשראות של מולקולות קטנות יותר מסוגים שונים שיש להן תכונות משותפות ונקראות חומצות אמינו.

מאיפה מגיעים החלבונים?

סליל ה-DNA הוא מאקרו-מולקולה שמורכבת משרשרת של מולקולות המכונות נוקליאוטידים מהן יש 4 סוגים שנהוג לסמנן על ידי 4 אותיות בסיסיות: A,G,C,T. חלקים מסוימים בסליל משועתקים לפעמים למולקולות מסוג RNA שגם הן מורכבות מרצפים של 4 אותיות שמתאימות לאותיות המקוריות של מקטע ה-DNA מהם שועתקו. מולקולות ה-RNA לפעמים מתורגמות על ידי מכונה מורכבת שנקראת ריבוזום לרצף משורשר של חומצות אמינו (שלוקטו מהתא וחוברו יחדיו). רצף חומצות האמינו מתקפל לצורה כלשהי והוא החלבון. הרצף שחובר אינו מקרי, אלא נקבע על ידי רצף האותיות שב-RNA.

כלומר סוג החלבון נקבע על ידי רצף חומצות האמינו שנקבע על ידי רצף האותיות של ה-RNA שנקבע על ידי רצף האותיות שב-DNA.

Peptide_syn
איור 2: פעולת התרגום על ידי הריבוזום. לכל רצף של שלושה בסיסים (תכלת) מותאמת חומצת אמינו (ורוד) המתחברת לשרשרת שלאחר קיפולה תהווה את החלבון. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Boumphreyfr.

התהליך שתיארתי כאן מכונה 'הדוֹגמה המרכזית של הביולוגיה המולקולרית' והוא פרי המצאתו וניסוחו (כולל השם הבעייתי) של אותו פרנסיס קריק שהזכרתי בפתיחה. ניתן לסכמו גם כך: מידע ב-DNA מוביל ליצירת RNA ומידע ב-RNA מוביל ליצירת חלבון, אבל חלבון לעולם לא מוביל ליצירת DNA.

חשוב לציין שהתיאור שלי הוא מקוצר, פשטני, ומשמיט פרטים ומשתתפים רבים בתהליך השעתוק והתרגום. אבל הוא יספיק לעת עתה.

כעת שימו לב לעובדה המוזרה הבאה: מצד אחד, ישנן 4 אותיות על גבי ה-DNA וה-RNA. מצד שני, מסתבר שישנן כ-22 חומצות אמינו שמרכיבות את החלבונים שנוצרים בתא. כיצד 4 אותיות מקודדות ל-22 חומצות אמינו? מהו האלגוריתם שקובע את חומצת האמינו הבאה שיש לשרשר בהינתן רצף האותיות ב-RNA?

ובכן, זהו הקוד הגנטי שפוצח בראשית שנות ה-60.

***

עטיפת הספר
תמונה 3: עטיפת עותק הספר שלי.

מת'יו קוב, פרופסור בתחום הביולוגיה באוניברסיטת מנצ'סטר, שעוסק גם בהיסטוריה של המדע, פרסם בשנה שעברה ספר בשם:

Life's greatest secret – The race to crack the genetic code

לב הספר עוסק בכרוניקה היסטורית של פיצוח הקוד הגנטי אבל הוא מתחיל הרבה לפני ומסיים הרבה אחרי. הספר מתחיל בסקירה של נושא הגנים לפני שידעו על הקשר ל-DNA. את דרך החתחתים שעבר הרעיון המהפכני שה-DNA הוא החומר הגנטי. סוקר באריכות את פענוח מבנה ה-DNA (ווטסון וקריק) וניסוח הדוגמה המרכזית (קריק). עובר על הגילוי החשוב של אופרון הלקטוז והגן כיחידת בקרה ולא רק כנושא מידע. מציג את הכישלון המוחלט של תיאורטיקנים מתחום הפיזיקה והמתמטיקה לפצח את הקוד. וכמובן מספר בפרוטרוט על פיצוחו של הקוד על ידי הברקה ניסויית של שני מדענים אלמונים שאף אחד לא הכיר ולא לקח בחשבון. לסיום מציג הסופר במספר פרקים סקירה תמציתית של הידע שנצבר משנות ה-70 ועד ימינו, כולל גילויים מפתיעים, השלכות על טכנולוגיה והחשיבות לחיינו כיום, מחוץ למעבדת המחקר.

נושא מרכזי נוסף השזור לאורך הספר הוא התפתחות תורת המידע והקיברנטיקה והניסיון לשלב את העקרונות האלה בחקר הביולוגיה המולקולרית. ניסיונות שלא צלחו וניתן להתווכח כיום מה היתה התרומה שלהם (אם בכלל) להתקדמות בתחום. העיסוק הנרחב בנושא לאורך הספר מעט תמוה ביחס למסקנה שאליו מגיע הסופר בסופו.

כפי שכבר ציינתי, הספר הוא כרוניקה היסטורית ובמובן הזה הוא מעולה. העושר בידע הוא רב והקורא יקבל את הסיפור המלא על הגילויים הגדולים והמהפכות שחלו בתקופה בתחום הביולוגיה (בערך 1935-1965), מי עשה מה, מי אמר מה, מי גילה מה ומתי, כולל רצף הדברים וההיגיון שעמד מאחוריהם. הסיפור הוא מרתק וקל להישאב לתוך הספר.

הצד השני של המטבע הוא שמכיוון שהסופר מתמקד בכרוניקה הוא אינו מתמקד במדע עצמו. לא ניתן להבין מהקריאה את המדע ואת הניסויים המתוארים בספר. במובן הזה הספר הוא יותר היסטוריה מאשר מדע פופולרי. אני מניח שחלק מהקוראים יראו זאת כיתרון וחלק כחיסרון, תלוי מה הם מחפשים.

הספר סובל, לטעמי, מאקדמיזצית יתר, וזה למרות שברור שהוא פונה אל הקהל הרחב. כרבע מהעמודים המודפסים (!) מוקדשים לביבליוגרפיה והערות. בנוסף, הסופר בחר לשבץ כמעט בכל עמוד שני ציטוט מקורי של אחת הדמויות המתוארות. עבורי הציטוטים הרבים קטעו את רצף הקריאה ולא הוסיפו להבנה טובה יותר של הרעיונות שהוצגו.

***

לסיכום:

אני ממליץ על הספר, למדתי ממנו המון. הוא לא קל לקריאה כמו למשל ספר של סיימון סינג אבל הוא שווה את ההשקעה. הוא שם את הדברים בפרספקטיבה גם עבור מי שמכיר את עיקרי הסיפור.

הספר גרם לי להרהר בין היתר על כך שכל פריצת דרך שמתוארת בספר אמנם חתומה על שמו של מדען כזה או אחר אבל עמדה על כתפי עבודה קשה של חוקרים רבים לאורך שנים.

כמו כן, מהו המקום של עבודה תיאורטית בביולוגיה? מצד אחד, במקרה הספציפי של פיצוח הקוד, התיאורטיקנים לא צדקו בדבר והקוד פוצח רק מתוך ניסוייים. מצד שני, רוב הרעיונות התיאורטיים שהציע קריק (פיזיקאי בהכשרתו) חזו את העתיד לבוא וחלקם מחזיק מעמד עד היום. עבורי, חומר למחשבה.

