ערן בוכבינדר

זוכה פרס קריל 2014

ד"ר ערן בוכבינדר (Dr. Eran Bouchbinder) 
יליד 1974, ישראל
מכון ויצמן למדע

 

תחומי מחקר: פיסיקה של מערכות מורכבות מחוץ לשיווי משקל. פיסיקה ומכניקה של חומרים

 

תמצית מחקר: פיסיקת הרצף של מערכות מורכבות

 

העולם הסובב אותנו חושף בפנינו אינספור תופעות מורכבות ועשירות. חישבו על זכוכית חלון הנשברת כשאבן פוגעת בה, על דלת או בלמי מכונית חורקים, על קווי המתאר המורכבים של קרום כדור הארץ, על התאים בגופכם המארגנים עצמם לרקמות, על שלל הצורות של עלים, פתיתי קרח ועננים בשמיים, על מערבולות בים או על דיונות חול. חישבו על החומרים המקיפים אותנו, אלו המאפשרים למטוסים לטוס לאורך זמן בתנאים קשים, על הגבישים הנוזליים במסכי הטלוויזיה והטאבלטים שלנו, על העצמות בגופנו המספקות חוזק וקשיחות על אף משקלן הנמוך או על המתכות בשלד המכונית שמגנות על הנוסעים בעת תאונה.

 

המחקר שלנו שואף לפתח תיאוריות כמותיות שיאפשרו לחזות את ההתנהגות של מערכות מורכבות אלה בתנאים לא פשוטים. על מנת להבין את האתגר האינטלקטואלי הכרוך בכך, עלינו לזכור כי חומרים מורכבים מיחידות בסיסיות קטנות, אטומים או מולקולות, המקיימות ביניהן אינטראקציות, כלומר מפעילות זו על זו כוחות משיכה ודחייה. יתר על כן, בכל גוש חומר בנפח של סנטימטר מעוקב יש כ-1023 אטומים, כלומר אחד ועשרים ושלושה אפסים אחריו! ברור, אם כך, כי אין ביכולתנו לדעת את מיקומן ומהירותן של כמות עצומה כזו של יחידות בסיסיות. לאמיתו של דבר גם איננו מעוניינים במידע כזה, אלא בהתנהגות הקולקטיבית והממוצעת (ולא האינדיבידואלית) של היחידות הבסיסיות שמולידה תופעות כאלו שהוזכרו לעיל.

 

קשה להאמין כי עלינו לדעת היכן נמצא כל אטום ואטום במערכת כדי להבין תופעות אלה שנותרות בעינן גם עבור התנהגויות אינדיבידואליות/מיקרוסקופיות שונות (כלומר מיקומים ומהירויות מסוימים של האטומים/מולקולות במערכת), אבל לא שונות מאוד. ההתנהגות הקולקטיבית מעידה על קיומה של התנהגות טיפוסית, במובן הסטטיסטי, אותה אנו חפצים לחשוף ולהבין. לפיכך, משימתנו היא לגלות חוקים פשוטים יחסית, המתוארים במשוואות מתמטיות פשוטות יחסית, המסבירים ספקטרום רחב של התנהגויות קולקטיביות/מקרוסקופיות של מערכות מסובכות מאוד מבלי לתאר מה עושה כל אטום ואטום. גישה זו משלבת בין הפיסיקה הסטטיסטית (המתמקדת בהתנהגות הסטטיסטית/הממוצעת) לפיסיקת הרצף (ה"שוכחת" את קיומם של אטומים ומתמקדת בשינויים איטיים בזמן ובמרחב ביחס לגדלים אטומיים).

 

הקושי הגדול שלנו נובע מכך שאפילו אנו יודעים מהן האינטראקציות בין שניים או שלושה חלקיקים, עדיין איננו יודעים מהו "החוק" השולט בהתנהגות כמות גדולה מאוד של חלקיקים המקיימים אינטראקציה זאת. במובן מסוים ניתן לומר כי המטלה הגדולה שלנו היא להבין איזה היבטים של המערכת המורכבת רלבנטיים לתיאור ההתנהגות הקולקטיבית/המקרוסקופית שאנו מתעניינים בה ואילו אינם. למעשה אנו צריכים בראש ובראשונה להבחין בין עיקר לטפל, ביחס לתופעה אותה אנו מנסים להסביר, ולנסח את העיקרון בצורה מתמטית פשוטה יחסית (באמצעות משוואות הקרויות משוואות דיפרנציאליות חלקיות).

 

לדוגמא, אנו חוקרים כיצד חומרים נשברים. ידוע כי פגמים בחומרים מתפתחים לסדקים המתפשטים עד לכשל קטסטרופלי (כמו בכוס מתנפצת). איננו מבינים עד תום באלו תנאים הסדק מתחיל לנוע ומה הדינמיקה שלו כשהוא כבר נע (בדרך כלל במהירויות גבוהות המתקרבות למהירות הקול). במחקר שביצענו לאחרונה בשיתוף קבוצה ניסיונית מן האוניברסיטה העברית גילינו כי סדקים שאמורים לנוע בקווים ישרים מתחילים לנוע במסלול גלי

 

כשמהירותם גבוהה ביותר. בעקבות הגילוי הניסיוני פיתחנו תיאוריה חדשה של שבירה, המתבססת על עיוותים גדולים של החומר ליד קצה הסדק (מעגל אדום), שמסבירה את התופעה החדשה ופותחת פתח להבנה חדשה של כשל חומרים.

