פיזיקת חלקיקים
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
פיזיקת חלקיקים היא ענף בפיזיקה שחוקר את המבנים הבסיסיים של החומר והקרינה ואת התגובות ביניהם. ענף זה בפיזיקה נקרא גם לעתים פיזיקה של אנרגיות גבוהות, מכיוון שחלקיקים אלמנטריים רבים אינם מופיעים במצבים רגילים בטבע, אך יכולים להיווצר ולהתגלות במהלך התנגשויות אנרגטיות של חלקיקים אחרים, כפי שקורה במאיצי חלקיקים.
תוכן עניינים |
[עריכה] חלקיקים תת-אטומיים
פיזיקת חלקיקים מודרנית מתרכזת בחלקיקים תת-אטומיים, להם מבנה פחות מורכב מזה של אטום. חלקיקים אלה כוללים את מרכיבי האטום, אלקטרונים, פרוטונים ונייטרונים (פרוטונים ונייטרונים הם, למעשה, חלקיקים מרוכבים, המורכבים מקווארקים), חלקיקים המיוצרים על ידי שיטות של הקרנה ופיזור, כמו הפוטון, הנייטרינו והמואון, כמו גם קשת רחבה של חלקיקים אקזוטיים.
אם נדייק, המינוח "חלקיק" הוא לא שם מתאים כל-כך. העצמים הנחקרים בפיזיקת חלקיקים מצייתים לעקרונות של מכניקת הקוונטים. ככאלו, הם מצייתים לדואליות הגל-חלקיק, כלומר, מקיימים התנהגות חלקיקית תחת תנאי ניסוי מסוימים, והתנהגו גלית תחת תנאים אחרים. באופן תאורטי, הם אינם יכולים להיות מתוארים כגלים, וגם לא כחלקיקים, אלא כמצבי וקטורים בחלל הילברט מופשט. לתיאור מפורט יותר, ראו את תאוריית שדה קוונטי.
כל החלקיקים שנצפו עד כה כבר נחזו קודם לכן בתאוריית שדה קוונטי בשם המודל הסטנדרטי, אליו מתייחסים לעתים כאל התאוריה המוצלחת ביותר של פיזיקת החלקיקים עד היום. המודל כולל 47 סוגים של חלקיקים אלמנטריים, כמה מהם יכולים להתרכב וליצור חלקיקים מרוכבים, מה שיוצר פתח לקיומם של עוד מאות סוגים של חלקיקים, שרובם נתגלו בסוף שנות ה-60. המודל הסטנדרטי נמצא מדויק כמעט בכל המבחנים הניסויים שנעשו עד היום. אך למרות זאת, רוב מדעני החלקיקים מאמינים שזהו תיאור חלקי בלבד של הטבע, ושישנה תאוריה בסיסית יותר שעתידה להתגלות. בשנים האחרונות, מדידות של מסת הנייטרינו סיפקו את החריגות הראשונות מהמודל הסטנדרטי.
לפיזיקת חלקיקים הייתה השפעה גדולה מאוד על הפילוסופיה של המדע. חלק מהעוסקים בתחום עדיין דבקים ברדוקציוניזם, מושג ישן אשר בנוגע אליו קיימת ביקורת רבה מצד פילוסופים ומדענים כאחד. חלק מהדיון בעניין מתואר למטה.
בשנות ה-50 וה-60 נתגלה מגוון רחב של חלקיקים, בניסויים שונים. דבר זה זכה לכינוי "גן החיות של החלקיקים", והוביל לשאלה: ממה מורכבים חלקיקים אלה. בשנות ה-70 נוסח המודל הסטנדרטי, שבו קיומו של מספר רב כל-כך של חלקיקים הוסבר כצירופים של מספר קטן (יחסית) של חלקיקים בסיסיים. על הרקע ההיסטורי להתפתחותה של פיזיקת החלקיקים ראו בערך מבנה החומר.
