13 תעלומות מדעיות: השאלות המסקרנות ביותר של...

פתח דבר

אני עומד במבואה המפוארת של מלון מטרופול בבריסל ומתבונן בשלושה חתני פרס נובל נאבקים בדלת של מעלית.

אין ספק שהמעלית הזאת איננה קלה להפעלה. זהו כלוב עשוי סבכת ברזל עם מערכת הרמה הנראית כמו משהו שאיזַמבַּרד קינגדוֹם בּרוּנֶל1 עשוי היה לבנות. כאשר נכנסתי אליה בפעם הראשונה לפני שלושה ימים הרגשתי כמו נוסע־בזמן אל העבר הרחוק. אבל אני, לפחות, הצלחתי להפעיל אותה.

1 מהנדס בריטי (1859-1806). עסק בעיקר בבניית מסילות ברזל, אבל התפרסם בזכות שלוש אוניות קיטור שתיכנן, ואשר כל אחת מהן היתה ראשונה מסוגה. (כל ההערות הן של המתרגם)

מאחר שהמאבק הכושל של המדענים מביא אותי במבוכה, אני מסב מהם את מבטי ומסיח את דעתי בהתבוננות בפאר שמסביב. המטרופול נבנה בשלהי המאה ה־19 והוא מקושט במידה מעוררת גיחוך כמעט. הקירות מחופים בלוחות שיש ענקיים והתקרה מעוטרת בדגמים גיאומטריים בצבעי זהב וירוק־מַרוָוה. נברשות הבדולח קורנות חום שמעורר בי את הרצון להתכרבל על אחת הכורסאות ולהירדם. למעשה, אורות זוהרים ומרגיעים מאירים בכל פינה. בחוץ, בפלאס דה ברוקר, רוח מקפיאה נושבת; המחשבה על דצמבר הקר והעגום השורר מחוץ לדלתות הסובבות מעוררת בי את הרצון להישאר כאן לנצח.

חתני פרס נובל עדיין נאבקים. נראה שאיש מלבדי לא הבחין בבעיה שלהם. אני תוהה אם לחצות את המבואה ולהציע את עזרתי — כאשר ניהלתי את מאבקי הארוך בדלת, גיליתי שיש משהו במנגנון הנעילה המנוגד להיגיון: כאשר נראה שהדלת נעולה בהחלט, עדיין אין זה כך, שכן נדרשת עוד הסטה אחת סופית של הבריח — אבל אז עולה בדעתי שמי שהצמיד את סיכת האקדמיה של נובל לדש מקטורנו אמור להיות מסוגל לגלות זאת בעצמו.

אני רוצה לחשוב על מדענים כעל מי שמצויים ברומם של דברים, כעל מי שמסוגלים להסביר את העולם שאנו חיים בו, כעל מי שהם אדוני היקום שלהם. אבל ייתכן מאוד שזוהי רק אשליה נוחה. כאשר אצליח להתנתק מן המחזה המגוחך המתרחש בתוך המעלית, אתפוס מונית ואשאיר מאחורי את הכינוס המדעי המרתק ביותר שהייתי בו מעודי. הוא היה מרתק לא משום שהוצגה בו איזו תובנה מדעית חדשה. למעשה ההפך הוא הנכון. היתה זאת העובדה שלא הוצגה כל תובנה, וכמדומה גם לא כל דרך להתקדם בה, שהפכה את הדיונים למעניינים כל כך. היתקעות גמורה וללא מוצא עשויה להיות מצב חיובי במדע; לעתים תכופות משמעות הדבר היא שמהפכה ממשמשת ובאה.

הדיונים בכינוס התמקדו בתורת המיתר — הניסיון לקשור יחד את תורת הקוונטים עם תורת היחסות של איינשטיין. שתי התיאוריות אינן מתיישבות זו עם זו. אנו צריכים לעבד אותן מחדש כדי לתאר כראוי את היקום, ותורת המיתר היא אולי הדרך המוצלחת ביותר לעשות זאת. ואולי לא. ביליתי את שלושת הימים האחרונים בהאזנה לכמה מגדולי המוחות של ימינו כשהם דנים באפשרויות לשלב יחסות עם תורת הקוונטים. ומסקנתם, יותר משלושה עשורים אחרי לידתה של תורת המיתר, היתה שעדיין איננו יודעים באמת היכן להתחיל.

