לנקות אחרי איינשטיין

דור חדש של פיזיקאים מקווה להצליח היכן שאיינשטיין נכשל

לקראת סוף חייו, ניסה איינשטיין ליצור תיאוריה של הכול שמתארת את כל הכוחות ביקום.
הוא נכשל, ולפחות חלק מן ההסבר לכך הוא ששניים מן הכוחות היסודיים של היקום, הכוח החלש והכוח החזק, עדיין לא היו מוכרים דיים באותה תקופה. עתה פיזיקאים מנסים שוב, כשהם מנצלים מידע על חלקיקים ועל שדות חדשים.

ניסיונו של לֶזלי רוזנברג לפענח את היקום נראה כמו דוד מים חמים מאולתר המכוסה כמה חוטי חשמל ותחוב
בתוך מקרר גדול ותת-קרקעי. אלא ש”דוּד המים” הזה, הממוקם במעבדה הצמודה למשרדו של רוזנברג באוניברסיטת וושינגטון, הוא בעצם תא רִיק ממוגנט השרוי בקירור-על ומכיל גלאי רגיש שתפקידו להאזין ל”צפצוף” גלי המיקרו של חלקיקים חולפים הקרויים אַקסיונים. החלקיקים האלה הם בלתי נראים, ונכון לעכשיו הם עדיין בגדר השערה בלבד.

רוזנברג רודף אחרי החלקיקים האלה כבר מאז הפוסט-דוקטורט שלו באוניברסיטת שיקגו במהלך שנות ה-90 המוקדמות. בתקופה ההיא הוא ערך ניסוי אחר ניסוי, כל אחד מדויק יותר מקודמו, אך תמיד העלה חרס בידו ולא הצליח לגלות שום סימן לאַקסיון – חלקיק שאם יתגלה יושיע רעיון מדעי שלא דרך כוכבו, הרעיון המדעי הגדול ביותר של אלברט איינשטיין.

פיזיקאים מכנים את הרעיון הזה “תיאוריית השדה המאוחדת”, אבל הוא ידוע יותר בשם הפיקנטי “התיאוריה של הכול.” התורה הזאת שואפת להגיע לניסוח פורמלי יחיד שיקפל בתוכו את ההתנהגות של כל כוחות הפיזיקה היסודיים. איינשטיין החל בחיפוש אחר הניסוח הזה לפני 90 שנה. העובדה ששני הכוחות היסודיים המעצבים את התנהגות היקום – כוח הכבידה והכוח האלקטרומגנטי – מתנהגים באופן שונה זה מזה, הציקה לפיזיקאי הדגול. הוא רצה להראות שכל סוגי החומר והאנרגיה נשלטים על ידי אותו היגיון בסיסי.

המיקום: אוניברסיטת וושינגטון, סיאטל

הפרויקט: גלאי ADMX המצוי בתוך תא רִיק ממוגנט בקירור-על מאזין ל”צפצוף” גלי המיקרו שיוצרים חלקיקים הקרויים אַקסיונים. ייתכן שהחלקיקים המשוערים האלה יוכלו להסביר את החומר האפל, חומר שאמור להיות בעל מסה גדולה הרבה יותר מזו של החומר הנראה.
העושים במלאכה: סיירה פוקס, ניק פוזי, ג’יימס סלואן, קליפורד פּלשה, ריצ’ארד אוטנס, ג’וש פוביק, קרקירה סטוקטון; האנה לה-טורנאו, לזלי רוזנברג, זייבייר פרוסט, אנה מלאגון, קיווה ראמונדו, ג’ייקוב הר. קרדיט: טימות’י ארצ’יבלד

אבל הקפת היקום כולו בתוך נוסחה אחת יחידה הייתה משוכה גבוהה מדי, אפילו בשביל איינשטיין. “אני רוצה לדעת איך אלוהים ברא את העולם הזה,” הוא כתב לסטודנט גרמני לפיזיקה ב-1920 במכתב שצוטט לעתים קרובות. “לא מעניינת אותי תופעה כזאת או אחרת, הספקטרום של יסוד כזה או אחר. אני רוצה לדעת מה אלוהים חשב. כל השאר הם פרטים.”

אבל כמו שאומר הפתגם היידי: “האדם מתכנן ואלוהים צוחק.” איינשטיין רדף אחרי מחשבותיו של אלוהים במשך 30 שנה ללא תוצאות, כשהוא עובר ממבוי סתום אחד למשנהו. כשמת ב-1955 הוא הותיר מאחוריו, משורבטות על הלוח שלו, אוסף של משוואות שדה מאוחד בלתי פתורות.

המשימה של איחוד הכוחות הפיזיקליים עברה לידיהם של הדורות הבאים של הפיזיקאים. אלה פירקו את הבעיה לאינספור חלקים קטנים: מה שהחל כחזון נשגב של גאון יחיד שינה צורה והיה לעבודת נמלים אִטית המבוצעת על ידי קבוצות שונות של פיזיקאים, שכל אחת מהן מנסה להבין רק פיסה קטנה מן התצרף הקוסמי הגדול. רוזנברג, למשל, אינו החלטי בדעתו בעניין מציאת תיאוריה חובקת-כול. הוא ממוקד בבעיה אחת ספציפית ומטרידה: האַקסיון. התכונות המשוערות של החלקיק הזה יכולות לבטל את הצורך לשנות את צורתן של משוואות הכבידה של איינשטיין. “נחכה לראות מה יגידו הנתונים,” אומר רוזנברג. “איני מעוניין להציץ למוחו של אלוהים.”

