איינשטיין חזה שהחלל מתעקם. עכשיו אפשר יהיה למדוד את זה
אוריאל בריזון
קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/gravityprobeb.html
מדענים אמריקאים עומדים לשגר לחלל לוויין מחקר שאמור לאשש את תורת היחסות הכללית של איינשטיין. משוואות היחסות הכללית עומדות בבסיס ההסבר המדעי לתנועתם של הכוכבים והגלקסיות ולהיווצרותו של היקום.
על פי תורתו של איינשטיין, החלל עצמו מתעקל בסמיכות לגופים גדולים (כמו כדור הארץ). הלוויין – – Gravity Probe B ינסה למדוד את עקמומיות החלל, הבאה לביטוי בקיומו של מעין “בור” מרחבי סביב כדור הארץ. כדי למדוד את השינויים המרחביים הותקנו על הלוויין חיישנים ייחודיים המסוגלים לבצע מדידות בדיוק חסר תקדים. שיגור הלוויין הוא שיאו של פרויקט מדעי וטכנולוגי עצום בהיקפו המבוסס על כארבעה עשורים של מחקר ופיתוח.
הסבר חדש לכוח הכבידה
ב-1905 פירסם אלברט איינשטיין, אז פקיד במשרד הפטנטים בברן, מאמר שחולל מהפכה בעולם הפיסיקה. ביום זה נולדה מה שלימים תכונה תורת היחסות הפרטית. איינשטיין התעמק בבעיות שנבעו מניסויים קודמים שבהם נבחנה מהירות האור. ניסויים אלה הראו כי בניגוד למה שמתרחש בתנועה רגילה, מהירות האור אינה משתנה ביחס לתנועת הצופה. אם אדם נוסע ברכב במהירות של 20 קמ”ש ואדם אחר נוסע מולו ברכב במהירות של 10 קמ”ש, הם נעים אחד לעבר השני במהירות יחסית של 30 קמ”ש. קרני אור אינן מתנהגות כך. האור, שנע במהירות שלאיינשטיין.
כמיליארד קמ”ש, אינו יחסי למהירותו של הצופה. ניסיונות שונים לתת הסבר לתופעה נכשלו עד שאיינשטיין הציע לשנות את הנחות היסוד של הפיסיקה. הוא טען כי מהירות האור היא קבוע וכי לא ניתן לנוע מהר יותר. לעומת זאת, גדלים אחרים כמו אורך, מאסה ואף הזמן עצמו, שנחשבו לקבועים, הם שמשתנים בעת תנועה.
המהירות קבועה, הזמן משתנה
במהירויות המתקרבות למהירות האור מתרחשות תופעות מוזרות. אנרגיה המושקעת בהאצה תגרום לעלייה במאסה של הגוף הנע. ניתן לחשוב על מכונית הנעה במהירות הקרובה למהירות האור. בתנאים כאלה לחיצה על דוושת הגז במכונית לא תגרום לעלייה במהירות אלא לעלייה במאסה של המכונית. לצופה מצד הכביש המכונית תיראה מאסיווית יותר, והתנועות בתוכה ייראו לו אטיות – הזמן במכונית ינוע בקצב אטי יותר מאשר בשעונו של הצופה.
אף על פי שמסקנותיו של איינשטיין נראות בלתי סבירות, התופעות שחוזה תורת היחסות הפרטית נמדדו בניסויים רבים. במאיצי חלקיקים, למשל, נמדדה עלייה במאסה של חלקיקים כתוצאה מתנועתם המהירה וכן נמדד שינוי בקצב הזמן (על ידי זיהוי סטייה בזמן מחצית החיים של החלקיקים). המשוואה המפורסמת של איינשטיין E=mc2 נובעת ישירות מהיחסות הפרטית והיא עומדת בבסיס פעולתם של כורי חשמל אטומיים ופצצות אטום.
בשנת ,1915 לאחר שהשקיע כעשור בהרחבת תורת היחסות הפרטית, פירסם איינשטיין את מאמר היסוד של תורת היחסות הכללית. ביחסות הכללית מיישם איינשטיין את התובנות החדשות על אודות אופיים של החלל והזמן (שאוחדו לגורם המכונה חלל-זמן) במסגרת רחבה יותר. איינשטיין הציע הסבר חדש לכוח הכבידה, הכוח המרכזי בתיאור התנהגותו של היקום.
על פי תורת היחסות הכללית, גופים אינם נמשכים זה לזה בשל כוח הנובע מכל גוף בעל מאסה (כפי שסבר ניוטון), אלא נעים במרחב עקמומי. ניתן להבהיר את הרעיון על ידי הדימוי הבא: נניח שכדור מתכתי כבד מונח על מזרן רך. הכדור יוצר מעין בור במזרן. הבור מדמה את השקע שיוצרים גופים מאסיוויים בחלל. גולה קטנה שתנוע על המזרן בקו ישר לעבר הכדור, “תיפול” אליו. היא תאיץ את נפילתה ככל שתתקרב אל הכדור היות שדפנות הבור יהיו תלולות יותר. למי שלא יכול לראות את המזרן (נניח שהוא שקוף) ייראה כאילו הגולה הקטנה נמשכת אל הכדור על ידי כוח כלשהו המאיץ את תנועתה. בדומה לכך, הגופים הנופלים אל כדור הארץ נעים למעשה במעין בור מרחבי; תנועתם מוכתבת על ידי עקמומיות החלל שאינו “שטוח” אלא מתעקל סביב גופים מאסיוויים.
במשך השנים נמצאו הוכחות רבות לתורת היחסות הפרטית. את משוואות היחסות הכללית, לעומת זאת, קשה מאוד לאשש. ניסויים חשובים ובהם מדידת שינוי מיקומם של כוכבים בשעת ליקוי חמה ומדידת השינוי הקל במסלולו של כוכב הלכת חמה, הקרוב ביותר לשמש ולבור הכבידה שלה, בחנו היבטים מצומצמים של היחסות הכללית, ולפיכך לא השביעו את רצונם של המדענים.
סטייה של 1.8 אלפיות המעלה
ב-1959 הציע לנרד שיף, פיסיקאי מאוניברסיטת סטנפורד, ניסוי שיאפשר למדוד באופן ישיר את עקמומיות המרחב סביב כדור הארץ. שיף הציע להשתמש בג'ירוסקופ – רכיב מכני המצוי במכשירי ניווט שונים שבו יש מאסה מרכזית הסובבת במהירות ושומרת על כיוון ציר הסיבוב בדיוק רב. הרעיון היה למדוד את העקמומיות של החלל-זמן באמצעות מדידת ההסטה בציר התנועה של הג'ירוסקופ בדיוק רב. כיוון ציר התנועה של הג'ירוסקופ, טען שיף, ישתנה בהתאם לעקמומיות של המרחב סביבו, ואת ההסטה אפשר יהיה למדוד באמצעות השוואה לנקודה מרוחקת שאינה מושפעת מעיקול המרחב המקומי.
שיף הציע לשלח לוויין ובו ג'ירוסקופ למסלול סביב כדור הארץ ולמדוד את הסטייה הזוויתית שתיווצר בציר תנועתו לאחר שנה. הוא חישב ומצא כי במסלול בגובה 640 ק”מ מעל לארץ צריכה להיווצר במשך שנה סטייה בשיעור של כ-1.8 אלפיות המעלה. בנוסף חישב שיף כי צריכה להיווצר סטייה נוספת, קטנה פי מאה, בציר המאונך לציר הסטייה הראשונה. הסטייה השנייה תיגרם בשל תופעה המכונה “גרירת מרחב” (frame dragging). גרירת מרחב נגרמת בשל תנועתו של כדור הארץ סביב צירו. התנועה “גוררת” את המרחב בסמוך לכדור הארץ ויוצרת מעין מערבולת מרחבית. מדידה של גרירת מרחב תיחשב לחיזוק משמעותי במיוחד לתורת היחסות הכללית מכיוון שזוהי תופעה מאוד ייחודית לתיאוריה.
