פרק 7, ובו אנחנו מגלים שהמציאות מורכבת יותר מהדרך בה תיארנו אותה עד כה, לומדים על מודלים ומהם הכללים בבנייתם, ועושים הכרות ראשונית עם מודל שילווה אותנו עוד רבות בעתיד

הערת פתיחה: בפוסט הקודם כתבתי שסוף סוף נוכל להגדיר מהי טמפרטורה, אך כשניגשתי לכתוב את הפוסט הרלבנטי גיליתי שההצמדות לדוגמה של הכדורים המתנגשים מגבילה ומסבכת הכל. מכיוון שבכל מקרה תכננתי מתישהו להציג את הכלי אותו אני אציג כאן, החלטתי שמוטב לעשות זאת מוקדם ככל האפשר. ההגדרה וההסבר על הטמפרטורה יחכו למועד מאוחר יותר.

בפרקים הקודמים השתמשתי בדוגמה של כדורי ביליארד המתנגשים זה בזה — דוגמה אהובה על פיזיקאים. הכדורים בדוגמא שלי התנגשו זה בזה בצורה פשוטה, והתנהגו כאובייקטים נקודתיים לכל דבר ועניין. אבל זו כמובן תמונה שאינה מציאותית. הכדורים מורכבים ממספר עצום של אטומים, הקשורים זה לזה באינטראקציות בין-אטומיות, והתנגשות בין שני כדורים היא תהליך בו מספר עצום של אטומים הקרובים לפני הכדורים השונים מגיבים זה עם זה. גם ההנחה שלנו שהכדורים הם באמת כדורים אינה נכונה — במהלך ההתנגשות צורתם משתנה, לדוגמה.

מה שהשתמשנו בו היה מודל לתיאור המציאות. במודל שלנו הכדורים היו כדורים מושלמים, שאינם משנים את צורתם, והם התנגשו זה בזה בצורה פשוטה. כל מערכת פיזיקלית אמיתית מורכבת מדי מכדי לתארה בצורה מדויקת. אפילו הבעיה של רמות האנרגיה של אטום המימן, שסטודנטים לפיזיקה במהלך התואר הראשון פותרים אותה "במדויק", מבוססת על תמונה מקורבת בלבד של המציאות, שכן התמונה האמיתית מסובכת מדי. לשם כך אנחנו נזקקים למודלים. במהלך בניית המודל אנחנו זורקים החוצה חלקים גדולים מהפרטים המרכיבים את המציאות, במטרה לקבל תיאור שהוא טוב דיו כדי להסביר את התהליכים שאנחנו רואים. במקרה של כדורי הביליארד, מכיוון שאנחנו מעוניינים בסך הכל בתיאור ההתנגשויות בין האובייקטים ובמסלולים שלהם בעקבות ההתנגשויות, זו היתה הנחה סבירה להתעלם מהמבנה הפנימי המורכב של הכדורים, ולהתייחס לכל כדור כאל אובייקט יחיד. אם היינו מעוניינים לתאר מה קורה לכדור ביליארד כאשר מוחצים אותו במכבש, היינו חייבים להתייחס למבנה הפנימי שלו ולקשר בין האטומים השונים המרכיבים אותו. אופיו של קשר זה יקבע, לדוגמה, כמה כח ידרש כדי לרסק את כדור הביליארד. ברור שתיאור לפיו כדור הביליארד הוא אובייקט שבלתי ניתן לחלוקה יכשל בתסריט הזה. בדומה לכך, ואם להשתמש בדוגמה פחות אלימה, אם היינו מעוניינים לבחון כיצד הצבע נשחק מכדורי ביליארד במהלך ההתנגשות, היינו חייבים להתייחס למבנה העדין של מולקולות הצבע העוטף את הכדור.

במקרה של אטום המימן, שגם עליו אני רוצה להתעכב, התמונה מעניינת אף היא. מבלי להכנס לפרטי הפרטים של התורה הקוונטית, אנחנו בעצם מסדרים את האינטראקציות השונות המכתיבות את התנהגות האלקטרון לפי עצמתן היחסית. מה שאנו פותרים במדויק הוא את המודל המכיל את האינטראקציות הדומיננטיות ביותר (בדגש על הקשר האלקטרומגנטי בין האטום לאלקטרון). הפתרון הזה נותן תמונה ראשונית מצוינת של רמות האנרגיה. אך כאשר מסתכלים מקרוב, רואים שרמות מסוימות מתפצלות, ושנדרש דיוק נוסף אם אנחנו רוצים לתאר את הפיצול. הפיצולים נובעים משורה של אינטראקציות חלשות יותר (ואף של אפקטים יחסותיים), שאנחנו יכולים להוסיף למודל, וכל תוספת כזו משפרת מצד אחד את מידת הדיוק שלנו, אך מקשה מצד שני על הפתרון של המודל. וגם לאחר שמוסיפים את כל המורכבויות הללו, עדיין לא מתמודדים עם העובדה שהפרוטון באטום עצמו מורכב מקוורקים, לדוגמה.

אם כך, המודל הוא כלי חשוב ביותר בניסיון שלנו להבין את המציאות הפיזיקלית. הוא כלי שנועד להתמודד עם העובדה שכל תיאור מדויק לחלוטין של מערכת פיזיקלית לא יאפשר לנו לחשב שום גודל משמעותי, בשל המורכבות העצומה והפרטים המרכיבים כל מערכת אמיתית. לכן המודלים בהכרח אינם מדויקים. האתגר הוא יצירת מודל שמצד אחד יהיה מורכב מספיק כך שיצליח לתאר את התופעה הפיזיקלית שמעניינת אותנו, ומצד שני יהיה פשוט מספיק כך שנוכל לחשב מתוכו גדלים מעניינים, גם אם לא נוכל לפתור אותו במדויק.

אחד המודלים השימושיים ביותר והנפוצים ביותר במחקר פיזיקלי — ולא רק בו — הוא מודל שפותח לראשונה כדי לתאר את תופעת המגנטיות בחומר. כפי שידוע לכולנו, ישנם חומרים שלאחר שנפעיל עליהם שדה מגנטי ישארו ממוגנטים, ו-"יזכרו" את העובדה שהופעל עליהם שדה מגנטי, ויש כאלו שלא. השאלה מהי הפיזיקה המתארת את התופעה הזו היא שאלה עתיקת יומין אך למעשה רק לאחר פיתוח תורת הקוונטים ניתן היה לענות על השאלה באופן רציני. לאטומים המרכיבים כל חומר יש מומנט מגנטי המכונה "ספין", והסיבה לקיומו של מומנט זה נובעת מתורת הקוונטים ומתורת היחסות הפרטית.

ב-1925 הגיש ארנסט אייזינג (Ising) את עבודת הדוקטורט שלו בהנחיית פרופסור וילהלם לנץ (Lenz) באוניברסיטת המבורג. עבודת הדוקטורט תיארה מודל שנועד להסביר את תופעת המגנטיות של חומרים שונים. המודל הזה, שנקרא על שם אייזינג (שזכה כך לתהילת עולם), הוא מופת למעט המחזיק מרובה. על אף שהתיאור של הפיזיקה הוא כמעט קריקטורה, וההזנחות שמבוצעות בבניית המודל הן רחבות, הפיזיקה שהמודל מניב עשירה ומורכבת, ומתארת תופעות אמיתיות בצורה נהדרת.

אני אציין רק חלק מההזנחות והקירובים שעושה המודל, ואתאר זאת בתהליך מסודר ככל האפשר: האטומים בחומר אמיתי קשורים זה לזה באמצעות קשרים בין-אטומיים שונים, הקובעים את מיקומם. במקום תיאור זה מניח מודל אייזינג שריג של אטומים בעלי מיקום קבוע ולא משתנה. הספין של האטומים הוא גודל קוונטי, שצריך להיות מתואר על ידי אופרטורים מתאימים ונשלט על ידי משוואת שרדינגר. במקום זאת מודל אייזינג מניח ספינים קלאסיים — פשוט חצים בעלי גודל קבוע שמכוונים לכיוון מסוים ומתארים את כיוון המומנט המגנטי, אך בעוד הספינים האמיתיים יכולים להיות מכוונים לכל כיוון שהוא, במודל אייזינג אפילו החופש הזה נלקח מהם, ונותרים להם שני כיוונים בלבד: "למעלה" ו-"למטה", או ו- בהתאמה. במציאות הספינים באטום מסוים מקיימים אינטראקציה עם השדה המגנטי החיצוני וכן עם כל הספינים האחרים בחומר, בעצמה שתלויה במרחק ביניהם ובגורמים נוספים. במודל אייזינג הספינים מקיימים אינטראקציה רק עם הספינים השכנים להם, והאינטראקציה הזו פשוטה להחריד — שני ספינים באותו כיוון תורמים כמות אנרגיה למערכת, וספינים בכיוונים מנוגדים תורמים אנרגיה . בנוסף לכך הספינים מגיבים עם השדה המגנטי החיצוני.

