הקדמה:
מה יודע אדם ברחוב על המצב המוצק? קרוב לודאי לא כלום. אם גירסא דינקותא עומדת לו יאמר לך כי זה אחד משלושת מצבי הצבירה בטבע — גז, נוזל, מוצק. אפשר עוד יזכור שחומר מסוגל בתנאים מסוימים לעבור ממצב צבירה אחד לשני (אדים־מים־קרח), וכי מה שמבדיל מצב צבירה אחד ממשנהו הוא המרחק בין האטומים בכל מצב. ידיעה מועטה זאת שיש לנו על המצב המוצק מפתיעה, שכן לא זו בלבד שיותר מדענים עוסקים במצב המוצק מאשר בכל תחום אחר בפיסיקה, כי אם גם השפעתן של תוצאות המחקר במצב המוצק על הטכנולוגיה היא מהגדולות ביותר. ולראיה — הטרנזיסטור שהוא אבן יסוד של הטכנולוגיה האלקטרונית המודרנית. אלא שאין בכוחן של ראיות אלו לשנות את אלמוניותו של תחום פיסיקלי זה, ומי שמבקש לדעת דבר־מה על מצבו של המצב המוצק צריך לפנות לפיסיקאים שעוסקים בכך. זאת עשינו ופנינו לגדעון גילת — פרופסור־חבר במחלקה לפיסיקה של הטכניון, ולאלישע כהן — מרצה בכיר באותה מחלקה.
גילת: אינני יודע אם הפיסיקה של המצב המוצק היא באמת אלמונית, אבל הייתי אומר שהיא לא הצליחה לכבוש את דמיונו של הציבור הרחב, וגם של הפיסיקאים עצמם, כפי שעשתה זאת הפיסיקה של האנרגיות הגבוהות. המוטיבציה בפיסיקה היא להבין את העולם שאנו חיים בו, את הכוחות הפועלים בו, את הקשרים בין חומר, חלל וזמן. לכן אין ספק שחיפוש אחר חלקיקים נעלמים של החומר קרוב יותר לשאלות יסוד אלו.
מחשבות : האם לא הגיעה הפיסיקה של האנרגיות הגבוהות לנקודת קפאון ?
גילת: לא בדיוק, הנכון הוא שהם אינם מתקדמים הרבה, הם מגששים באפילה, מצפים למישהו או לרעיון כלשהו שידע לחבר את קצות החוטים ולהבין בשלמות את אופי האינטראקציות בתחום האנרגיות הגבוהות.
כהן: שעה שבמצב המוצק ידועים לנו הכוחות הפועלים.
גילת: אנחנו מניחים שאנו מכירים, באופן עקרוני, את הקשרים בין האלמנטים של החומר. אנחנו מניחים שהקשרים בין אלקטרונים לאטומים שונים הם אלקטרומגנטיים, ולכן זה אולי פחות מרגש. כי לא מצפים לגילויים חדשים ביחס לאופי הכוחות במצב מוצק. מה שעושה את הפיסיקה של האנרגיות הגבוהות כל כך ספקטקולרי זה לא רק תשובות היסוד לחידת החומר שגלומות בה, אלא גם תחום האנרגיות העצום, כמותו לא ידענו בעבר. ועם זאת, התחום של פיסיקת מצב־המוצק, אף שהוא אולי פחות ספקטקולרי, יש מקום גם בו לפריצת־דרך. למשל, בעיית הסדר או הארגון של החומר. שמעתי פעם הרצאה של גלייזר על האורגניזם של בקטריה ונדהמתי. זוהי מערכת הבנויה ממספר עצום של אטומים, אך פועלת בהתאמה מלאה של מכונה משומנת להפליא. כל החלקים פועלים יחד לשם איזו תכלית, שעצם ההנחה בדבר קיומה הופכת להיות שאלה פילוסופית. מה שבכל זאת ברור, שיש כאן חומר המעוגן יחד בצורה לא מובנת לנו, כדי לבצע משימה מסוימת. זה אמנם חומר ביולוגי, אבל חומר במצב צבירה קרוב לנו, אשר הכוחות העומדים ביסוד התהליכים (הכימיים) שלו הם כוחות אלקטרומגנטיים, אותם כוחות הפועלים במצב המוצק.
