פיזיקה וחשיבותה בקידום טכנולוגי ובשיפורי יעילות

פיזיקה מוגדרת כענף מדע העוסק בכוחות ברמה המיקרוסקופית, הנתפסים כדיסציפלינות מדעיות קשות ומובנות שסביר להניח שאין להן רלוונטיות לציבור הכללי. אבל במציאות, פיזיקה היא הבסיס לרוב הפיתוחים המודרניים בטכנולוגיה ועליה מתבצעים ללא הרף שיפורי יעילות. סמלים לחשיבותה הם סמארטפונים וטכנולוגיות הדמיה רפואיות מצילות חיים. בהתחשב במצבים קיימים כגון שינויי אקלים, אנרגיה עתידית ושיבושים טכנולוגיים, פיזיקה מעולם לא הייתה כה רלוונטית וחיונית.

מחקר פנומנולוגי נועד ליצירת טכנולוגיות, חומרים ותהליכים חדשים שאפשר להפיק מחוקי היסוד של הפיזיקה כדי לשפר את התעשיות ואת חייהם של אנשים. כתבה זו תדון במספר היבטים של חשיבות לימודי הפיזיקה לקראת שיפור ההיבט הטכנולוגי והיעילות של מספר טכנולוגיות. בהמשך נדון בנושאי הפיזיקה: הבנת הרעיונות הבסיסיים שלה, הרקע שלה ושימושים מעשיים שלה. נעריך גם את ההשפעה שיש לפיזיקה על מגזרים במשק כגון אנרגיה ותחבורה, בריאות וטכנולוגיה.

הבנת פיזיקה: הנחות יסוד לפיתוח טכנולוגי

אפשר לתאר את הפיזיקה כענף מדע העוסק באנרגיה, בחומר, במרחב ובזמן כדי להבין את החוקים והעקרונות הטמונים בהם. זה תחום עצום ומרתק, הכולל מגוון ענפים:

מכניקה: תחום מדע העוסק בתנועת עצמים ובגורם לכוחות הגורמים להם לנוע.

תרמודינמיקה: ענף מדע העוסק במדידה ובהעברה של חום, טמפרטורה ואנרגיה.

אלקטרומגנטיות: ענף מדע העוסק בתופעות כגון חשמל, מגנטיות ואור.

מכניקת קוונטים: ענף בפיזיקה העוסק בהתנהגות של החומר ואנרגיה ברמה אטומית ותת-גרעינית.

ענפי הפיזיקה האלו קשורים זה בזה, וכל הידע משולב ליצירת תפיסת העולם שלנו.

מושגי מפתח:

אנרגיה: היכולת או הכוח לבצע משימה. לדוגמה, אנרגיה קינטית, אנרגיה פוטנציאלית ואנרגיה תרמית.

חומר: כל עצם שמאופיין ביכולת להיות בעל מסה ונפח ותמיד עושה זאת (אטומים, מולקולות, עצמים וכו').

מרחב: מרחב תלת-ממדי שקיימים בו כל העצמים החומריים וכל קרינה או גל.

זמן: מדד הטרנספורמציה והאבולוציה של היקום כולו.

לפיזיקה, כענף של מדע וידע, יש היסטוריה עשירה מאוד. אבותינו עסקו בעקרונותיה בעת העתיקה. מאריסטו ועד גלילאו, ניוטון ואיינשטיין, הפיזיקאים הרחיבו ללא הרף את הבנתנו את היקום, והניחו את הבסיס לחידושים טכנולוגיים. מושגי יסוד ותיאוריות אלו אפשרו למדענים ולמהנדסים לפתח טכנולוגיות חדשות, לשנות תעשיות ולשפר את חיי היומיום שלנו. אפשר לומר שפיזיקה היא הבסיס לרוב החידושים המגדירים את עולמנו כיום. פיזיקה מתורגלת בתחומים טכנולוגיים רבים ומיושמת בכל היבטי החיים כמעט.

