התעלומות המדעיות של המאה ה-21
עשור לאחר תחילת המאה עומד המדע בפני לא מעט סודות שטרם פוענחו: מזהות החומר האפל שמרכיב את היקום ועד לאפשרות לייצר חורים שחורים. מי יענה לאתגר ויצליח לפצח את החידות האלה? חלק ראשון
הפיזיקאי הבריטי לורד קלווין נשא בשנת 1900 הרצאה מדעית חשובה לרגל סיומה של המאה ה-19. הוא סיפר בה על שתי תופעות שעמיתיו לא הצליחו להסביר.
בחור צעיר, ששמו אלברט איינשטיין, נענה לאתגר. אחרי חמש שנים בלבד הוא פרסם סדרה של מאמרים שסיפקו הסבר מלא לאותן תופעות, ותוך כדי כך חולל מהפכה מדעית של ממש.
איינשטיין עצמו זכה בפרס נובל לפיזיקה והפך לאדם המפורסם ביותר בעולם. חלפו 110 שנים, וכיום ניצב מדע הפיזיקה בפני אתגרים חדשים ותעלומות שטרם נמצא להן הסבר. ריכזנו עבורכם את עשרת הנושאים הבוערים ביותר בתחום, והיום נציג את חמשת הראשונים. אתם מוזמנים להיענות לאתגר.
1. הצד האפל של היקום
אנחנו יודעים די הרבה על היקום. למשל, שהוא נוצר במפץ הגדול לפני כמעט 14 מיליארד שנים, שהוא מורכב מגלקסיות שבהן מיליארדי כוכבים, ושהוא התרחב וממשיך להתרחב גם כעת.
למעשה, היינו מצפים שקצב ההתפשטות שלו יקטן, משום שבין הגלקסיות פועל כוח הכובד - שהוא כוח משיכה. אבל זה לא קורה. תצפיות על גלקסיות רחוקות מראות שקצב ההתרחקות שלהן זו מזו דווקא הולך וגדל, וזה אומר שקיים ביקום כוח מסתורי שגורם לדחייה.
לתופעה הזו קוראים "אנרגיה אפלה", ולא ממש ידוע מה מקורה. הרמז היחיד נמצא במשוואות שרשם איינשטיין: הוא חשב על אפשרות של כוח דחייה שממלא את היקום, אבל אחר כך התחרט ואמר שהרעיון הזה היה "השטות הגדולה ביותר בחיי".
בעיה נוספת קשורה לכמות החומר ביקום. הכוכבים בגלקסיה מסתובבים סביב המרכז שלה, כמו שכוכבי לכת מסתובבים סביב השמש. מהירות הסיבוב של כוכבי הלכת קטנה ככל שהם רחוקים יותר מהשמש, והיינו מצפים שכך תהיה גם מהירות הסיבוב של הכוכבים בקצה הגלקסיה.
אבל התצפיות מראות אחרת - כל הכוכבים מסתובבים סביב מרכז הגלקסיה באותה מהירות, פחות או יותר. ההסבר המקובל הוא שיש בגלקסיות יותר חומר ממה שרואים, רק שאף אחד לא יודע מהו. לכן הוא זכה לכינוי "חומר אפל", ומדענים מנסים בכל כוחם לגלות אותו, ועדיין לא הצליחו.
במילים אחרות: דרושה הבנה של שניים מהמרכיבים העיקריים של היקום - אנרגיה אפלה וחומר אפל.
2. בעקבות הגלקסיות הקדומות
תאוריית המפץ הגדול היא אחד ההישגים הגדולים של המדע. בעזרתה אפשר לשחזר מה שקרה במשך 400 אלף השנים הראשונות לקיומו של היקום. אחר כך התחילה תקופה ארוכה של מאות מיליוני שנה, שאין לנו עדויות לגביה, ובסיומה הופיעו הגלקסיות הראשונות.
האור שיצא מהן אז מגיע אלינו רק עכשיו, ובעזרת טלסקופים ענקיים אפשר להתבונן בגלקסיות הללו ולראות אותן כמו שהיו כשנולדו.
איך נוצרו הגלקסיות ומהו החומר האפל? (צילום: נאס"א)
אז איך בעצם נוצרו הגלקסיות? על זה אין לנו תשובה. אבל יש לנו רמז חשוב: במרכזה של כל גלקסיה מצוי חור שחור ענקי שנוצר כנראה יחד איתה. חור שחור רגיל נוצר כשכוכב מסיים את חייו וקורס לגודל של קילומטרים ספורים, אבל החורים השחורים במרכזי הגלקסיות הם ענקיים.
כמות החומר שבהם שווה לכמות החומר במיליוני כוכבים, ומנגנון היצירה שלהם צריך להיות שונה. עכשיו רק צריך להבין איך נוצרים חורים שחורים ענקיים...
3. חור (שחור) בכיס
חורים שחורים הם עצמים דחוסים מאוד שכוח המשיכה בתוכם כה גדול, עד שאפילו אור אינו יכול לצאת מהם. לכן הם שחורים מבחוץ. יש להם גם תכונה מטרידה, שכל דבר יכול להיכנס פנימה - אבל אין דרך יציאה.
אז למה מדענים רוצים לייצר חורים שחורים על פני כדור הארץ? קודם כל, מילת הרגעה: החורים השחורים שמנסים לייצר במאיצי חלקיקים הם ממש זעירים, הרבה יותר קטנים מאטום בודד. חורים שחורים כאלה מתאדים בתוך חלקיק שנייה, והם כנראה לא מסוכנים בכלל.
אם נצליח לייצר אותם, נוכל בפעם הראשונה לחקור חורים שחורים מקרוב. ויש גם סיבה מעשית: חור שחור זעיר, בזמן קיומו הקצר, יכול לייצר אנרגיה - הוא מושך אליו חומר ומגדיל את מהירותו, כלומר מעניק לו אנרגיה.
אם נדע לייצר הרבה חורים שחורים זעירים בקצב קבוע ולהשתמש באנרגיה שהם מייצרים, אולי נצליח לפתור את בעיות האנרגיה של העולם.
4. פיצוח גרעינים
פחם ונפט הם מקורות האנרגיה העיקריים של האנושות. כששורפים אותם נוצרת אנרגיה שניתן להמיר בחשמל או להניע באמצעותה כלי רכב ומכונות. הבעיה היא שתוך כדי כך נפלט לאטמוספרה פחמן דו-חמצני, גז חממה שעלול לגרום להמשך התחממות כדור הארץ.
בעיה נוספת היא זיהום אוויר וקרקע בתוצרי לוואי מסוכנים. בשנים הקרובות יתחילו תחנות כוח רבות להשתמש באנרגיה חלופית ידידותית לסביבה, כמו אנרגיית שמש ואנרגיית רוח, אבל לא בטוח שזה יספיק לאוכלוסייה הבזבזנית של כדור הארץ.
עוד בגליליאו צעיר: חודש אוקטובר בהיסטוריה
פתרון נוסף הוא אנרגיה גרעינית. אטום מורכב מגרעין עם מטען חשמלי חיובי, שסביבו נעים אלקטרונים בעלי מטען שלילי. כשגרעין כבד, למשל גרעין של אורניום, מתפצל לגרעינים קלים יותר - משתחררת אנרגיה.על העיקרון הזה בנויים הכורים הגרעיניים, ולהבדיל גם פצצות אטום. החיסרון של כור גרעיני הוא שגם כאן יש תוצרי לוואי מסוכנים שלא כדאי להימצא לידם.
בשיטה אחרת, שאין בה תוצרי לוואי כמעט, גורמים לגרעינים של יסודות קלים, למשל מימן, להתנגש. הגרעינים מתאחדים בתהליך שנקרא היתוך גרעיני, וגם כאן נוצרת אנרגיה רבה.
זה מה שקורה בשמש, או בפצצת המימן הידועה לשמצה. ההיתוך הגרעיני יכול להפוך למקור האנרגיה הראשי של האנושות אם רק נתגבר על בעיה אחת: כדי שהגרעינים הטעונים במטען חיובי יתנגשו ולא יידחו זה מזה, צריכה להיות להם אנרגיה גבוהה מראש.
במילים אחרות - צריך להעלות את הטמפרטורה של החומר למיליוני מעלות צלזיוס. זאת משימה קשה, וכל כורי ההיתוך שנבנו עד היום בזבזו יותר אנרגיה ממה שהפיקו, כך שהעסק הזה עדיין לא ממש משתלם. לסיכום: דרוש מתקן להפקת אנרגיה בעזרת היתוך גרעיני.
5. ללא התנגדות
החשמל מיוצר בתחנת כוח ומוזרם לבתים דרך רשת החשמל. חלק מהאנרגיה הולך לאיבוד בגלל ההתנגדות החשמלית של כבלי החשמל עצמם, וכך חברת החשמל נאלצת לייצר יותר חשמל ממה שצריך.
אילו רק יכולנו לבנות את רשת החשמל ממוליך חשמלי שאין לו התנגדות, החשמל המבוזבז היה נחסך. בעצם יש חומרים כאלה, וקוראים להם מוליכי-על. הבעיה היחידה היא שהם מתפקדים כמוליכי-על רק בטמפרטורה מאוד נמוכה, קרוב לאפס המוחלט (מינוס 273 מעלות צלזיוס).
זה לא הגיוני לקרר את רשת החשמל לטמפרטורה כזו, כי עלות הקירור הרבה יותר גבוהה מהחיסכון בחשמל. אבל יש דרך אחרת – למצוא מוליכי-על ששומרים על תכונותיהם גם בטמפרטורות גבוהות יותר.
היום כבר יש מוליכי-על שפועלים בטמפרטורה של 150 מעלות צלזיוס מתחת לאפס, אבל זה עדיין לא מספיק. לסיכום: דרוש מוליך-על שפועל בטמפרטורת החדר.
בפעם הבאה: מחשבים קוונטים ומכונות זמן - חמישה אתגרים נוספים למדע.
הכתבה התפרסמה במגזין "גלילאו צעיר" מבית מוטו תקשורת. לכתבות נוספות של גליליאו צעיר באתר ifeel.
לפנייה לכתב/ת 