עוגה, עוגה, עוגה, בצנטריפוגה נחוגה – ללמוד פיזיקה במעבדת הביולוגיה

בפעמים הראשונות בהן נכנסתי למעבדת מחקר בביולוגיה הרגשתי מאוים במידת מה על ידי המכשירים המוזרים ופרוטוקולים הסבוכים של הניסויים. למי שלא גדל בתחום לוקח זמן לספוג את כל עושר המידע הזה. בחלק מהטכניקות והמכשירים עסקתי ברשימות קודמות (למשל ה-PCR)

בתוך כל הסבך הזה ישנם כמה מכשירים פשוטים או כלים בסיסיים במעבדת הביולוגיה מהם ניתן ללמוד גם פיזיקה מעניינת ולא מסובכת מידי. אחת הדוגמאות היא הצנטריפוגה. במבט ראשון פשוט, מעט מורכב יותר כשנכנסים לעובי הקורה.

Tabletop_centrifuge
תמונה 1: צנטריפוגה מעבדתית. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Magnus Manske.

***

הצנטריפוגה היא אחד המכשירים השכיחים ביותר במעבדת הביולוגיה. בד"כ מדובר במכשיר מכאני שניתן להטעין בו מבחנות עם נוזלים ואז המכשיר מסובב את המבחנות בתנועה מעגלית במהירות גבוהה, בדומה למתקן עם הכיסאות המסתובבים בפארק השעשועים. המטרה של צנטריפוגה היא להפריד חומרים שונים בתוך נוזל או להפריד חומר מהנוזל על ידי שיקועו.

שני העקרונות שעומדים מאחורי פעולת הצנטריפוגה הם הגברת כוח הכבידה ויצירת הבדלה במהירות השקיעה בין חומרים שונים בנוזל.

חלקיק שוקע בכוס נוזל
איור 2: חלקיק שוקע בנוזל.

דמיינו חלקיק הנמצא בתוך כוס עם נוזל. על החלקיק פועלים כוח כבידה שמושך אותו למטה, כוח ציפה (חוק ארכימדס) וכוח חיכוך עם המים שמפריעים לו ליפול (ראו איור 2).

כוח החיכוך עם המים תלוי בצורת החלקיק, בצמיגות המים ובמהירות התנועה. חישבו מה קורה כאשר אתם מנסים ללכת בבריכה. ככל שאתם מגבירים את מהירותכם, התנגדות המים עולה גם כן.

בדומה לצנחן שחווה כוח חיכוך דומה עם האוויר, גם החלקיק בנוזל יגיע לאחר זמן מה למהירות קבועה (בעגה terminal velocity). ערך המהירות הזאת תלוי בתכונות החיכוך, צורת החלקיק ובצפיפות החומר ביחס לצפיפות הנוזל. חומרים שונים ישקעו במהיריות שונות. תכונה זאת מייצרת עבורנו את היכולת להפריד בין חומרים שונים. הבעיה היא שהזמן שלוקח לחלקיקים קטנים לשקוע הוא ארוך מידי. הפתרון הוא להגביר את כוח הכבידה.

פני המים במבחנה
איור 3: פני הנוזל במבחנה כתלות בכיוון הכבידה.

חוק הכלים השלובים אומר לנו שפני המים יהיו מאונכים לכיוון כוח הכבידה. במבחנה מאונכת לקרקע פני המים אופקיים. אם נטה את המבחנה בזווית, פני המים גם כן יטו כך שעדיין יישארו אופקיים לקרקע ומאונכים לכוח הכבידה (ראו איור 3, חלק ימני).

כאשר אנחנו מסובבים את המבחנה בצנטריפוגה פועלים על המבחנה ועל מה שבתוכה כוחות חזקים מאוד לכיוון ציר הסיבוב (למרכז הסיבוב) כדי לשמר את התנועה המעגלית (בעגה, כוח צנטרפיטלי). חישבו על כדור קשור לחבל שמסתובב במעגל. כדי שיישאר במסלול המעגלי החבל חייב למשוך אותו בחוזקה פנימה ולא לתת לו לברוח. אם החבל יקרע, הכדור יברח ויפסיק להסתובב.

אם תשאלו אדם תלוי על חבל מה כיוון כוח הכבידה, הוא יגיד שברור שלכיוון מטה, כלומר בכיוון מנוגד לכיוון בו מושך אותו החבל. באנלוגיה, חלקיק במבחנה המסתובבת מרגיש, כאמור, כוח מסובב בכיוון מרכז הסיבוב . מכיוון שאינו יודע מה קורה בעולם מחוץ למבחנה יאבחן שכיוון כוח הכבידה (האפקטיבי) הוא הפוך מכיוון הכוח המסובב ולכן החוצה מהמעגל. כוח זה, עבור 3600 סיבובים בדקה, יהיה בערך פי 2000 חזק יותר מכוח הכבידה של כדה"א ולכן יהיה הכוח הדומיננטי הפועל על החלקיק. פני המים יהיו מאונכים לכוח הכבידה האפקטיבי ולכן במהלך הסיבוב יהיו מאונכים לפני הקרקע ולא אופקיים (ראו איור 3, חלק שמאלי).

אם נסובב מספיק מהר לאורך מספיק זמן כל החלקיקים המומסים בנוזל ישקעו בצידה (החיצוני) של המבחנה. זהו השימוש הפשוט ביותר של צנטריפוגה, הפרדת חומר מומס מתוך הנוזל על ידי הגברת כוח הכבידה והגברת קצב השיקוע.

מה קורה כאשר יש יותר מחומר אחד מומס בנוזל במבחנה?

כפי שכבר ציינתי, לכל חומר תהיה מהירות שיקוע שונה ולכן נוכל לכוון את מהירות הסיבוב ואת משך זמן הסיבוב כך שחומר אחד ישקע והשני עוד לא. כך נוכל להפריד את החומרים אחד מהשני. לשם פעולת ההפרדה אנחנו חייבים את הנוזל כדי שייווצר אפקט ההפרדה בין החומרים עקב החיכוך עם המים (תאוצת הנפילה חופשית של גופים אינה תלויה במסתם, את זה ידע גלילאו מזמן).

מי שהשתמש בצנטריפוגה יודע שחייבים להפעיל אותה כאשר היא מאוזנת. אם נרצה לסובב מבחנה בודדת, חובה עלינו להניח מבחנת נוזל נוספת בדיוק בצד השני. כפי שכבר רשמתי, הכוחות שפועלים על החומר במהלך תנועה מעגלית הם עצומים ואם הצנטריפוגה אינה מאוזנת היא תרעד עד כדי כך שסביר שתתעופף מהשולחן וכל המבחנות ישברו.

לא מאמינים בכוחה של התנועה המעגלית לשבר ולנתץ? חובה עליכם לצפות בשני הסרטונים הבאים. שווה ביותר גם למי שמאמין.

 

***

מה השימושים של הצנטריפוגה?

הפרדת חומר מומס מהנוזל.

