ניסוי חדש יכול לאשש את תורת המיתרים

יינון קוסטקה

https://www.hayadan.org.il/string160604.html

נכונותה של תורת המיתרים היא אחת השאלות המרכזיות העומדות בפני הפיזיקאים בימינו. שלושה פיזיקאים גילו תופעה, הנובעת מתורת המיתרים, וניתנת למדידה במתקן חדש בארה”ב. אם המדידות יאששו את קיום התופעה, יינתן חיזוק לקיומה של תורת המיתרים, ומשמעות הדבר, בין היתר, היא שקיימים יותר מימדים מרחביים מאלו הידועים לנו כיום.

לפי תורת המיתרים, כל החלקיקים השונים היוצרים את המציאות הפיזיקלית בנויים מאותה אבן בניין – מיתרים זעירים שתדירויות הרעידות השונות שלהן הן אלו שיוצרות את ההבדל בין החלקיקים השונים. תורה זו מאחדת את תיאורם של כל הכוחות הידועים היום בטבע לכוח יחיד הפועל בין מיתרים אלו. נכונותה של תורה זו היא אחת השאלות המרכזיות העומדות כיום בפני הפיזיקה.
בהוצאת יוני של הירחון המקוון JHEP (Journal of High Energy Physics) שלושה פיזיקאים תיאורטיים הציעו ניסוי שיבחן האם תורת המיתרים אכן קולעת לתיאור המציאות, או שמא מדובר בתיאוריה פילוסופית חסרת קשר למציאות. הניסוי מתבסס על אפקט הנובע מתורת המיתרים, ושניתן למדוד אותו ב-LIGO (LASER Interferometer Gravitational-Wave Observatory), מתקן לגילוי גלים גרביטציוניים שיחל בפעילותו בימים אלו ממש. באם הניסוי יצא לפועל, אישוש או הפרכה לקיומם של המיתרים צפוי בעוד כשנתיים.
כאשר פיזיקאים צופים בחלקיקים היסודיים: אלקטרונים, קווארקים ופוטונים בהגדלות הטובות ביותר העומדות לרשותם, הם צופים בהגדלה של 13 סדרי גודל, והם דמויי נקודות. כדי שיתאפשר לצפות בחלקיקים ולקבוע האם הם אכן מיתרים לולאתיים, יצטרכו הפיזיקאים למצוא שיטה שתגדיל את התמונה ב- 15 סדרי גודל, ולא נראית כיום אף שיטה באופק שתוכל לספק דרישה זו.
במאמרם “Cosmic F and D Strings”, שלושת הפיזיקאים מציעים שיטה אחרת לקבוע את מבנה החלקיקים, ובמקום להתבונן בהם בהגדלות שונות, הם מציעים להתבונן על עקבות גרביטציוניים של מיתרים, שנותרו עוד מיצירת היקום.
שלושת הפיזיקאים הם יוסף פולצ'ינסקי מארה”ב, אדמונד קופלנד מאנגליה, ורוברט מאיירס מקנדה. שיתוף הפעולה הבינלאומי הזה החל במסגרת המפגש “Superstring Cosmology” שנערך באוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה (UCSB), במסגרתו הובאו פיזיקאים מכל רחבי העולם על מנת לחלוק רעיונות בפתרון שאלות בוערות במדע. לדברי פולצ'ינסקי, חוקר תורת המיתרים במקור, במסגרת קורס זה הופגשו לראשונה קוסמולוגים ותומכי תורת המיתרים, והביאו ליצירת תחום חדש הנקרא “String Cosmology”, המשלב בין הקוסמולוגיה לתורת המיתרים.
במהלך שנות השמונים, אדוארד וויטן (Witten) שאל האם ייתכן שמיתרים זעירים שנוצרו בראשית היקום יגדלו עם היקום למימדים שיהפכו אותם לנראים כיום. וויטן ענה לשאלה זו בעצמו בשלילה, והעלה שלוש התנגדויות לרעיון, ושלושתן נסתרו מאז, כאשר האחרונה נסתרה על ידי פולצ'ינסקי ועמיתיו. כעת הציעו שלושת הפיזיקאים דרך לאתר את המיתרים הללו.