אם כך, במקום עולם מורכב אנחנו נותרים עם אוסף של חצים הממוקמים על פני שריג, ויכולים כל אחד להצביע למעלה או למטה. ההמילטוניאן שמתאר את המערכת נתון על ידי הביטוי הפשוט

כאשר הוא הספין ה- וערכו הוא אחד או מינוס אחד, הסכום הראשון הוא על זוגות סמוכים של ספינים, והסכום השני הוא על כל הספינים במערכת. הוא השדה המגנטי החיצוני ו- גודל המתאר את הצימוד של הספינים לשדה המגנטי. וזהו. זה כל המודל. שימו לב מה המודל מניח — ספינים מגיבים זה עם זה כך שיש משמעות האם ספינים שכנים מצביעים לאותו כיוון או לכיוונים מנוגדים, כלומר ספינים "ירצו" להצביע לאותו כיוון כמו שכניהם או לכיוון הפוך משכניהם (ובעתיד נבין כיצד אנו יכולים לקבוע זאת), וכמו כן הספינים מושפעים מקיומו של שדה מגנטי חיצוני. מסתבר שהמודל הזה יכול להסביר הן בצורה איכותית והן בצורה כמותית מספר רב של תופעות מגנטיות.

נקודה חשובה, קריטית מאין כמוה לסיפורנו, נוגעת למימד של המערכת. אנחנו יכולים לחשוב על השריג כעל שריג חד ממדי — פשוט שורה ארוכה של ספינים. במצב כזה השכנים של כל ספין, עימם יש לו אינטראקציה, הם שניים בלבד — זה שמימינו וזה שמשאלו. בשריג דו ממדי לכל ספין ארבעה שכנים: שמאל, ימין, למעלה ולמטה. ובשריג תלת ממדי לכל ספין ששה שכנים. שום דבר לא מונע מאיתנו להמשיך ולהוסיף ממדים, ולמעשה למודל באינסוף ממדים (בו השכנים של כל ספין הם כל יתר הספינים) יש חשיבות דידקטית.

אייזינג רצה בתהחלה לפתור את המודל בשלושה ממדים (בשלב הנוכחי, "לפתור" פרושו "להצליח לחלץ באופן מדויק כל גודל תרמודינמי מהמודל". בהמשך נבין כיצד עושים זאת), אך הוא לא הצליח. גם הנסיון לפתור את המודל בשני ממדים כשל ולבסוף הוא פתר את המודל בממד אחד. רק ב-1944 לארס אונסגר (Onsager), טיפוס צבעוני שאני מקווה עוד לספר כמה מהסיפורים אודותיו, הצליח לפתור את המודל בשני ממדים. זהו פתרון מורכב ומסובך שאני מעולם לא למדתי. המודל בשלושה ממדים לא נפתר עד היום, והחישובים לגביו הם מקורבים בלבד תוך שימוש בשיטות נומריות כאלו ואחרות.

דוקטורנטים אשר נתקלים ביותר קשיים מאשר הצלחות במהלך המחקר האקדמי שלהם (מבט תמים לצדדים) עשויים להתנחם בעובדה שגם אייזינג לא הצליח לפתור את הבעיה שנתן לו הפרופסור שלו ונאלץ להסתפק בגרסה פשוטה יותר.

פרק שישי, ובו הרהור פילוסופי על אנטרופיה וחץ הזמן, והסיפור האכזרי והלא יאמן על בולצמן התם ולוכשמידט האכזר

בפרק הקודם הגדרנו את הגודל הזה שנקרא "אנטרופיה", וראינו מהי משמעותו של החוק השני של התרמודינמיקה: במערכת סגורה, האנטרופיה תגיע למקסימום. עם התקדמות הזמן האנטרופיה הולכת בכיוון אחד — מעלה. כשניסינו לתת לאנטרופיה משמעות מעבר לנוסחה המתמטית שלה — משמעות ב-"נפנופי ידיים" — כינינו אותה מדד ל-"אי הסדר" שבמערכת. בסוף הפוסט, בתור דוגמה, אמרתי שאם נניח ספל קפה חם בחדר ממוזג, אחרי זמן מה האנרגיה מספל הקפה תתפזר על פני כל החדר. המצב ההפוך — בו האנרגיה מכל החדר מתרכזת לספל הקפה — מייצג הקטנה של האנטרופיה ולכן לא יקרה.

אני מניח שרובכם, גם אם לא הנהנתם בראשכם למקרא הדוגמה הזו, לא הופתעתם ממנה. האינטואיציה האנושית שלנו מסתדרת יפה עם הרעיון הזה. אף אחד, הרי, לא מצפה שבאמת כל האנרגיה מהחדר תתרכז לכוס.

ובכן — במובן מסוים, נאיבי להחריד, הפיזיקאים דווקא כן מצפים שדבר כזה יקרה.

אני מניח שרובכם, גם אם לא הופתעתם מהמשפט האחרון, בוודאי רוצים להצביע על בעיה כלשהי במה שכתבתי. כפי שכתבתי אך בפסקת הפתיחה — ראינו כבר כיצד הפיזיקה, באמצעות שימוש במתמטיקה, דווקא מצליחה להסביר את התופעה הזו. אם כך — למה התכוונתי כשאמרתי שהפיזיקאים דווקא מצפים לכך שהאנרגיה מכל החדר תתרכז בכוס? כדי לפשט ולסייע בהבנה, נתמקד במערכת אותה כבר תיארנו בפרק הקודם: כדורי ביליארד המתנגשים זה בזה ללא אבדן אנרגיה. המערכת הזו יכולה לתאר בצורה יעילה גם את האנרגיה בכוס הקפה ההיפותטית לעיל — האנרגיה מועברת בין חלקיקי החומר באמצעות התנגשויות דומות לאלו של כדורי הביליארד.

אם כך, הבה נתבונן בהתנגשות אחת בודדת בין שני כדורים. דמיינו שאני מקרין בפניכם סרט של ההתנגשות: לא ניתן לקבוע אם הסרט מוקרן "קדימה" בזמן או "אחורה" בזמן! הסיבה לכך שאנחנו לא יכולים לדעת את זה, מהתבוננות בהתנגשות בודדת, היא הסימטריה להיפוך בזמן של חוקי הפיזיקה. כל התנגשות בין שני כדורים יכולה להתרחש בסדר הפוך ממה שהיא התרחשה, וחוקי הפיזיקה יהיו תקפים בדיוק באותה מידה.

וכאן אנו מגיעים לסתירה לכאורה: מתוך אוסף של התנגשויות שכל אחת מהן סימטרית להיפוך בזמן, ולכן חסרת כיוון זמן מוגדר, מופיע גודל — האנטרופיה — שעם הזמן רק גדל. כלומר הגודל הזה נותן כיוון לזמן. אם אני אקרין בפניכם סרט המראה כוס קפה קרה המתחממת כאשר האנרגיה מהחדר מתרכזת בה, יהיה לכולם ברור שהסרט מוקרן מהסוף להתחלה. אבל כל התנגשות בודדת בין מולקולות המתועדת בסרט ההיפותטי הזה לא יכולה לחשוף את העובדה הזו. המערכת נשלטת על ידי חוקים האדישים לכיוון הזמן, אבל בצורה קסומה כלשהי יש לה כיוון זמן מוגדר! אני מציע לקוראים לעצור כאן לרגע, לחשוב על הסתירה הזו ולראות אם אתם יכולים להעלות דרכים ליישובה.

הפיזיקאי הגרמני לודוויג בולצמן היה הראשון להגדיר את האנטרופיה. הוא החל מתיאור מערכת דינמית הדומה לכדורים המתנגשים שלנו, ומתוך ניתוח דינמי של המערכת הוא הגדיר גודל שסומן באות והראה שהוא קטן עם הזמן. הגודל הזה הוא פשוט מינוס האנטרופיה שהגדרנו בפרק הקודם. ראוי להתעכב כאן ולהעיר שהתיאור של בולצמן מקיף יותר מהתיאור שלנו בפרק הקודם, כיוון שהוא מתאר גם את הדינמיקה של המערכת, ולכן יכול לשמש גם לתיאור המערכת מחוץ לשיווי משקל, לדוגמה.

הסתירה בה אנו דנים כעת — בין הסימטריה בזמן של חוקי הפיזיקה לאותו גודל שהצלחנו לחלץ המציג הפרה בוטה של הסימטריה הזו, הטרידה כבר את בני תקופתו של בולצמן. הפיזיקאי והכימאי יוהן לוכשמידט ניסח את הבעיה הזו בפרדוקס הקרוי על שמו, והצטרף לרבים אחרים שתקפו את בולצמן בשל אותה H-Theorem מגונה שהוא ניסח, שהראתה את חד הכיווניות של הזמן. לסיפורנו, לצערי, סוף עגום. בולצמן, שההתקפות שספג הצטרפו לדכאון ממנו סבל גם כך, שם לבסוף קץ לחייו ב-1906, בגיל 62.

הבה ננסה ליישב את הפרדוקס. ראשית, ראוי לציין שהפרשנות שלי היא אחת אפשרית בלבד, ולוקטה מקריאה פה ושם של מספר ניתוחים של הבעיה (המאמר בקישור מומלץ במיוחד). מבחינה פרדיגמטית, אם אינני טועה, אין תשובה מוסכמת לפרדוקס הזה, ונראה שהוא לא מטריד יתר על המידה את העוסקים בתחום (ולטעמי העובדה הזו הופכת את כל הסיפור הזה למעניין פי כמה וכמה). נקודת המפתח כאן, לדעתי, היא העובדה שהאנטרופיה היא גודל סטטיסטי מטבעו, שמתבסס על חוסר הידיעה שלנו את כל הפרטים על המערכת. המוטיבציה לניתוח הסטטיסטי, שהוביל לבסוף להגדרת האנטרופיה, היתה זניחת התיאור המדויק של המערכת. אם אנחנו נדע לתאר את המערכת בצורה מדויקת אין כל טעם בשימוש בכלים של הפיזיקה הסטטיסטית: המערכת נמצאת במצב מסוים, ואנחנו יודעים בדיוק לתאר באיזה מצב היא תהיה. המושג של האנטרופיה — שמתאר התפלגות סטטיסטית של המצב של המערכת — מאבד את משמעותו בסיטואציה כזו. מכאן אנחנו יכולים להסיק שבעצם למערכת נתונה ברגע נתון אין בעצם אנטרופיה. מכיוון שהמערכת נמצאת במצב מסוים מוגדר מאוד, אין כל טעם לדבר על ההתפלגות של המצבים בהם היא יכולה להמצא. האנטרופיה מקבלת משמעות כשאנחנו מדברים על מערכת מסוימת לאורך פרקי זמן ארוכים מספיק (שיכולים להיות קצרים מאוד במונחים אנושיים) או על אוסף של מערכות. רק אז, כשאנחנו מוכנים לזנוח את הרדיפה אחר ידע מדויק, אנחנו יכולים להנות מהכלים שמאפשרים לנו לדבר על הסתברויות.