הפרדת חומרים מומסים שונים אחד מהשני. למשל, ניתן בעזרת צנטריפוגה להפריד אברונים וחלקים שונים בתא. מכיוון שלכל אברון בתא יש תכונות שונות (צפיפות, מסה וכו) ניתן לסובב את הנוזל עם תוכן תאים כך שבכל שלב ישקעו האברונים הכבדים ביותר וניתן יהיה להסיר אותם על ידי איסוף המשקע.

יצירת מפל ריכוזי תמיסה במבחנה. בכל גובה ימצא ריכוז תמיסה שונה. חומר שאותו אנו רוצים לבחון ימצא במבחנה בגובה שמתאים לריכוז שלו. הזכרתי את השיטה ברשימה קודמת שעסקה בניסוי מסלסון-שטאל וגילוי מנגנון השכפול של ה-DNA.

ישנם שימושים נוספים שקצרה היריעה מלהכיל. למשל, כפי שכולנו שומעים בחדשות מידי פעם, בהפרדה של אורניום 235 מאורניום 238 לשימוש בכורים גרעיניים. התהליך שם הוא מעט שונה ועובד בפאזה גזית. ניתן לקרוא על השיטה בדף הויקיפדיה הזה.

"סליחה, לא נעים לי להעיר, אבל שכחת ליפול" – משחקים עם משקולות

חלק לא מבוטל מהחינוך שלי כילד נספג בי תוך צפייה מרובה בסרטים מצוירים. בתחום הפיזיקה, למשל, סרטוני לוני-טונס (Looney Tunes) לימדו אותי שכבידה עובדת רק כאשר מסתכלים למטה.

לא בטוחים למה אני מתכוון? צפו בסרטון הקצר הבא:

טוב, אבל אלה סתם שטויות. סרטים מצוירים ותו לא. זה לא יכול לקרות במציאות, נכון?

אז קבלו את זה: ארבע משקולות מחוברות אחת לשניה בגומיות פשוטות. ברגע מסוים אני עוזב את הגומייה העליונה ונותן לכל רביעיית המשקולות ליפול. עקבו אחרי תנועת המשקולת התחתונה.

Rubber

המשקולת התחתונה לא זזה! רק כאשר כל המשקולות נוגעות אחת בשניה הן מזכירות לתחתונה: "הלו, את אמורה ליפול, כבידה וכאלה", ואז היא הואילה בטובה ליפול עם השאר יחדיו.

הנה סדרת תמונות שממחישה את מה שקורה למשקולת האחרונה. הגובה ההתחלתי שלה מסומן על ידי הקו המקווקו האדום.

Rubber cartoon

מה קורה כאן?!

החוק הראשון של ניוטון מלמד אותנו שכל עוד סכום הכוחות על כל משקולת הוא אפס, הן אינן משנות את מהירותן. מכאן שבמצב הראשוני, שבו כל המשקולות במנוחה, סכום הכוחות על כל אחת מהן הוא אפס. אגב, אורכי הגומיות בין המשקולות משמשים כמדי-כוח וניתן לראות שכצפוי, הכוחות שפועלים על המשקולת העליונה גדולים יותר מאלה על התחתונה (סוחבת יותר מסה מצטברת). ברגע שאני עוזב את הגומייה העליונה, הכוח לכיוון מעלה על המשקולת העליונה נעלם ולכן סכום הכוחות כבר אינו אפס. לפי החוק השני של ניוטון, המשקולת העליונה תחל ליפול בתאוצה. בינתיים המידע על שינוי הכוחות עוד לא הגיע למשקולת התחתונה ולכן שקול הכוחות עליה עדיין אפס והיא נשארת במקום.

באותו עניין, מה יקרה אם השמש תעלם ברגע מסוים, בבת אחת? האם כדור הארץ, שנע סביב השמש בתנועה מעגלית, ישנה את מסלולו מיד או רק לאחר זמן מה? האם יש צורך לחכות למידע על השינוי בכוח הכבידה עקב היעלמותה של השמש  או שהתנועה תשתנה מיד?

בדוגמה שלנו, רק כאשר הכוחות הפנימיים בתוך המבנה מתאפסים, קרי, כל הגומיות רפויות, אז הוא נופל כגוף אחד, כולל החלק התחתון שלו. הניחוש המושכל שלי אומר שמרכז המסה של המבנה נופל בנפילה חופשית מרגע שידי עוזבת את הגומייה העליונה, אבל לא בדקתי אם זה נכון.

אם נדמה לכם שכבר שמעתם את הסיפור הזה בעבר, רוב הסיכויים שצפיתם בו בסרטון של ערוץ היוטיוב Veritasium, שם הוצגה סדרה של סרטונים מעולים עם סלינקי (הקפיץ שיורד במדרגות).

מה?! לא מכירים את הערוץ או את הסרטון? אז הנה הזדמנות פז לצפות בו (שווה לבדוק גם את הסרטונים הנוספים שלו בנושא).

***

כעת, נשנה מעט את הניסוי. מה יקרה לדעתכם אם במקום גומיות נחבר את המשקולות אחת לשניה בחוט דיג שאינו נמתח?

לפני שאתם ממשיכים לקרוא הלאה הייתי ממליץ לכם לקחת כמה שניות לחשוב ולנסות לבצע תחזית למה שיקרה למשקולת התחתונה.

הנה סדרת תמונות שממחישה את התוצאות:

Rope cartoon

ניתן לראות בתמונות שהמשקולת התחתונה מתחילה ליפול מיד יחד עם כל המבנה.

האם המידע על שינוי הכוח רץ מהר יותר על חבל שאינו נמתח? מדוע? האם מהירות המידע על הכוח תלויה בתווך בו המידע נע? מדוע?

האם המשקולות באמת נופלות כגוף אחד?

בסט התמונות הבאות ניתן לראות שלא. המשקולת העליונה נפלה מרחק גדול יותר מזו התחתונה באותו פרק זמן כפי שמראים הקווים ששרטטתי. הקו הירוק מחבר בין המשקולת העליונה לעצמה בזמן מאוחר יותר ולכן שיפועו מדגים את התנועה של אותה המשקולת. מאותה סיבה, הקו הצהוב מדגים את תנועתה של המשקולת התחתונה. הזזתי את הקו הצהוב למעלה לשם השוואה נוחה עם הירוק.

Rope cartoon with lines

יש בזה הגיון מכיוון שאנחנו יודעים מהניסוי הראשון ומידיעת התיאוריה שהכוחות על המשקולות ברגע השחרור אינם שווים. אבל כמה זמן הם ממשיכים להיות לא שווים לאחר השחרור? הרי, אם המשקולת העליונה נעה מהר יותר מהתחתונות החבל נהיה רפוי ואינו מפעיל כוח כלל. במצב זה כל המשקולות נופלות בתאוצת הנפילה החופשית, אם כי אינן גוף אחד (אינן מחוברות).

***

טוב, זהו להפעם. יותר שאלות מתשובות. מוזמנים לחלוק את דעתכם.

***

נ.ב – שאלה אחרונה לפני פיזור

מדוע לדעתכם נראה האור מהבהב בפסים מלבניים בסרטון הראשון?

:קטגוריותכללי תגיות: ,

הרי החדשות, ותחילה אמ;לקן : 'Thinking, fast and slow' – יומן קריאה

לסיכום:

הספר, לדעתי, כתוב מצוין.

אני ממליץ עליו לכל מי שמתעניין בבני אדם, איך הם חושבים, ואיך הם מקבלים החלטות.

