יש לו פוטנציאל! על הזוכה הישראלי הבא בפרס הנובל למדעים

בשנת 1950 מצא עצמו הפיזיקאי האמריקאי-יהודי דוויד בוהם במעצר בעקבות סימונו כקומוניסט על ידי ה-FBI וסירובו להעיד כנגד חבריו בתקופת המקרתיזם. למרות שלאחר שנה הוא זוכה, איבד בוהם את משרתו באוניברסיטת פרינסטון (לצד אלברט איינשטיין) ויצא לנדודים בעולם.

לאחר שהות של שנתיים בטכניון בחיפה (שם פגש את אשתו) עבר בוהם בשנת 1957 לעבוד באוניברסיטת בריסטול שבאנגליה. ב-1959 פירסמו בוהם ותלמידו הישראלי דאז יקיר אהרונוב מאמר תיאורטי פורץ דרך בתחום מכניקת הקוונטים. המאמר הציג תרחיש שבו אלקטרון מושפע משדה אלקטרומגנטי למרות שאין שדה בקרבתו.

בזכות ההשלכות מרחיקות הלכת של 'אפקט אהרונוב-בוהם', נחשב יקיר אהרונוב למועמד מוביל לפרס נובל בפיזיקה כבר כמה שנים. מהו אפקט אהרונוב-בוהם, איך הוא קשור לפוטנציאל והאם אהרונוב הוא הזוכה הישראלי הבא בפרס הנובל למדעים?

דיוויד בוהם, המקור: וויקיפדיה. (לצערי, לא מצאתי תמונה של יקיר אהרונוב בוויקיפדיה)

עולם של כוחות

במהלך המאה ה-18 וה-19 היתה 'הפיזיקה הקלאסית' (כפי שהיא מכונה כיום) התיאוריה השלטת, ובה הושם דגש חזק על מושג הכוחות. אחד הכוחות הפיזיקליים הוא 'כוח לורנץ', הפועל על גוף טעון בשדה אלקטרומגנטי ומורכב משני חלקים: החשמלי והמגנטי. כאשר אלקטרון (או כל גוף בעל מטען חשמלי שלילי) נמצא תחת שדה חשמלי פועל עליו כוח הגורם לו להאיץ בכיוון המנוגד לכיוון השדה. אם אותו אלקטרון נמצא תחת שדה מגנטי, פועל עליו כוח בניצב לכיוון השדה ולכיוון תנועתו ובכך יגרום לו לנוע בתנועה מעגלית.

כוח לורנץ תלוי בעוצמת השדות ולכן ברור שאלקטרון יושפע מהשדה רק כאשר הוא ימצא באזורים בהם השדה קיים. כפי שנראה בהמשך, הקביעה האחרונה אינה תקפה בפיזיקה הקוונטית.

עולם של גלים – ניסוי שני הסדקים

ההבדל החשוב ביותר במעבר בין פיזיקה קלאסית לקוונטית הוא המעבר לתיאור דינמיקה של חלקיקים בעזרת גלים. הסיבה לכך היא שהדינמיקה של אותם חלקיקים (למשל אלקטרונים) בעולם הקוונטי מתוארת על ידי משוואת שרדינגר שפתרונותיה נתונים על ידי גלים.

כאשר שולחים קרן אלקטרונים דרך שני סדקים מתקבלת על המסך (הרגיש לאלקטרונים) תמונה הנקראת 'תבנית התאבכות' (ראו איור) המורכבת מאזורים מוארים וחשוכים. ניסוי זה נקרא 'ניסוי שני הסדקים' והוא מדגים את האופי הגלי של האלקטרונים. תופעת ההתאבכות היא תוצאה סטנדרטית עבור גלים, ומתקבלת גם עבור גלי אור או גלי מים. אם אתם לא יודעים או זוכרים מה זאת התאבכות, לחצו על הלינק להסבר מפורט.

מה שחשוב לזכור הוא שההתאבכות נובעת מחיבור של שני הגלים שמקורם בשני הסדקים. לכל נקודה על המסך מגיעים הגלים בעוצמה שונה אחד מהשני בגלל הדרכים השונות שהם עברו. התוצאה היא שעל חלק מהנקודות הם מעצימים אחד את השני (חיבור 'בונה') ועל חלקן מחלישים אחד את השני (חיבור 'הורס').

תיאור סכמטי של ניסוי התאבכות.