 

במחקר אחר שביצענו לאחרונה חקרנו את תהליך התחלת התנועה של סדקים בקבוצת חומרים חדשים המכונים זכוכיות מתכתיות, שאחד השימושים המסחריים הראשונים שלהם היה במכשיר "אייפון 5". על סמך תיאוריית רצף סטטיסטית של עיוותים פלסטיים (כלומר בלתי הפיכים, כמו כפית מכופפת שאינה חוזרת למקומה) בחומרים לא-מסודרים (דהיינו לא גבישיים),

 

הראינו כיצד תהליכי "הזדקנות חומרית" מבוקרים עשויים להוביל לשינויים דרמטיים בהתנגדות החומר לתנועת סדקים ולכן לשינויים משמעותיים בחוזקו. המחקר בחומרים זכוכיתיים (למשל חומרים זכוכיתיים קשים כפלסטיק וזכוכית חלון או רכים כקצף וג'ל) נוגע בשאלה עמוקה בפיסיקה: מה מבדיל בין מוצק לנוזל? על פניו נראה כי התשובה ברורה למדי, אך חומרים זכוכיתיים מלמדים אותנו שאין הדבר כך כיוון שהמבנה להם דומה מאוד לזה של נוזלים, אך התכונות שלהם דומות לאלו של מוצקים. יתר על כן, בתנאים מסוימים חומרים זכוכיתיים עשויים להפגין תכונות הן של נוזלים (למשל להפוך לשלולית כאשר משאירים אותם במנוחה זמן ארוך) והן של מוצקים (למשל לקפוץ ככדור גומי כשמטיחים אותם בכוח ברצפה).

 

בקבוצת מחקרים אחרת אנו מתמקדים במערכות ביולוגיות. לדוגמא, בשנים האחרונות התברר כי תאים מסוגלים לחוש ולהגיב לתכונות הפיסיקליות של המצע עליו הם גדלים ולכוחות הפועלים עליו. במחקר שביצענו לאחרונה בשיתוף קבוצה ניסיונית אחרת במכון וייצמן חקרנו את התגובה של תאים לכוחות מחזוריים שפעלו על המצע אליו הם נצמדו, בדומה לפעילות הלב או הנשימה. התופעה המרשימה שנצפתה חשפה התארגנות וסידור של כל התאים, שבתחילה הצביעו בכיוונים אקראיים, בכיוון אחד הנקבע על ידי מאפייני הכוח המחזורי (דוגמא של תא בניסוי נראית כאן). על מנת להבין ולחזות התנהגות זאת, שעשויה להיות קשורה לאופן שבו תאים פועלים בתנאים פיזיולוגיים בגופנו, פיתחנו תיאורית רצף המבוססת על מזעור של האנרגיה האלסטית האגורה בתא,
שמאפשרת לחזות באופן כמותי את הסיבוב של התאים מנקודות התחלה אקראיות לזווית מסוימת אחידה. גישה חדשה זו עשויה להוביל להבנה מעמיקה יותר של התנהגות תאים בתנאים שונים.

 

לבסוף, בקבוצת מחקרים שביצענו בתקופה האחרונה התמקדנו בשאלה: "כיצד
גופים מחליקים זה כנגד זה?". אלו יכולים להיות צמיגי מכונית והכביש, שני לוחות טקטוניים בקרום כדור הארץ – אשר תנועת ההחלקה היחסית שלהם ידועה כ"רעידת אדמה" –, ראש הקריאה והכתיבה הנע על פני הדיסק הקשיח במחשב או אינספור מערכות פיסיקליות אחרות. על מנת לשפוך אור על תהליכים מורכבים אלה, עלינו להבין את התהליכים הפיסיקליים המתרחשים בתוך משטחי החיכוך עצמם באזורי המגע בין שני הגופים. לדוגמא, במחקר חדש פיתחנו תיאורית רצף המציעה הסבר אפשרי לתופעה שהתגלתה לאחרונה במעבדה ובתצפיות שדה ולפיה חלק מרעידות האדמה עשויות להיות "שקטות" ולפיכך לא לגרום לנזק רב.

 

לסיכום, הפיסיקה הסטטיסטית ופיסיקת הרצף נותנות בידינו כלים רבי עוצמה לתאר ולחזות אוסף עצום של תופעות פיסיקליות בעולם הסובב אותנו, ומשפיעות באופן עמוק הן על הבנתנו את הטבע והן על יכולתנו לשלוט בו ולהשתמש בו לטובת האדם בפיתוח טכנולוגיות מתקדמות.

זוכי פרס קריל

// order posts by year $posts_by_year;