ההתנגדות הראשונה קשורה לתכונה של המיתרים, הנקראת: “tension”, והיא מציינת את מסת המיתר ליחידת אורך. “דרך אחת לחשב ערך זה קשורה לאפקט המשיכה של המיתר. אם נביט על מיתר, כאשר זוג קרני אור עוברות משני צידיו – קרני האור יוטו מעט לעבר המיתר בשל כוחות המשיכה שהוא מפעיל על הקרניים. כך שאם שתי הקרניים יוצאות במקביל אחת לשנייה הן ייפגשו באיזושהי זווית. ככל שהמיתר כבד יותר, כך הקרניים יוטו יותר, והזווית תהיה יותר גדולה” אמר פולצ'ינסקי.
כאשר וויטן חקר לראשונה את בעיה זו, סברו תומכי תורת המיתרים כי הזווית הנוצרת בין הקרניים היא כמעלה אחת. אם אכן היה מדובר במעלה אחת, אזי הלווין COBE (Cosmic Background Explorer) היה מזהה את העקבות של קרניים האלו בקרינת הרקע, שנפלטה כאשר היקום התקרר מספיק על מנת להפריד בין חומר לאנרגיה, בערך 300,000 שנים לאחר המפץ הגדול. התמונות שנשלחו מהלווין COBE לא מראות על עקבות של קרניים כאלו, ויתרה מכך, הוא חסם מלעיל את הזווית הנוצרת בין הקרניים לכדי מאית המעלה. לווין חדיש יותר שנשלח אף הידק זה עתה את החסם לכדי אלפית המעלה.
באמצע שנות התשעים, תורת המיתרים עברה התפתחויות עמוקות, שאחת מהתוצאות הישירות שלהן היא ההכרה בכך שהמסה ליחידת אורך של המיתר היא קטנה בהרבה ממה שחישב וויטן, וכי למעשה הזווית לה יש לצפות היא בין אלפית המעלה לאלפית המליונית של המעלה, ובכל מקרה – הרבה מעבר ליכולות של הלוויינים הקיימים כיום. תגלית זו, שפורסמה על ידי הנרי טאי (Tye) ועמיתיו הפריכה את הטיעון הראשון של וויטן. הם גם הפריכו את הטיעון השני של וויטן, בו הוא טען כי המיתרים שנוצרו על ידי המפץ הגדול אמורים היו להיות גם כבדים מספיק, וגם נוצרו מוקדם מספיק, כדי שתופעה הנקראת “אינפלציה” (העצמה של פיצוץ והתפשטות מהירה של היקום הבראשיתי לקצוות היקום שנוצר במפץ הגדול) תדלל אותם עד כדי כך שהם יהיו מעבר ליכולת הצפייה שלנו.
תורת המיתרים גם נותנת מענה על אחת השאלות שהטרידו את המדענים לפני כן: כמה מימדים ליקום שלנו? התורה מניחה שקיימים תשעה או עשרה מימדים מרחביים, כלומר שישה או שבעה יותר מאלו המוכרים לנו. זאת בנוסף על קיומו של מימד הזמן. המדענים סבורים כי חלק מהמימדים הנוספים הם מלופפים או מכווצים, כך שהם קטנים ביותר, וחלק אחר גדולים עד כדי אינסוף.
על מנת להסביר את תופעת האינפלציה במונחים של תורת המיתרים, טאי ועמיתים נוספים דימו את המציאות שאנו חווים כאחת תלת מימדית המוכלת במרחב ממימד גדול יותר. המציאות שלנו מוכלת ב- “brane” * תלת מימדי. אותם “Branes” היו התפתחות מרעישה של פולצ'ינסקי ב-1995, והם מבנה נוסף בתורת המיתרים. במקום החד-מימדיות של המיתר, הם יכולים להיות מכל מימד שהוא, כולל מימד יחיד (כמו המיתר). כאשר הם ממימד אחד, הם נקראים “D1 branes ” או “D Strings”. כלומר קיימים שני סוגי מיתרים: המיתרים הבסיסיים בהם דנו עד כה, והם מסומנים ב-F (עבור Fundamental), וה- “Strings D”.
טאי ועמיתיו הסבירו את תופעת האינפלציה במונחים של “brane” ו- “anti-brane”, המתנתקים זה מזה ואז מתחברים שוב יחד כתוצאה ממשיכה. יתרה מכך, כאשר הם מתחברים ומתאחדים, טאי טען כי הם יוצרים חום ואור, אך גם מיתרים ארוכים וסגורים שיכולים לגדול עם התרחבות היקום.
כך נסתרה ההתנגדות השנייה, ונותרה רק התנגדות אחת לסתור בדרך למיתרים הקוסמיים. טיעון זה נקרא “טיעון היציבות”, והוא גורס כי אם המיתרים היו טעונים ,אזי הם היו נמשכים חזרה ומתרסקים לפני שהם היו יכולים לגדול לאיזשהו גודל משמעותי. אם המיתרים לא היו טעונים, אזי הם היו נשברים ומפרקים לחלקים קטנים יותר. בכל מקרה, הטיעון גורס, מיתרים לא יכולים לשרוד עד היום.