השתעממתי במהלך קריאת הספר.

ועכשיו לחדשות בהרחבה.

IMG_20160619_231723

עטיפת הספר.

***

הספר 'Thinking, fast and slow' מאת זוכה פרס הנובל לכלכלה דניאל כהנמן נוגע בכל מה שעניין אותו כחוקר במהלך הקריירה. ועם זאת, הספר תפור כך שהוא נקרא כרצף קוהרנטי של רעיונות עם כיוון ברור. מאיך אנחנו חושבים דרך הטיות קוגנטיביות, תורת הערך, כלכלה התנהגותית, ועד לקשר בין המושגים רציונליות ואושר.

בפרק האחרון בספר מצביע כהנמן על שלוש חלוקות שונות שמניעות את הרעיונות העיקריים בספר מתחילתו אל סופו. הראשונה היא ההבחנה בין שתי מערכות (בדיוניות) הפועלות במוחנו. האחת עוסקת בחשיבה אינטואיטיבית מהירה והשניה בחשיבה איטית ומאומצת שמבקרת את פעולת הראשונה ופועלת תחת מגבלה של משאבים. שתי המערכות מסייעות לנו לתפקד מצוין רוב הזמן, אך יש בהן שגיאות פנימיות אופייניות (בעיקר בראשונה) שבמקרים מסוימים גורמות לנו לקבל החלטות תמוהות שאינן מתיישבות עם סטריאוטיפ של אדם רציונלי.

החלוקה השניה היא בין אותו סטריאוטיפ של אדם רציונלי שחי חיים תיאורטיים בעולם תיאורטי לבין אדם אמיתי שחי בעולם אמיתי ומקבל החלטות שלא תמיד מתיישבות עם ההיגיון של האדם התיאורטי.

החלוקה השלישית היא בין 'האדם החווה' שחי בכל רגע לבין 'האדם הזוכר' שהוא זה שמתעד לטווח ארוך והוא זה שלבסוף מקבל את ההחלטות כשעולה הצורך לבחור.

כל פרק בספר דן במנגנון או בתופעה בצורת המחשבה של בני האדם שמשפיעה על קבלת ההחלטות שלהם בצורה בלתי צפויה. כזאת שאינה עולה בקנה אחד עם ההגדרה הנאיבית של חשיבה רציונלית. הפרקים מתובלים בדוגמאות ובסקירת המחקרים החשובים בתחום. בחציו הראשון דן הספר בעיקר בכללי אצבע (יוריסטיקות) ובהטיות קוגנטיביות בחשיבה אנושית שמקורן בשתי המערכות. החצי השני מתמקד יותר בהשלכות לגבי כלכלה התנהגותית.

***

הרבה אנשים מתחומים שונים קראו ויקראו את הספר הזה מסיבות שונות ומשונות. אני שמעתי עליו לראשונה בחוגים שעוסקים בחשיבה ביקורתית וממליצים להיעזר בספר כדי לנסות ולהבין איך עובדת המחשבה שלנו ומה הם הכשלים שגורמים לנו לטעות. בפעם השניה נתקלתי בהמלצות לספר בחוגים העוסקים בהוראה ומנסים לפצח את מנגנון החשיבה של תלמידים בכיתה ומה הדרכים המיטביות ללמד.

לאחר שקראתי את הספר אני חושב שההמלצות היו נכונות והספר עומד בהבטחות. הוא אנציקלופדיה של ידע בתחום וכתוב בצורה נוחה ובהירה עם דוגמאות רבות וברורות. הוא מציג משנה סדורה ונראה שהכותב יודע מהיכן הוא מתחיל ולאן הוא רוצה להגיע.

למרות הכתיבה הבהירה מצאתי את הקריאה בספר לא קלה. אני תולה את הקשיים שלי בשתי סיבות. האחת היא שהספר רציני ומכיל כמות גדולה של ידע שאינו מוכר ואינו פשוט לעיכול. זאת הסיבה, לדעתי, שהיה לי קשה לבלוע אותו במנות גדולות. הסיבה השניה היא שהספר גרם לי לגלות שאני כנראה מתעניין בפסיכולוגיה הרבה פחות ממה שחשבתי, ובכלכלה (התנהגותית או אחרת) אף פחות מזה.

מסתבר שאני מעדיף את המדע שלי טהור ונקי מאנשים (בצד הנחקר, לא החוקר). אלקטרון עושה במעבדה כל יום את אותו הדבר ולא מבלבל את המוח. מצד שני, אלקטרון לא מקבל החלטות ולא מניע את החברה והכלכלה בה אנחנו חיים. רוצה לומר, זאת אינה ביקורת על מחקרים בפסיכולוגיה ולא על הספר, אלא הודעה באשמה.

***

מלבד הספר הזה קראתי עד היום רק עוד ספר אחד בנושא כלכלה התנהגותית ולא סביר שאקרא נוספים. מהסיבה הזאת עלה בי הצורך להשוות בין שני ספרים אלה. הספר השני שקראתי הוא "לא רציונלי ולא במקרה" של דן אריאלי שעליו כתבתי בעבר.

האנלוגיה שעולה בראשי היא שהספר של אריאלי הוא הרצאת פאואר-פוינט מגניבה עם הרבה אנימציה מצחיקה והספר של כהנמן הוא קורס סמסטריאלי כבד בתחום. במקום שבו כהנמן מציג באריכות משנה סדורה, אריאלי קופץ מדבר לדבר, שלא נשתעמם. במקום שבו הספר של כהנמן קשה לקריאה, הספר של אריאלי נקרא בקלילות. במקום שבו כהנמן ממעט בלתת עצות מעשיות לקורא (יש פה ושם) אריאלי מעצב את ספרו כספר עזרה-עצמית.

הספרים מאוד שונים אחד מהשני ומכוונים למטרות שונות, גם אם שניהם חוסים תחת מטריית 'כלכלה התנהגותית'. יש מקום לשניהם על המדף בחנות הספרים רק צריך להיות מודעים לאופיו של כל אחד ולמה שאנחנו מעוניינים לקרוא.

***

לסיכום:

ראו פסקת פתיחה

מעשה בכלב, ג'ירפה ונחש – על גאות ושפל

אתחיל בלנסות ולהגדיר מושג חדש: 'שאלה לא סימטרית'.

שאלה לא סימטרית, תחת הגדרתי, היא מחד שאלה פשוטה, קלה להבנה, בנושא שכל אחד מכיר או חווה. מאידך, היא שאלה כזאת שהאדם הממוצע, להפתעתו, או שיתקשה לענות עליה, או שיענה באופן שגוי מבלי לדעת, או שהתשובה תסתבר, לרוב, כסבוכה להפליא.

הנה שלוש דוגמאות לשאלות לא סימטריות: 1) מדוע אסטרונאוטים מרחפים בתחנת החלל? 2) מה הסיבה לעונות השנה? 3) מה הסיבה לתופעת הגאות והשפל?

השאלה הראשונה היא הפשוטה ביותר מבין השלוש ועסקתי בה ברשימה קודמת. השאלה השניה עוסקת בנושא שאני לא אוהב אז תצטרכו לחפש תשובה במקום אחר. השאלה השלישית היא השטנית מכולן, ואיתה אני אנסה להתמודד הפעם.