הכינוס שהייתי בו היה ועידת סוֹלביי בפיזיקה, מפגש בעל היסטוריה שאין עשירה ממנה. בוועידת סולביי הראשונה בשנת 1911 — הכינוס העולמי הראשון בפיזיקה — דנו המשתתפים בתופעה שהתגלתה קצת יותר מעשור לפני כן וקיבלה את השם רדיואקטיביות. כאן, במלון הזה ממש, מארי קירי, הנדריק לורנץ ואלברט איינשטיין הצעיר התווכחו כיצד ייתכן הדבר שחומרים רדיואקטיביים מצפצפים על חוקי השימור של האנרגיה והתנע. תופעת הרדיואקטיביות היתה אנומליה; היא לא התיישבה עם ההיגיון. הבעיה נפתרה בסופו של דבר עם לידתה של תורת הקוונטים. אבל בוועידת סולביי ב־1927 טבעה המוזר של תורת הקוונטים עצמה הוא שגרם לבעיות ועורר את איינשטיין ואת נילס בּוֹהר, את לורנץ ואת ארווין שרֶדינגֶר, את ארנסט רָתֶרפוֹרד ואת ג'ון פון נוימן לשבת על המדוכה ולדון בחוקים החדשים האלה של הפיזיקה באותה מידה של מבוכה שגילו לפני כן כלפי הרדיואקטיביות.

זה היה רגע יוצא דופן בתולדות המדע. תורת הקוונטים כללה את הרעיון החדשני שיש בטבע דברים שהם אקראיים לחלוטין ומתרחשים ללא כל סיבה. הדבר לא נראה הגיוני לאיינשטיין ולבוהר, והשניים בילו את הזמן שבין הדיונים הרשמיים בהתנצחות על משמעות הדברים. הגישות הפילוסופיות שלהם לטיפול במסתורין הזה היו שונות לחלוטין. לבוהר משמעות הדבר היתה כי יש דברים שעשויים להימצא מעבר לתחומו של המדע, ואילו לגבי איינשטיין הצביע הדבר על כך שמשהו אינו תקין בתיאוריה. היה זה כאן, במלון הזה, שאיינשטיין העיר את הערתו המפורסמת "אלוהים אינו משחק בקוביות". תגובתו של בוהר משקפת את התסכול הגדול ביותר של המדענים: קביעת החוקים אינה נתונה בידיהם. "איינשטיין," הוא אמר, "הפסק לומר לאלוהים מה לעשות."

שניהם לא זכו לראות בחייהם את החידה באה על פתרונה — למעשה, היא טרם נפתרה עד היום. אך אם נאמין לכמה ממשתתפי ועידת סולביי העשרים ושלוש, נראה שבוהר צדק בטענתו שיש גבולות למדע. חצי מהתיאורטיקנים של תורת המיתר שנכחו בוועידה, ובהם אחדים מן המוחות החריפים ביותר בעולם, משוכנעים עתה שלעולם לא נוכל להבין את היקום במלואו. האחרים, שעדיין מחפשים אחר "התיאוריה של הכול", סבורים שחייב להיות הסבר כלשהו שנוכל להגיע אליו, אבל אין להם מושג היכן ניתן למצוא את ההסבר הזה. מה גרם למצב המיוחד והמוזר הזה? עוד אנומליה אחת.

האנומליה הזאת התגלתה בשנת 1997. ניתוח האור שנקלט מסופרנובה רחוקה הביא את האסטרונומים להסיק מסקנה מבהילה: לא זו בלבד שהיקום מתפשט, אלא שמהירות ההתפשטות הולכת וגדלה ללא הרף. התגלית הדהימה את האסטרונומים. איש אינו מבין מדוע כאלה הם פני הדברים. כל שהם יכולים לומר הוא כי "אנרגיה אפלה" כלשהי מנפחת את היקום.

