החל משנת 1901 מחולק מידי שנה פרס נובל בפיזיקה, עבור תגליות אשר קידמו את תחומן באופן משמעותי. ניתן לחלק באופן גס את תגליות אלו לשלושה סוגים - תגליות תיאורטיות, כלומר תחזיות תיאורטיות של תופעות או פיתוח תיאוריות המסבירות תופעות מפתיעות שנצפו קודם לכן בניסויים. תגליות בניסוי, כלומר הבחנה בתופעה כלשהי במעבדה, אשר לא הייתה מוכרת קודם לכן, או אשר מוכיחה תיאוריה שלא היתה מוכחת באופן וודאי, ופיתוח כלים מדעיים וטכנולוגים חדשים אשר תרמו תרומה משמעותית לניסויים שונים ואפילו לתעשייה (במקרה שמדובר בתגליות משמעותיות ביותר).
בכתבה זו אנסה לתת דוגמאות לתגליות אשר זיכו את מגליהן בפרסי נובל לפיזיקה. חלק מהתגליות כבר אוזכרו בעבר במדור זה, ואת חלקן אסביר בקצרה. כמובן שאין אפשרות לגעת בכל פרסי נובל שחולקו (למעלה ממאה) ולכן מדובר ברשימה חלקית ביותר. במידה ומי מן הקוראים ירצה לקבל פירוט רחב יותר על אחד מן הנושאים המועלים בכתבה זו, אנא הגיבו ובקשו זאת ואשתדל לעשות זאת בהקדם.
מכאניקת הקוונטים
חוקי הפיזיקה המודרנית הינם חוקי מכאניקת הקוונים ובאנרגיות גבוהות יותר, חוקי תורת היחסות. אולם מכאניקת הקוונטים פותחה רק במאה האחרונה, ועל כן רבים מפרסי נובל הראשונים הוענקו למפתחיה. בין פרסים אלו ניתן לנות את:
א) פרס נובל לשנת 1918 אשר ניתן למקס פלאנק, עבור פיתוח המושג קוונט אנרגיה. פלאנק ניסה להסביר את ספקטרום (כלומר עוצמת בכל תדירות) הקרינה הנפלטת מ"גוף שחור", הכוונה לגוף אשר הקרינה הנפלטת ממנו תלויה אך ורק בטמפרטורת הגוף. כאשר מנסים לנתח את הספקטרום באמצעות התיאוריה הקלאסית, אשר מניחה כי הקרינה האלקטרומגנטית היה גל בעל אנרגיה רציפה, נותן החישוב התיאורטי תוצאה שונה לחלוטין מן התוצאה הנמדדת בניסוי, ולמעשה תוצאה זו אינה הגיונית לחלוטין (כאשר סוכמים על כל התדרים מגלים כי החומר פולט אין סוף אנרגיה). מקס פלאנק, ניסה לשנות חישוב זה על ידי ההנחה כי הקרינה אינה בעלת אנרגיה רציפה, אלא מחולקת למנות אנרגיה, קוונטות, כאשר בכל תדירות גודל קוונט האנרגיה שונה. הנחה "פשוטה" זו הובילה מיד להתאמה מדויקת בין תוצאות הניסוייים לחישובים התיאורטיים.
פלאנק הניח למעשה את היסודות לתורת הקוונטים (הקרויה על שם קוונט האנרגיה). אותה הנחה פורצת דרך שהניח פלאנק, מוכרת היום היטב, שהרי אותם "קוונטים" של אנרגיה שתיאר פלאנק הם הפוטונים.
ב) פרס נובל לשנת 1929 אשר ניתן ללואי דה ברואי, עבור גילוי האופי הגלי של האלקטרון. עד לתיאוריה של פלאנק כי האור מחולק לקוונטות אנרגיה, ניתן היה לומר כי הפיזיקה חילקה את העולם לגלים וחלקיקים. קרינה אלקטרומגנטית התפשטה במרחב על פי משוואות הגלים, לעומת זאת חלקיקים התנהגו כ"גולות" קטנות ונעו לפי חוקי ניוטון. לאחר שפלאנק הציע בעצם כי האור אינו רק גל, ויש להתייחס גם לאופי ה"חלקיקי" שלו, עשה דה ברואי את הכיוון ההפוך, והוכיח כי ניתן לייחס לאלקטרון תכונות של גל. הנחה זו הינה אחת מהנחות הייסוד החשובות ביותר של מכאניקת הקוונטים אשר מאפיינת חלקיקים על ידי פונקצית הגל שלהם המתארת מהי ההסתברות למצוא אותם בכל נקודה במרחב.
ג) פרס נובל לשנת 1932 אשר ניתן לורנר הייזנברג, עבור יצירתה של מכאניקת הקוונטים. במקרה זה שם הפרס מתאר בעד עצמו. למעשה התפתחו במקביל שתי תפיסות המתארות באופן מתמטי את חוקי מכאניקת הקוונטים, אחת של שרדינגר והשניה של הייזנברג, שתי תיאוריות אלו הינה שקולות, והן פשוט הסתכלות מתמטית שונה במקצת על אותה תיאוריה פיזיקאלית. הייזנברג קיבל בין היתר את פרס נובל, מאחר ובאמצעות התיאוריה שפיתח הובן לראשונה ספקטרום הקרינה הנפלט מאטומים שונים כדוגמת אטום המימן. אחת התרומות החשובות של הייזנברג הינו עקרון אי הוודאות, אשר קובע כי ישנם צמדים של גדלים אשר לא ניתן למדוד את שניהם בדיוק גבוה בו זמנית, הדוגמה המפורסמת לכך היא התנע והמיקום. אם נדע במדויק מאוד את מיקומו של חלקיק, הרי שתיהיה חוסר וודאות גדולה לגבי התנע שלו ולהיפך. לעקרון זה השלכות מרחיקות לכת על מכאניקת הקוונטים והצורה בה היא שולטת בעולמנו.
ד) פרס נובל לשנת 1945 אשר ניתן לוולפנג פאולי על גילוי עיקרון האיסור, הקרוי גם עיקרון פאולי. עקרון האיסור של פאולי הינו אחד מן העקרונות החשובים ביותר של מכאניקת הקוונטים. עקרון זה קובע כי שני אלקטרונים זהים לא יכולים לאכלס את אותו המצב הקוונטי (מצב קוונטי הכוונה כי כל התכונות שלהם זהות, ספין, תנע זוויתי, אנרגיה וכו'). עקרון זה הינו בעל השפעה אדירה על עולמנו, לדוגמה, היסודות השונים מורכבים מגרעין ואלקטרונים הסובבים אותו ברמות אנרגיה שונות. באופן נאיבי ניתן היה לצפות כי כל האלקטרונים יאכלסו את המצב בעל מינימום האנרגיה מאחר והדבר יוביל להקטנת האנרגיה של המערכת כולה אולם עקרון האיסור של פאולי קובע כי הם אינם יכולים לעשות זאת כל מצב אנרגטי מאוכלס על ידי אלקטרון בודד (יתכנו מספר מצבים שונים בעלי אותה אנרגיה ואז כל מצב שכזה מאוכלס על ידי אלקטרון בודד וסהכ יש מספר אלקטרונים בעלי אותה רמת אנרגיה) .
עקרון זה אינו נוגע באלקטרונים בלבד. בטבע קיימים שני סוגים של חלקיקים, הפרמיונים, שאחד מהם הינו האלקטרון, אשר אינם יכולים לאכלס את אותו המצב, והבוזונים, לדוגמה הפוטון אשר מסוגלים לאכלס את אותו המצב.
פיזיקה של אנרגיות גבוהות
פיזיקת החלקיקים/האנרגיות הגבוהות מתאפיינת בניסיון לחקור את המבנה הבסיסי ביותר של חוקי הטבע ולחזות באמצעותם את קיומם של חלקיקים חדשים. עם השנים הלכה והתבהרה תמונת החלקיקים הצפויים והיא מכונה כיום המודל הסטנדרטי. סביב פיתוח ואישוש מודל זה ניתנו פרסי נובל אשר ניתן לחלקם בגסות לשלוש קטגוריות - פיתוח תיאורית האינטראקציות בין החלקיקים, גילוי של חלקיקים אשר התיאוריה צפתה ופיתוח גלאי חלקיקים אשר אפשרו את המחקר הניסיוני בתחום זה.
להלן דוגמאות לחלק מפרסי נובל עבור גילוי חלקיקים חדשים
א) פרס נובל לשנת 1935 אשר ניתן לג'ימס צ'דויק עבור גילוי הנייטרון. צ'דויק אשר חקר קרינה, זיהה קרינה של נייטרונים, והבין כי מדובר בחלקיק דומה לפרוטון אך חסר מטען חשמלי. גילוי קרינת הנייטרונים תרם באופן ישיר גם לפיתוחה של פצצת האטום הראשונה (פרויקט מנהטן).
ב) פרס נובל לשנת 1937 אשר הוענק לקארל דיוויד אנדרסון, עבור גילוי הפוזיטרון. אנדרסון גילה את הפוזיטרון, הלו הוא האנטי חלקיק של האלקטרון. אנדרסון גילה פוזיטרונים אשר הגיעו אל האטמוספרה מן החלל (קרינה קוסמית), באמצעות תא וילסון (אשר פיתוחו העניק לוילסון פרס נובל גם כן כפי שיוסבר בהמשך).
ג) פרס נובל לשנת 1959 אשר הוענק לאמיליו סרג'יו ואוון צמברלין, עבור גילוי האנטי-פרוטון. האנטי-פרוטון, אנטי חלקיק של פרוטון נוצר באנרגיות גבוהוות ביותר (שהה ערך לטמפרטורה של כמיליון * מילארד מעלות), וניתן ליצור אותו אך ורק במאיצי חלקיקים.
ועוד ועוד
להלן דוגמאות לחלק מפרסי נובל עבור פיתוח טכניקות ניסיונאיות לגילוי חלקיקים חדשים
א) פרס נובל לשנת 1927 אשר הוענק לצ'רלס וילסון עבור פיתוח תא הערפל. תא הערפל הינו תא אשר מזהה מעבר של יון דרכו. התא מכיל אוויר בעל לחות גבוהה במיוחד, כלומר רווי באדי מים. כאשר חלקיק טעון חולף בתא, הוא מיינן את אטומי האוויר והופך אותם ליונים. יונים אלו גורמים לאדי המים בסביבתם להתעבות לטיפות מים, וכך לאורך המסלול של החלקיק הטעון נוצר מעין שביל של טיפות מים, וניתן לגלות את מסלול החלקיק.
ב) פרס נובל לשנת 1960 אשר הוענת לדונלד גלזר עבור פיתוח תא הבועות. תא בועות הינו תא המכיל נוזל ולא גז. נוזל זה נמצא במצב המכונה חימום יתר, כלומר הנוזל מחומם אט אט אל מעל לטמפטרטורת הרתיחה שלו. במצב זה הנוזל לא מתאדה שכן עלות האנרגיה של יצירת בועת גז על ידי שבירת מתח הפנים של הנוזל, גדולה מהתועלת האנרגטית של מעבר הפאזה מנוזל לגז. ברגע שחלקיק חודר אל התא, הוא שובר לאורך מסלולו את מתח הפנים של הנוזל, ומאפשר לנוזל להתאדות. כך לאורך מסלולו של החלקיק נוצרות בועות גז בתוך הנוזל.
תא בועות. לאורך התא ניתן לראות את המסלולים שחלקיקים השאירו אחריהם בעת שהם נעו בתא
ג) פרס נובל לשנת 1992 אשר הוענק לז/ורזו שרפק, עבור פיתוח גלאי חלקיקים, ובמיוחד התא הפרופורציונלי הרב חוטי. בניגוד לגלאי החלקיקים הקודמים שצוינו,אשר קריאתם היתה איטית, התא הרב חוטי הינו גלאי מודרני, אלקטרוני ויעיל ביותר. תא זה מורכב מתיילים חשמליים השזורים כך שהם יוצרים תת-תאים קטנים במרחב, וממותחים באופן בו קיים הפרש מתח בין שני צדדיו של כל תת-תא. בין החוטים קיים גז מבודד, ולכן לא זורם כל זרם ביניהם. כאשר חלקיק עובר דרך התא, הוא מיינן את הגז הזה, ולכן הגז הופך למוליך וזרם חשמלי עובר בתא. ככל שאנרגיית החלקיק הפוגע גדולה יותר, כך הוא מיינן יותר אטומי גז, והזרם הזורם בתא גדל, לכן בשיטה זו ניתן למדוד גם את האנרגיה של החלקיק הפוגע, ולא רק את מסלולו.
חלוקתו של התא הגדול לתת תאים קטנים מאפשרת מעקב אחרי מסלולו המדויק של החלקיק. באמצעות הפעלת שדה מגנטי, אשר גורם לכיפוף במסלול החלקיק ניתן ללמוד גם על מטענו ומאסתו של החלקיק (דבר זה נכון גם לתא הבועות).
סכמה של התא. שני לוחות משמשים כקטודות בעוד פסים דקים משמשים כאנודות וביניהם קיים מתח חשמלי. חלקיק החודר לכל תת תא שנוצר מיינן את הגז ומוביל לזרם חשמלי בין האנודה לקטודה
ועוד ועוד
גם עבור פיתוח תיאוריות בתחום פיזיקת הגרעין/אנרגיות גבוהות חולקו מספר פרסי נובל, הבולט בהם הינו פרס נובל אשר הוענק בשנת 1965 לטומונאגה, שווינגר ופיינמן, עבור פיתוחה של תורת הQED – אלקטרודינימקה קוונטית. תורה זו הסבירה לראשונה כיצד חלקיקים מגיבים זה לזה, ופתרה בעיות רבות שהיו קיימות קודם לכן בתיאוריה, כגון הסבר מדוע מאסת האלקטרון שונה מהחישובים התיאורטיים שנתנו מאסה גדולה בהרבה.
פיזיקה של מצב מוצק/חומר מעובה
הפיזיקה של מצב מוצק חוקרת, כשמה, חומרים מוצקים והתכונות המיוחדות שלהם. בשנים הראשונות של המאה ה20 נעשה מחקר רב אודות המבנה עצמו של החומרים, והובנו תכונות חשובות כגון המבנה שלהם, והתכונות החשמליות הבסיסיות שלהם. בשנים מאוחרות יותר ועד היום, מוקדש הרבה מן המחקר לתכונות חשמליות מיוחדות הנובעות מהתנהגות קולקטיבית של כל האלקטרונים בחומד, ולמעשה הרבה מן המחקר מוקדש לתכונות האלקטרונים, כאשר החומר המוצק משמש רק כמערכת הניסויית הכולאת את האלקטרונים ומעניקה להם תכונות שונות במקצת משל אלקטרוניים חופשיים. אציג דוגמה לכל אחד מן הנושאים
מבנה הגבישים
מרב החומרים המוצקים שאנו מכירים הינם גבישים. האטומים של החומר מסתדרים בצורה מחזורית במרחב, על מנת להקטין את האנרגיה שלהם. המרחק ביניהם, וצורת הגביש שהם יוצרים תלויה בכוחות החשמליים הפועלים בין האטומים לאחר שהם מיתיננים, כלומר לאחר שאחד מן האלקטרונים שלהם (או יותר) עוזבים את האטום ונהפכים לאלקטרון כולל של החומר הנע בו.
בתחילת המאה נעשה מחקר רב אודות צורות גבישים אלו. הטכניקה אשר פותחה להבנת מבניהם הינה פיזור של קרינה מן הגביש וצפייה בתמונת הקרינה המפוזרת. תמונה זו הראתה תבנית התאבכות כתוצאה מן ההחזרה מן הגביש. תחילה נעשה שימוש בקרינת רנטגן בתהליך זה. עבור המצאת תהליך זה חולקו שני פרסי נובל.
פרס נובל לשנת 1914 אשר הוענק למקס פון לאוואה עבור גילוי תופעת העקיפה של קרני רנטגן במעבר דרך גביש. ופרס נובל לשנת 1915 אשר הוענק לויליאם הנרי בראג ולויליאם לורנס בראג עבור תרומתם לניתוח של מבנה הגבישים באמצעות עקיפת קרני רנטגן (כלומר פרס נובל הראשון ניתן עבור גילוי התופעה, ופרס נובל השני עבור ההבנה כיצד ניתן להשתמש בה על מנת להבין את מבנה הגביש).
יש לציין כי גם בעבודתה של פרופ' עדה יונת ממכון וייצמן, אשר זכתה אותה בפרס נובל לכימיה לשנת 2009 נעשה שימוש רב בשיטה זו.
מספר גבישים המופיעים בטבע
המבנה האטומי של הגביש הפשוט ביותר, בו האטומים של החומר מסודרים בקוביות כאשר בכל אחת מפינות הקובייה מופיע אטום
על מוליכות
תופעת העל מוליכות הינה דוגמה לתופעה קולקטיבית של אלקטרונים רבים בחומר. החומר עצמו משמש כמתווך בין האלקטרונים השונים, ומשפיע על הפרטים הטכניים של התופעה (פער האנרגיה, סוג העל מוליך וכו') אולם התופעה נובעת מתכונות האלקטרונים.
מספר פרסי נובל חולקו עבור המחקר של תופעה זו
א) פרס נובל לשנת 1972 אשר הוענק לברדין, קופר ושרייפר, עבור פיתוח של התיאוריה של מוליכות על, תיאורית הBCS
ב) פרס נובל לשנת 1973 אשר הוענק לג'וזפסון עבור גילוי אפקט ג'וזספון, אשר חוזה תופעה ייחודית בעת יצירת צומת המורכבת מעל מוליך וחומר רגיל.
ג) פרס נובל לשנת 1987 אשר הוענק לבדנוורץ ולמולר עבור פריצת דרך בגילוי מוליכות על בחומרים קרמיים. הכוונה הינה למוליכי על בטמפרטורות גבוהות (עשרות מעלות קלווין). עד עצם היום נשאר תחום מחקר זה פעיל במיוחד, ועדין נעשים ניסיונות חוזרים ונשנים להעלות את הטמפרטורה הקריטית של מוליכי העל, על מנת שנוכל לעשות בהם שימוש יומיומי נרחב.
פרסי נובל עבור פיתוחים טכנולוגים
פרס נובל לפיזיקה הינו כשמו כן הוא פרס נובל לפיזיקה ולא להנדסה, לכן במידה וניתן פרס זה עבור פיתוח טכנולוגי, אשר ייועד לא ישירות לשם שיפור מחקר הפיזיקה (לדוגמה במקרה של פיתוח גלאי חלקיקים), אלא למטרה כללית ותעשייתית, הרי שהדבר אומר כי פיתוח זה גם מכיל שימוש חדיש בעקרונות הפיזיקה, ובעיקר כי מדובר בפיתוח משמעותי ביותר אשר משנה את פני העולם התעשייתי.
הדוגמה הטובה ביותר לכך הינו הטרנזיסטור. כתבה נפרדת תועלה בקרוב ותסביר בפירוט אודות הטרנזיסטורים השונים, אולם גם ללא פירוט טכני ברור לכולנו כי המצאה זו שינתה את פני העולם. יצירת טרנזיסטורים ממוליכים למחצה, אשר אפשרה את ייצורם באופן תעשייתי והמוני, בגודל קטן במיוחד (עשרות ננו-מטרים), ובמחיר זול היא אשר פתחה את הדרך למהפכה הטכנולוגית אשר השתלטה על חיינו בעשרות השנים האחרונות. כיום כל אחד מאיתנו הינו הבעלים הגאה של כמה מיליוני אולי אפילו מילארדי טרנזיסטורים.
הטרנזיסטור הומצא בשנת 1947 במעבדות על על ידי ווליאם שוקלי, ג'ון ברידן וולטר בראיין. השלושה זכו לפרס נובל לשנת 1956 עבור המצאה זו.
לצפיה בתמונה של הטרנזיסטור הראשון, מחומר מוליך למחצה לחצו כאן
לקריאה מקיפה אודות ההיסטוריה של גילוי הטרנזיסטור (אנגלית), לחצו כאן
בשנת 2000 הוענק פרס נובל נוסף בתחום טכנולוגי ובפירוט אלקטרוני לזורם אלפרוב הרברט קרומר וג'ק קילבי על עבודה בסיסית בטכנולוגית מידע ותקשורת. השניים הראשונים זכו בפרס עבור פיתוח של סוג חדש של מוליך למחצה בו נוצר גז אלקטרונים דו ממדי (כתבה על כך תעלה בהקדם), ממנו ניתן לבנות טרנזיסטורים אשר פעילים בתדירות גבוהה במיוחד. בין היתר המצאה זו הינה הבסיס לטלפונים הסלולארים בהם אנו עושים שימוש היום. קילבי זכה לפרס עבור פיתוח המעגל המשולב, אשר ייעל והוזיל את ייצור הרכיבים האלקטרונים.
אלברט איינשטיין
לא ניתן לסכם דיון על פרסי נובל בפיזיקה מבלי להתייחס לאלברט אינשטיין, אשר תרומתו לפיתוחה של הפיזיקה המודרנית הינו חסר תקדים, והפך אותו מפיזיקאי, לאדם ידוע בכל בית. רבים יודעים כי אינשטיין זכה בפרס נובל, אולם קימת הנחה מוטעית כי הוא זכה בפרס עבור פיתוח תורת היחסות הכללית.
אלברט אינשטיין זכה בפרס נובל לשנת 1921, על תרומתו לפיזיקה התיאורטית ובפרט על גילוי החוק של האפקט הפוטו אלקטרי.
חשוב להדגיש כי אפקט זה מוכיח למעשה באופן ישיר את הנחתו של פלאנק כי האור מגיע במנות אנרגיה קצובות ובכך הוא מתקשר באופן ישיר לרעיונות אשר הולידו את תורת הקוונטים.
סיכום
הרשימה אשר ניתנה לעיל הינה חלקית ביותר, לא צוינו בה תחומים רבים כגון גילויים בתחום האסטרונומיה, מלכודות יונים, קירור על ידי לייזרים, תהודה מגנטית ועוד ועוד ועוד. הרעיון העומד מאחורי כתבה זו היה לתת טעימה לקורא על סוג הנושאים והעבודות עבורן מוענק פרס נובל לפיזיקה, ועל חשיבותן העצומה בפיתוח הבנתנו את העולם, ויכולתנו לנצל הבנה זו לשם פיתוח כלים טכנולוגיים.
בעתיד נעשה מאמץ להמשיך ולהעלות כתבות אשר נוגעות באופן ישיר בנושאים אלו.
מאת: ירון גרוס
המחלקה לפיזיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע
הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.