כאשר אנחנו מחליפים את התיאור המדויק של המערכת בתהליך בו המערכת עוברת בין התפלגויות שונות של מצבים, אנחנו זורקים חלק מהמידע שיש לנו על המערכת. בתיאור מדויק, אנחנו יכולים לצעוד "אחורה" בזמן ולדעת בדיוק מה היה מצב המערכת לפני זמן מסוים, ולצעוד "קדימה" בזמן ולדעת בדיוק מה הוא יהיה לאחר שזמן מה יחלוף. כשאנחנו מדברים על התפלגות סטטיסטית של מצב המערכת, אנחנו לא יודעים מאיזה מצב המערכת הגיעה למצב הנוכחי. בדיוק כאן טמון חץ הזמן. הגידול באנטרופיה מייצג תהליך של אבדן אינפורמציה לגבי ההיסטוריה של המערכת (לא לחינם מושג האנטרופיה אומץ עבור תורת האינפורמציה). אבדן האינפורמציה הזה הוא החום שעובר במערכת, והויכוחים לגבי אופיו של אותו גודל מסתורי וחמקמק אותו אנחנו מכנים "חום" ליוו את השנים הראשונות להתפתחותה של התרמודינמיקה כמדע. אבל עוד על כך, אני מקווה, נוכל לדבר בפרק הבא, בו גם נגדיר ונבין את מושג הטמפרטורה.

אני מקווה שלודוויג בולצמן, פיזיקאי דגול, נח על משכבו בשלום.

פרק חמישי, ובו אנחנו לומדים להכיר מערכות מורכבות יותר, ובין היתר מכירים את מושג האנטרופיה ומוכיחים את החוק השני של התרמודינמיקה

(ברצוני להודות לשחר מ-"תודעה כוזבת" על הערותיו מאירות העיניים, אשר סייעו בכתיבת הפוסט)

עד כה, כשדיברנו על המטרה שלנו כתיאור ההתנהגות של המערכת, דרשנו שנוכל להגיד איפה כל גוף בה נמצא בכל רגע נתון. כלומר שעבור כל גוף נוכל לכתוב את המיקום שלו כפונקציה של הזמן. אם אנחנו חושבים על המערכת כמכילה כוכב לכת המקיף את השמש, או על כמה כדורים שמתנגשים זה בזה, הרי שהמצב פשוט יחסית. אבל מה קורה אם מספר הגופים הוא עצום? מה קורה אם אנחנו מדברים לא על גוף אחד או שניים אלא על גופים — שזהו פחות ממספר האטומים שיש בגרם אחד של מימן? רק כדי שאפשר יהיה לקבל פרורפוציה על גודלו של המספר הזה, מאז שנוצרה מערכת השמש חלפו כ- שניות — אחד חלקי מיליון ממספר הגופים במערכת שלנו. במערכת כזו, ברור שאין טעם לדבר על מיקומו של כל גוף בכל זמן שהוא. גם אם היינו יכולים לכתוב את אוסף הפונקציות האלה לא היינו ממש יודעים מה לעשות איתו. בדיוק כדי לטפל במערכות כאלו נולדה המכניקה הסטטיסטית. במכניקה סטטיסטית אנו זונחים את הרעיון לפיו התיאור הרצוי של המערכת הוא תיאור המיקום של כל אחד מהגופים, ועוברים לעסוק בתכונות של המערכת כולה. אלו הם גדלים סטטיסטיים במובן שכל אחד מהחלקיקים הרבים שמרכיבים את המערכת תורם להם.

מכיוון שעלינו לוותר על שאלות הנוגעות לגופים ספציפיים בתוך המערכת, ולעבור לגדלים סטטיסטיים על המערכת כולה, אנחנו צריכים לדעת כיצד לבחור את התיאור הנכון של המערכת. נביט, בתור דוגמה למערכת פשוטה, על אוסף של כדורי ביליארד המתנגשים זה בזה על גבי שולחן בעל צורה כללית כלשהי. נניח שהכדורים אינם מאבדים אנרגיה — כלומר שאין חיכוך בינם לבין השולחן ושאנרגיה לא אובדת בהתנגשויות ביניהם. אם כך, ברור לנו שהאנרגיה הכוללת של המערכת נשמרת ולא משתנה בזמן. אבל ישנן מערכות רבות החולקות את אותה האנרגיה: אנחנו יכולים לחשוב על מצב בו כל הכדורים נמצאים במנוחה ורק כדור אחד נע במהירות עצומה, או על מצב בו לכל הכדורים פחות או יותר מהירות זהה שהיא אך שבריר ממהירותו של הכדור במצב הראשון שתואר. ובין שני מצבי הקיצון הללו ישנו רצף עצום ורב של מצבים שונים המייצגים התפלגות שונה של המהירויות. מבחינה אינטואיטיבית ברור לנו שאם נתחיל עם מערכת בה כל הכדורים נמצאים במנוחה ורק לכדור אחד מהירות גבוהה מאוד, הרי שכעבור זמן מה הוא יתנגש בכדורים אחרים, יעביר אליהם ממהירותו וכך אט-אט המערכת תתקרב יותר למצב בו כל הכדורים נעים והאנרגיה מתחלקת באופן שוויוני יותר בין כולם. האינטואיציה הזו, כמובן, אינה נכונה תמיד, ובהמשך אני ארחיב מעט על מערכות בהן התהליך הזה אינו מתרחש, אבל עבור מערכת כללית התיאור הזה יחסית מדויק. כיצד אנו יכולים לתאר את האינטואיציה הזו בצורה מתמטית?

נביט על אוסף כל המצבים שמאופיינים באנרגיה . עם חלוף הזמן מערכת בעלת אנרגיה "מטיילת" בין המצבים השונים באוסף. כלומר אם בזמן כלשהו המערכת היתה במצב עם התפלגות מהירויות מסוימת, הרי שכעבור זמן מה, ובעקבות התנגשויות בין הכדורים, התפלגות המהירויות תשתנה. כעת נניח הנחה — שהיא כלל אינה טריביאלית — ולפיה אנו לא יכולים להעדיף מצב אחד באוסף על פני רעהו. כלומר אם יש לנו מצבים בעלי אנרגיה זהה, הרי שהסיכוי שהמערכת תהיה באחד מהם ברגע נתון הוא . אם אנחנו רוצים להסתכל על גודל המאפיין את המערכת לאורך פרק זמן מסוים אנחנו יכולים להחליף את המיצוע על פני זמן במיצוע על פני אוסף דמיוני של הרבה מערכות, שהמצב של כל אחת מהן נבחר באקראי מבין אוסף כל המצבים בהסתברות שווה. זוהי, פחות או יותר, ההנחה היחידה שאנחנו צריכים להניח כדי להסיק את מרבית המכניקה הסטטיסטית. הבה נראה לאן אנחנו יכולים להגיע בעזרתה.

נגדיר כעת גודל, שנקרא האנטרופיה של המערכת, שפשוט מתאר כמה מצבים יש בעלי אנרגיה מסוימת. מסיבות טכניות, האנטרופיה היא לא מספר המצבים אלא הלוגריתם של המספר הזה (מי שלא זוכר מהו לוגריתם מוזמן ללחוץ על הקישור להסבר פשוט)

כש- הוא מספר המצבים בעלי אנרגיה . מושג האנטרופיה הוא מושג פופולרי מאוד, שזכה לתפוצה רחבה מחוץ לפיזיקה ואומץ במגוון של תחומים (תורת האינפורמציה, לדוגמה). באופן פופולרי נוטים לעתים להצביע על האנטרופיה כגודל שמסביר כמה "אי-סדר" יש במערכת, וכתיאור פופולרי זהו אכן הסבר לא רע, אבל כדאי לזכור שאנטרופיה היא גודל פיזיקלי עם הגדרה יחסית קשיחה מבחינה מתמטית. אני מקווה שבהמשך הפוסט יתבהר הקשר הזה בין ההגדרה המתמטית לעיל לבין ההסבר הפופולרי והאינטואיטיבי למושג.

