ניסוי בפיסיקה לביצוע על תחנת החלל הבינלאומית, הנמצא בשלבי תכנון, עשוי לסייע בניסוח "תיאוריה מאוחדת של הכול" (Grand Unified Theory).
פטריק ל. בארי, חדשות המדע של נאס"א. תרגום דיקלה אורן
קישור ישיר לדף זה: https://www.hayadan.org.il/beyondeinstein0304.html
במוקדם או במאוחר, העידן של איינשטיין, בדומה לעידן של ניוטון לפניו, יגיע לקצו. מרבית המדענים מאמינים, כי מהפכה בעולם הפיסיקה, שתשנה את הרעיונות הבסיסיים שלנו לגבי המציאות, היא בלתי נמנעת. כעת אנו נמצאים בעיצומו של מירוץ בין כמה תיאוריות, המתחרות ביניהן מי תירש את כס המלכות.
בין התיאוריות האלה יש כמה רעיונות קשים לתפיסה, כגון יקום בעל אחד עשר מימדים; תיאוריות בהן ה"קבועים" העולמיים (כגון קבוע הכבידה העולמי) משתנים ממקום למקום ומזמן לזמן ונשארים קבועים באמת רק במימד חמישי בלתי נראה; מיתרים מתנודדים זעירים במיוחד, המהווים את המרכיבים היסודיים של היקום ותיאוריות בהן מארג החלל זמן אינו חלק ומתמשך, כשם שהאמין איינשטיין, כי אם מחולק למנות בדידות וזעירות של גודל קטן במיוחד. ניסויים יקבעו בסופו של דבר מי היא המנצחת.
מדענים במעבדת ההינע הסילוני של נאס"א (JPL) עובדים על פיתוח רעיון חדש לניסוי, שיבדוק את ניבויי תורת היחסות של איינשטיין בדיוק גבוה מאי פעם. משימתם, שבעצם משתמשת במערכת השמש כמעבדה ענקית, תסייע בצמצום התחום לתיאוריות מתחרות ותביא אותנו צעד אחד קרוב יותר למהפכה הגדולה הבאה בפיסיקה.
ייתכן שעבור מרבית האנשים אין לכך משמעות רבה, אך שסע עמוק מלווה מזה זמן רב את הבנתנו הבסיסית של היקום. קיימות שתי דרכים להסברת טיבם והתנהגותם של החלל, הזמן, החומר והאנרגיה. האחת היא תיאוריית היחסות של איינשטיין, והשנייה היא "המודל הסטנדרטי" של מכניקת הקוואנטים. שתי הדרכים הללו מוצלחות. מערכת ה-GPS (Global Positioning system), לדוגמא, מסתמכת על תיאוריית היחסות. מחשבים, טכנולוגיות תקשורת אלקטרונית למרחקים והאינטרנט, לעומת זאת, נגזרים ממכניקת הקוואנטים.
הסטת אור כוכב על ידי כבידת השמש
הבעיה היא ששתי התיאוריות האלה הן כמו שתי שפות שונות, ואיש אינו יודע איך לתרגם אחת לשנייה. היחסות מסבירה את הכבידה ותנועתם של גופים על ידי איחודם של החלל והזמן למארג ארבע ממדי אלסטי ודינמי של חלל-זמן, שמתעקם על ידי תכולת האנרגיה שבו (מסה היא צורה של אנרגיה, לכן היא יוצרת כבידה על ידי עיקום החלל-זמן). מכניקת הקוואנטים, מאידך, מניחה כי החלל והזמן יוצרים "במה" שטוחה ונצחית, עליה מתגלות עלילותיהן של כמה משפחות חלקיקים. החלקיקים האלה יכולים לנוע קדימה ואחורה בזמן (מה שהיחסות אינה מאפשרת), והאינטראקציות בין החלקיקים האלה מספקות הסבר לכוחות היסודיים של הטבע – מלבד הכבידה יוצאת הדופן.
המאבק השקול הזה בין שתי התיאוריות נמשך כבר עשורים. מרבית המדענים מניחים, שאיכשהו בסופו של דבר תפותח תיאוריה מאחדת, שתכלול את השתיים ותראה כיצד האמיתות בכל אחת מהן משתלבת לתוך מסגרת אחת של המציאות. תיאוריה כזאת מקיפה תשפיע עמוקות על הידע שלנו לגבי הולדתו, התפתחותו וגורלו של היקום.
סלאבה טורישב, מדען ב-JPL, ועמיתיו העלו רעיון להשתמש בתחנת החלל הבינלאומית (International Space Station) ושני מיני-לווינים, שנועו במסלול בצד הרחוק של השמש, כדי לבחון את תיאוריית היחסות בדיוק גבוה מאי פעם. הרעיון שלהם, שפותח בחלקו במימון המשרד למחקר ביולוגי ופיסיקלי של נאס"א, יהיה כה רגיש, עד שיוכל לחשוף פגמים בתיאוריה של איינשטיין, מה שיספק לראשונה את המידע, הדרוש להבחנה בין התיאוריות המוצעות שיש להן קשר כלשהו עם המציאות ואלה שהן תיאוריות ותו לא.