שני הסדקים עם קריצה

כעת דמיינו שוב את ניסוי שני הסדקים בשינוי קל: הפעם מוסיפים סלנואיד בין שני הסדקים (ראו איור). סלנואיד הוא סליל מתכתי צפוף המלופף בקוטר קבוע לכיוון מוגדר (כמו קפיץ). מה שמייחד אותו הוא שכאשר מעבירים בו זרם חשמלי נוצר שדה מגנטי בתוך החלל הגלילי. אם אורכו של הסלנואיד אין-סופי, השדה המגנטי יהיה מוגבל אך ורק לחלל הגלילי שבתוך הסליל.

תיאור סכמטי של ניסוי שני הסדקים עם סלנואיד. השדה המגנטי נמצא אך ורק בתוך הסלנואיד (באזור התכלת), המקור (באנגלית): וויקיפדיה.

הדבר המדהים שאהרונוב ובוהם הראו במאמר שלהם, ומתוך שיקולים תיאורטיים בלבד, הוא שהפעלת זרם בסליל תגרום להסטה בתמונת ההתאבכות על המסך. תוצאה זאת היא משונה מאוד מכיוון שהאלקטרון כלל אינו פוגש בשדה המגנטי הקיים רק בתוך הסלנואיד, ולכן לא ברור למה הוא בכלל מושפע ממנו.

ההסבר לכך טמון בעובדה שהאלקטרון אמנם עובר באזורים בהם השדה הוא אפס אך הפוטנציאל המגנטי באותם אזורים אינו אפס!

כעת אתם ודאי שואלים מהו אותו פוטנציאל מגנטי שהזכרתי (הנקרא בעגה: 'פוטנציאל וקטורי'). ובכן, הבעיה שלי היא שבניגוד לפוטנציאל חשמלי, אין לפוטנציאל המגנטי הגדרה או הסבר אינטואיטיביים, אלא רק הגדרה מתמטית.

חשוב להבין שבאופן כללי הפוטנציאלים הם טריק מתמטי שנועד להקל על חישוב השדות החשמלי והמגנטי. הבעיה עם השדות היא שערכיהם במרחב קשים לחישוב (בגלל היותם מתוארים על ידי פונקציות וקטוריות כלומר בעלות כיווניות). הדרך לעקוף את הבעיה היא למצוא, בקלות יחסית, את ערכם של הפוטנציאלים במרחב (המתוארים על ידי פונקציות סקלריות, כלומר ללא כיוונים). לאחר מכן, ניתן לגזור בקלות את ערכי השדות במרחב מערכי הפוטנציאל שמצאנו בעזרת פעולה מתמטית.

בפיזיקה הקלאסית אין לפוטנציאלים משמעות אמיתית (גם אם יש להם משמעות אינטואיטיבית) משום שהתיאוריה מתארת את המציאות היטב גם בלעדיהם.

במקרה של ניסוי שני הסדקים עם הסלנואיד, הפוטנציאל המגנטי גורם להיווצרות הבדל בין אלקטרונים העוברים דרך סדק אחד לאלה העוברים דרך הסדק השני. הגלים המתארים אותם יהיו מוסטים אחד ביחס לשני (ראו דוגמא להסטה בין גלים באיור). דבר זה יגרום להסטה בתמונת ההתאבכות על המסך בעקבות הדלקת הזרם בסלנואיד. את מרחק ההסטה הצפוי נוכל לחשב מראש מתוך התיאוריה.

ההסטה בין סינוס לקוסינוס היא 90 מעלות או חצי פאי רדיאנים, המקור לאיור: וויקיפדיה.

סוף דבר

השלב הבא היה לאשש את נכונות האפקט בניסוי. משימה זאת התבררה כקשה במיוחד מכיוון שלא ניתן לבנות סלנואיד אין סופי ולכן תמיד יהיו שדות מגנטיים מחוצה לו. רק ב-1986 הצליחו מדענים יפנים במעבדות היטאצ'י להדגים את האפקט ללא עוררין. כדי להתגבר על בעיית הסלנואיד הסופי הם בנו אותו בצורת דונאט (טורוס) שאין לו סוף או התחלה. אלקטרונים שעברו בתוך החור של הדונאט הושפעו מכך למרות שהשדה המגנטי היה כלוא לחלוטין בתוך הדונאט.

אז מה למדו הפיזיקאים מכל הבלגאן הזה? הם גילו שהפוטנציאלים יותר מהותיים ומוחשיים ממה שחשבו והתורה האלקטרומגנטית (לפחות ברמה הקוונטית) אינה שלמה בלעדיהם.