***

נתחיל מכלב נקניק. בואו ונניח שכלב תחש ארוך במיוחד יושב ליד תנור ביום חורף קר. הכלב יושב כשגופו בניצב לתנור, ראשו צמוד לתנור ואחוריו רחוקים ממנו. סביר להניח שאפו חרוך מרוב חום בעוד שאחוריו הרחוקים קפואים. כלומר, החום שיוצא מהתנור מתפזר ונחלש כתלות במרחק מהמקור כך שכלב ארוך יכול להרגיש הפרש טמפרטורה משמעותי בין קצה אפו לאחוריו.

Picture1
איור 1: כלב נקניק עם אף חם ואחוריים קרים.

שדה הכבידה שקשור לגופים בעלי מסה פועל בדרך דומה. גוף בעל מסה הנמצא בשדה הכבידה של גוף אחר (אותו נכנה 'מקור') מרגיש כוח כבידה בכיוון משיכה שהולך ונחלש ככול שהמרחק מהמקור גדל.

כעת דמיינו ג'ירפה אינטרגלקטית שרגליה על פני כדור-הארץ וראשה בגובה תחנת החלל הבינלאומית. אורכה של הג'ירפה גדול מספיק כך שכוחות הכבידה שפועלים על ראשה חלשים בכ-10 אחוזים מהכוחות שפועלים על רגליה ולכן, ככל הנראה, תוכל להרגיש בהבדל.

Picture1

איור 2: ג'ירפה אינטרגלקטית. על ראשה פועל כוח כבידה חלש יותר מעל רגליה.

***

נניח נחש שנע על הקרקע בקו ישר. כל עוד חלקי הנחש (ראש, בטן, זנב וכו') נעים לאורך הקו באותה המהירות ניתן לתאר אותו כנקודה בודדת הנעה במהירות הנתונה. אם הנחש נע בתאוצה זה אומר שכל חלקיו מגדילים את מהירותם בקצב שווה ולכן ניתן להתייחס אליו כנקודה שמגדילה את מהירותה בקצב קבוע.
דמיינו כעת מקרה אחר שבו הראש של הנחש מאיץ בתאוצה גדולה, מרכז גופו של הנחש בתאוצה בינונית וקצה זנבו בתאוצה נמוכה. ברגע הראשון כל חלקי הנחש מתחילים תנועתם ממנוחה. לאחר מספר רגעים הנחש ישנה את מיקומו, אך יקרה לו דבר נוסף שהוא זה שמעניין אותנו. ראשו של הנחש ינוע במהירות גבוהה ממרכז גופו שינוע במהירות גבוהה מקצה זנבו. כל רגע נוסף שיעבור יגדיל את פער המהירויות, ולכן גם את פער המיקום בין חלקי הנחש. הראש מתרחק ממרכז הגוף, מרכז הגוף מתרחק מקצה הזנב ולכן ברור שהראש מתרחק מקצה הזנב. אם כך, צופה שרוכב על גבו של הנחש יטען שהנחש נמתח ומתארך מכיוון שפועלים עליו שני כוחות: אחד המותח את ראשו קדימה ושני שמותח את זנבו אחורה.

Picture3
איור 3: נחש שתאוצת ראשו גדולה מתאוצת קצה זנבו. לאדם הרוכב על גבו של הנחש נראה כי פועלים כוחות המותחים את הנחש משני קצותיו.

החוק השני של ניוטון פוסק שהתאוצה שבה נע גוף שווה לכוח שמופעל עליו מחולק במסתו. כאשר גוף נמצא בשדה כבידה, הקצה שקרוב למקור ירגיש כוחות גדולים יותר מהקצה הנגדי. בהנחה שהגוף חופשי לנוע, מקרה זה זהה למקרה של הנחש. הקצה הקרוב למקור נע בתאוצה גדולה יותר מהקצה הרחוק ולכן הגוף יחוש כוחות מתיחה. כוחות אלה מכונים בפיזיקה 'כוחות גאות'.

***

כדור הארץ נמצא בשדה הכבידה של הירח. קוטר כדור הארץ הוא בערך 13,000 קילומטר. הוא גדול מספיק כך שיש הבדל משמעותי בין כוח הכבידה שמורגש בקצה הקרוב לירח לבין זה שמרוחק ממנו. אם כך, כדור הארץ חש כוחות גאות שמותחים אותו על כיוון הציר שמחבר בין מרכזו למרכז הירח. כוחות אלה גורמים לכדור הארץ להימתח מעט לצורת ביצה. אם נדמיין את כדור הארץ כביצה מכוסה במים קל לדמיין את המים שאינם מחוברים לקרקע נמתחים לשני הקצוות של הביצה. באזורים אלה מתרחשת גאות ובשני הקצוות שאינם יושבים על ציר זה נצפה לשפל (ראו איור 4).

Picture4
איור 4: כוחות גאות של הירח על כדור הארץ מושכים את מימי האוקיאנוסים וגורמים לתופעת הגאות. פעמיים ביום גאות ופעמיים ביום שפל. המקור לאיור: ויקיפדיה.

אם אנחנו נמצאים כרגע בנקודת גאות, רבע יום מאוחר יותר הירח השלים רבע סיבוב סביב כדור הארץ ולכן הגאות תהפוך לשפל. רבע יום נוסף אחר כך אנחנו בנקודה המרוחקת ביותר מהירח ולכן שוב בנקודת גאות. רבע יום אחר כך שוב שפל ולבסוף, יום לאחר שהתחלנו לספור אנחנו שוב קרובים לירח וחווים גאות. אם כך, ברור מדוע בכל יום יש פעמיים שפל ופעמיים גאות.

ומה לגבי שדה הכבידה של השמש? האם היא לא מפעילה עלינו כוחות גאות? התשובה היא שהיא אכן מפעילה על כדור הארץ כוחות גאות בדיוק מאותן סיבות. בשקלול מסתה הגדולה ומרחקה הרב, כוחות הגאות מהשמש חלשים בערך פי 2 מאלה של הירח ויכולים לחזק או להחליש את הגאות והשפל של הירח כתלות במיקום הגופים. במקרה שהירח, השמש וכדור הארץ נמצאים על אותו הקו כוחות הגאות מתחברים ונקבל גאות גבוהה יותר ושפל נמוך יותר. במידה והקווים המחברים בין שמש לכדה"א ובין הירח לכדה"א ניצבים כוחות הגאות פועלים בכיוונים מנוגדים ונקבל גאות נמוכה ושפל גבוה (ראו איור 5).

Picture5
איור 5: השפעת השמש על תופעת הגאות. כאשר השמש, הירח וכדה"א על אותו הקו, הגאות מתחזקת, וכאשר הקווים המחברים בין שני הגופים לכדה"א ניצבים הגאות נחלשת. המקור לאיור: ויקיפדיה.

אז זהו? זה הכל? לא, לא…

***

למעשה זה רק חלק מההסבר, החלק הקל.

אם נשתמש במודל הזה לחישוב גובה הגאות, נקבל ערכים שגויים. הגובה מושפע באופן משמעותי מצורת היבשות ופיזור הלחצים על פני כדור הארץ. לכן, אם נרצה לדעת מה גובה הגאות בנקודה מסוימת על פני הכדור, עדיף פשוט למדוד אותה.

