רוברט אופנהיימר, ראש פרוייקט מנהטן, נחשב לאבי הפצצה האטומית שהוטלה בסיום מלחמת העולם השנייה על הירושימה ואחר כך על נגסקי. אופנהיימר חש רגשי אשמה ופעל אחרי המלחמה למען הקמת פיקוח בינלאומי על המשך פיתוח הנשק הגרעיני.

אופנהיימר המשיך לעסוק עד שנות השישים במחקר מדעי של מבנה גרעין האטום. יחד עם שאר המדענים הוא הופתע לגלות שהפרוטונים והניוטרונים בגרעין, שאותו פוצצו בסוף מלחמת העולם השנייה, אינם חלקיקי יסוד ויש עשרות חלקיקים לא מוכרים שהתקבלו בניסויים של מאיצי חלקיקים אשר נעשו לאחר המלחמה. בשנות השישים עדיין לא היה ברור מי הם החלקיקים הנוספים, גן חיות של חלקיקים קוונטיים.

אופנהיימר הופתע לגלות שהפרוטונים והניוטרונים בגרעין אינם חלקיקי יסוד ויש עשרות חלקיקים לא מוכרים שהתגלו אחרי המלחמה. בשנות ה-60 הם עדיין היו בגדר גן חיות של חלקיקים קוונטיים

אופנהיימר נולד בארה"ב, אך למד את תורת הקוונטים החדשה באירופה מגדולי הפיזיקאים של המאה הקודמת, נילס בוהר, ארנסט רת'רפורד, וורנר הייזנברג, אנריקו פרמי, וולפגנג פאולי, פול דיראק ג'ון פון-ניומן, אלברט איינשטיין ואחרים ואת חלקם הוא גם גייס לטובת פרויקט מנהטן בזמן מלחמת העולם השנייה.

הסימטריה של החומר

בשנת 1962 דיבר אופנהיימר בהרצאתו על הסימטריה של החומר וגם על שבירת הסימטריה. אופנהיימר הסביר שהמושג סימטריה במדע רחב יותר מהסימטריה שאנחנו רואים באומנות לדוגמה. למשל סימטריה של שיקוף שיפה בעינינו.

הסימטריה בפיזיקה מתייחסת לקבועי תנועה שנשמרים תחת פעולות סימטריה של הזזה או סיבוב למשל. דוגמה לכך הם התנע הקווי שנשמר במרחב אחיד, התנע הזוויתי שנשמר במערכת בעלת סימטריה כדורית, האנרגיה שנשמרת כשלא מופעל כוח המשתנה עם הזמן. אופנהיימר ציין שחבורות סימטריה השפיעו מאוד על התפתחות הפיזיקה המודרנית ושהאינבריאנטיות (אי השינוי) של המערכת תחת פעולות הסימטריה מעידה על קיומם של קבועי תנועה.

כשקוראים ספרי לימוד מדעיים הרושם המתקבל הוא של תיאוריות מושלמות שנוצרו על ידי גדולי המדענים הענקים טופ-דאון: משוואת מקסוול, משוואת איינשטיין ודיראק. הפתרונות של המשוואות מוחלטים והמדע נובע ומוסבר על ידן באופן ברור וללא בעיות. האמת היא שהמדע התפתח קצת אחרת, בוטום-אפ, במשך עשרות ואפילו מאות שנים.

הרבה תגליות מדעיות היו מקריות, וגם מגליהן הופתעו לפעמים מהמשוואות המתמטיות שהם עצמם ניסחו. כמו המקרה של דיראק ואפילו של איינשטיין, שהופתע מהפתרון של קרל שוורצשווילד. פתרון שהביא בהמשך לגילוי החורים השחורים שאיינשטיין לא צפה.

הרבה תגליות מדעיות היו מקריות, וגם מגליהן הופתעו לעתים מהמשוואות המתמטיות שניסחו בעצמם. כמו המקרה של דיראק ואפילו איינשטיין, שהופתע מהפתרון של שוורצשווילד, שהביא בהמשך לגילוי החורים השחורים

הפיזיקה המודרנית נבנתה ועדיין נבנית טלאי על טלאי, ועדיין לא נמצאו כל הטלאים. לדוגמה, המודל הסטנדרטי של הפיזיקה אינו מתאר עדיין את שדה הכבידה.