סוף טוב, הכל טוב. כעת רק נותר העניין הקטן הזה עם הנובל.

——————————————————————-

לקריאה נוספת:

תיאור האפקט תוך שימוש נרחב יותר בז'רגון פיזיקלי (אך ללא נוסחאות) באתר דוידסון און-ליין

איך אומרים אופס ביפנית*? על זיכרון הפלאש

יש לי חלום

כבר בשנות עבודתו הראשונות בחברת טושיבה היו לפוג'יו מאסואוקה (Fujio Masuoka), אז דוקטור צעיר להנדסת-חשמל, הצלחות מרשימות בפיתוח מעגלי זיכרון, והוא מצא את עצמו מתקדם בסולם הדרגות. בסוף שנות ה-70 הוא מונה לתפקיד מנהל זוטר במחלקה שעבדה על שיפור הטכנולוגיה המקובלת של רכיבי הזיכרון באותה תקופה. מאסואוקה המשיך להצטיין בעבודתו, אך בלילות הוא חלם על זיכרון מסוג אחר.

מאסואוקה רצה לבנות רכיב זיכרון אלקטרוני שהמידע עליו ישמר גם כאשר מפסיקים את אספקת החשמל, והיה לו רעיון טוב איך לעשות את זה. ללא רשות החברה הוא החל לעבוד עליו בלילות ובסופי שבוע עד שב-1984 הוא הציג אבטיפוס בכנס בארה"ב וכינה אותו: 'זיכרון פלאש'. הרעיון לא זכה לאמון המנהלים הבכירים בטושיבה שהעדיפו להמשיך ולהשקיע את עיקר המאמצים ברכיבי הזיכרון המוכרים.

אנשי אינטל, לעומת זאת, התלהבו עד כדי כך שהם שילחו 300 מהנדסים לפתח את הרעיון, וב-1988 שיחררו מוצר מוצלח לשוק. בעקבות היוזמה תשיג אינטל דומיננטיות מוחלטת בתחום לשנים רבות. כיום רכיבים אלה נמצאים כמעט בכל מקום (מחשבים, מצלמות, מכוניות, דיסק-און-קי ועוד) ומגלגלים המון כסף. אופס, כבר אמרנו?

כיצד עובד זיכרון הפלאש, מה יתרונותיו ומה עלה בגורלו של מאסואוקה?

דיסק-און-קי אל מול דיסקט פרהיסטורי (כולל איזכור ל-SanDisk בעלת הקשר הישראלי ). המקור: וויקיפדיה.

טרנזיסטור? למה זה טוב?

רכיבי הזיכרון עליהם עבד מאסואוקה לפני ובמקביל לעבודתו על זיכרון הפלאש דומים באופן כללי לאלה הנמצאים במחשב שלנו היום – RAM (קיצור של Random access memory). כל ביט ('0' או '1') נשמר ברכיב זה על ידי תת-מעגל חשמלי המורכב ממספר טרנזיסטורים. טרנזיסטור בודד דומה בפעולתו לברז מים: לחץ מים קיים כל הזמן אך הברז קובע אם מים יזרמו בצינור או לא. במידה וכלל אין מים בצינורות אין משמעות לפעולת הברז. בדומה,  הבעיה עם זיכרון ה-RAM היא שכאשר מנתקים אותו מהחשמל הטרנזיסטורים מפסיקים את פעולתם והזיכרון נמחק. מאסואוקה רצה לפתח רכיב זיכרון אלקטרוני שאינו נמחק בעקבות הפסקת החשמל, בדומה לדיסק קשיח – אך ללא הרכיבים המגנטיים המגבילים את צפיפות המידע וללא זרוע מכאנית המאטה את המהירות.

למעשה, רכיבי זיכרון אלקטרוניים שאינם נמחקים כבר היו קיימים אז ונקראו EEPROM (ראשי-תיבות, קטע כזה של מהנדסים). רכיבים אלה, שמהם פיתח מאסואוקה את זיכרון הפלאש, מבוססים גם הם על טרנזיסטורים ולכן נתחיל להתיר את הסבך בלהסביר קצת יותר על פעולת טרנזיסטור.

