שיא חדש במדידת שדה כבידה אולטרא-חלש

שיא חדש במדידת שדה הכבידה נפרץ במחקר שפורסם לאחרונה במגזין היוקרתי נייצ’ר. מדידת כוח הכבידה בקנה מידה מיקרוסופי, החלש משמעותית משאר הכוחות בטבע מהווה אתגר טכנולוגי ומדעי עצום. עם זאת ניסויים כבידתיים בסקאלה האטומית קריטיים להבנת טבעו הקוונטי של כוח הכבידה. האם בעתיד נוכל למתוח את גבולות הניסוי למיקרוגרמים בודדים?

על ארבעה כוחות דיבר הטבע – הכוח החזק, הכוח החלש, הכוח האלקטרומגנטי וכוח הכבידה. מבין כולם שאל פול דיארק, מדוע כוח הכבידה חלש כל כך? זו שאלה שמטרידה מדענים רבים גם היום והתשובה לא ממהרת להגיע. כדי להבין את טבעו של כוח הכבידה פיזיקאים בוחנים את התנהגותו במצבי קיצון, אך לצד ההצלחות מחקר החלל, האתגר האמיתי נשאר בסקאלות המיקרוסקופיות. הסיבה לכך כמובן נובעת מחולשתו ומהשפעתו המזערית, אך ההתבוננות בקנה המידה האטומי עשויה לשפוך אור על טבעו הקוונטי של כוח זה.   

אין ספק שלכל צורך ממשי חוקי ניוטון שפורסמו במאה ה-17 עושים עבודה נפלאה. בזכותם אנחנו משגרים גשושיות למאדים, מניחים לוויינים על מסלול היקפי סביב כוכבי לכת וירחים, מגנים על השמיים ממתקפות רקטיות וטסים לכל מקום בעולם. היינו יכולים להסתפק בהצלחות אלה אבל פיזיקאים אינם מהנדסים, הם מחפשים להבין את החוקים הבסיסיים ביותר של הטבע. כרגע עומדות בפניהם שתי תורות שלכאורה לא תואמות- יחסות כללית ומכניקת הקוונטים. השילוב בין השתיים מצריך הבנה על ההתנהגות הקוונטית של שדה הכבידה וכרגע אין בידינו תצפיות או ניסויים שיובילו אותנו לגילוי זה.

בעשור האחרון פורסמו מספר רב של ניסויים שאימתו בדיוק מפליא את תורת היחסות הכללית של איינשטיין. הניסויים התמקדו בתצפיות של גופים אסטרונומיים גדולים, במדידות רגישות של גלי כבידה ובתמונה המפורסמת של החור השחור. במקביל, מדענים מתמקדים בניסויים שניתן לערוך על כדור הארץ הרגישים לכוחות כבידה חלשים, למשל דרך אימות עיקרון השקילות, מדידת קבוע הכבידה של ניוטון ומדידת המשיכה הכבידתית במרחקים מיקרומטרים. ברחבי העולם חוקרים בחנו את המשיכה הכבידתית על גופים במגוון גדלים, החל מאסופת חלקיקים ועד לגופים מאקרוסקופים, אך המקור לשדה הכבידה תמיד היה “כבד” (לפחות כמה קילוגרמים). הסיבה לכך ברורה – מסת הגוף קטנה ביחס לרדיוס הגוף בחזקה שלישית ולכן כמעט ולא פורסמו מחקרים שבחנו את כוח הכבידה ממקור בעל גרמים בודדים. האתגר הוא עצום- המערכת צריכה להיות מבודדת מרעשים סייסמיים, חשמלים ומגנטים העוצמתיים מהכבידה פי עשרות מונים.

בשבוע האחרון פורסמה במגזין היוקרתי נייצ’ר פריצת דרך במדידת שדה הכבידה ממקור בעל 90 מיליגרם. בניסוי שנערך על ידי טוביאס ועמיתיו מאוסטריה החוקרים הניחו כדורים מאסיביים על קצוות מוט התלוי בחופשיות. שדה הכבידה של כדור הארץ מושך את הכדורים כלפי מטה אך המוט תפוס בכיוון זה ומאולץ לנוע רק בתנועה סיבובית. מול אחת מקצוות המוט הונח כדור נוסף ששימש כמקור לשדה כבידה שמאלץ את המוט להסתובב. בין המסות הונח מסך מזהב ששימש ככלוב פאראדיי כדי שהכוחות אלקטרומגנטיים לא ישפיעו על הניסוי. בעת המשיכה, החוקרים מודדים מידת הסיבוב בעזרת לייזר הפוגע במראה המונחת במרכז המוט. מערכת הניסוי אינה חדשה למדע, היא נבנתה לראשונה על ידי הנרי קבנדיש כדי למדוד את צפיפות כדור הארץ (ניסוי המקביל למדידת קבוע הכבידה של ניוטון), אך זו הפעם הראשונה שהיא נבחנת בשדה כבידה כה חלש.

מחישוב ישיר בעזרת חוקי ניוטון, הכוח המופעל בין שתי המסות שקול לכוח שמפעיל כדור הארץ על מסה במשקל פיקו-גרם (אלפית המיליארדית הגרם, שליש מהמסה הממוצעת של תא דם אנושי). לא תתפלאו שגם בתנאי קיצון אלה החוקרים הראו שחוקי ניוטון עדיין תקפים. טוביאס מאמין שניתן למתוח את מקור הכבידה למיקרוגרמים בודדים, ואם באמת רעשי הרקע ינופו ויתקבל סיגנל טהור של כוח הכבידה, יפתח צוהר אל עבר הכבידה הקוונטית.

עוד בנושא באתר הידען:

• הם גלי כבידה?
• אפשריות החיים ברב-יקום
• מדידה קוונטית ייחודית בוצעה באוניברסיטת בן-גוריון