מקנה המידה הקטן ביותר ועד ליקום הנראה כולו – המפתח להבנת היקום

"כדי להבין את היקום אנחנו נדרשים לסימולציה מקנה המידה הקטן ביותר ועד ליקום הנראה כולו". כך אמרה פרופ' ליזה רנדל, פיזיקאית מאוניברסיטת הארווארד, באירוע Science in the age of experience, שערכה חברת דאסו סיסטמס בבוסטון. הכנס יועד להצגת מערכות 3Dexperience המכילות רכיב סימולציה בפני מקבלי החלטות של חברות מוטות מדע. האירוע התקיים במבנה בית הספר לרפואה של אוניברסיטת הארווארד.

שתי האוניברסיטאות היוקרתיות הגדולות בבוסטון, הארווארד ו-MIT, כמו אוניברסיטאות רבות אחרות בעולם משתמשות בכלי 3Dexperience.

לדברי פרופ' רנדל, הפיזיקאים משתמשים רבות בסימולציה כדי להבין מה קורה בממדים שבהם לא ניתן לצפות ישירות. "הטבע פועל בקני מידה שונים, אבל ההשפעה ביניהם היא הדדית. במיוחד חשוב לנו להבין איך מה שקורה בקנה המידה הקטן ביותר משפיע על מה שאנו רואים בעולם בקנה המידה האנושי, וכמובן על כל סדרי הגודל עד ליקום הנראה כולו. אי אפשר לתאר את התקרה בלי להבין את הרצפה. אם נתבונן במגדל אייפל מקרוב נראה את הפלדה ואת המסמרים המרכיבים אותו. נלך רחוק מדי, לחלל – לא נראה אותו בכלל".

מהאדם ועד לאטום

"בקנה המידה האנושי, האינטואיציה שלנו מונחית על ידי מה שאנו צופים בו, וכך גם קורה בתיאוריות פיזיקליות. חוש הראייה שלנו פועל בתחום האור הנראה של הספקטרום ומצליח לזהות חפצים מקנה מידה של מילימטר ועד לקילומטר. ואולם היקום הפיזיקלי כולל טווח גדול הרבה יותר של קני מידה. אם נרד למטה – קנה המידה עד לגודל של ננומטר נשלט על ידי המכניקה הקלאסית. בקנה מידה זה קוטרו של תא דם אדום כ-7 מיקרון (עשר בחזקת מינוס 6), קוטר מולקולת ה-DNA הוא 2 ננומטר (ננומטר – 10 בחזקת מינוס 9). "

כשיורדים עוד למטה, נכנסים לתחום שבו שולטת מכניקת הקוונטים. קוטר גרעין המימן הוא 5 פיקומטר (עשר בחזקת מינוס 12 של מטר), קוטר האלטקרון שלו הוא 2 פיקו מטר, הקווארק הקל קוטרו 0.1 פיקומטר והטופ קווארק – 10 אטומטר (אטומטר – 10 בחזקת מינוס 18). המדידות של החלקיקים שיוצר מאיץ ההדרונים הגדול בסרן (LHC) הוא כ-10 בחזקת מינוס 19 מטר.

"מעבר לאזור זה יש 16 סדרי גודל שהמדע לא יודע מה יש בהם. התיאוריות גורסות, שבתחום של 10 בחזקת מינוס 32 מטרים כל כוחות הטבע מתאחדים, ובשלב מסוים עוברים למה שנקרא כבידת הקוונטום – תחום שבו החלל והזמן מתפרקים ויש לנו אולי קצף של חלל זמן".

מהאדם ועד ליקום

פרופ' רנדל אומרת, כי צריך גם לחקור את הדברים הגדולים. קנה המידה של קוטר כדור הארץ הוא 10 בחזקת 7 מ', השמש – 10 בחזקת 9 מ', מסלול כדור הארץ – 10 בחזקת 11 מ', וגודל מערכת השמש הוא 10 בחזקת 13 מ'. קוטר גלקסיית שביל החלב מגיע ל-10 בחזקת 20 מ', ופה אנו עוזבים את קנה המידה התת גלקטי ועוברים לקני מידה קוסמולוגיים, כאשר קוטרו של היקום כאשר נוצרה קרינת הרקע הקוסמית היה 10 בחזקת 24 מ' וכיום אנו יכולים רק לחקור את היקום הנראה, שקוטרו 10 בחזקת 27 מ'.

"אבל היקום שאנו יכולים לראות עדיין רחוק מלהיות שלם. כשאנחנו צופים בגלקסיה כלשהי אנו רואים שהיא מכילה חומר נראה, אבל גם חומר אפל שאיננו יכולים לראותו, אך כבידתו עדיין משפיעה. אנו עדיין מחפשים מהו אותו חומר אפל. יש לכך יסודות במבנה הבסיסי של היקום".

בסרטון שהציגה הראתה פרופ' רנדל סימולציה של היווצרות גלקסיה בשל הפרעה במבנה הבסיסי של היקום והתפתחותה לאורך זמן, כלומר אחד המבנים הגדולים ביקום נוצר כתוצאה מהפרעה בתחום הקטן מאוד. "אנו נעזרים בתצפיות של הלוויין גאיה, שצופה במיליארד כוכבים בשביל החלב. נקבל ממנו מידע רב, שיסייע לנו לשפר את המודלים והסימולציות.

"באמצעות התיאוריות והתצפיות אנו יכולים אפילו ללמוד על אודות ממדים חבויים. ממש בשנים האחרונות אנו יכולים לצפות בגלי כבידה וללמוד על ממד חדש של , שלא הכרנו קוד"."

היישום בחיי היום יום

הציבור הרחב מאוד אוהב חדשות בתחום החלל, אבל רבים שואלים האם יש לכך השלכות מעשיות או שכדאי אולי לתת את הכסף לעניים. הדוגמה המוכרת ביותר היא שימוש במכניקת הקוונטים לבניית מערכות ה-GPS שכולנו נעזרים בהן. רנדל נתנה דוגמאות נוספות.

"המדע הטהור מוביל להתקדמות, אך לא תמיד אנו יודעים באילו קני מידה לחפש או מתי להתחיל. האתגרים – הבנת היקום שלנו, ויישומים מעשיים יותר – מחקרים בתחום האנרגיה והאקלים, שיפור איכות החיים וחדשנות במוצרי.

"דוגמה לכך – גילוי הגרפן ב-2005 על ידי גיים ונובוסלוב, שקיבלו פרס נובל ב-2010, שהיום מוצאים לו שימושים רבים, ושכלול נוסף – הצבת שני משטחי גרפן צמודים בהטיה קטנה יוצרת מערכות בעלות תכונות שונות לחלוטין.