הטרנזיסטור הוא מתג אלקטרוני המופעל על ידי אותות חשמליים דרך שלוש נקודות מגע המסומנות באיור כ: Source, Drain ו-Gate. לטרנזיסטור שני מצבי פעולה עיקריים (אשר יסמלו '0' או '1'): מצב שבו זרם חשמלי עובר מה-Source ל-Drain ומצב שלא (בדומה לזרם המים). השליטה במצבים מושגת על ידי מתן מתח חשמלי בנקודת ה- Gate (הברז), המופרדת מאזור ההולכה על ידי שכבת מבודד (ראו איור). בדרך כלל, ללא הפעלת מתח ה- Gate אין זרם בטרנזיסטור מכיוון שהדרך חסומה על ידי חומר בעל הולכה מסוג שונה. בהפעלת מתח ה-Gate נפתחת 'תעלה' המאפשרת לזרם לעבור. מתח ה-Gate המינימלי שיאפשר זרם בטרנזיסטור נקרא 'מתח הסף'.

איור סכמטי (ביותר) של טרנזיסטור.

אחת התופעות שגורמות לפגיעה בתפקודם של הטרנזיסטורים היא 'אלקטרונים חמים'. חלק מהאלקטרונים העוברים בתעלה יהיו בעלי אנרגיה גבוהה במיוחד וחלקם עלול לצאת מהתעלה ולפרוץ לשכבת המבודד, שם הם יאבדו את האנרגיה ויתקעו לזמן כמעט בלתי מוגבל. האלקטרונים התקועים בשכבת המבודד גורמים למיסוך חלק מהשפעת הפעלת מתח ה-Gate ובשל כך יגרמו לשינוי במתח הסף ולשיבוש בפעולת המעגל.

חזרה לזיכרון

למרבה הפלא, אותה תופעה של אלקטרונים חמים הנתקעים בשכבת המבודד משמשת להפעלת רכיב הזיכרון המכונה EEPROM. תהליך הכתיבה לזיכרון מתבצע על ידי פתיחת הטרנזיסטור והפעלת זרם חזק הגורם ללכידת אלקטרונים במבודד בכמות מבוקרת, כך שמתח הסף משתנה. קריאה מתבצעת על ידי בדיקת ההולכה של הטרנזיסטור (בעצם בדיקה האם יש או אין אלקטרונים במבודד). מחיקה מתבצעת על ידי הפעלת מתח חשמלי הפוך בין ה-Gate ל-Source. בהפעלת מתח חזק מספיק מתרחש תהליך מינהור והאלקטרונים יעזבו את המבודד.

כתיבה לזיכרון על ידי אלקטרונים חמים.

התרומה הגדולה של מאסואוקה היתה בכך שהוא הבין שתפעול נפרד של כל ביט וביט גורם לפעולת הרכיב להיות איטית מאוד. הוא הסיק שעדיף לאפשר גישה אל המידע בקבוצות גדולות יותר וכך יתאפשר לתכנן מעגלים קומפקטיים יותר המצריכים פחות חיווט ופחות מקום על פרוסת הסיליקון (שטח על הפרוסה שווה כסף). במהלך שנות ה-80 תכנן מאסואוקה שני סוגי זיכרון פלאש. הראשון מכונה NOR ומאפשר קריאה וכתיבה של מילים (בייטים) בודדות. הקריאה ממנו מאוד מהירה אך הכתיבה מעט איטית. הסוג השני מכונה NAND ומאפשר קריאה וכתיבה רק בקבוצות של אלפי בייטים. הסוג הזה של פלאש חסכוני יותר בשטח על הסיליקון. בשני הסוגים מחיקת מידע מתבצעת בבת-אחת בבלוקים המכילים בין עשרות למאות קילובייטים ומכאן כנראה נובע השם 'פלאש'. רכיב ה-NOR מיועד לשימושי ROM ואת רכיב ה-NAND תוכלו למצוא בדיסק-און-קי שלכם.

סוף דבר

מה עלה בגורלו של מאסואוקה? ובכן, מכיוון שהפטנטים לא היו רשומים על שמו הוא לא בדיוק התעשר מכל ההצלחה של זיכרון הפלאש. בשנת 1994 הגיעה ההתקשרות בינו לבין טושיבה לסיום בטונים צורמים והוא עבר לעבוד כפרופסור באוניברסיטה בה ביצע את עבודת הדוקטורט שלו. טושיבה מצידה נבוכה מאוד מכל הסיפור עד כדי כך שב-2002 טענו בפני כתב העיתון פורבס שאינטל היא זאת שהמציאה את זיכרון הפלאש ולא הם. מאסואוקה בינתיים כבר עובד על הדבר הגדול הבא מבחינתו: טרנזיסטורים תלת ממדיים, והפעם הפטנטים רשומים על שמו.