[עריכה] המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים
- ערך מורחב – המודל הסטנדרטי
סיווג החלקיקים האלמנטריים הנוכחי נקרא "המודל הסטנדרטי". הוא מתאר את הכוח הגרעיני החזק, הכוח הגרעיני החלש ואת הכוח האלקטרומגנטי, זאת תוך שימוש בבוזונים מתווכים בשם "בוזוני כוח". הסוגים השונים של בוזוני הכוח הם הפוטון, בוזוני W ו-Z ושמונת סוגי הגלואונים. המודל כולל גם 24 סוגים של חלקיקים אלמנטריים נוספים, והם מרכיבי החומר. לבסוף, המודל צופה גם את קיומו של סוג של בוזון בשם בוזון היגס, אשר טרם נתגלה.
[עריכה] ניסויי פיזיקת החלקיקים
בפיזיקת חלקיקים, שיתופי הפעולה הבינלאומיים הם:
- CERN, הממוקם בגבול שווייץ-צרפת ליד ג'נבה. המתקנים העיקריים שלו הם ה-LEP, מאיץ התנגשויות האלקטרון-פוזיטרון (לא בשימוש כעת), וה-LHC, מאיץ התנגשויות ההאדרונים.
- DESY, הממוקם בהמבורג, גרמניה. המתקן העיקרי שלו הוא HERA, הגורם להתנגשויות בין אלקטרונים או פוזיטרונים ופרוטונים.
- SLAC, הממוקם ליד פאלו אלטו, ארצות הברית. המתקן הראשי שלו הוא PEP-II, הגורם להתנגשויות בין אלקטרונים ופוזיטרונים.
- פרמילאב, הממוקם ליד שיקאגו, ארצות הברית. המתקן העיקרי שלו הוא הטבאטרון, הגורם להתנגשויות של פרוטונים ואנטי-פרוטונים.
- המעבדה הלאומית בברוקהאבן, הממוקמת בלונג-איילנד, ארצות הברית. המתקן העיקרי הוא ה-RHIC, הגורם להתגשויות של יונים כבדים, כמו יוני זהב, עם פרוטונים. זהו מאיץ התנגשויות היונים הראשון בעולם.
- מכון בודקר לפיזיקה גרעינית, הממקום בנובוסיבירסק, רוסיה.
מלבד אלה, קיימים עוד מאיצי חלקיקים ברחבי העולם.
[עריכה] פיזיקת אנרגיות גבוהות תיאורטית ופנומנולוגיה
פיזיקאי חלקיקים העוסקים בניסויים הם רק נתח קטן מכלל הפיזיקאים העוסקים בחלקיקים. הקבוצה השנייה של פיזיקאים העוסקים בתחום זה הם תיאורטיקנים. בפיזיקת אנרגיות גבוהות, המילה תיאורטיקן מתייחסת לפיזיקאי תיאורטיקאי שמטרתו העיקרית היא לפתח כלים תיאורטיים ומתמטיים שעשויים לתאר תופעות פיזיקליות בעתיד (הרחוק), בעוד שתיאור הניסויים בהווה ובעתיד הקרוב נמצא, מבחינתו, בעדיפות שנייה. בימים אלו, רוב התיאורטיקנים העוסקים באנרגיות גבוהות עובדים על תורת המיתרים.
מצד שני, התיאורטיקנים שמטרתם העיקרית היא לפתח תיאור של ניסויים בהווה וניסויים בעתיד הקרוב נקראים לעיתים פנומנולוגים, או לעיתים גם מרכיבי מודלים. למרות שהם יכולים לקבל השראה מתורת המיתרים, הפורמליזם המתמטי העיקרי שלהם הוא ביצירת תיאורית שדה אפקטיבית. בין התופעות הפיזיקליות האפשריות שהם מנסים ללמוד ניתן למצוא: סימטריית-על, מכניקת היגס, בעיית היררצ'י, מודלי רנדל-סונדרום ומודלים אחרים עם ממדים נוספים, ועוד.