כהן: אמנם צריך להבדיל, שבחומר ביולוגי עוסקים במולקולות מורכבות מאוד ולא באטומים. בפיסיקה של החומר המעובה, שהיא שם יותר כולל לפיסיקת המצב המוצק, עוסקים גם בחקר חומרים המורכבים ממולקולות מסובכות כאלה וזה יכול להחשב מעין שלב בין מוצק לביולוגיה. מכל מקום, אנחנו מניחים שבין אם המולקולה היא פשוטה או מסובכת בהרכבה, כוחות הקשר הם תמיד אלקטרומגנטיים.
גילת : אם כך, אם אנחנו מניחים שאנחנו מבינים את הכוחות האלקטרומגנטיים שקושרים את האטומים זה לזה, עקרונית היינו צריכים לדעת מה קורה שם, אבל איננו יודעים. חסרים לנו כנראה עקרונות נוספים שבאים לביטוי במערכות מאוד מסובכות.
מחשבות: זו בעיה המדאיגה את הביולוגיה. מה ענינו של המצב המוצק לכאן ?
גילת: במצב המוצק נתקלים בבעיות דומות. מה קורה, למשל, כאשר חומר עובר ממצב צבירה אחד לשני, או ממצב של סדר אחד לסדר שני ?11כיצד אוסף של הרבה מיליארדים של אטומים מתנהג פתאום כקומפלקס אחד ?
כהן: כאילו עובר בכל החומר, בבת אחת, מן רטט והוא ״מחליט״ להשתנות באיזה שהוא אופן. הבעיה שלנו היא שאנחנו יודעים לתאר את הכוחות שפועלים על אטום בודד עד לטווח של שני אטומים ממנו. אנחנו יודעים להסביר את התכונה המאקרוסקופית של החומר כולו — למשל, למה חומר אחד הוא מוליך והשני לא — אבל מצב הביניים בין התמונה הנקודתית לתמונה הנפחית הוא בלתי ידוע לנו. כאן מתגלה הדמיון למערכות הביולוגיות. עקב שינוי חיצוני שאתה מפעיל על החומר מבחינת הלחץ, הטמפרטורה או השדה המגנטי, עובר החומר פתאום מעבר פאזה ; כלומר, האינפורמציה על שינוי זה עוברת בתוך החומר מקצה אחד לשני. איך היא עוברת איננו יודעים, אבל אם נדע לענות עליה אני מניח שידעו לענות על הרבה שאלות בתחום הביולוגיה.
מחשבות: למה בדיוק הכוונה ב״אינפורמציה״ במקרה זה ?
גילת: לא במובן של ידיעה, כמובן. אומר כך, נניח שכל אוסף האטומים, המרכיב את החומר, רגיש לשדה מגנטי מסוים בתחום מסוים של טמפרטורה. אם תחמם גוש זה של חומר עד אותו תחום הוא יאבד בבת אחת את רגישותו לשדה המגנטי. איך ״יודעים״ האטומים להיות רגישים לשינוי זה, למעבר ממוליך למבודד וממגנטיות לאי־מגנטיות, מעל־מוליך למוליך רגיל וכו’? אנחנו איננו יודעים איך הם יודעים זאת, אבל ברור מהתנהגותו של האוסף העצום של האטומים שהם מבחינים איכשהו בין מצב אחד לשני.
מחשבות : מה מונע אותנו לדעת ?
