להכריע בין התיאוריות

6 06 2010

המודל של קומאי ו-QCD מתארים את הכוחות החזקים באופן שונה מהותית. המודל של קומאי מבוסס על התיאוריה הרגולרית של המונופולים המגנטים ומתאר כל נוקליאון כבעל ליבה מסיבית המושכת אליה את הקווארקים, בדומה לגרעין האטום המושך אליו את האלקטרונים. QCD מתאר נוקליאון ללא ליבה, כאשר הכוחות הפועלים בין הקווארקים הינם כוחות משיכה. ננסה לראות מי מהתיאוריות סבירה יותר.

איזו תיאוריה מתאימה יותר לממצאים ניסיונים
QCD לא מספק הסבר למספר תכונות הקשורות לדימיון בין הכוח הגרעיני לבין כח ון דר ואלס, כפי שמוכח מהדמיון העצום בגרף הפוטנציאל של שני כוחות אלה, אין לו הסבר לצפיפות הקבועה של הנוקליאונים שבגרעינים ולאפקט EMC הראשון. כל התכונות האלו מתקבלות באופן טבעי ומיידי מהמודל של קומאי. בנוסף לכך, ועל מנת להסביר את האופי השיורי של הכח הגרעיני, גורסת QCD שהכוח הפועל בין הקווארקים הנמצאים בנוקליאונים שבגרעין האטום מופסק באופן שרירותי, מבלי להסביר את מקור ההפסקה הזו, ואילו מהמודל של קומאי ההפסקה נובעת באופן טבעי מאפקט המיסוך.

QCD איננו מספק הסבר לתכונות הקשורות למהותו של הכוח החזק: הוא איננו מסביר את עוצמת האינטראקציה בין פוטונים אנרגטיים לנוקליאון, ואת הדמיון בהתנהגות הפרוטון והניוטרון כאשר פוטונים אנרגטיים פוגעים בהם. הסבר לתופעות אלו נובע מיידית מהמודל של קומאי, המתאר את הקווארקים כמונופולים המקיימים את התורה הרגולרית. כמו כן, לא ברור כיצד יסביר QCD את מקורו של הכוח הטנזורי בדיוטרון. אצל קומאי מתקבל הסבר מיידי הנובע מכך שהקווארקים הם מונופולים מגנטים.

QCD איננו מספק הסבר להימצאותו של האנטיקווארק בחלק חיצוני יותר של הנוקליאון, וגם לא לעובדה שהמטענים השליליים נוטים להימצא בצד החיצוני של הניוטרון. שתי תכונות אלו נובעות מיידית מהמודל של קומאי אשר מתאר את כוחות המשיכה-דחייה בין הקווארקים, האנטיקווארקים והליבה. גם ההסבר של קיו סי די לתופעת הכליאה נראה לא נכון, משום שבמצב שבו קווארקים ואנטיקווארקים מתנהגים כאילו "כולם מושכים את כולם" לא ברור כיצד מזונים אינם כלואים בתוך הפרוטון.

QCD איננו מספק הסבר סביר לממצאים המעידים שיש ליבה משמעותית בנוקליאונים: רוב המומנטום איננו בקווארקים הידועים. הנימוק שהגלואונים נושאים את יתרת המומנטום הוא מאולץ וניתן רק לאחר מעשה, כאשר התברר שהקווארקים הידועים אינם נושאים את כל המומנטום. בנוסף לכך, העליה בגרף חתך הפעולה בהתנגשות בין פרוטונים אנרגטים, כפי שנמדד בעשור האחרון, מראה שיש ליבה לא טריביאלית בפרוטון. המודל של קומאי מספק הסבר מיידי לתופעות אלה. כמו כן, קיימות תופעות נוספות התומכות בכך שיש ליבה מסיבית בפרוטון, כמו היחס בין הרדיוס של בריונים ומזונים תואמים, והיחס בין מסות של בריונים ומזונים תואמים. תופעות אלו תואמות את המודל של קומאי ולא ברור כיצד יכול QCD להסביר אותן.

