ארכיון

Posts Tagged ‘תיאוריות מדעיות’

הבה ונתכתשה – כמה מילים על השאלה האם כל תחום בפיזיקה הוא מדעי והאם זה משנה

נתחיל בשאלה פרובוקטיבית.

ידוע שפיזיקה היא ענף במדעי הטבע ושמדען הוא אדם שעוסק במחקר מדעי.

האם כל מדען שחוקר בתחום הפיזיקה עוסק במדע? האם כל תחום בפיזיקה הוא מדעי?

על פניו, נראה שהתשובה ברורה, לא?

אז בואו ושמעו סיפור.

בעשר השנים האחרונות מתחולל קרב סמוי מן העין על טיבה של הפיזיקה ועל טיבו של המדע. יותר ויותר פיזיקאים מביעים אי נוחות אל מול חלק מנושאי הקצה בתחום.

במה דברים אמורים?

***

הויכוח לא נולד אתמול וגם לא לפני שנה אבל מישהו בחש בקלחת והנושא התעורר מחדש ביתר שאת. בדצמבר 2014 התפרסם מאמר דעה במגזין המדעי המוביל 'Nature' פרי עטם של שני פיזיקאים מכובדים. כותרת המאמר היתה :"Defend the integrity of physics", לא פחות.

Picture1
צילומסך של כותרת המאמר.

במאמר מזהירים הכותבים מפני תחומים בפיזיקה שמאבדים קשר עם המציאות. שתי הדוגמאות שלהם הן תורת המיתרים והשערת היקומים המרובים. בתחומים אלה הפיזיקאים נמצאים בבעיה. מצד אחד פיזיקה היא מדע אמפירי שמטרתו הוא לתאר את העולם שבו אנו חיים. כל תיאוריה חייבת להיבדק אל מול המציאות, כלומר לתאר את מה שידוע כרגע ולייצר תחזיות חדשות שאותן נוכל לבדוק. מצד שני, תורת המיתרים שנחשבת כבר לא מעט שנים לתיאוריה שאולי תצליח לאחד את כל הכוחות בטבע תחת מטריה תיאורטית אחת, ולמרות כל השנים שעברו, לא ייצרה הרבה תחזיות ולא נראה שיהיה אפשר לבדוק אותה בשנים הקרובות.

המצב אף גרוע יותר עבור השערת היקומים המרובים. למיטב הבנתי, השערה זאת נולדה כדי להסביר מדוע נראה שהקבועים הפיזיקליים הבסיסיים בטבע כווננו לחיים כפי שאנחנו מכירים אותם כיום. כל שינוי קטן בהם היה מוביל ליקום שאינו יכול לתמוך בגלקסיות, כוכבים, פלנטות, חיים וכך הלאה. הפתרון שהוצע הוא שכל האפשרויות ליקומים קיימים, ואנחנו נמצאים בזה המתאים לקיומנו. אני מניח שברור שאת ההשערה הזאת לא ניתן לבדוק מאופן הגדרתה.

כותבי המאמר טוענים ששני תחומים אלו בפיזיקה הינם רעיונות פיזיקליים שאינם ניתנים להפרכה ולכן אינם מדעיים. הם הביעו חשש שהעיסוק בתיאוריות אלה גורם נזק לאמון שהציבור נותן במדע בכלל ובפיזיקה בפרט. תמיד כדאי לתבל במעט דרמה.

חלק מתומכי המיתרים והיקומים המרובים מודעים לבעיות בתחום ונוטים להתמודד עמם בכל מיני דרכים שמרגיזות את כותבי המאמר. בעיקר הצעות שקשורות להורדת הסף האמפירי הנדרש מתיאוריות פיזיקליות. ניתן לקרא על כך במאמר המקורי.

בחודש דצמבר האחרון אורגנה סדנא בנושא על ידי מובילים משני צידי המתרס. לכנס הוזמנו בעיקר פיזיקאים אבל גם פילוסופים והיסטוריונים של מדע לדון בסוגיה. בכתבה שקישרתי במשפט הקודם דווח שבסוף הפגישה לא נראה שהפיזיקאים משני הצדדים התקרבו בצורה כלשהי להסכמה בנושא או למשהו שמתקרב לקונצנזוס.

Picture2
צילומסך של כותרת הכתבה שמדווחת על הכנס.

הדיון המחודש בנושא עורר גל של תגובות ומאמרים. ניתן לקרא עליו קצת בקישור הזה כולל הפניות לתגובות שונות ועדכונים בסוף הכתבה.