כעת נחלק את המערכת הדמיונית שלנו לשני חלקים, אחד בעל אנרגיה והשני בעל אנרגיה . מהו הסיכוי שנמצא את שני חלקי המערכת עם ערכי אנרגיה כאלו? כמובן שהסיכוי פרופורציונלי למספר המצבים הקיימים בהם האנרגיה מתחלקת כך. מספר המצבים מתקבל ממכפלת מספר המצבים בהם לתת המערכת הראשונה אנרגיה ולתת המערכת השניה אנרגיה

המספר הזה הולך וגדל ככל שהסכום הולך וגדל. כלומר שהסיכוי למצוא את המערכת במצב מסוים יהיה גבוה יותר ככל שהאנטרופיה של חלקי המערכת השונים תהיה גבוהה יותר. הכלל הזה ידוע בתור החוק השני של התרמודינמיקה. זהו התיאור המתמטי המקביל לאינטואיציה האומרת לנו שאם נתחיל ממערכת "מסודרת" מאוד, בה כל האנרגיה מרוכזת בכדור אחד, אחרי זמן מה נקבל מערכת "מבולגנת" בה כל הכדורים נעים במהירות פחות או יותר זהה. הסיבה לכך היא שיש הרבה יותר מצבים בהם כל הכדורים נעים מאשר רק כדור אחד נע, והסיכויים לכך מתנהגים בהתאם. כמה "הרבה יותר" מצבים? ככל שהמערכת גדולה יותר — וכזכור אנו עוסקים במערכות ענקיות — הרי שהתפלגות הסיכויים לחלוקת אנרגיה מסוימת ולא אחרת היא חדה יותר סביב ערכים ספציפיים.

הבה נמחיש ונסביר את ההתנהגות הזו באמצעות פישוט הדוגמה שלנו. במקום מהירויות שיכולות לקבל כל ערך שהוא, נניח שיש לנו מספר מסוים של מנות של אנרגיה שאנחנו יכולים לחלק בין הכדורים. כעת, נשאל כיצד מתפלג סך האנרגיה של קבוצת כדורים קטנה מסוימת. נתחיל במספרים קטנים יחסית: אם יש לנו מנות אנרגיה, כדורים ואנחנו מעוניינים לדעת מהם הסיכויים שכדור אחד מסוים יקבל ערכי אנרגיה שונים? הכדור יכול להיות חסר אנרגיה, במקרה הזה אנחנו צריכים לחלק את מנות האנרגיה בין שני הכדורים האחרים, ויש דרכים שונות לעשות זאת (ספרו!). כעת לכדור יכולה להיות מנת אנרגיה בודדה, ואנחנו צריכים לחלק את שלוש מנות האנרגיה הנותרות בין שני הכדורים הנותרים, פעולה שיש דרכים שונות לעשות. באופן דומה, שתי מנות אנרגיה לכדור יתקבלו משלוש דרכים שונות; יש שתי דרכים שונות בהן לכדור תהיינה שלוש מנות אנרגיה ולבסוף רק סיטואציה אחת בה לכדור כל מנות האנרגיה — במקרה הזה שני הכדורים האחרים נותרים מיותמים. אם נסדר את התוצאות בטבלה, היא תראה כך

כאשר העמודה השלישית מתארת את החלק היחסי של האנרגיה שיש לכדור שלנו מכלל האנרגיה במערכת, והעמודה הרביעית את הסיכוי של כל תרחיש, כאשר הסיכוי נורמל בצורה קצת יוצאת דופן — התרחיש הסביר ביותר קיבל את הערך וסיכויי התרחישים האחרים חושבו ביחס אליו. במבט ראשון, הטבלה עשויה לסתור את האינטואיציה הטבעית שלנו, שאומרת שרוב הסיכויים הם שלכדור יהיה בערך שליש מכלל האנרגיה. ביחס לממוצע, האינטואיציה שלנו עדיין נכונה (ממוצע האנרגיה היחסית שיהיה לכדור הוא בדיוק שליש), אבל התרחיש הסביר מכולם הוא דווקא שלכדור לא תהיה כלל אנרגיה.

אבל זו מערכת קטנה מאוד, ומיותר להשתמש במכניקה סטטיסטית כדי לנתח אותה. מה יקרה כאשר נגדיל את המערכת? נניח שיש לנו מנות של אנרגיה, כדורים ואנחנו מעוניינים בהתפלגות האנרגיה היחסית של כדורים (שימו לב שמדובר ביחסים זהים לאלו בתסריט שחושב לעיל). חישבתי את ההתפלגות הזו עבור ערכי הולכים וגדלים והתוצאות מוצגות בגרף הבא. ציר הוא שיעור האנרגיה היחסית של קבוצת הכדורים, וציר הוא הסיכוי המנורמל שזו תהיה האנרגיה, הקו האנכי השחור מציין המצב בו שליש מהאנרגיה הכוללת במערכת נמצאת באותם כדורים

כפי שניתן להתרשם, ככל שהמערכת גדלה כך הסיכויים הולכים ומתמקדים סביב הערך של שליש, וכבר במערכת קטנה יחסית של מנות אנרגיה, המתחלקות על פני 192 כדורים, ההתפלגות היא חדה מאוד. כך שהסיכוי שנמצא את המערכת באותה חלוקה לא-סבירה של אנרגיה — בה מעט כדורים זוכים להרבה אנרגיה — מתקרב במהירות לאפס. לא פירטתי את הדרך בה חישבתי את ההתפלגות — זהו תרגיל נחמד בקומבינטוריקה שאני ממליץ לקוראים להשתעשע בו (אפשר לבקש רמזים בתגובות).

בתור דוגמה נוספת, יום-יומית ואולי אינטואיטיבית יותר, אפשר לחשוב על כוס קפה שהונחה בחדר. המצב הראשוני הוא בו הרבה אנרגיה מרוכזת בכוס, אך עם חלוף הזמן האנרגיה מתחלקת פחות או יותר שווה בשווה בין חלקי החדר השונים. למרות שיכול להיות מצב בו דווקא ההפך יקרה — כלומר שהאנרגיה מחלקי החדר תתרכז לכוס (והקפה יתחמם מחדש) — הרי שזה טרם קרה לי, ואני מנחש שגם הקוראים טרם חוו חוויה כזו. כשאנחנו מסתכלים על הגרף למעלה, אנחנו יכולים להבין את הסיבה לכך.

בפוסטים הבאים אני מקווה להמשיך ולפתח את הנושא של מכניקה סטטיסטית, ובין היתר להגדיר את אותו גודל חמקמק שנקרא "טמפרטורה". אבל לפני שנמשיך ראוי להזכיר את המצבים המעניינים בהם הכלים הסטנדרטים של המכניקה הסטטיסטית מכשילים אותנו. נניח ששולחן הביליארד שלנו אינו בעל צורה אקראית, אלא מלבן. ונניח שאנחנו מרכזים יפה את כל הכדורים מלבד אחד בפינה אחת שלו, ולכדור הנותר אנו נותנים מהירות כך שהוא פשוט ינוע בין שני קירות מנוגדים של השולחן, בלי להתקרב לאוסף הכדורים שנח בפינה. ברור שבמצב כזה המערכת לא "מטיילת" בכל מרחב המצבים שווי האנרגיה, ושגם כעבור זמן אינסופי נוותר בדיוק באותו המצב. קיימים שני סוגים של מערכות פיזיקליות מעניינות בעלות תכונה זו — הן נמצאות רק בחלק ממרחב המצבים. סוג אחד נקרא מערכות "לא-ארגודיות" והסוג השני מערכות "אינטגרביליות", וראוי להקדיש לכל אחת מהן פוסט משל עצמן. אבל עוד חזון למועד.

פרק רביעי, נטול משוואות, בו מהרהרים על טיבן של מערכות קואורדינטות כשלב הכרחי לפני שמגיעים לקשר העמוק בין סימטריה לגדלים שמורים

הפוסט הקודם הכיל כמות נכבדת של מתמטיקה ומשוואות ונגזרות בתוכו, דבר שהביא מספר אנשים להעיר בפני שקוראים ללא רקע מדעי בוודאי ילכו בו לאיבוד. סטיבן הוקינג אמר, בהתייחס לספרו "קיצור תולדות הזמן", שכל משוואה מפחיתה את מספר הקוראים בחצי. מכיוון שהספונסרים שלי רמזו לי שהם לא רואים בעין יפה הפחתה בחצי של מספר הקוראים בשלב הנוכחי, הפוסט הזה יהיה נטול משוואות כמעט לגמרי.

אחת ההרצאות הזכורות לי ביותר מהתואר הראשון היתה הרצאה בקורס "מכניקה אנליטית" בה הוצג לראשונה הקשר בין סימטריות בטבע וגדלים שמורים. אני זוכר את ההתרגשות שאחזה בי כשראיתי שכל מני כותרות כמו "חוק שימור האנרגיה" או "חוק שימור התנע הזוויתי" הן בעצם התגשמויות של תכונת הסימטריה. בפוסט הזה אני אנסה להסביר איך בדיוק הדבר הזה עובד, אבל לפני זה יש צורך להרחיב מעט על הנושא של מערכת הקואורדינטות.