על פי QCD אמורים היו להתגלות מספר חלקיקים וחומרים כמו חומר מוזר, פנטקווארקים, וכדורי דבק אשר לא התגלו על אף החיפושים המרובים שנערכו אחריהם במשך עשרות שנים. מהמודל של קומאי נובע שעצמים אלה פשוט לא קיימים.

על פי QCD הייתה אמורה להתקיים הפרה של הזוגיות בתהליכים חזקים, אך הפרה זו לא קיימת כפי שצופה המודל של קומאי.

QCD מסביר את קיומם של החלקיקים אומגה מינוס ודלתא++ על ידי תוספת לעקרון פאולי, ולא מתייחס כלל לקיומם של קונפיגורציות רבות בפרוטון המסבירות חלקיקים אלו. אולם העובדה ש"משבר הספין של הפרוטון" (המוסבר מיידית על ידי קיומן של קונפיגורציות) נותר בעייה בלתי פתורה, מטילה ספק בנכונות ההסתכלות של המדענים על נושא זה.

איזו תיאוריה בנוייה על יסודות סבירים יותר
כבר במאה ה 14 הגה הנזיר הפרנסיסקאני וויליאם איש אוקאם כלל אינטואיטיבי, "התער של אוקאם", המשווה בין שתי תיאוריות המסבירות תופעות. כלל זה גורס כי בבואנו לשפוט שתי תאוריות המסבירות תופעה, יש להעדיף את התיאוריה הפשוטה מבין השתיים. כלאמר, נעדיף תאוריה הנשענת על מספר מועט יותר של הנחות חדשות, והדומה יותר לתאוריות מבוססות, הידועות כנכונות.

המודל של קומאי מניח מספר הנחות. הוא מניח שעיקרון הואריאציה תקף עבור המונופולים המגנטיים. עיקרון הואריאציה ידוע כבר מאות שנים, והרבה לפני קומאי נעשה בו שימוש מהותי במכניקה, בתורת החשמל ובמכניקת הקוואנטים. מעיקרון זה ובהתאמה עם משוואות מקסוול וכוח לורנץ אשר מקובלות על כל הקהילה המדעית, מתקבלות תכונות המונופולים המגנטיים של קומאי. מודל הכוחות החזקים של קומאי מניח גם שיש בבריונים ליבה בעלת מטען מגנטי בגודל שלוש יחידות ואילו לכל אחד משלושת הקווארקים שבבריון יש מטען מגנטי בגודל יחידה שלילית אחת. באנלוגיה למבנה האלקטרונים באטום, הוא מניח גם שליבה זו כוללת מונופולים בשכבות פנימיות יותר. בהתאמה לנסיון, מניח קומאי כי היחידה האלמנטרית של המונופול המגנטי היא גדולה ממש מהיחידה האלמנטרית של המטען החשמלי. אלו הן ההנחות היחידות בהן משתמש קומאי.

QCD לעומת זאת גורסת שהכוח בין הקווארקים שבבריון הינו כוח משיכה. אנליזה של QCD מראה שכח זה גדל ככל שהקווארקים מתרחקים זה מזה. זוהי תכונה הפוכה לכל כוח בסיסי אחר הידוע לנו בטבע. יתר על כן, על מנת להסביר תופעות נסיוניות ידועות מניחים שכוח זה פוסק במרחק מסויים ללא נימוק תיאורטי המסביר את סיבת ההפסקה הזו. עוד מניחה QCD כי הכוח החזק מורכב משלושה צבעים, תופעה שאין לה אח ורע בפיזיקה. בנוסף לכך, לחלקיקים אשר אינם מכילים את שלושת הצבעים במידה שווה, (האחרונים מכונים חלקיקים "לבנים"), אסור להתקיים בנפרד ולכן הם בלתי ניתנים למדידה במכשירים – גם זהו סוג של איסור שאין לו שום מקביל בפיזיקה. גם QCD מניח כי יחידות המטען הבסיסיות שלו גדולות ממש מיחידת המטען החשמלית. הנחה נוספת – בתוך גרעין הנוקליאונים ישנם גלואונים אשר להם צבע ואנטי צבע, אבל אינם לבנים – ולכן אין אנו יכולים להבחין בהם. כמו כן, קיימת ב-QCD, אנלוגיה למשוואות מקסוול, אולם היא המאופיינת בתוספת של מתימטיקה אשר רמת הסיבוך שלה כל כך גדולה, עד שיש צורך במחשבי על כדי לבצע כמעט כל סוג של חישוב העוסק בכוח החזק.