[עריכה] פיזיקת חלקיקים ורדוקציוניזם
במהלך ההתפתחות של פיזיקת החלקיקים, היו התנגדויות רבות לגישה הרדוקציוניסטית הקיצונית בה ניסו להסביר הכל במונחים של חלקיקים אלמנטריים והתגובות ביניהם. התנגדויות אלו הועלו על ידי אנשים ממגוון רחב של תחומים, הכוללים פיזיקאי חלקיקים מודרניים רבים, פיזיקאים העוסקים בפיזיקת מצב מעובה, כימאים, ביולוגים ועוד. מבקרים אלו טוענים שאפילו ידע מוחלט על החלקיקים הבסיסיים לא ייתן ידע סופי על הטבע.
רדוקציוניסטים טוענים בדרך-כלל כי כל ההתקדמויות שנעשו בתחומי המדע היו תמיד מעורבות ברדוקציוניזם, עד גבול מסוים.
[עריכה] פיזיקת חלקיקים ומדיניות ציבורית
תוצאות ניסויים בפיזיקת חלקיקים מתקבלות תוך שימוש במאיצי חלקיקים עצומים בגודלם, שעלותם גבוהה מאוד. מאיצים אלו דורשים כמויות גדולות של מימון ממשלתי, ומכיוון שכך, מחקרי פיזיקת חלקיקים מערבים נושאים הקשורים למדיניות ציבורית.
רבים טענו שההתקדמויות הפוטנציאליות של פיזיקת החלקיקים אינן מצדיקות את הסכומים הגבוהים, ושלמעשה פיזיקת חלקיקים "לוקחת" כסף ממחקרים חשובים יותר. בשנת 1993, הקונגרס של ארצות הברית הפסיק את בנייתו של מאיץ העל SSC מסיבות אלו, לאחר ששני מיליארד דולר כבר הושקעו בבנייתו. מדענים רבים, תומכים ומתנגדים של ה-SSC, מאמינים שההחלטה להפסיק את בנייתו של ה-SSC הייתה בחלקה בגלל סיומה של המלחמה הקרה, שעד אז הייתה תמריץ להאיץ את המחקר המדעי, מתוקף התחרות עם ברית המועצות.
טיעון נוסף אותו מעלה חלק מהקהילה המדעית הוא שפיזיקת החלקיקים מושפעת בחלקה גם מהזדקנות האוכלוסייה. המחשבה היא שהאוכלוסייה מוטרדת הרבה יותר מנושאים הנוגעים לעתיד הקרוב ולבריאותם ולבריאות הוריהם, ושעובדה זו הסיטה את המימון המדעי מתחומי הפיזיקה לכיוון הביולוגיה והרפואה. בניגוד לכך, מתנגדים רבים מעמידים בסימן שאלה את היכולת של מדינה יחידה לתמוך בהוצאות של פיזיקת החלקיקים, וטוענים שהפסקת הבנייה של ה-SSC נבעה מהצורך במימון בינלאומי בפיזיקת החלקיקים, במקום מימון ממשלתי יחיד.
תומכי מאיצי החלקיקים מחזיקים בעמדה שחקירת התאוריות הבסיסיות ביותר היא מטרה כה חשובה שהיא מצדיקה אפילו מימונים גדולים שכאלו, ושמימון זה תורם לתחומים אחרים של המדע בדרכים שונות. הם מציינים שכל מאיצי החלקיקים בימים אלו הם פרויקטים בינלאומיים ומעמידים בסימן שאלה את הטענה שכספים שיילקחו מפיזיקת החלקיקים באמת יועברו לתחומים מדעיים אחרים.
[עריכה] ראו גם
| נושאים בפיזיקה |
|---|
|
מכניקה קלאסית | אלקטרומגנטיות | תורת היחסות | פיזיקת חלקיקים | תורת השדות הקוונטית | מכניקת הקוונטים | פיזיקת מצב מעובה | מכניקה סטטיסטית | תרמודינמיקה |
.