האנומליה הזאת, לכאורה תצפית אסטרונומית פשוטה, הורידה את תורת המיתר על ברכיה. היא מקצצת את כל ההישגים שחסידי התיאוריה סברו שהשיגו. במילים פשוטות, הם אינם מסוגלים להסביר זאת — ורבים מהם סבורים שהגיע הזמן לחדול לנסות. יש תשובה הניצבת מולנו בבירור, הם אומרים: היקום שלנו הוא בהכרח אחד מיקומים רבים, ולכל אחד מהם יש מאפיינים אחרים. הניסיון לגלות מדוע מאפייני היקום שלנו הם כפי שהם, הוא פשוט בזבוז זמן.

אך אין זה כך. יש משהו מעורר השראה באנומליה הזאת כמו בכל אנומליה אחרת. בראשית שנות השישים של המאה ה־20, כשתומס קוּן כתב את ספרו "המבנה של מהפכות מדעיות", הוא בחן את תולדות המדע מתוך רצון לגלות רמזים על טבעה של התגלית המדעית. הרמזים שגילה הביאו אותו ליצירת מונח שהיה בינתיים למטבע לשון — החלפת פרדיגמה. הרעיון של קון הולך ככה: מדענים פועלים לאור אוסף מסוים של רעיונות על העולם ועל הדרך שבה הוא פועל. כל מה שהם עושים, בין שזה מחקר ניסויי ובין שזו חקירה עיונית, ניזון מקבוצת הרעיונות האלה ומשתבץ במסגרתם. אך עובדות מסוימות שאינן משתלבות עשויות להופיע. בתחילה מתעלמים מהעובדות האלה, או מנסים לחסל אותן. אבל כחלוף הזמן האנומליות מצטברות בשיעור כזה שאין עוד אפשרות להתעלם מהן או לחסלן. או אז מתחולל משבר.

בעקבות המשבר, הוסיף קון וטען, מתרחשת החלפת פרדיגמה, שבה הכול מאמצים דרך חדשה לחלוטין של הסתכלות על העולם. כך התקבלו רעיונות מהפכניים כמו תורת היחסות, תורת הקוונטים והתיאוריה של טקטוניקת הלוחות.

המצב עם האנרגיה האפלה הוא עוד משבר מהסוג הזה. תוכלו לראותו כמצב מדכא, וכאות לכך שהמדע נתקל בקיר מוצק, אך באותה מידה תוכלו לראות בכך מצב מרגש ומעורר השראה. משהו חייב לקרות, ופריצת הדרך עשויה להתרחש בכל מקום ובכל זמן. מה שמרגש עוד יותר הוא העובדה שאין זו האנומליה היחידה של זמננו — ממש לא.

היא אינה היחידה אפילו בקוסמולוגיה. עוד בעיה קוסמית, בעיית החומר האפל, זוהתה לראשונה בשנות השלושים של המאה ה־20. כמעט בדיוק לפי התבנית של קון, התעלמו ממנה קרוב לארבעים שנה. ורה רוּבּין, אסטרונומית במכון קרנגי בוושינגטון הבירה, היתה זו שהעלתה את העניין ואילצה את החוקרים להתייחס אליו. בתחילת שנות השבעים היא הראתה שצורתן של גלקסיות, ממדיהן ואופן סחרורן מלמדים על אחת משתיים — או שמשהו משובש בכוח הכובד או שבחלל החיצון יש הרבה יותר חומר מכפי שאנחנו יכולים לראות. איש אינו רוצה להתעסק עם חוקי ניוטון השולטים בכוח הכובד, אך איש אינו יודע גם מה יכול אותו חומר אפל להיות.

יש משהו מעודד במחשבה שהמדע מסוגל להכיר את מסתרי היקום, אבל העובדות מספרות סיפור שונה לחלוטין. החומר האפל והאנרגיה האפלה מהווים יחד 96 אחוזים מהיקום. די בשתי התוצאות המדעיות החריגות האלה ללמד אותנו שאנו מסוגלים לראות שבריר קטן בלבד של מה שאנו מכנים הקוסמוס. החדשות הטובות הן שעתה, אולי, הקוסמולוגים יוצאים משלב המשבר של קון, והם מצויים בתהליך של המצאת היקום שלנו מחדש — או שימצאו, בו ברגע שיצליחו לפתור את הבעיה, לאן אמורה החלפת הפרדיגמה להוביל.

ויש עוד אנומליות מרגשות — אולי מהפכות בהמתנה — שמצפות גם הן לבחינה מדוקדקת יותר שלנו. למשל, תופעת הפּלָצֶבּוֹ: ניסויים מתוכננים בקפדנות ומבוקרים בדקדקנות מוצאים שוב ושוב שהנפש יכולה להשפיע על הביוכימיה של גופנו באופנים שיכולים לסלק כאבים ולחולל השפעות רפואיות מדהימות. הבעיה היא שבדומה לחומר האפל, איש אינו בטוח לחלוטין שתופעת הפלצבו אכן קיימת. ניסויים במיזוג גרעיני קר, שבהם תגובות גרעיניות בתוך אטומי מתכת משחררות בבטחה אנרגיה רבה יותר משהן צורכות, שרדו גם הם כמעט שני עשורים של ספקנות, ומשרד האנרגיה של ארצות הברית הודיע לאחרונה שהראיות המתקבלות מניסויי המעבדה חזקות דיין להצדיק תקצוב לסיבוב נוסף של מחקר ניסויי. העניין הוא שמיזוג גרעיני קר סותר את כל הידע המקובל בפיזיקה; אין כל תשובה סבירה לשאלה מדוע הדבר אמור לעבוד. אין אפילו ראיות חזקות שהוא אכן מתרחש. ובכל זאת, ראוי לחקור את הנושא: הרמזים המצויים בידינו מצביעים על כך שעשויה להיחשף כאן תיאוריה עמוקה וחדשה לחלוטין בפיזיקה, שהשלכותיה על ענפים שונים של המדע יכולות להיות אדירות. נוסף על כך ישנו האות "התבוני" מן החלל החיצון, שזה שלושים שנה שם לאל כל ניסיון להסבירו; וישנה החידה של תחושת הרצון החופשי שיש לכולנו, הנוגדת את כל הראיות המדעיות המצויות ברשותנו; וישנן החלליות שכוח לא ידוע מסיט אותן ממסלולן; וישנם הקשיים שאנו נתקלים בהם, גם תוך שימוש בתיאוריות הבילוגיות המתקדמות ביותר שברשותנו, בהסברת תופעות המין והמוות... והרשימה נמשכת.

הפילוסוף קרל פּוֹפֶּר אמר פעם, באכזריות לא מבוטלת, כי "אפשר לתאר את המדע כאמנות של הפשטת־יתר שיטתית." אף על פי שגם קביעה זו כשלעצמה היא הפשטת־יתר, ברור לחלוטין שיש עניינים רבים שלגביהם ראויה לו למדע מידה יתרה של ענווה. אך כאן נעוצה גם הנקודה שתכופות מחמיצים אותה מדענים הלהוטים להיראות כאילו שום דבר אינו מצוי מעבר ליכולותיהם. האנרגיה האפלה תוארה כבעיה המטרידה ביותר בפיזיקה. אך אין זה כך. זוהי ללא ספק ההזדמנות הגדולה ביותר בפיזיקה — היא מספקת לנו סיבה לבחון את הפשטות־היתר שלנו ולתקן אותן, ועל ידי כך להביא אותנו לרמת ידע חדשה. עתידו של המדע תלוי בזיהויָם של הדברים שאינם מתיישבים עם ההיגיון; ניסיונותינו להסביר את האנומליות הם בדיוק הדבר המצעיד את המדע קדימה.