***

כפי שכתבתי בעבר, אותי לא מעניינת השאלה "האם היקום מורכב ממיתרים?" מכיוון שלטעמי זאת אינה שאלה מדעית. אותי מעניינת אך ורק השאלה "האם מודל המיתרים מסוגל להסביר את התופעות הקיימות ולחזות תופעות חדשות?". אם התשובה חיובית אז הוא מודל יעיל, ואם לאו אז אינו יעיל. אם אין אנו מסוגלים לבדוק אותו, אז הוא בעיקר שעשוע מתמטי.

אל תבינו אותי לא נכון, יש מקום גם לשעשועים מתמטיים במחלקות לפיזיקה. הדוגמאות הן רבות, אני אסתפק באחת פשוטה. למיטב זכרוני, הפיזיקה של סריג הקסגונלי דו-ממדי של אטומי פחמן, כלומר גרפן (Graphene), נכתבה כבר בשנות ה-70 של המאה הקודמת כתרגיל מתמטי מבלי לדעת אם שכבה כזאת יכולה להתקיים באופן 'עצמוני'. בשנים האחרונות למדו מדענים לייצר שכבות כאלה ומיד מצאו להם שלל שימושים. הפיזיקה התיאורטית היתה כבר כתובה ומוכנה לבדיקה. הדבר הוביל לפרס נובל לפיזיקה בשנת 2010.

אין אנו יכולים לדעת כעת האם תורת המיתרים תתגלה כחשובה ויעילה כפי שהפיזיקאים שחוקרים אותה טוענים. את התשובה לכך נוכל לדעת רק בדיעבד, והבדיעבד הזה יכול להיות מרוחק שנים רבות מעכשיו. מהסיבה הזאת ודאי שיש לאפשר מחקר בכל תחום פיזיקלי סביר. מצד שני יש הרגשה ללא מעט עוסקים בתחום שנושאים כמו מיתרים או יקומים מרובים מקבלים יותר מידי אור זרקורים, יותר מידי תהילה, יותר מידי דגש, יותר מידי מימון ויותר מידי תלמידים חוקרים ביחס לכמות ההצלחות המועטה שלהן ולכך שהן נמצאות על התפר שבין מדע לכמעט מדע.

ומה נותר לעשות? מה שאנחנו עושים בכל ערב, להתכתש.

מודעות פרסומת

"הוא טוב כל עוד הוא עובד", מבט פרגמטי על טיבן של תיאוריות מדעיות

האדם החושב תמיד שאף להסביר את העולם, כלומר לנסח בעזרת חוקים ותובנות את אשר חווה, לחזות את הנולד ולשלוט בעתידו (ולעיתים גם בעתידם של אחרים). החל באריסטו שניסח חוקי תנועה, דרך גלילאו וניוטון שהפריכו אותם (עקרון ההתמדה) וניסחו את חוקי המכאניקה ('הקלאסית') המוכרים לנו היום, וכלה במדענים העובדים על התורות הפיסיקליות של ימינו (תורת היחסות, מכאניקת הקוונטים ועוד).

בהתבוננות נוספת מתגלה לכאורה דפוס מדאיג, שהרי גם המכאניקה הניוטונית הופרכה ותורת היחסות ומכאניקת הקוונטים החליפו אותה. מסתבר למשל שהמכאניקה הניוטונית אינה אלא מקרה פרטי וצפויה להניב תחזיות נכונות רק במקרה של מהירויות הנמוכות בהרבה ממהירות האור. אך האם זה סוף הסיפור? האם המדע נידון לכישלון בניסיונו לתאר את הטבע או שאנו פשוט עוד לא מצאנו את התורה המלאה? האם יום אחד נוכל לנסח את התאוריה של הכול (The Theory of Everything), או לרשום משוואה שתתחיל במפץ הגדול ותחזה כל רגע מאוחר יותר? האם התיאוריות של היום הם רק עניין חולף ואם כן, האם אנו צריכים לדאוג מכך? התשובה לדעתי היא כן ולא, כפי שאפרט בהמשך.

גלילאו

ציור של גלילאו גליליי, המקור לתמונה: ויקיפדיה.

כדי להעמיק ברעיון התיאוריה הפיסיקלית עלינו תחילה לשאול כיצד בכלל נבנית תיאוריה כזאת. תיאוריה או מודל חדש יכולים להיוולד כהסבר לניסוי שתוצאותיו אינן תואמות את המודל הקיים. לחלופין, לפעמים זהו הניסוי שבא לבדוק תיאוריה חדשה ולעמת אותה עם המציאות. אנסה להדגים זאת בעזרת נושא הקרוב לליבי – המוליכים למחצה. בשנת 1947 הוצג במעבדות בל הטרנזיסטור הראשון שזיכה את ממציאיו בפרס נובל בפיסיקה תשע שנים לאחר מכן. ב-1958 הוצג המעגל המשולב הראשון ומאז הטכנולוגיה שועטת קדימה ללא מעצורים. שבבי הסיליקון נמצאים (כמעט) בכל מקום. בכל פעם שאתם משתמשים במחשב כדי להתעדכן מה חדש שם באינטרנט אתם משתמשים בשבבי סיליקון (שהוא מוליך למחצה).

