הדברים המובנים מאליהם

בפיזיקה קיימות מספר הנחות יסוד שהתרגלנו לקבלן כאמיתות; אך הפיזיקה, מהיותה מדע ניסויי, דורשת מאתנו לוודא כי הנחות אלו יש להן אחיזה במציאות, ולהמשיך ולשכלל את הכלים הדרושים לבדיקת גבולותיהן. להלן סקירה של שני ניסויים הבודקים את ה”מובן-מאליו” בתורת היחסות הפ

מיכל סחף, גלילאו

1. האם מאסה היא מאסה היא מאסה?
אם נזרוק אבן ונוצה ממגדל גבוה, מה ייפול מהר יותר? ניסיון היום-יום מלמד אותנו כי התשובה היא “האבן”, אך בהעדר השפעת אוויר, מקובל לחשוב כי שני הגופים ייפלו בתאוצה שווה – תאוצת הכבידה של כדה”א המסומנת באות g. טענה זו מתבססת על הנחת-יסוד בתורת היחסות הכללית: השוויון בין שני גדלים המכונים “מאסה אינרציאלית” ו”מאסה כבידתית”;
למאסתו של גוף יש שתי השלכות נפרדות הניתנות למדידה: האחת היא האינרציה (ההֶתמד) שלו, שנהוג לתארה כ”התנגדות הגוף לשינוי במהירותו” – ככל שלגוף מאסה גדולה יותר, כך קשה יותר להאיץ או לעצור אותו (הכוונה כאן היא להאצה על ידי כוח שאיננו כוח כבידה, לדוגמה, על ידי דחיפה ידנית או הפעלת שדה חשמלי).
התכונה האחרת של המאסה היא כבידתית: מאסה יוצרת סביבה שדה כבידה, הגורם לגופים אחרים למשוך אותה ולהימשך אליה. ככל שהמאסה גדולה יותר, כך גדל השדה וגדל כוח המשיכה.
בכל המשוואות בפיזיקה מופיעה פשוט “מאסה”, מתוך הנחה כי מתקיים עקרון השקילות: המאסה הכבידתית שווה למאסה האינרציאלית, בבחינת מאסה היא מאסה היא מאסה. ניסוח אחר ורחב יותר של עקרון השקילות אומר כי לא ניתן להבחין על ידי ניסוי כלשהו בין מערכת פיזיקלית השרויה בשדה כבידה לבין מערכת הנמצאת בתאוצה בהשפעת כוח שאינו כבידתי.
לא נוכל לדעת אם אנו נמצאים בחדר סגור על פני כדה”א או במבנה הנמצא בחלל, ונמשך כלפי מעלה (בעיני היושבים בחדר), בתאוצה קבועה השווה ל-g על ידי כבל המחובר לספינת חלל.
ניקח כעת שני גופים בעלי מאסות שונות ונשמוט אותם בשדה הכבידה של כדור הארץ; נניח כי מאסה כבידתית אכן שווה למאסה אינרציאלית: ככל שהמאסה גדולה יותר, גדל גם כוח הכבידה הפועל עליה, ולפיכך עליה להאיץ בקצב גדול משל המאסה הקטנה – אך גם המאסה האינרציאלית שלה גדולה יותר, ולכן קשה יותר לשנות את מהירותה.
השקילות בין מאסה כבידתית למאסה אינרציאלית תגרום לכך ששני הגופים, אף כי פועלים עליהם כוחות שונים, ינועו בתאוצה שווה. עקרון השקילות הזה הוא הנחה בסיסית בתורת היחסות הכללית, וכן בנוסחאות הניוטוניות.
כיום נעשים ניסיונות רבים לפתח תיאוריה שתשלב בין תורת היחסות הכללית ומכאניקת הקוונטים. קיימות תיאוריות הגורסות כי בקנה מידה קטן מספיק, בו תופעות קוונטיות נעשות משמעותיות, מופרת השקילות בין מאסה כבידתית למאסה אינרציאלית. תיאוריות מסוימות מביאות בחשבון השפעה הדדית בין תכונותיו הכבידתיות של חלקיק לבין הספין שלו. ייתכן שהסידור הפנימי של החלקיקים באטום ישפיע על האופן שבו יאיץ האטום בשדה כבידה.
מדענים מגרמניה ערכו ניסוי במטרה לחפש הבדל בין המאסה הכבידתית למאסה האינרציאלית של אטומים בודדים. סבסטיאן פריי (Fray) ועמיתים הפילו אטומים בודדים בשדה הכבידה של כדה”א: אטום רובידיום, בעל 85 נוקליאונים (פרוטונים ונויטרונים), ואיזוטופ כבד יותר של רובידיום, שהוא בעל 87 נוקליאונים.
החוקרים מדדו את תאוצת הנפילה באמצעות מערכת אופטית רגישה, אשר אפשרה דיוק של עשירית המיליונית של תאוצת הכבידה הסטנדרטית g . הם מצאו כי גם עבור מאסות זעירות אלו עקרון השקילות מתקיים, במסגרת הדיוק המתאפשר בניסוי. כמו-כן, לא נמצאה תלות בין תאוצת האטומים לבין הסידור הפנימי שלהם. אלה הן בשורות טובות לתורת היחסות הכללית, אך למרבה הצער, ממצאים אלה לא מספקים רמזים באשר לכיוון ממנו תבוא תיאוריית איחוד.