בפרק השני כתבתי שאנחנו מתארים את המערכת הפיזיקלית שלנו באמצעות מערכת קואורדינטות. נקודה חשובה כאן היא שמערכת הקואורדינטות היא משהו שאנחנו בוחרים. כלומר משהו אנושי וחיצוני למערכת הפיזיקלית. מכיוון שכך, לבחירת מערכת הקואורדינטות לא יכולה להיות השפעה על שום תוצאה פיזיקלית שנקבל. אם שתי תוצאות שונות מתקבלות משתי מערכות שונות, הרי שעשינו טעות במקום כלשהו. "רגע רגע" אני שומע את הקוראים (אלו שלא נטשו בעקבות המשוואות בפוסט הקודם) קוטעים אותי כאן. "הרי ברור שאם נרצה לתאר תנועה של כדור בחדר, אז בחירה של מערכת קואורדינטות בה ראשית הצירים (האפס) ממוקמת במאדים, לעומת מערכת קואורדינטות בה ראשית הצירים נמצאת באותו חדר בו הכדור נמצא, תוביל לתשובה שונה לשאלה 'איפה ממוקם הכדור?' הלא כן? במקרה השני נגיד שהכדור ממוקם בנקודה (1 מטר ימינה, 4 מטרים קדימה ועשרים סנטימטרים למטה) ואילו במקרה הראשון נגרוס שמיקום הכדור הוא (54.7 מיליון קילומטרים ימינה, חצי מיליון קילומטרים קדימה ושלושים סנטימרים למעלה)" והתשובה היא "כמובן שכן". יותר מכך — אם נתאר גוף שנע במהירות קבועה, ונבחר מערכת צירים ש-"רוכבת" על הגוף הזה, כלומר נתאר את העולם מנקודת מבטו של מישהו שנמצא על הגוף, הרי שמבחינתנו הגוף יהיה קבוע. מהירותו תהיה אפס. לעומת זאת, מבחינת מישהו שרואה אותנו חולפים על פניו לגוף תהיה מהירות. נאמר שאנחנו יושבים בתוך רכב שנוסע במהירות קבועה ומחזיקים כדור. מבחינת מי שעומד ברחוב, לכדור יש מהירות (ששווה למהירות הרכב). מבחינת מי שיושב ברכב, הכדור עומד במקום. שני הצופים, שבסך הכל בחרו מערכת קואורדינטות שונה, חלוקים לגבי שאלות מרכזיות כמו "מהי האנרגיה הקינטית של הכדור?".

אם כך, הקביעה הגורפת שאף תוצאה פיזיקלית לא יכולה להיות תלויה בבחירת מערכת הקואורדינטות, על אף שהיא נכונה לחלוטין, דורשת הבהרה. ניסוח מדויק יותר יהיה שבהנתן שתי מערכות קואורדינטות שמתארות את אותה המערכת, וכללי מעבר בין מערכת קואורדינטות אחת לשניה, אז התוצאות צריכות להיות זהות. אם לחזור לדוגמא אותה נתתי, של אדם היושב ברכב ואדם שעומד ברחוב: אם נקרא לכיוון נסיעת המכונית ציר ונגיד שבזמן אפס המכונית בדיוק חלפה על פני האדם שעומד ברחוב, הרי שכלל המעבר הוא "יש להוסיף לקואורדינטה במערכת הקואורדינטות של האדם במכונית את מכפלת מהירות המכונית בזמן שחלף". אם נקפיד על כלל המעבר הזה, שני האנשים יסכימו ביניהם על כל תיאור פיזיקלי. כללי המעבר בין מערכות קואורדינטות נקראים "טרנספורמציות", ואוסף של טרנספורמציות יוצר את המבנה המתמטי של חבורה. גדלים פיזיקליים שונים מתנהגים תחת הטרנספורמציות הללו בצורה שונה, ואפשר לסווג גדלים פיזיקליים לפי הצורה בה הם עוברים. הסיווג מתבצע באמצעות הכלי המתמטי המכונה טנזור, שמניסיוני הוא אחד המושגים שמרתיעים סטודנטים לפיזיקה. אולי בפוסט עתידי אני אנסה להסביר בדיוק כיצד משתמשים בטנזורים ומה המשמעות שלהם, אבל לעת עתה אין בכך צורך.

אני מקווה שהבהרתי למה הכוונה בכך שיש לנו חופש לבחור את מערכת הקואורדינטות. התנאי היחידי שחשוב שיישמר הוא שמערכת הקואורדינטות שנבחר באמת תוכל לספק תיאור מלא של מיקומי כל הגופים במערכת. בפיזיקה קלאסית, אם אנחנו נמצאים במרחב תלת-ממדי, הרי שכל גוף צריך להיות מתואר על ידי שלושה מספרים המתארים את מיקומו. בנוסף לכך אנחנו מוסיפים את פרמטר הזמן. אם אנחנו מתארים, לדוגמא, מערכת בה יש שני גופים צריכים להיות לנו ששה מספרים שונים לתיאור מצב המערכת (+פרמטר זמן) ואם שלושה גופים אז תשעה מספרים וכן הלאה. כל עוד המספרים הללו בלתי תלויים, ואפשר להסיק מהם את מיקום הגופים, הרי שמערכת הקואורדינטות לגיטימית. לבחירה נבונה של מערכת הקואורדינטות יש חשיבות להבנת המערכת, ולעתים בעיות שנראות מסובכות במערכת אחת הופכות לפשוטות בהרבה במערכת אחרת: ממש כמו בדמוקרטיה, כל בחירה היא חוקית ולגיטימית, אבל עדיין יש בחירות חכמות ויש בחירות מטופשות.

אחרי שהנקודה הזו הוסברה, אפשר להגיע לחלק המרכזי של הפוסט: הקשר בין הסימטריות, כפי שהן באות לידי ביטוי בטרנספורמציות השונות, לבין המושג הכל-כך חשוב הזה בפיזיקה שנקרא גדלים שמורים. אני חושב שנוח להעזר בדיון הזה בדוגמאות.

נדמיין לרגע גוף חופשי לגמרי (נאמר – כדור קטן). שום כח לא פועל עליו, הוא מתקיים בחלל ריק לחלוטין. המשמעות של היות הכדור חופשי היא שבכל מצב שנכין את המערכת (שכוללת את הכדור בלבד) היא תשאר. אם התחלנו בכך שלכדור יש מהירות מסוימת, הרי שהכדור ימשיך במהירות זו לנצח. מכאן ברור שיש הרבה גדלים פיזיקליים שהם גדלים שמורים — שום דבר לא משתנה במערכת. כיצד יבוא הדבר לידי ביטוי מבחינה מתמטית? פונקציית הלגרנז'יאן (או ההמילטוניאן) של המערכת לא תשתנה תחת כל טרנספורמציית קואורדינטות שנעשה. מכיוון שפונקציית הלגרנז'יאן קשורה לדינמיקה של המערכת, ברור שהתכונה הזו — האינווריאנטיות תחת טרסנפורמציות מסוימות — תבוא לידי ביטוי דרך משוואות התנועה. נביט לדוגמא על טרנספורמציה שפשוט מזיזה את ראשית הצירים במרחק מסוים לאורך ציר . כלומר בכל מקום בו כתוב בפונקצייה נכתוב . אחרי שינוי כזה נגלה שהלגרנז'יאן לא השתנה בכלל. הוא אינווריאנטי להזזות בציר (במקרה הזה הוא אינווריאנטי להזזות בכל ציר שהוא). מסתבר שתכונת הסימטריה הזו גוררת את קיומו של גודל שמור במערכת — התנע של הגוף בציר . קוראים שמעוניינים בכך יכולים לחזור לפוסט הקודם ולראות בעצמם כיצד הסימטריה גוררת את הגודל השמור הזה (רמז: לפתח בטור לפי ולראות מה מתאפס).

הגענו לתגלית חשובה, שאפשר להכליל אותה לכל מערכת: אם מערכת פיזיקלית אינווריאנטית להזזות בקואורדינטה מסוימת הרי שהתנע הצמוד לקואורדינטה הזו נשמר! הכוונה בכך שהמערכת אינווריאנטית היא שהלגרנזי'אן שמתאר אותה הוא אינווראינטי להזזות, והכוונה בכך שהתנע נשמר הוא שאם מדדנו את התנע בשני זמנים שונים, נקבל את אותה התוצאה. לעובדה שגודל מסויים נשמר במערכת חשיבות מבחינה מעשית והוא עוזר לנו לתאר את המערכת ואת הדינמיקה שלה.

דוגמא נוספת: נבחן מערכת ובה שני גופים, שמפעילים כח אחד על השני התלוי במרחק ביניהם. דוגמא פשוטה לכך היא שני גופים בעלי מטען חשמלי, שהכח שפועל ביניהם דועך עם ריבוע המרחק. כעת, כזכור, עלינו להשתמש בשש קואורדינטות על מנת לתאר את המערכת — שלוש לכל אחד מהגופים. המערכת לא אינווריאנטית להזזות של כל אחד מהגופים — הזזה כזו תשנה את המרחק ביניהם, ותשנה את הכח ביניהם — ולכן גם פונקציית הלגרנז'יאן שלנו לא אינווריאנטית לטרנספורמציה כזו. אבל ברור שאם נזיז את שני הגופים יחדיו הרי שהמערכת לא תשתנה, כי המרחק ביניהם ישאר קבוע. הדרך לנצל את הסימטריה הזו היא לעבור לקואורדינטות אחרות: נתאר את המערכת לפי מיקום הגופים אחד ביחס לשני (שלושה מספרים) ומיקום נקודת האמצע בין הגופים (שלושה מספרים). ברור ששת המספרים הללו מתארים את המערכת בדיוק כמו ששת המספרים המקוריים. מהשישיה החדשה אפשר להסיק את השישיה הישנה, וההפך. אבל עכשיו, הזזה של שני הגופים בעת ובעונה אחת באה לידי ביטוי בשינוי בקואורדינטה אחת — כזו הקשורה לנקודת האמצע בין הגופים. לכן, באופן מיידי, אנחנו יכולים לומר שהתנע הצמוד לקואורדינטה הזו הוא גודל שמור (ויש שלושה כאלו). ליתר דיוק, במקרים כאלו צריך לעבור לקואורדינטה שמתארת את מרכז המסה של הגופים, אבל זהו עידון טכני שלא נתעכב עליו עכשיו. שימו לב שזהו לא תנע של אחד מהגופים, אלא תנע שקשור לקואורדינטה מסוימת שבעזרתה אנחנו מתארים את המערכת.