תופעות נוספות המוסברות על ידי המודל של קומאי
ככל שמודל מסויים מכיל הנחות מועטות יותר, והוא מספק הסבר לתופעות רבות יותר, מתחזקת ההכרה שלנו בנכונותו. לעומת זאת, ככל שלתאוריה יש מספר רב יותר של פרמטרים חופשיים הניתנים לכוונון עם התגלות עובדות חדשות, הרי שהיא חלשה יותר.

והנה, מתקבלות מהמודל של קומאי גם תופעות אשר אמנם אינן עומדות בניגוד ברור לQCD, אך עצם קבלתן ללא הנחות נוספות מהווה תמיכה נוספת בנכונותו.

על פי המודל של קומאי, ניתן להעריך לאיזה מזון יהיה רדיוס גדול יותר כאשר נתונות המסות של הקווארקים המרכיבים אותו. ידוע כבר מהתבוננות בכוח החשמלי, שחלקיק המורכב ממיואון (שהינו כבד יותר מהאלקטרון) ופרוטון הינו בעל רדיוס קטן יותר מפרוטון ואלקטרון. כלומר אם שני חלקיקים בעלי מטענים הפוכים קשורים זה לזה, הרי שרדיוס החלקיק הקשור יהיה קטן יותר אם המסה של החלקיק הבודד הינה יותר גדולה. בדיוק אותה תופעה חייבת לקרות גם במזונים, אחרת היה המודל של קומאי בבעיה. ואכן, והמזונים שעבורם נמדד הרדיוס מתנהגים בדיוק כפי שצופה קומאי: המזון קיי פלוס, למשל, קטן יותר מהמזון פיי פלוס, משום שקווארק s כבד יותר מקווארק d, ובאופן אנלוגי, רדיוס הבריון סיגמא מינוס קטן מרדיוס הפרוטון.

המשמעות של מיעוט בהנחות והתאמה לתחזיות
ההבדל המשמעותי ביותר בין QCD לבין המודל של קומאי, הוא שקומאי טוען שהכוח החזק הינו כוח אנלוגי לכח אחר שהוא בעל מבנה ידוע, הכוח האלקטרומגנטי, ואילו QCD טוען שכוח זה הוא ממין חדש וקשור לחבורה (SU(3 של יאנג-מילס. כדי להגדיר אותו, המציאו מפתחי הQCD נוסחאות ומודלים מתמטיים חדשים. העובדה שאין לכוח החזק על פי QCD שום מקבילה בטבע, נתנה להם חופש עצום, ואפשרות להמציא חוקים חדשים כדי להסביר בדיעבד תופעות שהתגלו בניסיון.

מפתחי הQCD המשיכו לנצל "יתרון" זה. הנה למשל, כאשר חזו את קיומם של הדיבריונים, אך אלו לא התגלו, מצאו נימוק המסביר לכאורה מדוע הדיבריונים לא קיימים. כאשר התגלה שהקווארקים החיצוניים נושאים פחות ממחצית המומנטום של הפרוטון, החליטו שהגלואונים חסרי המסה, שאיננו יכולים לראות ישירות במכשירים, נושאים מומנטום זה.

ולמרות חופש פעולה זה, QCD איננה מסבירה ממצאים רבים אשר הובאו כאן, ואשר חלקם נראים כסתירה בוטה של התיאוריה.

במודל של קומאי, לעומת זאת, יש מספר קטן של הנחות, ואין כמעט חופש פעולה. ואכן, המודל טוען שהכוח החזק הינו אנלוגי לכוח האלקטרומגנטי הידוע היטב. כאן ההבדל העיקרי שבין הכח הקשור למטענים החשמליים לבין הכח החזק הקשור למונופולים מגנטים הוא הגודל של יחידת המטען הבסיסית. מסיבה זו, הרבה דברים הידועים לגבי הכוח האלקטרומגנטי אמורים ללבוש צורה אנלוגית במערכות שמצבן נקבע על ידי הכח החזק.