מכניקה קוונטית וחבורות סימטריה

אופנהיימר הסביר שהתיאוריה הקוונטית הוסיפה שני דברים חדשים. בפיזיקה הקוונטית קיימים מצבים עצמיים שאינם משתנים בזמן, ולכן ניתן לשייך להם מספרים קוונטיים. בניגוד למכניקה הקלאסית, בפיזיקה הקוונטית גם חבורות סימטריה דיסקרטיות יכולות לייצר קבועי תנועה חדשים ולקבל מספרים קוונטיים.

לדוגמה, פעולות סימטריה של שיקוף וגם של החלפה של שני חלקיקים זהים הם סימטריות שמייצרות קבועי תנועה ומספרים קוונטיים. פונקציית גל שמאפיינת מצב עצמי של המערכת יכולה להיות בעלת סימטריה זוגית או אי-זוגית. למרחב הריק יש מבנה ותכונות סימטריה, יש אופי שנשמר, אין לו העדפה לכיוון מסוים והוא משמר תנע. חבורת לורנץ מקיימת את הסימטריה הזו ושיחקה תפקיד מרכזי בפיתוח הפיזיקה המודרנית הקלאסית והקוונטית.

אופנהיימר הסביר שהפיזיקה הגרעינית גילתה שחלקיקים מופיעים ונעלמים באופן ספונטני באנרגיות גבוהות. לדוגמה, שני פוטונים יכולים לייצר אלקטרון ופוזיטרון, ניוטרון יכול להפוך לפרוטון ולפלוט אלקטרון ואנטי-נייטרינו, שני פרוטונים שמתנגשים באנרגיות גבוהות של מאיצי חלקיקים יכולים לייצר עשרות ומאות חלקיקים לא מוכרים עד אז, שנקראו מזונים, בריונים ולפטונים. גן חיות לא מוסבר של חלקיקים קוונטיים.

כשהפיזיקאים ראו את עשרות החלקיקים החדשים הם הבינו שהפרוטונים והניוטרונים כנראה בנויים מתת חלקיקים ושיש סימטריות חבויות נוספות שהם לא מבינים. אופנהיימר סיים את הרצאתו ב-1962 באמירה שהוא מאמין שהאדם יפענח את מבנה הגרעין אבל שאינו בטוח בכך.

למראה החלקיקים, הפיזיקאים הבינו שהפרוטונים והניוטרונים בנויים מתת חלקיקים עם סימטריות חבויות שאינם מבינים. אופנהיימר אמר שהוא מאמין (אך אינו בטוח) שהאדם יפענח את מבנה הגרעין

עשר שנים לאחר מכן, בתחילת שנות השבעים, הושלמה התיאוריה של הכרומודינמיקה הקוונטית של הפיזיקה הגרעינית, שמתבססת על הכללה של תורת השדות הקוונטית של השדה האלקטרומגנטי חסר המאסה (הפוטון) ושל הפוטנציאל הווקטורי הניתן לכיול של יאנג-מילס. התיאוריה מתבססת על חבורות סימטריה לא קומוטטיבית SU(3).

התווספו לתיאוריה מטענים גרעיניים חדשים בנוסף למטען החשמלי המוכר ותת-חלקיקים חדשים שנקראו על ידי מארי גל-מאן קווארקים. נמצא שיש שלושה קווארקים שמרכיבים את חלקיקי החומר של הגרעינים ושמונה גלואונים שמעבירים את הכוח הגרעיני החזק. נמצא גם שאת החלקיקים החדשים, הקווארקים, לא ניתן לראות כחלקיקים בודדים. הם יופיעו תמיד בזוגות (מזונים) או שלשות (פרוטונים וניטרונים) חסרי צבע גרעיני.

המודל הסטנדרטי של הפיזיקה המודרנית פתר את בעיית גן החיות של החלקיקים הקוונטיים ומבוסס על מספר קטן מאוד של חלקיקים יסודיים שמהם מורכב החומר המוכר של היקום.