ישנם מקרים בהם אנחנו לא יכולים למצוא סימטריה כזו. דוגמא פשוטה במיוחד היא גוף שנמצא תחת השפעת כח המשיכה של כדור הארץ ואנחנו רוצים לתאר את תהליך נפילתו. כמובן שהמרחק של הגוף מפני כדור הארץ הוא פרמטר חשוב. ללגרנז'יאן שמתאר את הבעיה אין אינווריאנטיות להזזות בקואורדינטה המתארת את הגובה של הגוף מעל פני כדור הארץ. זה מקרה בו יש לנו כח חיצוני שפועל על הגופים במערכת. אם היינו מכלילים במערכת גם את כדור הארץ, היינו מקבלים מקרה דומה למקרה הקודם — כח המשיכה בין הגופים תלוי במרחק ביניהם, והתנע הצמוד למרכז המסה נשמר. אבל מהלך כזה, במקום לפשט את התיאור שלנו של המערכת, רק יסבך אותה. באותה מידה, אם נתאר גוף המחובר לקפיץ הקשור לקיר, נוכל לקבל סימטריה להזזות אם נכלול את הקפיץ ואת הקיר במערכת, אבל התיאור רק יסתבך כל כך שיצא שכרנו בהפסדנו.

אוקיי, דיברנו על אינווריאנטיות תחת הזזות. הבה נכיר סימטריה נוספת שנפוצה וחשובה מאוד במערכות פיזיקליות: סימטריה לסיבובים. נחזור לאחת מהדוגמאות לעיל, רק שנלביש אותה במלבוש חדש. במקום שני חלקיקים הטעונים במטען חשמלי, נביט על מערכת השמש שלנו, ו-"נזרוק" החוצה את כל אותם כוכבי לכת מיותרים שהם לא כדור הארץ. אם כך, אנחנו מעוניינים בחקירת סיבוב כדור הארץ סביב השמש. כפי שהערתי, גם כח המשיכה הגרביטציוני בין שני גופים תלוי רק במרחק ביניהם. לכן אם נסובב את מיקומו של כדור הארץ ביחס לשמש בזווית מסוימת נקבל שהמערכת נותרה ללא שינוי. המרחק בין הגופים אינו מושפע מסיבובים כאלו. מכאן, בחירת קואורדינטות מתאימות תאפשר לנו להפוך את הלגרנז'יאן לאינווריאנטי תחת סיבובים בקואורדינטות מסוימות. גם במקרה יש גודל שמור חשוב מאוד שנגזר מהסימטריה הזו והוא התנע הזוויתי.

הדוגמאות שהבאתי להלן נובעות מחוק כללי יותר, לפיו כל סימטריה רציפה גוררת גודל שמור. כך סימטריה להזזות בזמן הופכת את האנרגיה לגודל שמור, סימטריה לפאזות של שדות מרוכבים גוזרת את חוק שימור המטען, וכן הלאה. החוק הזה, שהוא אחד מהיפים בפיזיקה, התגלה, נוסח והוכח על ידי הפיזיקאית-מתמטיקאית אמי נתר בתחילת המאה ה-20. לאחרונה גיליתי שנתר אף פתחה בלוג, אם כי הוא לא מתעדכן באופן תכוף (יתכן בשל נסיבות בריאותיות). מי שמעוניין בהוכחה היפה עצמה יכול לקרוא אותה כאן, ואני עשוי להקדיש לה בעתיד פוסט בפני עצמה.

החוק אותו גילתה אמי נתר הוא חוק שנעשה בו שימוש שוב ושוב בכל תחומי הפיזיקה, גם כשאנחנו בוחנים סימטריות מעניינות יותר מאשר "סתם" סימטריה להזזות או לסיבובים (כמו לדוגמה במקרה של תורת היחסות הפרטית, שמוסיפה סימטריה של "דחיפות") וגם כשאנחנו מתקדמים מעבר לפיזיקה קלאסית אל התחום של תורת הקוונטים. הסימטריות במערכת פיזיקלית מכתיבות חלק גדול מההתנהגות שלה, והן כלי חשוב מאין כמוהו שעוזר לנו לתאר את המציאות שסביבנו. הפוסט הזה יכול לשמש לכל היותר רק כמבוא צנוע לתחום המרתק הזה.

פרק שלישי, ובו אנחנו נותנים לגופים לנוע, צוללים קצת לתוך המתמטיקה שמאחורי הדינמיקה ופוגשים בטווידלדי וטווידלדם של הפורמליזם הפיזיקלי, הם הלגרנז'יאן וההמילטוניאן

את הפרק הקודם חתמנו בכך שביקשנו לתאר את מצב המערכת בכל רגע נתון, באמצעות תיאור המיקום של כל אחד מהגופים המרכיבים אותה. במלים אחרות, אפשר לומר שאנחנו מחפשים את אוסף הפונקציות , קרי — פונקציות שלכל זמן מתאימות את מיקום הגופים. בהמשך הדרך נפגוש גם מערכות בהן נחפש דברים אחרים, או מערכות שתיאור כזה לא רלבנטי עבורן, אבל לעת עתה זוהי נקודה מספיק כללית כדי שנוכל להשתמש בה כעוגן להמשך החקירה שלנו.
כעת אנחנו יכולים רגע להרהר בשאלה כיצד אנחנו יכולים להשיג מטרה כזו? המערכת מתחילה ממצב מסוים, שידוע לנו (נניח — באמצעות תצפית או כי כך הכנו את המערכת) . בנוסף לכך, חשוב שזמן נדע גם מהן המהירויות של כל הגופים — לא דין מערכת בה שני גופים נעים זה לקראת זה כדין מערכת בה שני גופים נעים בכיוונים הפוכים. כעת, כל מני כוחות שפועלים על האובייקטים גורמים להם לשנות את מיקומם ולנוע. כדי להסיק את מצב המערכת בכל רגע נתון, אנחנו צריכים לדעת מחד מהם החוקים והמשפטים הקושרים בין הכח שפועל על גוף לבין תנועתו, ומאידך מהם הכוחות הקיימים במערכת.
את החוקים הקושרים בין כוחות ואינטראקציות לבין אובייקטים חוקרים פיזקאים החל מקיום הפיזיקה המודרנית. כנראה שהחוק המפורסם ביותר מסוג זה הוא החוק השני של ניוטון לפיו תחת כח, גוף יאיץ באופן פרופורציונלי לגודל הכח ולכיוונו, כאשר קבוע הפרופורציה מכונה המסה של הגוף. בניסוח מתמטי, ניתן לכתוב

כאשר הוא הכח הפועל על הגוף, היא מסתו ו- היא התאוצה שלו. מכיוון שאנחנו רוצים לבטא את כל הגדלים המציינים את מיקום האובייקטים, ובכללם תאוצה, באמצעות אותו אוסף של -ים אנחנו נשתמש בסימון . נקודה מעל משתנה כלשהו מציינת גזירה לפי הזמן. לכן היא המהירות של הגוף — שכן היא הנגזרת הראשונה של המיקום ביחס לזמן, ושתי נקודות תציינה את הנגזרת השניה, או הנגזרת של המהירות, שהיא התאוצה.
מאז ניסוח החוק השני של ניוטון חלפו אי אלו מאות שנים, במהלכן הניסוח איבד את מעמדו כחוק בסיסי (מלבד בלימודי השנה הראשונה באוניברסיטה). במהלך השנים הללו התפתח פורמליזם נוח יותר, כללי יותר — במובן שהוא יכול לתאר יותר תופעות — שהחוק השני הוא בסך הכל אחת מהתוצאות שלו. הפורמליזם הזה מסתמך על מושג האנרגיה (לפחות בשלב הראשון). אם אנחנו יודעים לכתוב ביטויים שיתארו את האנרגיה הקינטית והפוטנציאלית של המערכת כפונקציה של המצב שלה — וזה משהו שאנחנו אמורים לדעת לעשות אם אנחנו יודעים מהן האינטראקציות השונות שקיימות בין האובייקטים השונים ובכלל — אז נדע לגזור מביטוי כזה (או, ליתר דיוק מביטוי דומה לו) את כל כללי התנועה.
כדי לעשות זאת אנחנו מציגים את פונקציית הלגרנז'יאן . הלגרנז'יאן של מערכת הוא פונקציה של מיקום כל האובייקטים שבה, ושל מהירויות כל האובייקטים בה (וגם, באופן כללי, עשויה להיות תלויה מפורשות במשתנה הזמן)

כך שעבור כל קונפיגורציה כזו של המערכת, הלגרנז'יאן הוא ההפרש בין האנרגיה הקינטית לבין האנרגיה הפוטנציאלית של המערכת.
בפסקאות האחרונות הפרחתי לחלל האוויר הוירטואלי שני מושגים חדשים, ואני מבקש להתעמק רגע במונחים הללו.
הגודל הפיזיקלי שנקרא "אנרגיה" עשוי להראות חמקמק, גם לבעלי ידע פיזיקלי כלשהו. לרוב, בלימודי הפיזיקה, מתחילים מהמושג של "כח", אותו מגדירים, פחות או יותר, באמצעות החוק השני של ניוטון. אחר כך מראים שבאמצעות החוק השני של ניוטון אפשר להגדיר "עבודה" שמבצע כח, ו-"אנרגיה קינטית" היא הגודל שמושפע מהעבודה שמבצע כח על גוף כלשהו. אם הכח נופל תחת הקטגוריה של כח משמר, אנחנו לומדים שאפשר להגדיר "אנרגיה פוטנציאלית" וממשיכים להראות איך הסכום של שתי האנרגיות — פוטנציאלית וקינטית — נשמר תחת פעולת הכח. תחת ההגדרות הללו, האנרגיה הקינטית של גוף מתקבלת מהנוסחה