ולכן, אילו היו מתגלים פנטקווארקים, או חומר מוזר, או כדורי דבק, או שרדיוס הקיי מזון היה גדול מרדיוס הפיי מזון, או שגרף חתך הפעולה בפיזור אנרגטי פרוטון-פרוטון היה ממשיך לרדת, או שהסימן של הכוח הטנזורי היה הפוך מזה הקיים, או שהאנטיקווארקים לא היו נדחקים לחלק החיצוני של הפרוטון, או שאינטראקציות חזקות לא היו שומרות על זוגיות, או שהמומנטום של הקווארקים החיצוניים היה מכיל את כל המומנטום של הפרוטון – אילו רק אחת התופעות האלו ורבות אחרות שצויינו בכתבות שלפניכם, חלקן בניגוד לקונצנזוס מקיר לקיר של קהילת הפיזיקאים, לא הייתה תואמת את המודל של קומאי – היה המודל שלו נופל.

האם היה לו מזל יוצא דופן, או שאולי הוא מציג תיאוריה פיזיקלית נכונה?

אגדת הדיוק של המודל הסטנדרטי
כאשר נוסחה חוזה תופעה מסויימת בדיוק רב, יש לכך השפעה עצומה להערכתנו לגבי נכונות התורה העומדת מאחוריה. משוואת דיראק, למשל, חוזה תופעות בדיוק של ארבע עד שש ספרות. תורת השדות העלתה את הדיוק במקרים רבים ליותר מעשר ספרות עשרוניות. התאמות אלו מהוות עבורנו הוכחה מכרעת לתקפותן של תורות אלו, אשר היו ידועות לפני הופעת המודל הסטנדרטי.

בהגדרת ערך "המודל הסטנדרטי" בויקיפדיה, נכתב שהמודל הסטנדרטי "תואם בדייקנות את הניסויים הנערכים בתחום החלקיקים האלמנטרים." באתרים רבים באינטרנט יש המייחסים למודל דיוק מדהים של ספרות רבות. ה"מנטרה" הזו מוכרזת כמעט בכל פינה של עיתון פיזיקאלי כלשהו.

לפני שאמשיך, אזכיר שלא כל המודל הסטנדרטי נמצא כאן תחת ביקורת, אלא בעיקר QCD, ואזכיר גם שQCD מהווה חלק משמעותי למדי מהמודל.

עיון בערך של QCD בויקיפדיה חושף את העובדה הבאה, העומדת בסתירה ל"מנטרה":

"Quantitative tests of non-perturbative QCD are fewer, because the predictions are harder to make. The best is probably the running of the QCD coupling as probed through lattice computations of heavy-quarkonium spectra. There is a recent claim about the mass of the heavy meson Bc [4]. Other non-perturbative tests are currently at the level of 5% at best."

המיעוט בתחזיות הפיזיקאליות מדידות נובע מרמת הסיבוך של QCD, אבל אפילו לתחזיות מעטות אלה רמת שגיאה גדולה למדי.

בענין זה כדאי לציין כי כבר היו בעבר תיאוריות אשר הציגו חישובים מדויקים למדי, כמו התיאוריה האטומית של בוהר-זומרפלד, ואשר נזנחו כאשר הופיעה תיאוריה מוצלחת יותר. הרשימה הארוכה של כישלונות קיו סי די אשר מוצגת באתר זה מטילה ספק רב בטיבם של חישובים התומכים בתיאוריה זו.

תחזיות
לאור השוואה זו, ניתן, לכאורה, לצפות שהקהילה המדעית תכריז של העברת הספרות המדעית העוסקת בQCD לאגף המחלקה להיסטוריה של המדע. אך ניסיון העבר מלמד שמהפכות מדעיות כרוכות בתהליך ארוך, קשה וכואב.