גילת: אנחנו יודעים טוב מאוד למה אטום בודד מתנהג כפי שהוא מתנהג, אבל ביושבם ביחד הם מושפעים לא רק משינויים בעולם החיצוני, הם משפיעים הדדית זה על זה. ולכן התנהגותם של.האטומים כמצבור שונה מהתנהגותם כבודדים. או קח את התופעה הנקראת בשם קוהרנטיות, שאגב מתגלה לא רק במוצק אלא גם בגלי אור. הקוהרנטיות היא תכונה המביאה את המוצק לפעול כאילו היה יחידה אחת. כלומר, כל רבבות המיליארדים של אטומים פועלים בהרמוניה מושלמת. משל היו אטום בודד. זוהי תופעה חשובה מאוד העשויה להאיר את שאלת מעברי הפאזה שהזכרנו. אנחנו אומרים שבמוצק נמצאים האטומים במרחק של 10 בחזקת מינוס 8 ס״מ זה מזה (0.00000001 ס״’מ), ובתחום זה מסוגל אטום אחד למסור לאטום שני אינפורמציה. והנה, תופעת הקוהרנטיות המתגלה בגבישים בני מילימטרים או סנטימטרים אחדים, מצביעה על התרחבות דרמטית של תחום מסירת האינפורמציה, שהרי הגביש כולו מתנהג כיחידה אחת. כלומר, יש מנגנון שמעביר את האינפורמציה על פני רבבות מיליארדים של אטומים. עכשיו, יש מצבים שונים של סדר בגביש, המגנטי למשל, בהם מעברי הפאזה נעשים ללא קושי, כי הם לא מלווים בשינוי נפח. אבל המעבר מגביש בעל סדר קובי להקסגונלי (דמוי כוורת דבורים) הוא הרבה יותר מסובך, כי המוצק נדרש להתרחב קצת והתרחבות זאת יוצרת עיוותים פנימיים בחומר, ולפיכך מעוררת התנגדות למעבר הפאזה.
מחשבות: אמרתם קודם שבתחום המצב המוצק שולטים בעיקר הכוחות האלקטרומגנטיים. כוחות הגרעין חזקים הרבה יותר, אבל הם קצרי טווח ופועלים רק בתחום הגרעין, ואילו כוחות הגרביטציה הם עד 9 סדרי גודל קטנים יותר ולכן ניתן להתעלם מהם. אם רק הכוח האלקטרומגנטי פועל במצב המוצק, מה מונע לחקור ולהבין כיצד הוא משפיע על החומר להתנהג במצביו השונים כפי שהוא מתנהג ?
כהן: התשובה פשוטה, וביסודה — כמות החלקיקים שבחומר. אתן לך דוגמא. כשאנחנו מסתכלים על שני כדורים טעונים, ידוע לנו שהכוח הפועל ביניהם נוהג לפי חוק קולון, שהוא כמו אחד חלקי R ברבוע (R²/1). אבל אם תארוז את שני הכדורים האלה, הטעונים מטען חיובי, במעטפה אליפסית של חומר בעל מטען שלילי, תצטרך לעמול קשה מאוד כדי לחשב את הכוחות שפועלים ביניהם. אמנם, את הכוח שפועל בין כל טיפת מטען מזה ומזה אתה יודע, אבל הקומבינציה של כל הטיפות ביחד, שהיא תוצאה של התחלקות המטען מסביב, דורשת עבודת מיפוי מורכבת להפליא.
גילת: אתן לך דוגמא אחרת. ספרי הלימוד מלפני 30 שנה הסבירו שבמצב המוצק, להבדיל מהנוזל והגז, מסודרים האטומים בסדר מחזורי. כלומר, סדר מסויים שלהם חוזר על עצמו באופן מדויק מיליוני פעמים.
היום אנחנו יודעים, שזו הסתכלות נאיבית וכי מחזוריות זו נכונה רק לגבי גבישים. לעומת זאת, במוצקים אחרים, כמו נייר, זכוכית, עץ ועוד חומרים אמורפיים, אין הסימטריה וגם לא הסדר ברורים כל כך. אם כי אני חושב שיש בהם איזשהו סוג של סדר, אמנם לא ברור ובודאי לא גיאומטרי, אבל אולי סדר בהיררכיה יותר גבוהה.
אבל אפילו נתעלם לרגע מחומרים אלה ונעקוב רק אחר סוג אחד של מוצקים — הגבישים, תמצא שם עושר עצום של תופעות, דבר שעשוי להסביר למה התמונה במוצק כל כך מסובכת. בקרב הגבישים אתה מוצא חומרים שמעבירים חום וזרם (למשל, המתכות השונות) וכאלה שמבודדים, כמו מלח בישול. אפילו בין המתכות יש כאלה שהן מגנטיות ויש לא מגנטיות ; יש השומרות על צורתן ויש שהן נוזליות, כמו כספית, גליום וצזיום. יש מתכות שעומדות בטמפרטורות גבוהות ואחרות שניתכות בנקל, יש העוברות ריאקציות כימיות בקלות ואחרות בקושי. וקיימת קבוצה גדולה של גבישים שהם חצי מוליכים, כמו טרנזיסטורים. בקיצור, עולם שלם של תופעות שונות ומשונות, למרות שבכל אחד מהגבישים הללו פועלים אותם כוחות אלקטרומגנטיים.
