משחר ההיסטוריה שאף האדם להסביר את העולם, קרי לנסח בעזרת חוקים ותובנות את אשר חווה ובעזרתם להבין ולהסביר את המתרחש סביבו, לחזות את הנולד ולשלוט בעתידו (ולעיתים גם בעתיד אחרים); החל באריסטו אשר ניסח את חוקי התנועה דרך גלילאו וניוטון שהפריכו אותם (עקרון ההתמדה) וניסחו את חוקי המכאניקה המוכרים לנו היום וכלה במדענים העובדים על התורות הפיסיקליות של ימינו (תורת היחסות, מכאניקת הקוונטים ועוד, השמיים הם הגבול). עם זאת יש להבדיל בין אריסטו אשר ניסח הבחנות על תופעות טבע אך לא בדק אותן בעזרת ניסוי והסתמך על ההיגיון בלבד לבין גלילאו אשר שלל את רעיונותיו של אריסטו וניסח את תובנותיו שלו באמצעות שורת ניסיונות שביצע. כמו כן, בהתבוננות נוספת מתגלה לכאורה דפוס מדאיג, שהרי גם המכאניקה הניוטונית הופרכה על-ידי אלברט איינשטיין ותורת היחסות הפרטית שלו שהראתה שהמכאניקה הניוטונית אינה אלא מקרה פרטי של התורה הכוללת וצפויה להניב תחזיות נכונות רק במקרה של מהירויות הנמוכות בהרבה ממהירות האור. אך האם זה סוף הסיפור? האם המדע נידון לכישלון בניסיונו לתאר את הטבע או שאנו פשוט עוד לא מצאנו את התורה המלאה? האם יום אחד נוכל לנסח את התאוריה של הכל (The Theory of Everything), או לרשום משוואה שתתחיל במפץ הגדול ותחזה כל רגע מאוחר יותר? האם התיאוריות של היום הם רק עניין חולף ואם כן, האם אנו צריכים לדאוג מכך? לדעתי התשובה היא כן ולא, כפי שאפרט בהמשך.
כדי להעמיק ברעיון התיאוריה הפיסיקלית עלינו תחילה לשאול כיצד בכלל נבנית תיאוריה כזאת? תיאוריה או מודל חדש יכולים להיוולד כהסבר לניסוי שתוצאותיו אינן תואמות את המודל הקיים ולחלופין, לפעמים זהו הניסוי שבא לאשש או להפריך תיאוריה חדשה שנכתבה ומנבאת תוצאות אלו ואחרות. אנסה להדגים זאת בעזרת נושא הקרוב לליבי – המוליכים למחצה. בשנת 1947 הוצג במעבדות בל הטרנזיסטור הראשון שזיכה את ממציאיו בפרס נובל לפיסיקה תשע שנים לאחר מכן. ב-1958 הוצג המעגל המשולב הראשון ומאז הטכנולוגיה שועטת קדימה ללא מעצורים. שבבי הסיליקון נמצאים (כמעט) בכל מקום. בכל פעם שאתם משתמשים במחשב כדי להתעדכן במעלליה האחרונים של לינדסי לוהן (או כל כוכבן או כוכבנית אחרת לפי טעמכם) אתם משתמשים בשבבי סיליקון (שהוא מוליך למחצה).
אז מהו מוליך למחצה? ראשית נסביר מהם מוליכים ומבודדים. מוליך (למשל מתכת) הוא חומר אשר בו תמיד יש אלקטרונים פנויים להולכה חשמלית. לעומת זאת מבודד (למשל קלקר) הוא חומר בו קיים מחסום אנרגטי גדול המונע מאלקטרונים להשתתף בהולכה (יש לציין שאילו אינן ההגדרות הפיסיקליות המדויקות אך להימנע מטרחנות נסתפק בזאת). מוליכים למחצה הם בעצם מבודדים אשר המחסום האנרגטי בהם קטן מספיק כך שאנרגיה תרמית (כלומר – חום) בטמפרטורת הסביבה תגרום להם להוליך במידה מסוימת. כמו כן, על ידי החדרת אטומים זרים (מסוימים) למוליכים למחצה אנו יכולים לגרום לעלייה חדה במוליכות החשמלית שלהם. כך קיבלנו חומרים אשר ניתן לשלוט באופן מדויק במוליכות שלהם וזה מה שהופך אותם לחשובים כל כך בתעשיית השבבים. זאת בניגוד למוליכים ומבודדים אשר ההולכה החשמלית בהם או נמוכה או גבוהה מידי ותלויה בטמפרטורה.
כעת נרצה לבנות מודל פיסיקלי לתיאור ההולכה בחומרים אלו. אין לחשוש, לא תופיע פה ולו נוסחא מתמטית אחת! ראשית אנו משתמשים בעקרונות אחת התיאוריות הקלאסיות בפיסיקה, הפיסיקה הסטטיסטית, לנסח את ההתנהגות של חלקיקי גז. לאחר מכן אנו מניחים שאלקטרונים במתכת מתנהגים כחלקיקי גז עד כדי תיקונים הנובעים מתורת הקוונטים (חוק האיסור של פאולי, חישוב ספקטרום האנרגיה של האלקטרונים). יש לשים לב שכאן כבר יצרנו אמלגם של עקרונות פיסיקליים קלאסיים וקוונטיים. כעת נשתמש
במודל הזה לתיאור המוליכים למחצה עם תיקון נוסף הקשור להוספת המחסום האנרגטי של האלקטרונים בדרך להולכה חשמלית. בעזרת המשוואות שקיבלנו נוכל לחשב כמה אלקטרונים פנויים להולכה בפיסת מוליך למחצה ובשימוש במודל הולכה קלאסי נוכל למצוא מה ההולכה החשמלית הצפויה במעגל שניבנה בעזרתו.
המודל שהוצג מכיל קירובים רבים וסלט של רעיונות מודבקים מתחומי פיסיקה שונים. קשה להאמין שהוא מתאר את הטבע באופן אמיתי. עם זאת, באופן בלתי נתפס, הוא חוזה בצורה פנטסטית את תוצאות הניסויים כבר עשרות שנים ונמצא בשימוש במחקר ובתעשייה עד ימים אלו. המחשב שלכם עובד, הלא כן?
אז מה ניתן ללמוד מכל זה? כבני-אדם פרגמאטיים, נוכל לומר שכל תיאוריה שמצליחה בעקביות לחזות את תוצאות הניסוי הרלוונטי ובעזרתה ניתן להגיע לקידום ממשי של המדע מקובלת עלינו. ומה יהיה כאשר נערוך ניסוי שעבורו יתגלה שהתיאוריה אינה עובדת? נחזור לשולחן העבודה ונכתוב אחת חדשה. מודל הוא טוב כל עוד הוא עובד.
(האיורים בפוסט מתוך ויקיפדיה)
תגובות