במאה ה־16 הובילה סדרת אנומליות שנצפו בגרמי השמים את האסטרונום ניקולאוס קופרניקוס להכיר בעובדה שכדור הארץ סובב סביב השמש — ולא להפך. בשנות השבעים של המאה ה־18, בעקבות ניסויים שתוצאותיהם סתרו את כל התיאוריות של זמנם, הגיעו הכימאים אנטואן לבואזיה וג'וזף פריסטלי למסקנה בדבר קיומו של החמצן. במשך שנים רבות השגיחו לא מעט בני אדם בדמיון המוזר בין חופה המזרחי של אמריקה הדרומית והחוף המערבי של אפריקה, משל היו אלה חלקים מתאימים בתצרף, אך רק בשנת 1915 היה מי שהסב את תשומת הלב לכך שאולי יש בכך יותר ממקרה. ראייתו החודרת של אלפרד וֶגֶנֶר היא שהולידה את התיאוריה המקובלת כיום של טקטוניקת הלוחות ונדידת היבשות. היתה זו הבחנה שחיסלה באִבחה אחת את טבעו הישן, דמוי איסוף הבולים, של מדע הגיאולוגיה, והעמידה ביסודו תיאוריה מאחדת שחשפה לבחינה מחודשת את ההיסטוריה בת מיליארדי שנים של כדור הארץ. מהפך דומה חולל צ'רלס דארווין בביולוגיה באמצעות תורת הברירה הטבעית שלו; הימים שבהם התייחסו למגוון היצורים שעל פני כדור הארץ בלי יכולת לקשר ביניהם חלפו להם פתאום. אין מדובר אך ורק בניסויים ותצפיות. יש גם אנומליות אינטלקטואליות. חוסר התאמה בין שתי תיאוריות, למשל, הוא שהביא את איינשטיין להמציא את תורת היחסות, תיאוריה מהפכנית ששינתה את השקפתנו על המרחב, על הזמן ועל מרחביו העצומים של היקום.

איינשטיין לא זכה בפרס נובל על תורת היחסות. היתה זו אנומליה אחרת — טבעה המוזר של קרינת החום — שזיכתה אותו באות ההצטיינות העליון של המדע. תצפיות בקרינת החום הביאו את מקס פלאנק להעלות את ההשערה כי בתנאים מסוימים הקרינה אינה מתנהגת כזרם רציף של אנרגיה, כפי שסברו עד אז, אלא כמורכבת מצרורות או קוונטים (מנות). לגבי פלאנק, תיאוריית הקוונטים הזאת לא היתה הרבה יותר מתחבולה מתמטית נאה, אך איינשטיין ניצל אותה כדי להראות שיש בה הרבה יותר מכך. בהשראת עבודתו של פלאנק, איינשטיין הוכיח שהאור אכן מקוּונטַט וכי ניסויים יכולים לגלות כל צרור קוונטי כזה של אנרגיה. התגלית הזאת, שתכולת היקום שלנו בנויה מצרורות אנרגיה כאלה, היא שזיכתה אותו בפרס נובל בפיזיקה לשנת 1922.

לא שפרס נובל בפיזיקה הוא התשובה לכל דבר — והתצפית שלי על המעלית של מלון מטרופול מוכיחה זאת באופן חד וברור. מדוע אין שלושת הגברים האלה, שלושה מן המוחות הבהירים ביותר בדורם, מסוגלים להבחין בפתרון המתבקש מאליו? אינני יכול להימנע מלהרהר בשאלה אם גם איינשטיין נאבק בדלת הסרבנית של המעלית הזאת. אם אכן כך היה, הרי שבשלב הזה אפילו הוא הזעיק עזרה כשהוא מנופף באגרופו כלפי הכול יכול.

ההודאה בהיתקעות בדרך ללא מוצא אינה עניין פשוט עבור מדענים. רבים מהם איבדו את היכולת להכיר בעובדה שההודאה הזאת היא אולי הצעד הראשון בדרך חדשה ומפעימה. אך מרגע שעשיתם זאת — מרגע שהזעקתם את עמיתיכם לבוא לסייע בפתרון הבעיה שאתם תקועים בה, במקום לגרום להם מתוך גאווה להתעלם מכך — תוכלו להמשיך במסעכם. במדע, העובדה שאינכם מסוגלים להתקדם, יכולה להיות אות לכך שאתם עומדים לזנק זינוק גדול קדימה. הדברים שאינם מתיישבים עם ההיגיון הם, באופנים מסוימים, הדברים היחידים החשובים באמת.