אלקטרוניקה: מוליכים למחצה וטרנזיסטורים

מוליכים למחצה הם חומרים בעלי מוליכות חשמלית שנמצאת בין מוליכים (כגון מתכות) לבידוד (כגון זכוכית). תכונה זו נובעת מיכולתם לאפשר מעבר זרם חשמלי בתנאים מסוימים כגון חימום או הוספת אטומים זרים, והדבר הופך אותם חיוניים לרכיבים אלקטרוניים כגון דיודות וטרנזיסטורים.

טרנזיסטורים הם רכיבים אלקטרוניים העשויים ממוליכים למחצה, המשמשים כמתג או מגבר. הם מאפשרים שליטה בזרימת הזרם במעגלים אלקטרוניים, ומכאן מהווים בסיס למעגלים משולבים המשמשים במחשבים, בטלפונים סלולריים ועוד. מוליך למחצה שיש לו מוליכות חשמלית בין מבודד למוליך, וטרנזיסטור, מתג או מגבר, חיוניים במגוון מכשירים, מטלפונים ניידים ומחשבים אישיים ועד אוטומציה של מפעל.

חידושים אלה הפכו את האלקטרוניקה לקטנה יותר, מהירה יותר ויעילה יותר, ומשנה את חיי היומיום.

מחשוב

מחשוב במיוחד הועשר על ידי תוצאות שהושגו בפיזיקה. ההפרעה של מצבים קוונטיים מעל, למשל מחשוב קוונטי, היא תחום מתפתח המנצל את המסגרת התיאורטית של מכניקת הקוונטים כדי לבצע חישובים מעבר למחשבים הקלסיים. מאפיין חיובי נוסף של אלגוריתמים קוונטיים הוא שהם יכולים לפתור בעיות תוך שניות, והדבר יהיה הישג למחשב קלסי. יתרה מזו, ההתקדמות בטכנולוגיות אחסון נתונים כגון אחסון מגנטי וכונני מצב מוצק, נעוצות בעקרונות הפיזיקה המאפשרים טיפול בכמויות אדירות של נתונים במהירויות חסרות תקדים.

הדמיה רפואית

שיטות הדמיה רפואיות כגון סריקות MRI ו-CT הן תוצאה של תשומות רבות מתחום הפיזיקה ושינו באופן ניכר את האבחנה. MRI מצלם תמונות מהשדה המגנטי ומגלי הרדיו בגוף בעוד שסריקות CT מצלמות תמונות מצילום הרנטגן בחתך. התקדמות זו, שמקורה במחקר הפיזיקלי על גלים אלקטרומגנטיים וקרינה, שיפרה מאוד את הגילוי המוקדם והטיפול במצבים רפואיים.

אנרגיה מתחדשת

מערכות אנרגיה מתחדשות או שמש ורוח הם חלק מסוגי החשמל החשובים ביותר. הפיזיקה שיפרה מאוד את טכנולוגיות האנרגיה המתחדשת ויצרה מערכות אנרגיה משופרות ובנות-קיימה. לדוגמה, אנרגיה סולרית משתמשת במערכות פוטו-וולטאיות שבהן האור נהפך לחשמל באמצעות מוליכים למחצה. תובנות לגבי האפקט הזה הביאו לשיפור של פנלים סולריים, והדבר הפך את התהליך ליעיל יותר.

שיפור מתמיד בתחום האווירודינמיקה ובדינמיקת הנוזלים סייע לשפר את טכנולוגיית הרוח, במיוחד טורבינות רוח. ההתקדמות הזו חיונית בטיפול במשבר האנרגיה העולמי ובהפחתת התלות שלנו בדלק מאובן.

שיפורי יעילות

בכל התחומים, פתרונות המבוססים על פיזיקה שיפרו את הפונקציונליות והפחיתו את השימוש במשאבים ובהוצאות.