האנרגיה הפוטנציאלית תלויה באינטראקציות בין האובייקטים השונים ובכוחות שפועלים במערכת, וניסוחה משתנה כתלות בהם. לדוגמה, האנרגיה הפוטנציאלית של גוף הקשור לקפיץ בעל קבוע קפיץ נתונה על ידי הנוסחה

כש- הוא מיקום קצה הקפיץ כאשר הוא רפוי. אבל זו כרגע סתם דוגמה (אם כי פופולרית מאוד).
על פניו, הייתי יכול לטעון פשוט שבניגוד למתמטיקה, בה יש לנו חופש לבחור אקסיומות, בפיזיקה אנחנו מתארים את העולם, ולעתים אנחנו צריכים לקבל דברים כי פשוט "ככה הם". ואכן – יש מספר דברים שנאלץ לקבל כי פשוט "ככה הם". אבל מסתבר, וזה אחד הדברים היפים בפיזיקה, שיש הרבה עובדות שבתחילה נראו לנו פשוט כמו משהו שהטבע בחר באופן שרירותי, אבל בעצם הן נובעות מאלמנטים בסיסיים הרבה יותר. אחת מהם הוא הגדרת האנרגיה והקשר שלה לתנועת המערכת. כבר בפוסט הבא אני מקווה שאוכל לתת מספר דוגמאות לכך.
בכל מקרה, אמנם הגדרנו את אותה פונקציית לגרנז'יאן מסתורית, אבל עוד לא אמרנו איך אנחנו יכולים להסיק ממנה את תנועת המערכת.
המערכת שלנו יכולה לנוע בכל מני מסלולים שונים, המוגדרים, כזכור על ידי אוסף הפונקציות . נניח שאנחנו מסתכלים על פרק הזמן המתחיל ב- ומסתיים בזמן . לכל מסלול אפשרי בפרק הזמן הזה נצמיד מספר, שנקרא הפעולה:

כלומר הפעולה היא בסך הכל האינטגרל על הלגרנז'יאן של המערכת כאשר היא עושה מסלול מסוים. כאן אנחנו מגיעים לאחד מאותם חוקים בודדים שאותם עלינו לקבל כי פשוט "ככה הם": המערכת תנוע במסלול בו הפעולה שלה היא המינימלית מבין כל האפשרויות. זהו עקרון הפעולה המינימלית.
אני מבקש לעצור כאן לרגע, לפני שנמשיך הלאה: מדובר בעקרון כל כך בסיסי, שלמעשה את כל הפיזיקה הקלאסית אפשר לבסס עליו. כאשר תורת הקוונטים פותחה במהלך המאה ה-20, הוקדשו מאמצים ונסיונות רבים לבסס אותה על עקרון דומה, עד שלבסוף ריצ'רד פיינמן הצליח בכך, ולמעשה הראה שעקרון הפעולה המינימלית הקלאסי מתקבל מתוך הגרסה הקוונטית שלו. אחד המרצים שלי בתואר הראשון כינה את החוק אליו הגיע פיינמן בשם "חוק החוקים", כי ממנו, בנוסף לעוד מספר קטן של הנחות יסוד, אפשר להסיק את כל הפיזיקה המודרנית.
מתוך העקרון הזה, ישנן מספר דרכים שקולות לגזור משוואות, שפתרונן יספק לנו את אותו אוסף הפונקציות המתארות את תנועת המערכת. אולי ארתיע מספר קוראים, אבל אני חושב שראוי להציג לפחות אחת מהדרכים הללו, והיא משוואות אוילר-לגרנז'. קוראים שאינם מתעניינים בניסוחים המתמטים וצירוף המלים "משואות דיפרנציאליות" נשמע להם כמו קללה, מוזמנים לדלג לפסקה הבאה. אפשר להראות שאם אוסף הפונקציות שלנו מקיים את אוסף המשוואות הדיפרנציאליות מסדר שני

אזי המסלול שהן תתארנה יציית לעקרון הפעולה המינימלי. כלומר — הפעולה שתתואר על ידי המסלול הזה תהיה המינימלית מבין הפעולות האפשריות. אני אפנה את תשומת לב הקוראים שנותרו עימי כאן שמדובר ב- משוואות דיפרנציאליות מסדר שני (אפשר גם לחשוב עליהן בתור משוואות שכן כל משוואה היא עבור שלושה רכיבים שונים של הוקטור ) ואנחנו מספקים להן אכן תנאי התחלה — אוסף כל המיקומים בזמן אפס ואוסף כל המהירויות בזמן אפס.
קיים ניסוח שקול נוסף לעקרון הפעולה המינמלית, ניסוח שהוא מאוד פופולרי ומאוד שימושי, ולמעשה ברוב המקרים אנחנו כנראה נתמקד בו ולא בניסוח הלגרנז'יאני. קודם כל נגדיר משתנה שנקרא תנע

וכעת, באמצעות פעולה מתמטית פשוטה על הלגרנז'יאן נגדיר את הפונקציה האחות שלו — שנקראת המילטוניאן:

וראוי לשים לב שההמילטוניאן הוא פונקציה של הגודל החדש שהגדרנו ושל המקום בלבד (ולא של המהירויות). בתור תרגיל חביב לקוראים שמעוניינים בכך, קל להראות שמשוואות אוילר-לגרנז' שקולות למשוואות המילטון, שמתארות את הדינמיקה בפורמליזם של ההמילטוניאן:

אפשר לקחת נשימה עמוקה — גמרנו עם הפורמליזם המתמטי היבש לעת עתה. חשוב להבין שכל הניסוחים שלמדנו, וגם ניסוחים נוספים שעליהם דילגנו, שקולים זה לזה ונובעים זה מזה. במובן הזה הם דומים לתאומים טווידלדי וטווידלדם, שאומרים אותו דבר, רק בצורות אחרות. זוג התאומים הזה ילווה אותנו רבות בהמשך מסענו, וידריך אותנו לאורכה. אני מקווה שהם יאירו פנים יותר מזוג התאומים שאליס פגשה. בפוסט הבא אני מתכנן להתחיל לדבר על אחד הנושאים היפים יותר שיש בפיזיקה, והוא הקשר בין הסימטריות בטבע לבין גדלים פיזיקליים.

פרק שני, ובו הכותב מתחבט בכיוונים אליהם יקח את הבלוג, ואז פוצח במסה בה המרחב מסומן במספרים, ואובייקטים משתכנים בו

לפני שנתחיל, אעיר לגבי הבלוג והכתיבה. אין לי מושג איך לכתוב בלוג. אין לי מושג מי הקהל הפוטנציאלי, מי הקהל שאני מעוניין בו ומה הקצב הנכון. במלים אחרות — אני אשמח לכל הערה ושאלה, להצעות לכיוונים אחרים, לתיקונים ולבקשות להבהרות. אתם מוזמנים להגיב כאן, ואני מקווה שככל שהזמן יתקדם הבלוג והכתיבה שלי יתגבשו בצורה כזו או אחרת.

המטרה בפיזיקה היא לתאר התנהגות של מערכות ניסיוניות כלשהן — בין אם הן גלקסיות רחוקות, חומר על-מוליך או חלקיק תת אטומי. הכלי בו משתמשים הפיזיקאים לתאור fההתנהגות הזו הוא המתמטיקה. זו לא בחירה מובנת מאליה: המשורר הגרמני יוהן גתה פרסם ספר שנושאו הפיזיקה של האור, ושתיאר ניסויים שערך גתה בפריזמות. הספר אינו משתמש כלל במתמטיקה ולא רותם אותה להסברת התופעה הפיזיקלית. אבל במהלך ההתפתחות ההיסטורית של הדיסציפלינה הזו הפכה המתמטיקה לכלי המרכזי לתיאור העולם, והתברר שהכלי הזה יעיל מאוד.
אם כך, השאלה הראשונה שעלינו לשאול בבואנו לבחון מערכת כלשהי היא כיצד בכלל לתאר אותה באמצעות המתמטיקה. מכיוון שהפיזיקה עוסקת בתופעות המתקיימות במרחב הפיזי, עלינו ראשית להניח שניתן לתאר את אותו מרחב באמצעות סט של מספרים. אני מתכוון כמובן למה שמכונה מערכת קואורדינטות. אני מניח שכולנו מכירים את הרעיון מימי בית הספר התיכון — בהתחלה עלינו לקבוע נקודה כלשהי כנקודת היחוס שאותה נסמן במספר אפס. כעת, אנחנו יכולים להתאים אוסף מספרים אותו נסמן ב- לכל נקודה במרחב, כך שכל אוסף מספרים שונה יתאר נקודה אחרת. סטודנטים לפיזיקה מבלים חלק לא קטן מהשנה הראשונה ללימודיהם בלימוד שיטות שונות ומשונות של מערכות קואורדינטות וכיצד מציגים כל מני פעולות מתמטיות בכל שיטה. אנחנו, למזלנו, פטורים מכאב הראש הזה. כל מה שעלינו לקבל הוא שאותו סט של מספרים יכול לתאר בצורה טובה כל נקודה במרחב. מערכת הקואורדינטות הפשוטה ביותר, המכונה "קרטזית", כוללת בסך הכל קביעת שלושה כיוונים הניצבים זה לזה וציון מיקום של נקודה כשלושת המרחקים אותם עלינו להתקדם מנקודת האפס בכל כיוון (לדוגמה 20 מ' בכיוון הראשון, 30 מ' בכיוון השני ואז 15 מ' נגד הכיוון השלישי). מכיוון שאנחנו עוסקים במערכות שמשתנות בזמן אנחנו גם צריכים להוסיף משתנה שיתאר את הזמן בו אנחנו מתארים את המערכת. גם כאן, אנחנו צריכים לקבוע זמן כלשהו בתור "אפס", וזמן לפניו יסומן בערכים שליליים ואחריו בערכים חיוביים.