הניסוי, שנקרא בדיקת לייזר אסטרומטרית של היחסות (LATOR – Laser Astrometric Test Of Relativity), יבדוק כיצד הכבידה מהשמש מסיטה אלומות לייזר שיפלטו שני הלווינים. הכבידה מסיטה את מסלולו של האור, כיוון שהיא מעוותת את החלל, דרכו עובר האור. כדי להבין את עיוות החלל זמן על ידי הכבידה נסו לדמיין יריעה שטוחה של גומי, הנמתחת תחת משקלם של עצמים, המונחים עליה בדומה לשמש. הגומה שתיווצר ביריעה תגרום לעצם, העובר בסמוך לשמש, לסטות מעט ממסלולו (גם לעצמים חברי מסה כמו אור).
למעשה, מדידת היסט האור של כוכב על ידי השמש בזמן ליקוי חמה בשנת 1919, שביצע סיר ארתור אדינגטון, הייתה המבחן הראשון לתיאוריית היחסות הכללית. במונחים קוסמיים, הכבידה של השמש חלשה יחסית; מסלולה של אלומת אור, המתקרבת לשמש, יוסט רק בכ-1.75 שניות קשת (שניית קשת היא 1/3600 של המעלה). במגבלות הדיוק של ציוד המדידה שלו, הראה אדינגטון, כי האור אכן הוסט כך – ועל ידי כך הדיח את התיאוריה של ניוטון.
LATOR ימדוד את ההיסט הזה בדיוק גבוה פי מיליארד מהניסוי של אדינגטון וגבוה פי 30,000 מהמדידה המדויקת ביותר עד כה: המדידה המקרית בעזרת אותות מחללית הקאסיני בדרכה לשבתאי.
"אני חושב ש-LATOR תהיה התקדמות חשובה לפיסיקה של יסודות היקום," אומר קליפורד וויל, פרופסור לפיסיקה באוניברסיטת וושינגטון, שתרם כמה תרומות נכבדות לפיסיקה הפוסט-ניוטונית ואינו מעורב ישירות בפרויקט ה-LATOR. "עלינו להמשיך לחתור למדידות מדויקות יותר של ניבויי היחסות הכללית, פשוט מכיוון שכל סטייה מהם תבשר לנו על קיומה של פיסיקה חדשה, שלא היינו מודעים לה טרם לכן."
הניסוי יתנהל כך: שני לווינים קטנים, כל אחד מהם ברוחב של כמטר אחד, ישוגרו למסלול סביב השמש בערך באותו מרחק כמו כדור הארץ. זוג הלווינים יקיפו את השמש לאט יותר מכדור הארץ, כך שלאחר כשבעה עשר חודשים כדור הארץ ושני הלווינים יהיו בצדדים מנוגדים מהשמש. למרות שהמרחק בין שני הלווינים יהיה כחמישה מיליון קילומטר, הזווית ביניהם, כפי שתראה מכדור הארץ, תהיה זעירה, כמעלה אחת. ביחד, שני הלווינים וכדור הארץ יצרו משולש, שצלעותיו הן קרני לייזר, אשר אחת מהן תעבור קרוב לשמש.
טורישב מתכוון למדוד את הזווית בין שני הלווינים בעזרת אינטרפרומטר (מד התאבכות), שנמצא על תחנת החלל הבינלאומית. אינטרפרומטר הוא מכשיר, שמשלב שתי אלומות של אור. בעזרת מדידת ההתאבכות בין שני הלווינים יכול האינטרפרומטר למדוד את הזווית בין שני הלווינים בדיוק מעולה: כעשר מיליארדיות שניית הקשת, או 0.01 מיקרו שניות קשת. כאשר לוקחים בחשבון גם את יכולות הדיוק של המכשירים האחרים, הדיוק הכללי המתקבל של מדידת עיקום מסלולה של אלומת הלייזר הוא כ-0.02 מיקרו שניות קשת למדידה.
"השימוש בתחנת החלל הבינלאומית מעניק לנו כמה יתרונות," מסביר טורישב. "ראשית כל, היא מחוץ להפרעות האטמוספירה של כדור הארץ, וכמו כן היא גדולה מספיק כדי שנוכל לשים את שתי עדשות האינטרפרומטר במרחק זו מזו (כל עדשה בקצה מרוחק של קורות הלוחות הסולריים), מה שתורם לרזולוציה והדיוק של המדידות."
דיוק של 0.02 מיקרו שניות קשת יאפשר לנו לחשוף סטיות מהיחסות של איינשטיין, שמנבאות התיאוריות המאוחדות השאפתניות. הניבויים שמציעות התיאוריות האלה כוללים סטיות שנעות בין 0.5 מיקרו שניות קשת עד 35 מיקרו שניות קשת. התאמה בין התוצאות של LATOR וניבויי אחת התיאוריות תקדם כל אחת מהן. אם לא תימצא כל סטייה מהתיאוריה של איינשטיין, מרבית התיאוריות המתמודדות – ביחד עם אחד עשר המימדים שלהן, החלל הבדיד והקבועים הבלתי קבועים – תסבולנה ממכה קשה ו"תעבורנה מן העולם" אל מחסן הספרייה הגדול בשמיים.
כיוון שלמשימה דרושות רק טכנולוגיות קיימות, טורישב אומר, כי ה-LATOR יהיה מוכן לפעולה כבר ב-2009 או ב-2010. ייתכן, איפוא, שלא ייקח עוד זמן רב, עד שהמירוץ הצמוד בפיסיקה יוכרע, ותיאוריה חדשה של כבידה, חלל וזמן תירש את כס המלכות.
קישור לכתבה באתר החדשות של נאס"א
ידען הפיסיקה
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~801648666~~~95&SiteName=hayadan