יעילות אנרגטית: נורות לד למשל הן מוצר הקשור למראה של מבנים ועיצובים אדריכליים. תגליות בתחום הפיזיקה כוללות ייצור של נורות LED חסכוניות המיישמות ניצול של חומרים מוליכים למחצה להפקת אור מתמשך, חסכוני בחשמל. דוגמה נוספת, טכנולוגיות בידוד משופרות המבוססות על תרמודינמיקה, עוזרות לחסוך באנרגיה בבניינים על ידי מזעור אובדן חום.

תחבורה: אווירודינמיקה וכלי רכב חשמליים הם אחד התחומים. מכניקה כגון אווירודינמיקה מבטיחה שהרכב משתמש בדלק מינימלי. הפיתוח של כלי רכב חשמליים (EVs) ממנף את ההתקדמות בטכנולוגיית הסוללות והאלקטרומגנטיות ומאפשר תחבורה נקייה ויעילה יותר.

חומרים חדשים ומתקדמים/ננוטכנולוגיה

ננוטכנולוגיה המבוססת על מכניקת הקוונטים ופיזיקת החומר, יצרה חומרים חזקים, קלים ומוליכים תרמית, החיוניים לטכנולוגיות הדור הבא. שיפור היעילות בהובלת הפיזיקה מסייע לחדשנות וקיימות.

הפיזיקה מיושמת בהיבטים יומיומיים. מוצרי צריכה רבים, למשל סמארטפונים ומחשבי מגע, נטועים בפיזיקה. טרנזיסטורים ומוליכים למחצה המיוצרים בעקבות מחקרי פיזיקה הם המרכיבים של התקנים קטנים אלה, המספקים יכולת חישוב יעילה ביותר. פיתוחי ספין-אוף אחרים המסתמכים על עקרונות הפיזיקה הם טכנולוגיות משופרות בתחומים כגון מסכי תצוגה, סוללות ואותות אלחוטיים המאפשרים אינטראקציה מהירה ויעילה עם גאדג'טים.

בתעשיות, פיזיקה משפרת את אופן הביצוע של פעולות ואת קצב הביצוע של משימות. תעשיית הייצור המדויק מפעילה לייזרים ורובוטיקה בתהליך ייצור מוצרים המוגדרים בסטנדרטים גבוהים. לשתי הטכנולוגיות האלו יש יסודות בפיזיקה. בתחום הלוגיסטיקה, המכניקה, וכן עקרונות הפיזיקה התרמית, משפרים את התפעול היעיל של ההובלה בנוף של הובלת סחורות בעלות מינימלית.

פיזיקה חשובה גם בתצפית על מזג האוויר, ומאפשרת מודלים של האקלים. הכרה של תנועת האטמוספירה, אנרגיה, איזון מסה וזרימת נוזלים, מאפשרת לחזות שינויים במזג האוויר והאקלים. התחזיות מסייעות לחזות אסונות ושינויי אקלים ולהיערך אליהם. יישומים כאלה מרמזים על התרחבות מתמדת של הפיזיקה במגוון היבטים בחיי האדם ובתעשיות, ובעקבות זאת מדגישים את הרלוונטיות של התפתחויות נוספות בפיזיקה.

גבולות עתידיים

תחומים מסוימים של מחקרי פיזיקה כגון מחשוב קוונטי, בינה מלאכותית וביופיזיקה, יתרמו כנראה להמשך הפיתוח של טכנולוגיות בעתיד. מחשוב קוונטי עשוי לפתור בעיות מורכבות, בינה מלאכותית עשויה לשפר את קבלת ההחלטות, וביופיזיקה עשויה להביא לפריצות דרך בטיפולים רפואיים ולהניע התקדמות ממשית במגוון תחומים.

המַסְקָנָה היא שפיזיקה היא הקסם שהקל את הצמיחה וההתקדמות בכל תחום כמעט. עם זאת, כדי לקיים התקדמות מהסוג הזה ולהשיג הישגים חדשים בתחום הטכנולוגיה, נחוץ מימון מוגבר של מחקר וחינוך בפיזיקה. גם בעתיד פיזיקה תמשיך להיות אחד המשאבים שיתמודדו עם הנושאים הקיימים בחברה של היום לקראת עתיד טוב יותר.

לפרטים נוספים