שלושת הפיזיקאים, פולצ'ינסקי, קופלנד ומאיירס, חישבו את יחסי הדעיכה של המיתרים הקוסמיים האלו, וגילו עד כמה איטיים הם יכולים להיות, כל כך איטיים עד שהמיתרים שורדים עד ימינו אלו, כלומר ניתן לבחון השפעות גרביטציוניות המתרחשות אם לא בימינו אלו, אז מיליארדי שנים לאחר יצירת היקום.
פולצ'ינסקי מציין כי החישובים הראו את קיומם של שני הסוגים של המיתרים הקוסמיים, והמאמר שפורסם ב-JHEP מסביר כיצד להבחין בין החתימות של שני הסוגים. כמו כן הוא ציין שגילוי דומה נעשה לגבי סוג D של מיתרים קוסמיים באופן בלתי תלוי על ידי שני פיזיקאים אחרים.
ולבסוף, וזהו החידוש החשוב ביותר של המאמר, פולצ'ינסקי אמר כי “כעת ניתן לראות מיתרים קוסמיים. הם כהים, אבל בגלל שהם מסיביים ונעים מהר למדי, אם נוטים לפלוט הרבה גלים גרביטציוניים”. במהלך המפגש “Superstring Cosmology”, אלסנדרה בוננו (Buonanno) מהמכון לאסטרופיזיקה של פאריס, הרצתה על אפשרות של חתימה גרביטציונית מהיקום המוקדם. “במן ההרצאה”, הוסיף פולצ'ינסקי, “לא העמקתי בדבריה, כי לא חשבתי על אפשרות זו. מאוחר יותר חזרתי על הרצאתה והגעתי לנקודה בה היא הרצתה על גלים גרביציוניים מהמיתרים הקוסמיים”.
הניסוי ארוך הטווח והמימדים לגילוי הגלים הגרביטציוניים הוא בעל שלושה שלבים, LIGO 1, LIGO 2, ושלב הלווין LISA, כאשר בכל שלב תתאפשר רמת דיוק גבוהה יותר. רוב החתימות של אירועים קוסמיים הם כה חלשים, עד שסביר להניח שהם ייראו רק בשלבים האחרונים של הניסוי, אם בכלל.
גלים גרביטציוניים עדיין לא זוהו באופן ישיר, וזוהי המשימה של הלוויינים LIGO ו-LISA. הזיהוי שאמור להיעשות, ייעשה על ידי שני מדענים מצרפת, שהבינו שכאשר מיתרים קוסמיים נעים בתנועה מחזורית, הם מתנהגים לעיתים כשוט. “זה מפתיע”, אומר פולצ'ינסקי, “אולם אם תנסה לכתוב את המשוואות עבור מיתר בתנועה מחזורית, חלק קטן מהמיתר קופץ ונע מאוד מהר. בעיקרון הקצה ינוע במהירות האור. כאשר מיתר מתנהג כך, הוא פולט חרוט של גלים גרביטציוניים, שהוא סימן מזהה ברור למדי, שגם LIGO יכול לזהות”.
פולצ'ינסקי אמר כי סימן השאלה הגדול ביותר קשור ליציבותם של המיתרים לאורך מיליארדי שנים. אולם הוא מוסיף כי “היה דיון ער בנושא החתימה של תורת מיתרים בקוסמולוגיה, וזה מאוד סביר להניח שאכן כך הדבר. מה שמרגש אותי יותר מכל הוא כמה נוכל ללמוד על תורת המיתרים אם LIGO יגלה סימן מהמיתרים הקוסמיים האלו”.

הערה: הצוות המורחב של האתר ניסה למצוא פירוש ל-BRANE. אין למושג הזה תרגום בעברית, כשם שאין כמעט לתורת המיתרים כמעט מינוח עברי. מעיון באתר הבסיסי באתר הבסיסי המוקדש לפיזיקה אנו מסיקים ש-brane קשור למימדים, לדוגמא 2-brane הוא קרום (membrane), ואילו 1-brane הוא מיתר וכך הלאה.

תודה לדיקלה אורן על עזרתה.

מיתרים – קרשצ'נדו, פיאניסימו ומה הלאה? מאת יובל נאמן
על מיתרים ואנשים. מאת אליעזר רבינוביץ'
תורת המיתרים

למאמר המקורי בסיינס בלוג – הודעה של אוניברסיטת קליפורניה בסנטה ברברה
ידען הפיסיקה

https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~870352269~~~95&SiteName=hayadan