2. האם האינפורמציה שנושא גל אור אכן נעה במהירות האור?
ידוע כי לא ניתן להעביר אינפורמציה במהירות גבוהה ממהירות האור בריק, המסומנת על-ידי האות c. הנחה זו עומדת בבסיס תורת היחסות הפרטית, ונכונה לכל מערכת ייחוס. העברת אינפורמציה מהר יותר ממהירות האור שקולה, במובן מסוים, לשליחת האינפורמציה אחורה בזמן, ולפיכך לפגיעה בסיבתיות.
לאחרונה נערכו ניסויים במעבדות שונות ברחבי העולם, בהם גרמו לאור לנוע לאט יותר ממהירות האור בריק, לעצור כליל או לנוע מהר יותר ממהירות האור בריק. על פניו נראה, כי הניסויים הללו עומדים בסתירה להנחה הבסיסית לפיה לא ניתן לעבור את מהירות האור c. בפועל, אין סתירה. ניתן ליצור גל אשר נראה כאילו הוא נע מהר יותר ממהירות האור; האינפורמציה שנושא הגל היא שלא יכולה לנוע מהר יותר.
לדוגמה: ניתן ליצור “גל ירוק” ברמזורים, אשר יתקדם מהר יותר ממהירות האור: הדבר אפשרי אם נתכנת מראש מחשבים אשר ידליקו את האור הירוק ברמזורים השונים בזמנים שנקבעו מראש; אך במקרה כזה איננו מעבירים אינפורמציה – כל האינפורמציה הדרושה הועברה מבעוד מועד.
ההנחה המושרשת-היטב הרואה במהירות האור חסם עליון, נבדקה ניסויית על ידי ניקולס גיסין (Gisin) ועמיתים באוניברסיטת ז'נווה. במאמר שפורסם ב-Physical Review Letters, תואר ניסוי פשוט למדי שבו שוגרו פוטונים לתוך סיב אופטי, נמדדו זמני ההגעה לקצה הסיב, ונבדקה התפלגותם.
מאחר שלפולס האור יש רוחב זמני מסוים – הזמן אינו אחיד, ותלוי בצורת הפולס ובתווך שבו עובר האור. הפולס מורכב ממספר רב של תדירויות; התווך עשוי להעביר תדירויות מסוימות מהר יותר מאחרות. הדבר מוביל לעיוות בצורת האות אשר מתאפיין בהזזה של השיא, שבתחילה היה ממוקם במרכז האות. אם נוצר עיוות כזה, שיאו של הפולס עשוי להגיע לקצה הסיב מהר יותר מ-c (אם הוא מוסט קדימה על גבי האות) או לאט יותר (אם הוא מוסט לאחור).
החוקרים הריצו אלומה של אור בסיב אופטי וקבעו את תכונות המערכת כך שהמהירות של שיא האות, אליה מתייחסים כ”מהירות החבורה”, היתה גדולה ממהירות האור בריק. בנוסף למדידת מהירות החבורה, נמדדה מהירותם של פוטונים הנמצאים בחזית הקרן בלבד.
מהירותם קיבלה את הכינוי “מהירות האות” (signal velocity) מאחר שמקובל להתייחס אליהם כאל הפוטונים הנושאים את האינפורמציה. נמצא כי למרות מהירות החבורה הגבוהה, מהירות האות לא עברה את c. בתרשים ניתן לראות מספר פולסים הנעים במהירויות חבורה שונות, אך מעוותים כך שהחזיתות נעות כולן באותה מהירות.
פוטונים בודדים עשויים להגיע עוד לפני החזית העיקרית, אך גם הם לא עוברים את מהירות האור c. זוהי הפעם הראשונה שבוצעה מדידה ישירה של מהירות האות, והתוצאה עולה בקנה אחד עם הטענה התיאורטית בת עשרות השנים לפיה מהירות זו אינה יכולה לעבור את c.
ידען איינשטיין

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~67301240~~~95&SiteName=hayadan