Bardeen_Shockley_Brattain_1948

התמונה המפורסמת מ-1948 במעבדות בל של בראטיין, שוקלי ובארדין ממציאי הטרנזיסטור. השלושה זכו בפרס הנובל לפיזיקה בשנת 1956. המקור לתמונה: ויקיפדיה.

אז מהו מוליך למחצה? ראשית נסביר מהם מוליכים ומבודדים, כאשר נתמקד בגבישים. מוליך (למשל מתכת) הוא חומר שבו תמיד יש אלקטרונים פנויים להולכה חשמלית. לעומת זאת חומר גבישי מבודד הוא חומר בו קיים מחסום אנרגטי גדול המונע מאלקטרונים להשתתף בהולכה. אלה כמובן אינן ההגדרות הפיסיקליות המדויקות, אך הן מספיקות עבור הנקודה שאני אנסה להבהיר.

מוליכים למחצה הם בעצם מבודדים שהמחסום האנרגטי בהם קטן מספיק כך שהאנרגיה התרמית (כלומר – חום) בטמפרטורה יום-יומית רגילה תגרום להם להוליך במידה מסוימת. כמו כן, על ידי החדרת אטומים זרים מסוג מסוים למוליכים למחצה אנו יכולים לגרום לעלייה חדה במוליכות החשמלית שלהם. כך קיבלנו חומרים שניתן לשלוט באופן מדויק במוליכות שלהם, וזה מה שהופך אותם לחשובים כל כך בתעשיית השבבים. זאת בניגוד למוליכים ומבודדים שההולכה החשמלית בהם או נמוכה או גבוהה מידי ותלויה בטמפרטורה במידה רבה.

כעת נרצה לבנות מודל פיסיקלי לתיאור ההולכה בחומרים אלה. ראשית אנו משתמשים בעקרונות אחת התיאוריות הקלאסיות בפיסיקה, הפיסיקה הסטטיסטית, לנסח את ההתנהגות של חלקיקי גז. לאחר מכן אנו מניחים שאלקטרונים במתכת מתנהגים כחלקיקי גז עד כדי תיקונים הנובעים מתורת הקוונטים (חוק האיסור של פאולי, חישוב ספקטרום האנרגיה של האלקטרונים). יש לשים לב שכאן כבר מעורבבים יחדיו עקרונות פיסיקליים קלאסיים וקוונטיים. כעת נשתמש במודל הזה לתיאור המוליכים למחצה עם תיקון, אד הוק, נוסף הקשור להוספת המחסום האנרגטי של האלקטרונים בדרך להולכה חשמלית. בעזרת המשוואות שקיבלנו נוכל לחשב כמה אלקטרונים פנויים להולכה בפיסת מוליך למחצה כתלות בפרמטרים שונים. כעת נוכל להשתמש במודל הולכה קלאסי ולמצוא מה ההולכה החשמלית הצפויה במעגל שניבנה בעזרתו.

המודל שהוצג מכיל קירובים רבים וסלט של רעיונות מודבקים מתחומי פיסיקה שונים. קשה להאמין שהוא מתאר את הטבע בצורה נאמנה. עם זאת, באופן בלתי נתפס, הוא חוזה בצורה מדויקת את תוצאות הניסויים כבר עשרות שנים ונמצא בשימוש במחקר ובתעשייה עד ימים אלה. המחשב שלכם עובד, לא?

אז מה ניתן ללמוד מכל זה? אני מגדיר את הגישה שלי לנושא כסופר-פרגמטית. עבורי כל תיאוריה שמצליחה לחזות בעקביות את תוצאותיהם של ניסויים רלוונטיים, וניתן בעזרתה להגיע לקידום ממשי של המדע מקובלת עלי. ומה יהיה כאשר נמצא ניסוי שעבורו התיאוריה אינה עובדת? נחזור לשולחן העבודה ונכתוב אחת חדשה. מודל הוא טוב כל עוד הוא עובד.

רגע, רגע, אבל מה עם האמת? האם המודל שניסחנו הוא האמת? לטעמי השאלות האלה אינן פרגמטיות כלל, ולכן מחוץ לתחום השיפוט שלי.

————————————————————————

הרשימה פורסמה במקור באתר שפינוזה זצ"ל לפני כשנתיים-שלוש. למעשה זאת הרשימה הראשונה שכתבתי אי פעם. עקב ביטולו של אתר שפינוזה, ומכיוון שאני עדיין אוהב אותה החלטתי לערוך את הרשימה מחדש ולהעלות אותה כאן בבלוג.