חתולים, אוטובוסים ואלקטרונים רוקדים

פוסט של אורן שעיה
עד כדי קבוע

הסיפור שלי מתחיל באמא.

***

“הבנתי!”, היא אמרה לי.

“לא הבנת כלום”, סיננתי בקול מזלזל.

“הבנתי, הבנתי”, היא חזרה ואמרה בהתלהבות.

“עזבי אמא, אני אומר לך שלא הבנת שום דבר”, עניתי.

“אני אומרת לך, הבנתי. הבנתי את החתול, הבנתי את האי וודאות, הבנתי את הכל”.

עכשיו אני כבר קצת כועס. “אמא, לא הבנת כלום, אין בכלל מה להבין, החתול זה סתם סיפור, והכל זה מתמטיקה!”, סיימתי בפסקנות.

***

אי שם בתחילת שנות האלפיים הייתי סטודנט צעיר לפיזיקה, צעיר ויהיר. לקחתי קורס במכניקת הקוונטים והרגשתי שהבנתי את סודות היקום. רק אחרי שלקחתי עוד מספר קורסים, הייתי בשל להבין שאני בעצם לא מבין כלום. אבל אז עוד הייתי תמים.

אמא שלי לא זכתה להשכלה אקדמית, אבל מאוד אהבה ידע. כל יום הייתה מקפידה להאזין לאוניברסיטה המשודרת בגלי-צה”ל. אם חלילה פספסה הרצאה, היית דואגת להקליט אותה באמצעות רדיו-טייפ קטן וחבוט. אחד הקורסים ששודר באותן שנים היה בנושא מכניקת הקוונטים או משהו קרוב. אמא שלי כמובן האזינה גם לו, וידעה שאני מתעניין בנושא. לאחר מספר שבועות, כאשר הסתיים הקורס, ניגשה אלי ואמרה:

“שמעתי קורס על מכניקת הקוונטים. באמת מאוד מעניין. הבנתי, הבנתי את החתול של שרדינגר, הבנתי את עקרון אי-הוודאות, הבנתי את הכל. מאוד מעניין”.

ואני בשלי, “אמא, לא הבנת כלום, אין בכלל מה להבין, החתול זה סתם סיפור, והכל זה מתמטיקה!”

***

מספר שנים לאחר מכן, בעודי שקוע במחקר במסגרת עבודת הדוקטורט שלי, הרגשתי שחסר לי ידע בסיסי בכימיה. החלטתי לקחת קורס בנושא דרך האינטרנט, ובחרתי באחד שניתן לסטודנטים בשנה הראשונה במסגרת לימודים במדעי-החיים. נושא אחת ההרצאות היה סידור של אלקטרונים ברמות האנרגיה באטומים. זהו נושא חשוב ובעל השפעה על הטבלה המחזורית, תכונות בסיסיות של היסודות והתגובות הכימיות שהם מבצעים.

בכל אטום ישנן רמות אנרגיה רבות שבהן יכולים להימצא אלקטרונים. בכל רמה ישנם כמה מצבים אפשריים שונים לאלקטרונים (אותה אנרגיה, אוריינטציה שונה), כאשר כל מצב יכול להכיל רק שני אלקטרונים, אחד עם ספין (המקבילה הקוונטית לסבסוב) מכוון למעלה ואחד עם ספין מכוון למטה. כלומר, ברמת אנרגיה מלאה מסודרים האלקטרונים במצבים, זוגות-זוגות, עם ספין למעלה ולמטה. השאלה המעניינת היא באיזה סדר מתמלאים המצבים, ככל שעולה מספר האלקטרונים.

במהלך לימודי הפיזיקה לא יצא לי ללמוד את הנושא הזה באופן מסודר, אלא רק בנגיעה קלה. ההסבר לסידור הורכב מחוקים מסובכים ונוסחאות, ומכיוון שנלמד בחטף מעולם לא טרחתי להבין אותו באמת. הייתי מאוד סקרן לשמוע כיצד יסביר המרצה את הנושא מבלי להסתבך, שהרי לסטודנטים מולו אין כל צורך או עניין בפיזיקה שמאחורי התופעה.

המרצה אמר שתי מילים: “כלל האוטובוס”.

כלל האוטובוס? מהו כלל האוטובוס?

כיצד אתם מחליטים היכן לשבת, לאחר שעליתם לאוטובוס? ראשית אתם מחפשים מקום פנוי, כלומר מושב זוגי ריק, ואם מצאתם, מתיישבים בו. אם אין מקום פנוי, רק אז תשקלו לשבת ליד אדם אחר.