כהן: בזה אולי היופי במצב המוצק. כל החומרים שנזכרו כאן הם מוצקים, אבל ספקטרום התכונות משתנה בצורה דרמטית מחומר לחומר.
גילת: נכון. קח, למשל, את תופעת המוליכות במתכת, ידוע שכאשר מצרפים הרבה אטומים ביחד ניתקים מספר אלקטרונים מהאטומים שלהם והם חופשיים לנוע דרך המתכת כרצונם. כשאתה מפעיל קצת מתח חשמלי זה גורם לתנועה מהירה של אלקטרונים אלה (ולכן מעבירה המתכת זרם). עדיין אנחנו יודעים שהכוחות הפועלים בין האטומים הם חשמליים, אבל האלקטרונים הנעים בחופשיות במתכת משבשים את פעולת הכוחות התקינה ולכן התנהגותו של אטום אחד תהיה מושפעת לא רק מתנועת האטום בשכנותו אלא גם מתנועתו של אוסף האלקטרונים סביבה לעומת זאת, בגבישים יוניים שומרים האטומים בקנאות על האלקטרונים שלהם. ואילו בחומר מבודד, כמו מלח בישול, הנתרן המתכתי מעביר אלקטרון לכלור האל־מתכתי וזה מחזיק אותו. ומאחר שאין למלח הבישול אלקטרונים חפשיים, לא עובר בגביש הזה12זרם, והוא לכן מבודד. או קח גבישים קוואלנטים, שלהם שגעון מיוחד במינו: שני אטומים שכנים מתחלקים באלקטרון משותף. לכן האלקטרון אינו יכול להמצא במידה שווה בכל הגביש, אלא לאורך קשר מסוים, ועל כן הוא משפיע על ישיבת האטומים השכנים בזויות מועדפות ומאד מסוימות, דבר שיוצר גיוון רב של תופעות, כמו עובדת קשיותו של היהלום, למשל. רוצה עוד דוגמא? קח את התכונות האופטיות של הגבישים. כידוע מתכת אינה מעבירה אור, כי האור מעורר את האלקטרונים החופשיים במתכת לנוע, ואלה עוקבים אחריו ולא נותנים לו לעבור. לעומת זאת, האלקטרונים בזכוכית וביהלום אינם חופשיים ולכן יוכל האור לעבור דרכם.
מחשבות: ועם זאת, כל מגוון התופעות הזה פועל לפי חוקים מתימטיים ברורים.
גילת: לא תמיד מובנים.
כהן: יש חוקים המובנים לנו היטב ויש שמובנים לנו פחות.
גילת: או לא מובנים בכלל.
מחשבות : נחזור לשאלת הסדר מהיררכיה שונה שהזכרת לגבי החומרים האמורפיים.
גילת: לגבי קיומה של היררכיה זאת אינני מוכן עדיין להתחייב מבחינה מדעית. ההנחה היא, שאילו נתנו לחומר האמורפי את התנאים האידיאליים הוא היה מגיע לסדר הרגיל. כלומר, להתגבשות.
מחשבות: מי לא נותן לו ?
גילת: הבעיה היא שכדי לתת לחומר מסויים להגיע למצבו הגבישי צריך לחכות במקרים מסוימים זמן ארוך מאד, ובמקרים קיצוניים אפילו אלפי שנים, ודבר זה איננו אפשרי בתנאי מעבדה.
כהן: למשל, זכוכית מתקבלת על ידי שמקררים במהירות את החומר המותך, אבל אם תקרר אותה באיטיות ותחת לחץ גבוה, תקבל זכוכית גבישית. בגלל קשיים כאלה, לדוגמה, איננו יכולים לייצר יהלומים באופן מלאכותי, כי גם המכבשים האדירים ביותר שנמצאים ברשותנו אינם מצליחים להגיע ללחצים ולטמפרטורות הפנטסטיות שפעלו בטבע.