לקריאה נוספת:

'Unsung hero' by Benjamin Fulford (Forbes)

* אחת המילים שמשמעותן 'אופס' ביפנית היא: おっと, ובהגייה באנגלית: O-tto (למרות שאות-לאות בעצם רשום O-tsu-to). זה אינו הביטוי השגור ביותר אלא זה שאני מצאתי הקל ביותר לתעתק.

האישה 'שזכתה' לחיי נצח. בצלחת.

בינואר 1951 התאשפזה הנרייטה לאקס (Lacks), אישה ממוצא אפרו-אמריקאי בתחילת שנות ה-30 לחייה, באגף המיועד לשחורים בבית החולים ג'ון הופקינס. הרופאים איתרו אצלה בצוואר הרחם גידול סרטני, ממנו נלקחו במהלך הטיפול דגימות תאים ללא ידיעתה. התאים של לאקס הגיעו אל מעבדתו של דר. ג'ורג' גיי (Gey) אשר ניסה באותם שנים לגדל תאים סרטניים בצלחת ללא הצלחה. בניגוד לכל התאים האחרים שניסה, אלו שנלקחו מלאקס (וכונו Hela – לפי ראשי-התיבות של שמה) שרדו לזמן בלתי מוגבל והתרבו בקצב מהיר. גיי הנלהב הסכים לשלוח את תאי הפלא לכל מי שהיה מעוניין וכך אותם תאים מצאו את דרכם למספר רב של מעבדות.

עוד באותה שנה מתה הנרייטה לאקס ממחלת הסרטן, אולם התאים שנלקחו ממנה המשיכו לחיות בצלחות רבות ולשמש את הקהילה המדעית. התאים שימשו לפיתוח חיסון הפוליו ומשמשים עד היום לחקר האיידס, הסרטן, מיפוי גנטי ועוד. מגוון פטנטים הוצאו על פיתוחים שנעשו על התאים האלה וחברות מסחריות מוכרות וריאציות של התאים בכסף רב. משפחתה של לאקס מעולם לא קיבלה שום תמורה (כספית או אחרת) על השימוש בתאים ולמעשה המשפחה כלל לא היתה מודעת לקיומם.

בכנס מדעי בשנת 1974 טען המדען וולטר נלסון שתאי Hela זיהמו תרביות של תאים אחרים (שאינם Hela) במחקרים רבים ולכן תוצאות אותם ניסויים חסרות ערך. כדי לבחון את טענתו בעזרת בדיקת DNA פנו החוקרים לקרובי משפחתה של הנרייטה לאקס וביקשו מהם דגימות דם.

כיצד הגיבה המשפחה שכלל לא היתה מודעת לקיומם של התאים או למשמעותם? האם נלמדו הלקחים מאז? מה צופן העתיד והאם כדאי לי להוציא כבר עכשיו פטנט על הקוד הגנטי שלי?

תאי Hela עם סימון פלואורסנטי לגרעין. המקור: וויקיפדיה.

על כל זאת (וגם על סיפורו המטריד של ג'ון מוּר) התכוונתי לכתוב ברשימה הבאה אך לשמחתי גיליתי שדברים אלה כבר סוקרו בעבר בשתי כתבות מצוינות (ובעברית). לכן כל שנותר לי הוא להמליץ לכם לקרא את אותן כתבות:

'מיהי האשה שתאים מגופה הם כר הניסויים הגדול בעולם לחקר הסרטן?', שאול אדר, יולי 2010, עיתון הארץ.

'החיים כפטנט', איתי להט, דצמבר 2011, מוסף כלכליסט.

הכתבה בעיתון 'הארץ' עוסקת גם בספרה המצליח של רבקה סקלוט (Skloot): 'חיי הנצח של הנרייטה לאקס'.

אני ממליץ לקרא את הסיפורים לא רק בגלל שאלה סיפורים מרתקים על מדע, אלא גם בגלל שאלה סיפורים מרתקים על אנשים. הם מזכירים לנו, בין היתר, שהמחקר המדעי אינו מתבצע בחלל ריק, אלא נעשה בתוך חברה אנושית ועל ידי אנשים 'אנושיים', עם כל הטוב והרע שנובע מכך.