אני אציג זאת מהכיוון השני. אתם יושבים לבד באוטובוס, כשלפתע מצטרף לנסיעה אדם נוסף. אותו אדם מביט סביב באוטובוס הריק, מבחין בכם, ניגש ומתיישב במושב הצמוד אליכם. כל שאר האוטובוס פנוי. אתם מביטים בו בחשש ושוקלים את האפשרויות: משוגע? מטריד מינית? רוצח סדרתי? מוזר.

מסתבר שאלקטרונים באטום מתנהגים באותה צורה. האלקטרונים ברמת אנרגיה מסוימת מסתדרים אחד בכל מצב, נניח עם ספין למטה. רק כאשר כל המצבים ברמה מכילים אלקטרון אחד עם ספין למטה, אז מתחילים האלקטרונים ‘החדשים’ להתיישב לצד ‘הותיקים’ עם ספין הפוך.

דבר זה הדהים אותי. איך התנהגות כה מסובכת, מסוכמת בשתי מילים פשוטות בעלות הקשר המוכר כמעט לכל אדם. עכשיו לא היה סיכוי שלא אבין איך לסדר אלקטרונים באטום. אין פשוט מזה: כלל האוטובוס. כל השאר זה מתמטיקה.

***

לפני שנה בערך החלטתי שאני רוצה לנצל את הידע שלי בתחומי מדע שונים כדי להסביר אותו לאנשים אחרים. לאחר לבטים רבים, פתחתי בלוג בשם “עד כדי קבוע”. בבלוג אני נוהג לספר סיפורים על מדע, ומשתדל להסביר מושגים מסובכים מעולם המדע בצורה פשוטה כך שיהיו נגישים לכל אדם בעל עניין בנושא – גם לאנשי מדע מתחומים אחרים וגם לאנשים שמתעניינים במדע אך לא עוסקים בו. דבר נוסף שאני עושה בבלוג הוא לראיין תלמידי מחקר על עבודתם, ולפרסם כתבות המסבירות את המחקר, לכול מי שמעוניין, בשפה פשוטה ככל האפשר. המדע אמנם נעשה על ידי מדענים אך אינו שייך להם.

אחד המרואיינים סיפר לי על עבודתו בתחום ‘אופטיקה לא לינארית’. ואני חשבתי לעצמי: מהי בכלל אופטיקה לא לינארית? האם קיימת אופטיקה לא לא-לינארית? היה ברור לשנינו שכדי להסביר את המחקר, ראשית עלינו להסביר מהי אופטיקה לא לינארית. אז שאלתי והוא הסביר לי שאופטיקה לא לינארית קשורה בלייזר רב עוצמה שמוקרן על חומר, ובאלקטרונים שעולים-יורדים-רוטטים-קורנים-משנים-צבעים ברמות האנרגיה. די מסובך, למען האמת. כלומר, ההסבר שלו היה בסדר, אבל היה לי ברור שאינו מיתרגם היטב לקהל הרחב. מה גם שהוספת הסברים להסברים לא תשאיר מקום לתיאור המחקר.

ישבתי בבית אל מול המחשב לכתוב את הראיון. בהיתי בחלל, לעסתי את העיפרון, דפקתי על המקלדת, תלשתי שערות, ואז זה בא. “האלקטרונים רוקדים! ברור, הם רוקדים!”, צעקתי בהתלהבות.

וכך כתבתי: ” ניתן לחשוב על אור הנכנס לחומר שקוף כמוזיקת מעליות נעימה המעוררת את האלקטרונים. המוזיקה מתונה והאלקטרונים נעים לפי הקצב שלה. ריקוד זה גורם לפליטה של קרינת אור בתדר של האור שנכנס. לעומת זאת, ניתן לדמיין הקרנת אור חזק מאוד לתוך החומר כמוזיקה חזקה ורועשת עד כדי כך שהיא גורמת לאלקטרונים לאבד את הקצב ולפצוח בריקוד סוער המערבב מקצבים שונים. אלקטרונים אלה יפלטו אור בעל תכונות שונות משל זה שנכנס.”

כלומר, מוזיקת רגועה ואלקטרונים רוקדים לפי הקצב – אופטיקה. מוזיקה רועשת ואלקטרונים רוקדים עד לאיבוד הקצב – אופטיקה לא לינארית. כל השאר זה מתמטיקה.

***

ולסיום, אמא, אם את יכולה לשמוע אותי, היכן שלא תהיי (היא לא יכולה, אני כותב בלילה והיא ישנה מזמן, מאוחר), רק רציתי לומר לך שצדקת. עכשיו אני מבין, מבין את החתול, מבין את הכל. כל השאר זה מתמטיקה.

אורן שעיה: ביום פוסט-דוקטורנט בפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל-אביב, ובלילה כותב את הבלוג המדעי “עד כדי קבוע“, שם התפרסם הפוסט במקור.

1 באוקטובר, 2012 | בנושאים: 404 | להגיב זה מגניב