כמו כן, אם נשרטט את כוחות הגאות על פני כל הכדור ולא רק על הקו המחבר בין מרכזי שני הכדורים נקבל כוחות מתיחה על הקו המחבר בין מרכזי הכדורים, ואילו על הקו הניצב נקבל כוחות לחיצה או מעיכה. כלומר הכדור לא רק נמתח לאורך, אלא הוא גם נמעך לרוחב, ואני לא בטוח בדיוק איזה תופעה משמעותית יותר (ראו איור 6). מי שמעוניין בדיון הזה מוזמן לצפות ב-9 דקות הראשונות של הסרטון המעניין הזה.

Picture6
איור 6: כוחות הגאות על כדור הארץ בהשפעת הירח. ניתן לראות שעל הקו המחבר בין כדה"א לירח יש כוחות מתיחה ועל הקו הניצב לו יש כוחות לחיצה. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Krishnavedala.

לסיכום, תופעת הגאות היא הרבה יותר מורכבת ממה שהיא נראית במבט ראשון. ככה זה.

לתארך את סבא – על תיארוך רדיומטרי

סבא זקן מאוד. כל כך זקן שאתם חושדים שהוא יכול להיכנס לספר השיאים כאיש הזקן בעולם. אבל יש בעיה. סבא זקן מאוד והתעודות הרשמיות שבהן רשום תאריך לידתו, אם אי פעם היו בכלל קיימות, אינן קיימות כעת.

בעבר שמעתם על תיארוך שארכיאולוגים ואפילו גיאולוגים עושים לממצאים היסטוריים ופרה-היסטוריים ואתם תוהים האם אפשר לתארך את גילו של סבא.

מהו בכלל תיארוך מסוג זה? מה המדע שעומד מאחוריו? האם סבא רדיואקטיבי? על זאת ועוד בהמשך. אך ראשית נתחיל בהתחלה.

***

כל חומר מורכב מאטומים.

כל אטום מורכב מאלקטרונים בעלי מטען חשמלי שלילי ומגרעין שמורכב מנויטרונים ללא מטען חשמלי ופרוטונים בעלי מטען חיובי. מה שקובע את סוג החומר הוא מספר הפרוטונים שבו. אטום שמספר האלקטרונים בו שונה ממספר הפרוטונים הוא בעל מטען חשמלי ומכונה יון. אם מספר הפרוטונים בגרעין ישתנה אז פשוט קיבלנו אטום אחר.

אטומים עם מספר שונה של נויטרונים נקראים איזוטופים. לדוגמה, באטמוספירה נוכל למצוא אטומי פחמן עם 6 פרוטונים ו-6 נויטרונים (מכונה פחמן 12) אך נוכל גם למצוא בכמות קטנה פחמן עם 6 פרוטונים ו-8 נויטרונים (פחמן 14), כלומר איזוטופ אחר של פחמן.

פחמן 14 הוא דוגמה לאיזוטופ לא יציב. הכוונה היא שהכוחות הגרעיניים אמנם מחזיקים את הגרעין אך אנרגטית עדיף לו להפטר מנויטרונים, ואם ימצא הזדמנות טובה יעשה זאת.

ישנן שתי דרכים רלוונטיות לעניינינו עבור גרעין לא יציב להפחית את מספר הנויטרונים שלו. בתהליך הראשון יפלט מהגרעין חלקיק עם שני פרוטונים ושני נויטרונים, שהוא בעצם גרעין הליום. החלקיק הנפלט נקרא באופן מסורתי 'חלקיק אלפא' והתהליך מכונה 'קרינת אלפא'. בתהליך השני אחד הנויטרונים יתחלף לפרוטון נוסף בגרעין ומתוך הגרעין יפלטו אלקטרון וחלקיק נוסף שנקרא נויטרינו. התהליך השני נקרא 'קרינת בטא'. נשים לב שבשני התהליכים מספר הפרוטונים בגרעין משתנה ולכן האטום משתנה לאטום אחר. החלקיקים שנפלטים בשני המקרים טעונים חשמלית, אך עבור אלפא הם כבדים (באופן יחסי) וטעונים חיובית ועבור בטא קלים וטעונים שלילית.

קרינת אלפא ובטא

איור 1: המחשה של קרינת אלפא ובטא. המקור לאיור: ויקיפדיה וויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Inductiveload.

שני התהליכים שציינתי הם חלק מהתופעה שמכונה 'רדיואקטיביות'. התופעה התגלתה על ידי הנרי בקרל, והזוג פייר ומארי קירי. הגילוי זיכה אותם בפרס נובל בפיזיקה ב-1903. ישנה גם 'קרינת גאמא', שבה נפלטת קרינה אלקטרומגנטית, אך היא אינה חשובה לעניין הנידון כאן.

Pierre_and_Marie_Curie
תמונה 2: מארי ופייר קירי במעבדה בשנת 1904. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Kuebi.

התפרקות רדיואקטיבית היא תהליך אקראי לחלוטין ברמת הגרעין הבודד. אין ביכולתנו לדעת מתי גרעין מסוים יתפרק. עם זאת, הסטטיסטיקה של אוכלוסיה גדולה של גרעינים היא צפויה לחלוטין. נוכל למשל למדוד מה הזמן שיחלוף עד שחצי מאוכלוסיה של גרעינים רדיואקטיביים תתפרק. אם נשוב ונמדוד את גודל האוכלוסיה לאחר שיחלוף אותו הזמן נגלה שהיא שוב קטנה בדיוק פי שתיים. הזמן הזה מכונה 'זמן מחצית חיים' והוא מאפיין קבוע של כל סוג אטום רדיואקטיבי וקשור בהסתברות שלו להתפרק ביחידת זמן. ערכו יכול לנוע בין מיליארדי שנים (אורניום), אלפי שנים (פחמן 14) לבין דקות ואף שניות עבור איזוטופים אחרים. כלומר אם ידוע לנו זמן מחצית החיים של חומר רדיואקטיבי מסוים נוכל לחזות את כמות החלקיקים בכל רגע בעתיד בדיוק רב (לפי דעיכה אקספוננציאלית).

חומרים רדיואקטיביים מתפרקים והופכים לחומרים אחרים שבמקרים רבים גם הם רדיואקטיביים וכך נמשכת השרשרת בהתפרקויות אלפא ובטא עד שהיא מגיעה לחומר יציב. למרבה ההפתעה קיימות בטבע רק ארבע שרשראות כאלה ששלוש מהן מסתיימות באיזוטופים של עופרת.

***

הרעיון הכללי שעומד מאחורי תיארוך באמצעות רדיואקטיביות (בעגה: תיארוך רדיומטרי) הוא למצוא נקודת זמן בעבר שבה היחס בין הכמויות של שני חומרים בתוך פיסה כלשהי (סלע, עץ וכדומה) ידוע. בהנחה שהפיסה היא מיוחדת בכך שהיא מתהווה למערכת סגורה עבור שני חומרים אלו ואחד מהם רדיואקטיבי נוכל למדוד את היחס ביניהם כיום. על ידי השוואת יחס האטומים היום לערכו הידוע בעבר נוכל לחשב כמה זמן חלף.