יש 2 קווארקים יציבים ועוד 4 סוגים של קווארקים כבדים יותר ולא יציבים. יש אלקטרון אחד יציב ועוד שני סוגים כבדים יותר שלו שגם הם לא יציבים. יש חלקיק חמקן אחד נוסף הניטרינו שאנריקו פרמי גילה ושגם לו יש שני קרובים כבדים יותר. לכל אחד מהחלקיקים היסודיים נמצא גם בן-זוג אנטי-חלקיק. לחלקיקים היסודיים מתווספים חלקיקי אינטראקציה שמעבירים את הכוחות ביניהם שנקראים, פוטונים, גלואונים, בוזונים נוספים וגרביטונים שמשלימים את השדות\חלקיקים של המודל הסטנדרטי.

המודל הסטנדרטי של הפיזיקה המודרנית פתר את בעיית גן החיות של החלקיקים הקוונטיים ומבוסס על מספר קטן מאוד של חלקיקים יסודיים שמהם מורכב החומר המוכר של היקום

הסימטריה של מצב היסוד הקוונטי הכרומודינמי

מצב היסוד הקוונטי הכרומודינמי מורכב מקונדנסט של קווארקים וגלואונים. תיאורית השדות של המודל הסטנדרטי שהכלילה את התיאוריה של השדה האלקטרומגנטי לכוח הגרעיני החלש והחזק מייצרת חלקיקים חסרי מאסה.

המסה של החלקיקים היסודיים בטבע נובעת משבירת הסימטריה של מצב היסוד הקוונטי כרומודינמי של הווקום. לדוגמה, על פי האיחוד של הכוח הגרעיני החלש עם הכוח האלקטרומגנטי, המסה של האלקטרון נקבעת על ידי אינטגרל החפיפה של פונקציית הגל של מצב היסוד הקוונטי, עם זוגות של קווארקים ואנטי-קווארקים שנקראים פיונים.

בהשראת הטטראהדרונים של תיאוריית הגרוויטציה הקוונטית של קרלו רובלי שהציע שהמרחב והזמן בנויים גם מיחידות בדידות, קוונטות, המאמר

The QCD Ground State Chiral Tetrahedron Symmetry מציע שפיון שמורכב מארבעת הקווארקים הקלים ובני זוגם, קווארקים מסוג d ומסוג u ובני זוגם האנטי-קווארקים, יוצרים גיאומטריה מרחבית בעלת מבנה של טטראהדרון.

הגיאומטריה של הטטאהדרון יכולה ליצור שני שיקופי מראה קיראליים שמתקבלים על ידי החלפת המיקום של שני האנטי-קווארקים כפי שמראה השרטוט, אפשרית קיראליות ימנית או שמאלית, שיכולה לשמש כשבירת הסימטריה הנדרשת ממצב היסוד הקוונטי, על פי התיאוריה של יאנג-מילס ובוזון גולדסטון.

הטטראהדרון הקוונטי-כרומודינמי

תנועת סיבסוב של הקווארקים הטעונים חשמלית של הטטראהדרונים יכולה לפלוט קרינה אלקטרומגנטית הניתנת למדידה. מבנה הטטראהדרון מספק את הדרישה של שבירת סימטריה קיראלית במצב היסוד הקוונטי המעניקה את המסה לחלקיקים היסודיים, ובנוסף לכך הטטראהדרון יכול לשמש להעברת כוחות על ידי שיחלוף של קווארקים של הטטראהדרונים עם קווארקים של החומר.

את המסה של הטטראהדרון ניתן יהיה למדוד אולי על ידי מדידת השינוי המחזורי של זמני מחצית החיים של דעיכה גרעינית ואת התדר והעוצמה של הקרינה שיהיו תלויים אולי בצפיפות הטטראהדרונים במרחב מהן הקרינה נפלטת ניתן גם יהיה למדוד.

על פי התיזה המוצעת במאמר הכוחות הגרעיניים משפיעים לא רק על המבנה הפנימי החבוי של הגרעין שמתגלה בניסויים באנרגיות גבוהות במאיצי חלקיקים אלא גם על העברת הכוחות בטבע באנרגיות הנמוכות על ידי שיחלוף קווארקים של החלקיקים היסודיים עם הטטראהדרונים, המכילים מספר שווה של קווארקים ואנטי-קווארקים במצב היסוד הקוונטי הכרומודינמי.

ד"ר רמי רום הוא דוקטור לכימיה פיזיקלית, עורך פטנטים וחוקר עצמאי של מלחמת יום כיפור.