ולכן, כדי לבצע תהליך זה באופן מדורג, ולספק לתומכי QCD את הסולם הדרוש כדי לרדת מהעץ עליו הם נמצאים, מציג קומאי מספר לא מבוטל של תחזיות הסותרות כמעט כולן את המודל הקיים. במיוחד מעניינות התחזיות שלו לגבי הרדיוס של הבריון סיגמא פלוס וההתנגשויות של פיונים, היכולות להיבדק באמצעים הקיימים כבר כיום, אם אכן יושקע מאמץ בביצוע ניסיונות בכיוון זה. QCD, על מנת להתאים עצמו לתוצאות המתקבלות מהפצצה של בריונים, היה צריך לבצע "התעמלות" לא קטנה, משום שעל פי QCD אין לבריונים חלקיקים מסיביים פרט לקווארקים. כך, למשל, QCD מייחס לגלואונים חסרי המסה את המומנטום של רוב הבריון. כאשר יתבצע ניסוי דומה בפיון, שם אנחנו בטוחים שלגלואונים לא תהיה שום השפעה על המומנטום, עשוי סוף סוף להתעורר בליבם ספק בעניין התירוץ שסיפקו בזמנו לכך שחלק גדול מהמומנטום של הפרוטון הינו בגלואונים הנסתרים. כאשר, כפי שאנחנו בטוחים, גרף חתך הפעולה בהתנגשות פיונים ירד עם העליה באנרגיה, תופעה המנוגדת למה שקיים בפרוטונים, יתכן שירד האסימון, ויבינו סוף סוף שאכן יש חלקיקים מסיביים נוספים בתוך הפרוטון.

ההנמקה ההיסטורית
אחת השאלות המרכזיות שכל קורא שואל את עצמו, היא איך יתכן שקהילה של מדענים, אשר אין ספק שרובם הגדול אנשים חכמים ואפילו חכמים מאוד, אוחזים בתיאוריה אשר לגביה נטען כאן שהיא מלאת חורים ככברה. עצם התמיכה של קהילת המדענים בQCD כמעט ללא עוררין, מחזקת מאוד את התיאוריה הזו בעיני הקורא הנבון. ולכן, ההסבר ההיסטורי, אשר באתר זה ניסינו להמחיש אותו, הינו בעל חשיבות לא קטנה להבנת הסיטואציה.

בעניין זה חשוב להבין שהידע שאנו רוכשים לגבי החלקיקים מהם מורכב הפרוטון גדל ככל שגדלה האנרגיה של מאיצי החלקיקים. בשנות השלושים של המאה הקודמת הניחו שהפרוטון והניוטרון הינם חלקיקים אלמנטריים, והתורה של יוקאווה נועדה להסביר כוח משיכה בלבד אשר דועך במהירות. כאשר התגלו הקווארקים בשנות השישים, ניסה שווינגר לבדוק האם הקווארקים יכולים להיות מונופולים מגנטים, אך הוא היה שבוי במסגרת התיאוריה של דיראק לגבי המונופולים ולכן שלל אפשרות זו. QCD, אשר נבנה בשנות השישים, הניח שהקווארקים החיצוניים הינם החלקיקים המסיביים היחידים, ויוצרי התורה שוב היו צריכים לתאר כוח משיכה בלבד בין הקווארקים. כאשר פירסם קומאי את התיאוריה שלו בשנות השמונים והתשעים, היא נבלעה ברעש האדיר של פרסומים שונים ומשונים, בין השאר של מדענים המחפשים חומרים שאינם קיימים.

רק בתחילת המאה העשרים ואחת הגיעו מאיצי החלקיקים לרמת אנרגיה גבוהה דיה כדי לספק ראיות חותכות לקיומם של אובייקטים מסיביים נוספים בפרוטון. יתכן שהגיע הזמן להכיר בראיות אלה, ולא לחכות שיומצא להן הסבר יש מאין.

מודעות פרסומת

פעולות

Information

כתיבת תגובה

הזינו את פרטיכם בטופס, או לחצו על אחד מהאייקונים כדי להשתמש בחשבון קיים:

הלוגו של WordPress.com

אתה מגיב באמצעות חשבון WordPress.com שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Twitter

אתה מגיב באמצעות חשבון Twitter שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת Facebook

אתה מגיב באמצעות חשבון Facebook שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

תמונת גוגל פלוס

אתה מגיב באמצעות חשבון Google+ שלך. לצאת מהמערכת / לשנות )

מתחבר ל-%s




%d בלוגרים אהבו את זה: