בעקבות החור השחור

ביום רביעי, ה-10 בספטמבר, קפאה ישראל מפחד. ילדים נמנעו מלכת לבית ספר וצפו, יחד עם הוריהם, בשידור הישיר של הפעלת מאיץ החלקיקים החדש בז'נבה. חור שחור עתיד להיווצר בשל הניסוי, קבעו נביאי הזעם, וחור שחור זה יבלע את כדור הארץ על יושביו. למכון ויצמן הגיעו טלפונים נואשים. "איך אתם מעזים לבצע ניסוי שתוצאותיו אינן ידועות?" - הטיחו בנו כמה דוברים. "איך אתם יכולים להיות בטוחים בכך שלא ייווצר חור שחור וישאב לתוכו את כל העולם?" - היקשו אחרים. "אנחנו פוחדים!" -התחננו חלק מהפונים, "אין לכם לב? מדוע אינכם מתחשבים בפחדינו ואינכם מבטלים את הניסוי?"

קשה למדוד פאניקה, אך משיחות עם עמיתים בחו"ל ברור שהחרדה בישראל הייתה גדולה מבכל ארץ אחרת בעולם. את ניתוח הגורמים לפאניקה זו והשפעתם על המתחולל במדינה אשאיר למומחים. בשורות הבאות אנסה להסביר את מה שהתרחש, ועתיד להתרחש, במרכז האירופי לחקר פיסיקת החלקיקים CERN שבג'נבה.

ממה עשוי היקום?

פיסיקה של חלקיקים היא ענף מדע העוסק במחקר אבני היסוד שמהן עשוי החומר. ההנחה הבסיסית היא, שעל-ידי לימוד והכרה של רכיבי היסוד, ניתן להבין את העצמים המורכבים מאותן אבני יסוד, להסביר ואף לחזות את תכונותיהם; שהבנת החלקים מובילה להבנת השלם. הנחה זו עמדה עד עתה במבחן המדע. למשל, הבנת הגרעין, האלקטרונים והכוחות הפועלים ביניהם, מאפשרת לחשב ולהסביר ואף לחזות את תכונותיו של אטום נתון.

מטבען, אבני היסוד קטנות מכל דבר אחר, שאותו הן מרכיבות. בעבר הרחוק שימש המיקרוסקופ מכשיר לגילוי ולהבנת אבני היסוד, אך יכולתו של מכשיר זה להגדיל עצמים היא מוגבלת. כדי לחשוף את קיומם ותכונותיהן של אבני יסוד קטנות יותר, נבנו מאיצי החלקיקים - מעין מיקרוסקופים ענקיים. המאיץ החדש (Large Hadron Collider - LHC) שנחנך בימים אלה, גדול ועז בהרבה מכל קודמיו. LHC עתיד להאיץ שתי אלומות של פרוטונים (גרעיני אטום מימן) למהירות דמיונית של 99.999999% ממהירות האור. האלומות ינועו זו כנגד זו, ויתנגשו בעוצמה חסרת תקדים תחת עינם הפקוחה של כארבעה גלאי חלקיקים גדולים מתוחכמים ביותר.

סיפור בנייתם של המאיץ ושל הגלאים הוא סיפור מרתק. מחירם קרוב למחיר שתי טיסות לירח, אך מורכבותם עולה אלפי מונים על מורכבותה של טיסה כזו. כדי להצליח בבנייתם היה צורך בשיתוף פעולה בינלאומי חסר תקדים. אלפי מדענים מכ-50 מדינות חברו יחד לשם מימוש האתגר. בניית המתקן העצום פוצלה לבניית עשרות חלקים במדינות שונות. כלי תכנון חדשניים נבנו כדי לאפשר את הניהול והתיאום של הפרויקט. גם מקומה של ישראל לא נפקד.

הקבוצות הישראליות מהטכניון, מאוניברסיטת תל אביב וממכון ויצמן בנו אלפי גלאי-חלקיקים, מהירים כברק, המותקנים בשישה גלגלי ענק בקוטר של 24 מטר כל אחד, והמאפשרים לניסוי "אטלס" לזהות את ההתנגשויות המעניינות ביותר. המערכת הישראלית תהיה אחראית לכרבע מיכולת הגילוי של הניסוי כולו. לפני כחמש שנים החלו רכיביה של מערכת הענק לזרום לז'נבה מכל קצות תבל. אט-אט, כפאזל ענק, החל הניסוי, העולה בגודלו על כל ניסוי מדעי שנערך עד היום, לקרום עור וגידים.

כדי להמחיש את גודלו של הניסוי נציין שהמאיץ מכיל אלפי מגנטים המצויים בטמפרטורה הקרובה מאוד לאפס המוחלט - טמפרטורה נמוכה מזו השוררת בחלל החיצון. משקלם הכולל של מגנטים אלו עולה על משקלו של מגדל אייפל! גלאי החלקיקים, שתפקידם 'לצלם' את תוצאות ההתנגשויות שייצור המאיץ, כוללים מאות מיליונים של ערוצי מידע, וייצרו בכל שנייה כמות מידע העולה בהרבה על כל המידע המועבר ברשת הטלפון העולמית. כ-100,000 מחשבים חוברו יחד כדי לאפשר את ניתוח הנתונים. זוהי המערכת המורכבת, המתוחכמת והשאפתנית ביותר שנבנתה אי-פעם, מעין קתדרלה של המדע או מגדל בבל מודרני.

ערב השקתו של LHC, ניתן לתמצת ולומר שקיימים ומוכרים לנו 12 חלקיקי 'חומר' ו-12 חלקיקי 'כוח', וכדי להשלים את התמונה חסר (עדיין) חלקיק 'יוצר מאסה' (משקל) הידוע בשם "הבוזון של היגס". הניבוי, שחלקיק זה אכן קיים, יעמוד למבחן מכריע בניסוי החדש. אם הוא יתגלה - יהיה זה ניצחון אדיר למדע שחזה את קיומו של סוג חדש של חלקיק כ-40 שנה לפני גילויו. לתגלית כזו יהיו גם משמעויות פילוסופיות, שכן בפעם הראשונה תבין האנושות מהי מאסה ומדוע היא קיימת. אם יוברר שהבוזון-של-היגס אינו קיים, תעבור הפיסיקה רעידת אדמה עצומה, וניאלץ לחזור 40 שנה אחורה, בניסיון להבין איפה טעינו. אתגר זה כשלעצמו מצדיק את ביצוע הניסוי, אך הציפיות מהמאיץ LHC גבוהות הרבה יותר.

מה יכול להיות משמעותי וחשוב מהבנת החומר המרכיב את כל הדברים המוכרים לנו, והבנת מהותה ומקורה של המאסה? ממדידות שונות מתברר שהחומר ממנו אנו עשויים מהווה רק 5% ממשקל היקום. ממה, אם כן, עשוי יתר היקום? ייתכן שפתרון חלקי לשאלה זו יימצא בניסויים שנערוך ב-LHC. אם אכן כך יהיה הדבר, הרי שבאופן מדהים יביא חקר הדברים הקטנים ביותר להבנת הדבר הגדול ביותר, דהיינו, להבנה טובה יותר של היקום. אך הציפיות מהניסוי גבוהות אפילו יותר מכך.

זה שנים רבות מתחבטת הפיסיקה המודרנית ומנסה למצוא הסבר להבדל האדיר שבין עוצמת הכוח החשמלי לבין עצמת כוח הכובד. איינשטיין עצמו הקדיש את 30 שנותיו האחרונות לשאלה זו. מאמרים לאין ספור נכתבו על כך ועשרות מודלים הוצעו. המודל המושך ביותר פותר חלק מהבעיה על-ידי ההנחה שלכל חלקיק שאנו מכירים קיים בן זוג שעדיין לא התגלה. מודל זה, הידוע בשם 'על-סימטריה' מציב מעין מראה, המכפילה את מספר החלקיקים. אישוש לקיומם של בני הזוג העל-סימטריים הללו צפוי להיחשף ב-LHC.

לאוסף ההסברים בדבר ההבדל העצום בין עוצמת כוח הכובד לעוצמת הכוח החשמלי הצטרף, לפני כחמש שנים, הסבר נוסף, כדלהלן: המרחב האמיתי כולל, בנוסף לשלושת מימדי המרחב ולמימד הזמן, מספר מימדי מרחב נוספים. אלו הם מימדים קטנטנים, הייחודיים לכוח הכובד. כוח הכובד הוא הכוח היחיד היכול להתפשט באותם מימדים, ולפיכך הוא 'מבזבז' את מרבית עוצמתו במרחבים הנעלמים מעינינו. 'בזבוז' זה יחדל כאשר שני גופים יהיו קרובים מאוד זה לזה - אז יופיע כוח הכובד במלא הדרו, ויהפוך לכוח הדומה בעוצמתו לכוח החשמלי.

ומה אם הוקינג טועה?

תורת היחסות הכללית של איינשטיין עוסקת בכוח הכובד. אחד החיזויים של תורה זו הוא קיומם של חורים שחורים - אזורים במרחב שבהם צפיפות המאסה גדולה כל-כך, שכל דבר נשאב לתוכם, ואין כל דרך לצאת מהם. שנים רבות היה דבר קיומם של חורים שחורים נתון בספק, ורק לאחרונה אומת קיומם. היום ידוע, למשל, שבמרכז הגלקסיה שלנו (שביל החלב) שוכן חור שחור ענקי שמשקלו כמשקלן של ארבעה מיליון שמשות. כמו כן, לא מעטות מהתופעות עתירות האנרגיה ביקום מוסברות על-ידי פעילותם של חורים שחורים גדולים.