גילת: ההנחה היא שהזכוכית אינה מתגבשת משום שהחומר מתקרר לפני שהאטומים הספיקו להסתדר במקומם הסופי. במילים אחרות, האטומים לא הצליחו בזמן הקצר שעמד לרשותם להעביר את האינפורמציה הדרושה, האומרת, כביכול, לכל אטום היכן עליו להתישב.
מחשבות: השאלה היא אם אי־יכולת זאת להעביר אינפורמציה במהירות הדרושה היא ענין טכני גרידא או מעין תכונה ״גנטית״ של החומר עצמו שמונעת אותו להתגבש בזמן הדרוש.
גילת: יפה, ובאמת נעשים נסיונות להערים על תכונות ״גנטיות״ אלו. מתכת, למשל, לא נוטה להתגלם בצורה אמורפית. כל כמה שתמהר לקרר אותה היא תתגבש. מה עשו? ירו סילון גז של מתכת, בעובי של אטומים בודדים, על משטח קר מאוד, כך שאטומי המתכת התקררו תוך חלקי מיליון של שניה. ואמנם, בפרק זמן קצר זה לא הצליחו האטומים להגיע למקומם הרגיל והתקבלה מתכת אמורפית. כלומר, מתכת עם מבנה שבו האטומים לא יושבים בצורה מחזורית אלא אקראית.
כהן: בצורתה החיצונית היא נראית כמו מתכת רגילה, אבל היא נוהגת כמו חומר אמורפי. כלומר, אם נפעיל עליה לחץ ואח״כ נרפה, האטומים לא יחזרו למקומם הקודם כיון שהם לא ״זוכרים״ היכן ישבו.
מחשבות: מה הסיבה שאטומים בחומר אחד זוכרים את מקומם הקודם ואילו אטומים בחומר אחר לא ? איזה מן כוחות פועלים במקרה אחד ונעדרים במקרה שני?
כהן: כאן הגענו לחזית של הפיסיקה. אנחנו יודעים שסביבתו הקרובה של אטום בחומר אמורפי ובחומר גבישי היא דומה. זה אמור לגבי חומרים בעלי הרכב כימי זהה, כמר זכוכית הקוורץ וגבישי הקוורץ. בשני המקרים האטומים בסביבתו המידית קשורים אליו בקשרים מאוד מוגדרים ובזויות דומות מאד. כל זה נכון בשכבת האטומים הקרובה לאותו אטום שאנו מסתכלים עליו, אבל בשכבה השניה מתגלה כבר הב13דל מסוים ואילו בשכבה השלישית המרוחקת יותר ממנו נמצא, במקרה של חומר אמורפי, אי־סדר כמעט מוחלט.
גילת: במלים אחרות, מה שמבדיל חומר אמורפי, או מתכת במצב נוזל, ממוצק גבישי הוא הסדר ארוך־ הטווח. כלומר, אם אתה מנסה להקיש ממקומו של אטום אחד על מיקומו של אטום אחר מאותו סוג במרחק של נאמר, 100 אטומים ממנו — הסיכוי בחומר אמורפי הוא אפסי, אך הוא גבוה מאוד בחומרים גבישיים.
כהן: חקירת הסדר במערכות של המצב המוצק נמצאת בקו החזית של המחקר המודרני. בדרך כלל מצב מוצק הוא תלת־מימדי. גבישים הם תמיד תלת־מימדיים פרט למקרים יוצאי דופן של גבישי המיקה (אותו חומר מבודד ושקוף שמשמש לבידוד גופי חמום), המופיעים בשכבות דקיקות ואפשר לראותם כגבישים השואפים לדו־מימדיות.
גילת: שאלת המימדיות היא נושא מענין מאוד במצב המוצק. כל מיני תכונות, כמו מעברי פאזה, מתגלות בצורות שונות לגמרי בעולם תלת־מימדי מאשר בעולם דו־מימדי או חד־מימדי.
כהן: למשל, גבישי המיקה התגבשו בסביבה דו־מימדית וכאילו אינם רוצים להתקשר במימד השלישי, ולכן ניתן לפצל אותם כל כך יפה. או קח חומר אחר שהוא מוליך מצוין במימד אחד אך מבודד במימדים האחרים, והוא הדין לגבי תופעת המגנטיות בחומר. הכוחות המגנטיים, כידוע, הם תלת־מימדיים, אך כשהם באים בתוך עולם המאורגן בשני מימדים — וזה עצמו מצוי במערכת התלת־מימדית של גביש, נוצרים צרופים רבים ומגוונים.
מחשבות: האם ישנה תיאוריה המסבירה את כל מגוון התופעות המתגלות במוצק ?
כהן: יש לנו תיאוריה המסבירה למה מתכת היא מתכת ולמה מבודד הוא מבודד, אבל אין לנו מן תיאו־ רית־על שתסביר את כל התופעות של המצב המוצק.
גילת: יש לי הרגשה שחסרים לנו כמה עקרונות, או פריצות דרך, כדי להבין באופן יסודי מה בדיוק קורה. למשל, למה חומר מסויים מעדיף להתגבש בצורה זאת ולא אחרת. אמנם נעזרים כיום במחשבים כדי לבנות מודלים ולעשות סימולציות של מצב מוצק, אבל זה מוגבל למודלים קטנים, כי קשה לעשות סימולציה של מצב מוצק המכיל 1020 אטומים (שהם : 100,000,000,000,000,000,000 אטומים).
מחשבות : ובאמצעות מודלים כאלה, העשויים להסביר את המתרחש במציאות רק בצורה אנלוגית, ניתן להגיע לנוסחה מתימטית כוללת?
גילת: זו שאלה שאין לה מענה. כי היא פותחת פתח לשאלה עמוקה יותר : האם הטבע ניתן בכלל לתאור מתימטי.
מחשבות: ההרגשה היא שכל מה שנתגלה עד היום ניתן, פחות או יותר, לתאור מתימטי.
גילת: עם אידיאליזציה מסויימת ובעזרת שיטות קירוב. למשל, אנחנו יודעים שהכוחות הפועלים במצב המוצק הם חשמליים ביסודם, אבל איננו יודעים מהי צורתם או מהי תלותם במרחקים ובזויות שבין האטומים. כלומר, איננו יודעים לתת ביטוי מתימטי לכוחות או לפוטנציאלים שפועלים בין האטומים.
כהן: כמו בדוגמה שהבאנו על שני המטענים החיוביים הבאים בעטיפה של מטען שלילי.
מחשבות: האם אתם מצפים בנקודה זו להתפתחות מצד המתימטיקה ?
גילת: היה בהחלט רצוי שיתפתחו טכניקות מתימטיות שעונות לבעיה זאת. אבל השאלה לגבי אופי הפוטנציאלים, למשל, איננה מתימטית אלא פיסיקלית. כי כשאני אומר שאופיים הוא חשמלי, אמרתי דבר מאוד כללי, כיוון שריבוי החלקיקים הפועלים בעת ובעונה אחת מונע ממני לדעת בצורה יותר מדויקת את המתרחש.
מחשבות: גם אתם וגם הפיסיקאים שעוסקים בחקר החלקיקים חותרים להבין את החומר, מה המשותף או המפריד לשני סוגי הבנה אלה ?
גילת: אומר כך. החומר בשני המקרים הוא אותו חומר, כלומר — מאסות, מטענים, כוחות וכדומה. מה שמבדיל בינינו הוא רמת ההסתכלות השונה בחומר. למשל, כשאני מדבר על אנרגיות בתחום של מצב מוצק אני מתכוון לאנרגיות שמתחילות בכמה אלפיות של אלקטרון־וולט ומגיעות עד לאלפים אחדים. בתחום זה של אנרגיות אני יכול להקיף את כל תופעות הכוחות שבין האטומים. בתחום יותר גבוה של אנרגיות קיים כבר תחום חדש של תופעות — תחום התופעות הגרעיניות, בהן עוסקת הפיסיקה הגרעינית. אם נגדיל את האנרגיות למיליוני אלקטרון־וולט ניכנס איפוא לתחום נוסף של תופעות — תחום הכוחות החזקים בתוך הגרעין. שם אנו עוסקים במרחקים של 15־10 סנטימטר (0,0000000000001 ס״מ), לעומת המרחקים הבין־אטומיים שהם מסדר גודל של 8־10 סנטימטר. וזה עדיין לא הכל, כי בפיסיקה של החלקיקים עוסקים באנרגיות של מיליארדים אלקטרון־וולט, ועם אנרגיות כאלה ניתן ליצור חלקיקים, כלומר — ליצור כביכול חומר יש מאין.
כהן: ההבדל הוא, שבפיסיקה של המצב המוצק אבני הבנין של החומר מוכרות – זה האטומים, בעוד הפיסיקאים של האנרגיות הגבוהות נמצאים בשלב של חיפוש אבני הבנין – כלומר, החלקיקים.
גילת: בתחום של מצב המוצק תורת היחסות כמעט ואינה בעלת משמעות, שעה שבעולם האנרגיות הגבוהות שולטים החוקים הרלטיביסטים של אינשטיין. המהירויות שם הן כה גדולות שלמאסה יש תפקיד משני, כיוון שהאנרגיה הצבורה במאסה מהווה רק חלק קטן מהאנרגיה המתגלה שם. לדוגמה, לפרוטון(החלקיק החיובי בגרעין) יש מאסה אשר במצב מנוחה היא מתאימה לאנרגיה של כמיליארד אלקטרון־וולט, אך גם היא מבוטלת לעומת האנרגיה בת מאות מיליארדים אלקטרון־וולט שהמאיץ החדש בבטאביה14 (ארה״ב) עתיד להפיק. באנרגיות כאלה החומר אינו אלא צבר קטן של אנרגיה ולגרעין, שלדידי הוא גוף ממשי. עם מאסה ומטען — קבוע פחות או יותר במקומו, אין הרבה משמעות.
כהן: הבדל חשוב נוסף הוא, שלמרבית המחקרים בתחום המצב המוצק יש ישומים טכנולוגים, המביאים לתמורות מרחיקות לכת בחיי הפרט והחברה.
מחשבות: למשל ?
כהן: למשל, העל־מוליכות. כידוע מגלות מרבית המתכות, בתנאי טמפרטורה הקרובים לאפס המוחלט, יכולת של מוליכות אין־סופית כמעט. זאת אומרת, ההתנגדות שלהן יורדת לאפס. פירוש הדבר, שאילו יכולנו להקים רשת חשמל מחוטים על־מוליכים, ניתן היה להוזיל את מחיר החשמל בכמה סדרי גודל. תשאל למה לא עושים זאת ? כי כדי להביא חומרים למצב של על־מולי־ כרת צריך לקרר אותם בהליום נוזלי, והליום — כידוע — הוא גז יקר וקשה לנזל אותו. הפתרון האפשרי הוא להשתמש בגז זול ופשוט יותר, כמו מימן. הבעיה היא שמימן הופך נוזל רק במינוס 252 מעלות צלזיוס (20.5 מעלות קלווין), שעה שהעופרת, למשל, זקוקה למינוס 266 מעלות צלזיוס כדי להגיע לנקודה הקריטית של על־מוליכות. פירוש הדבר, שאם ימצאו חומר תעשייתי, שניתן לייצר ממנו חוטים ואשר הופך על־מוליך במינוס 252 מעלות צלזיוס — תתחולל מהפכה בתחום העברת האנרגיה החשמלית.
מחשבות: אבל עדיין יצטרכו להשקיע סכומים גדולים בתהליך ניזול המימן.
כהן: שהוא הרבה יותר זול מהאנרגיה החשמלית האובדת כיום בגלל התנגדות המתכת למעבר הזרם.
מחשבות: ואת החוטים האלה יצטרכו להניח בתוך צנורות סגורים המכילים מימן נוזלי.
גילת: נכון, ובכל זאת זה ישתלם, כי אפשר להעביר את החשמל למרחקים גדולים — כמעט בלי מפל מתח.
כהן: למשל, יוכלו לייצר חשמל באלסקה ולהעביר אותו בעל־מוליכים לארה״ב, דבר שעשוי לסייע גם לפתרון בעיית זיהום האויר בערים הגדולות.
גילת: אתן לך דוגמא קיצונית יותר. מדען אחד מאוניברסיטת סטנפורד בשם ויליאם ליטל, שוקד על רעיון, שאגב עורר התנגדות רבה מצד הפיסיקאים התיאורטיקנים, לפתח על־מוליך מחומר אורגני, דוגמת ניילון. מאחר שנקודת המעבר המשוערת של חומר אורגני כזה לעל־מוליך היא בסביבת 70 מעלות קלווין (לעומת 7 בעופרת) הרי שניתן יהיה, כך הוא מקווה, להפוך חומר אורגני זה לעל־מוליך באמצעות גז חנקן — המתנזל אף הוא בתחום שבעים המעלות. כלומר, פריצת דרך טכנולוגית ממדרגה ראשונה.
כהן: הבעיה היא, שהן האינטואציה והן הנסיון המחקרי מורים שדבר זה הוא בלתי אפשרי. משום שיכולת המוליכות, באותם חומרים אורגניים שיש להם מכניזם של הולכה, היא הרבה יותר חלשה מאשר במתכת. ואם כך הוא הדבר כיצד יכול חומר אורגני להפוך לעל־מוליך ?
גילת : אלא שההגיון והאינטואיציה אינם סוף פסוק. עובדה היא שיש מתכות שהן מוליכות טוב מאד בתנאים רגילים ולא מצטינות ביותר כעל־מוליכות, ולהיפך.
כהן: מה שבעיקר מעורר תקוה בסיכוייו של רעיון זה הוא העובדה שמדען אחד בשם מתיאס מצא בו שיטתיות מסוימת. מתיאס זה נחשב לאיש מספר אחד בשטח העל־מוליכות, והוא נהנה בשטח זה מאותו מעמד שהיה בזמנו לפיסיקאי האיטלקי פרמי בתחום הפיסיקה הגרעינית. בדורו של פרמי אמרו, שאם רוצים לברר, למשל, את הסיכוי של בליעת נויטרונים בגרעין מסויים, צריך לשאול את פרמי. ציפו שהוא ידע את התשובה בדיוק של עד כדי פקטור של שניים. גם מתיאס כך בשטח העל־מוליכות. עד היום מצא כבר כאלפיים חומרים על־מוליכים ונסיונו מאפשר לו לחזות את טמפרטורת המעבר של חומרים. זוהי מעין אלכימיה, או ״מגיה־שחורה״, אך העובדה שהוא לא דחה את הרעיון של חומר אורגני כעל־מוליך, משאירה פתח תקוה.
מחשבות: ובתקוה זו למציאת חומרים מדהימים כאלה אתם רואים את האתגר במחקר של המצב המוצק?
כהן: זהו האספקט השימושי של המחקר. האתגר שמוצאים אנשי המחקר הבסיסי הוא יותר פשוט. הסיפוק שלי הוא מהיופי המתגלה בתוצאות הניסויים שאני עורך. לא יופי אסתיטי, אלא יופי של הסדר שאתה מגלה בתופעות, וכמובן מהיכולת שלי להבין את המתרחש בתוך החומר.
מחשבות: העובדה שאתה מוצא הגיון בטבע?
כהן: כן, והעובדה שאני מצליח לגלותו, ושהגיון זה מקדם אותי לצעד הבא, לבעיה הבאה. איני יכול להגדיר את האתגר בעבודה שלי כמטרה סופית המצפה בקצה הדרך. כל אחת מהבעיות המתעוררות בשלבי המחקר מהווה אתגר בפני עצמו.
גילת: אני רואה את הדברים יותר כמשחק. אני משחק בפיסיקה. במשחק הזה מצויות חידות והאתגר הוא לפתור אותן. פעמים אני מצליח, לרוב לא. כאילו שיחקת נגד יריב חסר צורה, שאינך יודע כיצד ועל פי מה הוא פועל. יריב המסתיר ממך את קלפי המשחק. זהו משחק שאינני מכיר את חוקיו, ובעצם חלק מהמשחק הוא לגלות את חוקי המשחק, על ידי כך שאוסיף את הצעד שלי לצעדים שעשו לפני ועושים במקביל לי מאות חוקרים אחרים. זה חלק מהמשחק האנושי. לכן הישומים וההשלכות הטכנולוגיות של תוצאות המחקר מענינים אותי אולי קצת פחות. כלומר, אשמח מאד אם יימצא ישום מועיל למחקר שלי, אבל לא זאת המטרה העיקרית שלי, ולא זה מה שדוחף אותי, אלא הסקרנות. הסקרנות שבמשחק עם הבלתי ידוע והסיפוק שבגילוי היופי החבוי עמוק־עמוק בטבע.
♦♦