היאזרו בסבלנות. זה יהיה יותר ברור דרך שתי דוגמאות.

ישנן שתי שרשראות התפרקות שמתחילות באורניום (238 או 235) ומסתיימות בעופרת (206 או 207 בהתאמה).

זירקון הוא מינרל גבישי נפוץ מאוד בקרום כדור הארץ שנמצא בסלעים מסוגים שונים. במהלך היווצרותו של הזירקון יכולה לחדור אליו כמות קטנה של אורניום ולהיטמע במבנה הגבישי. עופרת, לעומת זאת אינה יכולה להיטמע.

גביש זירקון
תמונה 3: גביש זירקון. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמשים Eurico Zimbres ו-Tom Epaminondas.

אם כך, היווצרות גביש זירקון היא נקודת זמן שבה היחס בין כמות האורניום לכמות העופרת בו ידועה (אין עופרת). לאחר סיום היווצרותו של הגביש הוא מהווה מערכת סגורה שבה אטומים של אורניום ועופרת לא נכנסים ולא יוצאים. כל אטום עופרת שנמצא בתוך הגביש הוא תוצאה של התפרקות רדיואקטיבית של אורניום. על ידי מדידת היחס בין כמות העופרת לכמות האורניום בגבישי זירקון ניתן לתארך במדויק את גילם וכך את גיל הסלעים בהם נמצאו.

השיטה הזאת נקראת, באופן לא מפתיע, 'תיארוך אורניום-עופרת' וניתן לקבוע באמצעותה את גיל היווצרותם של סלעים בני מיליון עד כ-4.5 מיליארד שנים בדיוק של אחוז בודד ואף פחות.

נשים לב שבשרשרת ההתפרקויות אורניום-עופרת זמן מחצית החיים של כל הפרטים קטן כל כך ביחס לזה של האורניום כך שבאופן מעשי נמצא אך ורק גרעינים של התחנה הראשונה, אורניום, ושל התחנה האחרונה, עופרת.

***

באטמוספרה מתרחש ללא הרף תהליך בשיווי משקל. למערכת, שהיא האטמוספרה, נכנסים כל הזמן אטומי פחמן 14 חדשים שנוצרו בתהליכים שקשורים לקרינה הקוסמית ויוצאים ממנה אטומי פחמן 14 שהתפרקו רדיואקטיבית. בכל רגע נתון נשמר יחס קבוע בין כמות האיזוטופים פחמן 12 ו-14.

מכיוון שכל היצורים החיים עשויים מחומרים אורגניים שעשויים משרשראות פחמן, ואת הפחמן הם צורכים מהאטמוספרה (או מצריכה של יצורים אחרים) סביר להניח שכל עוד הם חיים היחס בין האיזוטופים בתוכם זהה לזה שמסביבם.

מתי יופר איזון זה? כאשר היצור יפסיק להחליף חומרים עם סביבתו, כלומר לאחר מוות. אם כך, כל עוד עץ חי, היחס בין כמות אטומי פחמן 12 ו-14 בתוכו ידוע. מרגע שהוא מת הוא מהווה מערכת סגורה שבה כמות האיזוטופ פחמן 14 יורדת עקב התפרקויות רדיואקטיביות ולכן היחס בין האיזוטופים של הפחמן משתנה. על ידי מדידת היחס כיום נוכל לתארך את גילה של פיסת העץ, כלומר להעריך את הזמן שעבר מרגע שהעץ הפסיק לחיות ועד עכשיו.

השיטה הזאת נקראת 'תיארוך באמצעות פחמן 14' והיא השיטה העיקרית המשמשת ארכיאולוגים.

נשים לב שזמן מחצית החיים של האיזוטופ הרדיואקטיבי הוא זה שקובע את סקלת הזמן הרלוונטית בתיארוך. מאות מיליוני שנים עבור אורניום-עופרת ואלפי שנים עבור פחמן 14.

***

ומה עם סבא?

סבא זקן מאוד אבל גילו לא קרוב למיליון שנים ולא סביר שנוצרו בגופו גבישי זירקון. לכן תיארוך אורניום-עופרת לא רלוונטי.

סבא עדיין חי ולכן כמות הפחמן 14 בגופו נמצאת בשיווי משקל עם האטמוספרה ולכן גם תיארוך פחמן 14 לא בא בחשבון.

הלך השיא.

אלה תולדות – מהו אור? סקירה היסטורית מקוצרת

דואר, תור ארוך, המתנה ממושכת. החבילה שמתעכבת כבר כמה שבועות. מישהו חותך אל הדלפק בעודו מסנן "אני רק שאלה".

כיצד תנהגו?

שתי דרכי הפעולה המקובלות הן כמובן: 1) מטר קללות ואיומים, 2) יריקה שאינה משתמעת לשתי פנים. נשים לב שמדובר בשתי פעולות שונות בתכלית כדי להעביר את אותו המסר. נדגים זאת על ידי ניסוי מחשבתי. דמיינו שאתם מבצעים שוב את שתי הפעולות, אך הפעם עם שקית על הראש (ניסוי מחשבתי, כן?). הקללה עדיין תעבוד, היריקה לא.

השמש מטיחה בפנינו אור. האם היא יורקת עלינו או שמא מגדפת אותנו?

מהו בכלל אור? איזו סוג תופעה היא זאת?

800px-Cloud_in_the_sunlight
תמונה 1: ענן מואר על ידי אור השמש. המקור לתמונה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Ibrahim Iujaz.

***

כאשר אדם מדבר בעוד ראשו עטוף בשקית חומר ודאי אינו יכול להגיע מפיו אל אוזנו של המאזין. הקול הוא דוגמא לתופעה שנקראת 'גל'. גל הוא הפרעה במרחב שמתקדמת בתווך. החומר שמרכיב את התווך אינו מתקדם אלא ההפרעה עצמה. חישבו על 'גל מקסיקני' שעובר בקהל צופי כדורגל. אף צופה אינו משנה את מיקומו אבל משהו שם בהחלט נע מסביב למגרש. בדוגמה הזאת התווך הוא הקהל וההפרעה שנעה היא הצופים שעומדים לזמן קצר. בגל קול התווך הוא האוויר וההפרעה שמתקדמת היא שינוי בצפיפות האוויר. כאשר הפרעה זאת מגיעה לאוזן היא מרעידה את עור התוף וגורמת לסדרה של פעולות שאותן אנחנו מכנים 'שמיעה'.

במילים אחרות, גל הוא דרך להעביר אנרגיה מבלי להעביר חומר.

ומה לגבי אור? האם באלומת אור היוצאת מפנס יש חומר שמתקדם או הפרעה שנעה במרחב?

בסוגיה הזאת התחבטו גדולים ורבים. לאייזיק ניוטון היתה תיאוריה של חלקיקי אור (1704) ולעומתו, לכריסטיאן הויגנס היתה תיאוריה של גלים (1690). שניהם הצליחו להסביר את התופעות המוכרות כגון החזרה ושבירה של אור ושניהם לא שכנעו בלהסביר תכונות אחרות של האור.