המודל החדש, הטוען שכוח הכובד למעשה חזק במהותו, ושחולשתו נובעת מקיומם של מימדים נוספים, פותח אפשרות חדשה: הוא מאפשר קיומם של חורים שחורים זערערים; חורים שחורים הקטנים בהרבה מגרעינו של אטום. המאיץ החדש יטיח פרוטונים זה בזה בעוצמה רבה, ויגרום להם להתקרב זה לזה - למרות הדחייה החשמלית ביניהם - למרחק קצר בהרבה מהמרחק שהושג בניסויים קודמים. כאמור, במרחק קצר כזה צפוי כוח הכובד להפוך כאמור לחזק, ובכך יקל עליו לייצר חורים שחורים.

אם אומנם ייווצר חור שחור זעיר שכזה, האם ישאב לתוכו את הניסוי, את ז'נבה ואת כדור הארץ כולו?

בעוד שֶחורים שחורים גדולים אינם רגישים, עקב גודלם הרב, לאפקטים של תורת הקוונטים, החורים השחורים העשויים להיווצר בניסוי יהיו זערערים, ויהיו חייבים להתנהג לפי העקרונות של מכניקת הקוונטים. סטיבן הוקינג, הפיסיקאי המפורסם הרתוק לכיסא גלגלים, היה הראשון שניסה לגשר בין מכניקת הקוונטים, העוסקת בעצמים הקטנים מאטום, לבין תורת היחסות הכללית, העוסקת בגדולים שבגרמי השמיים. חיבור זה בין תורות השונות כל-כך זו מזו הביא למסקנות חדשניות, וביניהן לטענה כי חורים שחורים פולטים קרינה. ככל שהחור השחור קטן יותר, כך הוא "חם" יותר ולפיכך פולט יותר אנרגיה. החורים השחורים, העשויים להיווצר על-ידי המאיץ החדש, צפויים להיות קטנים ביותר, ולפיכך צפויים להיות לוהטים. חורים אלה יתאדו תוך זמן קצר בהרבה ממשך הזמן בו חולפת קרן אור על-פני גרעין האטום. לפיכך, חורים שחורים אלה יתאדו לפני שיוכלו להספיק ולשאוב את האטומים הקרובים אליהם, לא כל שכן את כדור הארץ, ולכן אין בהם כל סכנה.

ומה אם הוקינג טועה? מה עלול אז לעלות בגורלנו? הרי כל כוכב הלכת שלנו עשוי להיבלע על-ידי החור השחור הראשון שייווצר בניסוי! גם מדענים גדולים כבר טעו בעבר, ולנוכח הסכנה הצפויה, לא יהיה זה אחראי לבטוח בחישובים מפולפלים! ואכן, המדענים העוסקים בניסוי אינם שונים בהרבה מבני תמותה רגילים, וגם הם היו מוטרדים מאפשרות מחרידה זו. לשם הערכת הסכנה, הפעילו המומחים בשטח, כדרכם של מדענים, את הכלי אותו הם רגילים להפעיל: הניתוח המדעי.

הטבע מאיץ חלקיקים לאנרגיות גבוהות בהרבה מאלה שייווצרו בניסוי (קרינה קוסמית). טבעם של 'המאיצים השמימיים' אינו ידוע, אך ידוע היטב שכדור הארץ מופצץ כל הזמן על-ידי חלקיקים בעלי אנרגיה עצומה. בהתנגשויות אלו אמורים להיווצר המוני חורים שחורים קטנטנים. אם הוקינג טועה, והחורים השחורים אלו יציבים ואינם מתפרקים, הרי שגשם של חורים שחורים צפוי היה לרדת על-פני כדור הארץ. ייתכן שעקב גודלם הזעיר ומהירותם העצומה, לא ניתן להבחין בחורים שחורים אלו. אך כדור הארץ אינו המקום היחיד בו עשויים חורים שחורים להיווצר. הקרינה הקוסמית פוגעת בכל גרמי השמיים ולו היו החורים השחורים הנוצרים עקב כך יציבים - היה היקום מלא בענן של חורים שחורים זעירים הנעים בכל המהירויות לכל הכיוונים. ביקום שכזה הייתה בליעת כוכב על-ידי חור שחור חזון נפרץ, וידוע לנו, למשל על סמך תצפיות קדמונינו, שאף אחד מהכוכבים שנצפו לא נעלם בחטף. אם כך, ההנחה שהחורים השחורים הם יציבים, סותרת את תמונת היקום המוכר, ולכן אינה יכולה להיות נכונה.

לא נותר, אפוא, אלא להפעיל את המאיץ העצום, לכייל את גלאי החלקיקים המתוחכמים, ולצפות בקוצר רוח לתוצאות. ייתכן שבתוך תקופה קצרה ניווכח לדעת שהמרחב אכן מכיל מימדים נוספים; ייתכן שנגלה את מקורו של 'החומר האפל', האחראי לחלק ניכר ממסתו של היקום; וייתכן - ואולי סביר - שתוצאות הניסוי יעלו על כל דמיון, ויצעידו את הפיסיקה ואת האנושות צעד גדול קדימה בכיוון בלתי צפוי.