לאחר שהציע את הניסוי הבין שיף כי הטכנולוגיה ב-1959 אינה מאפשרת לבצע אותו. מאוחר יותר, בשנת ,1976 שיגרו מדענים מסוכנות החלל האמריקאית את לוויין המחקר .Gravity Probe A מטרתו היתה למדוד את שינוי קצב הזמן בנקודות שונות בשדה הכבידה של כדור הארץ (השינוי בזמן, הנלווה לעקמומיות המרחב, הוא אפקט הנחזה על ידי היחסות הכללית). הלוויין, שבו הותקן שעון אטומי מדויק, שהה בחלל 115 דקות בלבד והגיע בזמן זה לגובה של כעשרת אלפים קילומטר. בעת ההתרחקות ממרכז שדה הכבידה של כדור הארץ נמדדו השינויים בקצב הזמן והתגלו כתואמים לתחזיות. אך המדענים לא הסתפקו בכך ושאפו לבצע מדידה ישירה של עקמומיות המרחב.
ב-1980 נערכה בנאס”א סקירה מחודשת של המוכנות הטכנולוגית לביצוע הניסוי של שיף, והוחלט להתחיל בפרויקט. לאחר שנים של בחינה ודחייה חלופות שונות הוחלט על מבנה הלוויין. המרכיבים החשובים בו הם ארבעה ג'ירוסקופים רגישים וטלסקופ בעל יכולת הפרדה גבוהה. הוחלט כי הלוויין אכן יחוג סביב כדור הארץ בגובה 640 ק”מ, ומשך המשימה נקבע לשנתיים.
הטלסקופ של הלוויין יכוון אל כוכב מנחה – IM Pegasi בקבוצת הכוכבים פגסוס. הכוכב ישמש נקודת ייחוס חיצונית, וכך ישמור הלוויין על כיוונו המדויק במשך כל זמן המשימה. בתחילת הניסוי ציר הסיבוב של הג'ירוסקופים יהיה מקביל לציר הטלסקופ ולגוף הלוויין. לאחר שנה יימדד הפרש הזווית בין צירי התנועה של הטלסקופ וגוף הלוויין לבין ציר התנועה של הג'ירוסקופ. הסטייה שתימדד אמורה להעיד על עקמומיות המרחב.
Gravity Probe B דומה לכד מתכתי וגובהו 2.74 מטרים. גוף הלוויין ימולא בכ-2,500 ליטר של הליום נוזלי, הנשמר בטמפרטורה קבועה של 1.8 מעלות מעל לאפס המוחלט (מינוס 273.15 מעלות צלסיוס). שמירת הטמפרטורה הנמוכה חיונית לפעילותם של החיישנים הנמצאים במרכז הלוויין, ומערכת מורכבת של מבודדים ומסננים אמורה למנוע שינוי בטמפרטורה כאשר הלוויין ייחשף לאור השמש בעת תנועתו סביב כדור הארץ.
כדי להבטיח מדידות מדויקות, המשטחים בתוך הטלסקופ והכדורים המסתובבים בג'ירוסקופים עשויים מקוורץ טהור. המדענים בחרו להשתמש בחומר שנכרה בברזיל, במכרה שידוע כי איכות הקוורץ בו גבוהה במיוחד. לאחר זיקוק של החומר במעבדות בגרמניה התקבל קוורץ כה טהור עד שארגון התקינה הבינלאומי (ISO) החליט לשנות את ההגדרות המתייחסות לטוהר ואחידות של חומרים. את הסטייה הזוויתית בתוך הג'ירוסקופים ימדדו חיישנים רגישים ביותר, והטמפרטורה הנמוכה בגוף הלוויין תאפשר לחיישנים אלה לדווח על שינויי זווית של עד לאחד חלקי עשרה מיליון של מעלה בודדת.
,Gravity Probe B שעלותו כ-650 מיליון דולר, הוא פרויקט משותף לנאס”א, אוניברסיטת סטנפורד וחברת “לוקהיד מרטין”. תאריך השיגור המקורי נקבע לימים אלה, אולם תקלה באחד מממירי המתח בלוויין גרמה לעיכוב, ועל פי הערכות השיגור יתקיים בשבועות הקרובים. אם הלוויין ימדוד את הסטיות הצפויות, תהיה זו עדות תצפיתית ישירה שתאשש את תורת היחסות הכללית ומדענים בכל העולם יקבלו חיזוק למשוואות המנחות את מחקריהם. אם הסטיות הצפויות לא יימדדו, תורגש מבוכה רבה. מדענים רבים יאלצו להעריך מחדש את עבודותיהם וייתכן שתיאוריות חדשות ימהרו למלא את החלל שייווצר בשדה המחקר.