ב-1803 ביצע תומאס יאנג את ניסוי שני הסדקים המפורסם שלו והכריע בסוגיה. הוא הראה שהאור מבצע תופעה שנקראת התאבכות. אם נקיש בצורה זהה בשני מצופים המונחים על פני אמבט מים נגלה שלגלים הנוצרים על פני המים באמבט יש מבנה מרחבי מורכב (ראו אנימציה). התופעה קשורה לכך שבכל נקודה במרחב יש חיבור של גלים משני המקורות שכל אחד מהם עבר דרך שונה ולכן נמצא במצב שונה. מכאן שבכל נקודה נקבל עוצמת תנודה שונה של הגל.

Two_sources_interference
אנימציה 2: תמונת התאבכות של אור משני מקורות קוהרנטיים. המקור לאנימציה: ויקיפדיה, לשם הועלתה על ידי המשתמש Oleg Alexandrov.

עבור גלי מים התופעה צפויה, אך מדוע ראה אותה יאנג באור שעובר דרך שני סדקים? המסקנה הבלתי נמנעת היתה שאור הוא גל עם אורך גל קצר מאוד (המרחק בין תנודה לתנודה במרחב עבור האור הוא מאות ננומטרים).

בסביבות 1817, עם עבודתו של אוגוסטן ז'אן פרנל התיאוריה הגלית של האור התקבלה והתיאוריה החלקיקית נזנחה לחלוטין.

***

אם אור הוא גל, מהו התווך שבו הוא מתקדם ומהי ההפרעה משיווי משקל שמתקדמת בתווך? מה בעצם מתנדנד?

ב-1873 פרסם ג'יימס קלארק מקסווול ספר שבו איגד את עבודתו על חשמל ומגנטיות. הוא הצליח לתאר את כל התופעות החשמליות והמגנטיות תחת מטרייה אחת של ארבע משוואות שבעצם היו כבר מוכרות. בעזרת תוספת קטנה של מקסוול עצמו הוא הצליח לגרום למשוואות לתאר גלים של תנודות בשדות החשמלי והמגנטי המתקדמים במרחב. כמו כן, הוא הצליח להראות שמהירות ההתקדמות של גלים אלה, לפי המשוואות, היא מהירות האור שכבר היתה ידועה. תופעה זאת מכונה כיום 'קרינה אלקטרומגנטית' והיא כוללת בתוכה לא רק את האור הנראה אלא את כל הספקטרום האלקטרומגנטי מקרני X ו-UV ועד לאינפרא-אדום, מיקרוגל וגלי רדיו (ראו איור 3). דבר זה היה כמובן חיזוק נוסף לתיאור של אור כגל.

הספקטרום האלקטרומגנטי
איור 3: הספקטרום האלקטרומגנטי. המקור לאיור: ויקיפדיה, לשם הועלה על ידי המשתמש Philip Ronan.

אני לא אעסוק כאן בשאלת התווך. דנתי בה ברשימה קודמת.

***

בשנת 1900 עסק הפיזיקאי מקס פלנק בנושא בעייתי שנקרא 'הקרינה של גוף שחור'. הבעיה היתה חוסר התאמה בין תחזיות התיאוריה של הקרינה האלקטרומגנטית של גופים מסוג זה למה שנמדד בפועל. פלנק ניסח פתרון לבעיה, שאלמנט אחד ממנו הניח בדיעבד קוונטיזציה של השדה האלקטרומגנטי. במילים אחרות, בפתרון של פלנק האור היה מורכב ממנות בדידות ובלתי פריקות, דבר שאינו מתאים לגלים שהם תופעה רציפה. פלנק עצמו סבר שמדובר בטריק מתמטי בלבד.

באותם שנים כולם שיחקו עם שפופרות ואקום שבהן היה ניתן לפלוט אלקטרונים מאלקטרודה מתכתית לחלל השפופרת. פליטת אלקטרונים מהאלקטרודה הצריכה השקעת אנרגיה. הדבר התאפשר באמצעות חימום האלקטרודה וגם באמצעות הקרנת אור עליה. ב-1902 גילה פיליפ לנארד שמהירותם של האלקטרונים הנפלטים לא תלויה בעוצמת האור המוקרן על האלקטרודה המתכתית אלא בצבע שלו (כלומר בתדירות או אורך הגל). את התופעה הזאת לא היה ניתן להסביר באמצעות מודל של גלים.

את הפתרון סיפק אלברט איינשטיין שלקח רחוק את הקוונטיזציה של פלנק. באחד המאמרים המפורסמים שלו מ-1905 איינשטיין טען ש-'מנת אור' מבצעת אינטרקציה עם אלקטרון בחומר. אם יש לה מספיק אנרגיה (כלומר אורך הגל של האור מספיק קצר) אז האלקטרון ייקרע מהמתכת החוצה והעודף האנרגטי שנשאר הוא המהירות שלו.

שימו לב שזהו הסבר שערורייתי! הוא מניח שהאור מגיע במנות בדידות שמבצעות אינטראקציות בתוך החומר 'אחד-על-אחד' כמו חלקיקים. חישבו על כדור באולינג שפוגע בפינים בסוף המסלול. כך לא מתנהג גל. ב-1915 אישש רוברט מיליקן את המודל של איינשטיין בניסוי. ב-1921 זכה אלברט איינשטיין בפרס נובל לפיזיקה על ההסבר של התופעה שמכונה כיום 'האפקט הפוטואלקטרי'. מנות האור מכונות כיום 'פוטונים'. אגב, מיליקן זכה גם הוא בפרס נובל לפיסיקה בשנת 1923 על עבודתו הזאת ועל מדידת מטען האלקטרון (ניסוי טיפות השמן).

משם הדברים רק החמירו. עוד ועוד תופעות שהתגלו שקשורות לאינטראקציות של אור וחומר הוסברו היטב רק באמצעות מודלים של מנות האור שבמובן מסוים התייחסו לאור כאל אוסף של חלקיקים – הפוטונים. דוגמה אחת היא למשל אפקט קומפטון שעוסק בפיזור של פוטון על ידי מפגש עם אלקטרון. חלק נכבד מההסבר לתופעה לקוח מעולם המושגים של כדורים מתנגשים.

נראה כי אור מתואר היטב על ידי תיאוריה גלית כאשר הוא נע במרחב, ומתואר היטב על ידי תיאוריה חלקיקית כאשר הוא מבצע אינטראקציה עם חומר.

***

אז מה השורה התחתונה? האם אור הוא גל או חלקיק?

לדעתי השאלה מוטעה ומטעה. הדיכוטומיה אינה אמיתית.

להבנתי, אור הוא לא גל ולא חלקיק אלה סך התופעות שאנחנו חוזים בעולם ומכנים אותם בשם 'אור'. האור הוא תופעה מורכבת ואינו אנלוגי לחלוטין לגלי מים או לכדורי ביליארד. עם זאת, נוח לנו לתאר אותו בכלים המתמטיים החזקים שפיתחנו עבור תופעות אלה. זה אפילו עובד לא רע בכלל מבחינה חישובית. עלינו לשמוח בכך ולהיות מוכנים לוותר על הצורך להגדיר. ממילא הגדרה שתיגזר מתוך תיאוריות פיזיקליות מתקדמות של השנים האחרונות  לא תתקשר כלל עם חיי היום-יום שלנו.

הרשמה

קבל כל פוסט חדש ישירות לתיבת הדואר הנכנס.

הצטרפו אל 177 שכבר עוקבים אחריו