אחרי שתיארנו את המרחב והזמן בעזרת מספרים, אנחנו צריכים להתחיל להוסיף אובייקטים שמעניינים אותנו לתוך המערכת הזו. לפני שנעשה זאת, ראוי להעיר הערה נוספת: המהפכה שעברה הפיזיקה במחצית הראשונה של המאה ה-20, שכללה את הופעתן ואימוצן של תורת היחסות ותורת הקוונטים, שינתה גם את הדרך בה אנחנו מתייחסים לעצמים הפיזיקליים שאנחנו רוצים לתאר. מכיוון שמדובר בסך הכל בפוסט השלישי בתולדות הבלוג, אין בכוונתי כרגע לצלול לעומק החלוקה, ואשאיר אותה לפוסט עתידי. לעת עתה נסתפק בתיאור הקלאסי של מערכות. בתיאור הזה, המערכת מורכבת מאוסף גופים, שכמו בני האדם בהצהרת העצמאות האמריקאית, ניחנו במספר תכונות בלתי ניתנות לשלילה. התכונה החשובה ביותר מבחינתנו כאן היא שלעצמים אלו מיקום מוגדר במרחב. לכן, אם אני מביט על מערכת שכוללת עצמים, אני יכול להצמיד לכל אחד מהם מיקום משלו כאשר ה- הוא אינדקס המציין לאיזה עצם במערכת אני מתכוון, וכעת מצב המערכת יאופיין על ידי המיקום של כל העצמים. קרי על ידי אוסף שלשות המספרים ועל ידי מסמן הזמן שאומר לנו באיזה זמן היו העצמים במיקום הזה.

אבל חסר לנו משהו. למה בכלל שלגופים האלה יהיה מיקום שמשתנה? מה יגרום למערכת לזוז, להיות מעניינת? לשם כך עלינו להוסיף עוד דברים, ועל כך — בפוסט הבא.

פרק ראשון, ובו מקבל הקורא הסבר ראשוני על מהי רנורמליזציה ומה מעניין בה

בפוסט הזה אני אנסה להציג, תוך נפנופי ידיים מסיביים ככל האפשר ותוך שימוש בכמה שפחות מונחים טכניים, מהי בגדול אותה רנורמליזציה, איפה אולי שמעתם עליה (או על התוצאות שלה) ולמה זה אמור בכלל לעניין מישהו.

אם כך — מהי רנורמליזציה?

לכאורה, רנורמליזציה היא בסך הכל טכניקה. טכניקה שמאפשרת לנו להסתכל על מערכות מורכבות כלשהן, ולחלץ מתוכן את ההתנהגות שלהן בטווחים שונים. בבסיס הטכניקה עומד התהליך בו אנו מנפּים דרגות חופש של המערכת בצורה זהירה, ובוחנים כיצד המערכת "זורמת" תחת השינוי הזה. מכאן אפשר כבר לנחש שיש בטכניקה הזו הרבה יותר מסתם מניפולציה מתמטית. כשאנחנו מטפלים כך במערכות פיזיקליות, אנחנו בעצם נוגעים בנושאים כמו הסימטריות של המערכת, הפאזות שלה, הגדלים הרלבנטיים. אפשר לומר שהטכניקה הזו, יותר מכל טכניקה אחרת, יכולה לחשוף את האופי האמיתי של המערכת הפיסיקלית.

מי ששמע בעבר על רנורמליזציה, עשוי לקמט את מצחו בשלב הזה. טכניקת הרנורמליזציה התפרסמה, וגם קיבלה את שמה, כטכניקה בה אנו נפטרים מגדלים אינסופיים שצצים לנו בכל מני חישובים. סוג של "הוקוס פוקוס" שמאפשר לנו לבטל את אותם אלמנטים שהפריעו לנו לחלץ גדלים פיסיקליים מדידים מתוך תורת-השדות שמתארת את החלקיקים התת אטומיים, לדוגמה. פול דיראק, אחד מגדולי הפיסיקאים של המאה ה-20, ידוע בתור אחד שמתח ביקורת חריפה על אותה טכניקה של ביטול-אינסופים, כפי שהרנורמליזציה נתפסה אז. הוא הקביל זאת ל-"הינדוס תוצאות" (תרגום שלי ל-doctoring up numbers). אבל במהלך השנים התברר שהרנורמליזציה שצצה בתורת השדות הקוונטית, זו שנראתה לדיראק כל כך בעייתית, היא חלק מתמונה גדולה יותר ומסודרת יותר. היא לא כוללת סתם תהליך בו אנחנו נפטרים מגודל אינסופי כי הוא לא מתאים לנו — למרות שבמובן מסוים כך היא נולדה — יש לה בסיס פיסיקלי שלא קשור לאותם גדלים אינסופיים וכולל, מלבד תורת השדות הקוונטית, גם מעברי פאזה קלאסיים ועוד שלל תופעות באמצע.

וכאן מגיעה השאלה הקשה — למה כל זה אמור לעניין אתכם?

התשובה היא שאין לי מושג. אני יודע שהנושא מעניין אותי, ויש סיכוי שהוא יעניין סטודנטים לפיסיקה (בתואר ראשון או בתארים מתקדמים). אני מקווה שאנשים שמתעניינים במדע ורוצים להעמיק מעט את הידע, או להרחיב אותו — תלוי מאיזה כיוון מסתכלים על זה — ימצאו גם הם עניין כאן. יכול להיות שאני טועה, אבל סיפרו לי שהאינטרנט סובל הכל, אז הפוטנציאל לאסון כאן הוא די קטן.

בפרק הבא אשתדל להתחיל ממש מההתחלה, ולדבר על איך אנחנו בכלל ניגשים לתאר מערכת פיסיקלית.

הקדמה, ובה יסופר מה קורה כאן בעצם

כבר זמן מה יש לי רצון לכתוב על פיסיקה ועל מדע בצורה שתכריח אותי להבין בדיוק מה אני אומר, ובה בעת תהיה ברורה לקהל קצת רחב יותר מכמה אנשים שעוסקים בתחום. הבלוג הזה, בתקווה, יאפשר לי לעשות את זה. מכיוון שאם סתם אכתוב על פיסיקה אני אתפזר לכל מני כיוונים שאינם בהכרח קשורים, החלטתי מראש שהבלוג הזה ישתדל להתמקד בנושא אחד, והוא רנורמליזציה (renormalization). היו מספר סיבות שהובילו אותי לבחירה בנושא זה. הראשונה והחשובה ביותר היא שמדובר בנושא שמרתק אותי: טכניקת הרנורמליזציה משמשת בתחומים רבים בפיסיקה, והשימושים המגוונים שלה בכל תחום מאפשרים תגליות רבות-ערך. היא מופיעה בתחום המצב המעובה (שהוא תחום המחקר שלי), בפיסיקה של אנרגיות גבוהות, בפיסיקה קלאסית של מעברי פאזה ועוד.

סיבה שניה היתה שמבחינתי, לכל הפחות, יש עוד מסתורין רב בטכניקה הזו והבלוג הזה אולי יאפשר לי להבין טוב יותר ולעומק מה בדיוק קורה ברנורמליזציה. כך, לא רק קוראי ילמדו, אלא גם אני. סיבה שלישית ואחרונה היא שמדובר בנושא ארוך ומורכב, והוא יאפשר לי לכתוב סדרה ארוכה של פוסטים לפני שאמצה אותו. השאלה היא האם אני אתעייף לפני שהנושא ימצה את עצמו או לא.

אבל מעבר לנושא הרנורמליזציה, בו אני אשתדל להתמקד ככל האפשר, סביר להניח שאני אחרוג לנושאים אחרים שמעניינים אותי בפיסיקה ובמדע בכלל. דברים אחרים — כגון פוליטיקה, תרבות ועוד — כנראה לא יהיו כאן. והסיבה תתברר בפסקה החותמת.

שם הבלוג, "בחזרה לנורמליות", הוא דו-משמעי מבחינתי — משמעות אחת היא פשוט התחכמות מילולית, מעט קהה, על המונח האנגלי renormalization. המשמעות השניה אישית יותר — תזכורת אישית מתמדת שלא לגלוש לפוליטיקה. הבלוג הזה יוקדש לפיסיקה ולמדע, ואולי ארשה לעצמי הערות אישיות מפעם לפעם. אבל לשם כתיבת הערות פוליטיות אני אמשיך להגיב באחד מהבלוגים הרבים בהם אני מגיב גם כיום, שחלק מהם ניתן למצוא ברשימה בצד.