על אף המיקוד הצר של מחקרם, רוזנברג ושותפיו אינם שוכחים את הפרס הגדול. הם מעורבים במאמץ רחב היקף לתקן פגמים במבנה התיאורטי המרשים שיצר איינשטיין ולבנות מודל שלם יותר של פיזיקת חלקיקים מלמטה-למעלה ולא מן הכיוון ההפוך. הם שואפים לדחוף את המדע קדימה על ידי גילוי הדרך שבה הטבע מתנהג בפועל ולא איך מדענים חושבים שהוא אמור להתנהג (גישה שרוזנברג מבטל כגישה שחצנית). חוקרים אחרים מתכננים ניסויים שיזרו אור על היבט מסתורי של הפיזיקה הקרוי אנרגיה אפלה, או ניסויים שיגלו יחידות קוונטיות דו-ממדיות שייתכן שהן אבני הבניין של מה שלמראית עין נדמה כיקום תלת-ממדי. ייתכן שהנתונים המספריים מן הניסויים האלה הם בדיוק מה שהפיזיקאים של היום צריכים בשביל להצליח היכן שאיינשטיין נכשל.

“אנחנו יכולים לבדוק ממש חלק מן הרעיונות המטורפים האלה לגבי התפתחות היקום,” אומר הפיזיקאי ג’ושוע פרימן מאוניברסיטת שיקגו. וללא הניסויים האלה, הוא סבור, אין כמעט סיכוי שהפיזיקאים יגיעו לתיאוריה של הכול.

הצד האפל של היקום

כשמתבוננים בניסוי החומר האפל האַקסיוני של רוזנברג (Axion Dark Matter eXperiment, ADMX) מגלים את כוחה של גישת “מועט המחזיק את המרובה”. ייתכן שדווקא הניסוי הצנוע הזה, המחפש חלקיק אחד בלבד, יוכל אגב כך גם להפריך ספקות מסוימים לגבי תורת היחסות הכללית ולפענח חידה קוסמית כבירה.

ראשיתה של החידה בשנות ה-30 של המאה ה-20, כשאסטרונומים החלו להבין שהיקום מלא במרכיב בלתי נראה שנוכחותו מורגשת רק במשיכה הכבידתית שהוא מפעיל על הכוכבים הנראים. התגלית נעשתה מוזרה אף יותר במהלך שנות ה-80 כשמודלים חדשים של המפץ הגדול הראו שהחומר הבלתי נראה (או “האפל”) הזה, יהיה מה שיהיה, אינו יכול להיות מורכב מאטומים רגילים. ההבנה הזאת הותירה רק שתי אפשרויות טורדות מנוחה: או שבקני מידה גדולים כוח הכבידה אינו מתנהג כפי שצופה תורת היחסות הכללית של איינשטיין, או שהיקום מלא כולו בחלקיקים מטיפוס לא ידוע שהטלסקופים שלנו אינם מסוגלים לראות.

המיקום: מעבדת המאיץ הלאומית האמריקנית ע”ש פֶרמי (פֶרמילאב), בטוויה, אילינוי

הפרויקט: ניסוי ההוֹלוֹמֶטֶר יחפש שינויים זעירים בקרן לייזר שנשלחת דרך שני מסלולים מאונכים זה לזה. שינויים כאלה יעידו שהמרחב והזמן בנויים מיחידות קוונטיות יסודיות – תיאוריה שידועה בשם העיקרון ההולוגרפי.
העושים במלאכה: סאם ולדמן, אויקוונג קוון, רוברט לנזה, אהרון צ’ו, קרייג הוגאן, ריי טומלין, סטיבן מייר, בריטני קמאי, לי מק’קולר, ג’ונתן ריצ’ארדסון, כריס סטאוטון, רייניר וייס, ריצ’ארד גוסטפסון. קרדיט: סנדי ניקולסון

הרוב המוחץ של הפיזיקאים פוסל את ההשערה הראשונה משני טעמים לפחות: ראשית, מפני שנראה שהיא השערה אד-הוק, ושנית מפני שקשה ליישב אותה עם תצפיות על תנועותיהן של גלקסיות. הזרם המרכזי של הפיזיקאים סבור אפוא שהאפשרות השנייה היא הנכונה, דבר שהוליך לעשרות ניסיונות להסיר את הלוט מעל אותם חלקיקים אפלים בלתי נראים. כאן נכנס ADMX לתמונה.

התכונות המשוערות של האַקסיונים תואמות יפה לתכונות המצופות מחלקיקי החומר האפל, ולכן אם יתגלו אַקסיונים על ידי רוזנברג וצוותו, נוכל לקבל תמונה מלאה הרבה יותר על היווצרותן והתפתחותן של גלקסיות. תגלית כזאת גם תאפשר לנו לוותר על הצורך לערוך כמה שינויים מכוערים במשוואות הכבידה של איינשטיין. אבל יותר מכול, קיומם של האַקסיונים יאלץ אותנו לשכתב את המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. המודל הזה הוא תיאוריה מקיפה – אך בלתי שלמה בעליל – של כוחות ושדות יסודיים. גילויָם של אַקסיונים יאשש את הטענה שיש צורך להרחיב את המודל הסטנדרטי, הרחבה שזה זמן רב שנויה במחלוקת, ובכך יביא את הפיזיקאים צעד אחד קרוב יותר לתיאוריה אמיתית של הכול.

עד לא מזמן נחשבו האַקסיונים כהימור בלתי סביר במצוד אחר החומר האפל. רוב עמיתיו של רוזנברג ריכזו את מאמציהם בחלקיקים מטיפוס אחר הנקראים בשם וימפים (WIMP – מילולית: “חלשלוש”) ראשי תיבות באנגלית של “חלקיקים מסיביים המנהלים אינטראקציות חלשות”, שנחשבו אטרקטיביים יותר מבחינה תיאורטית. “תמיד הייתי עוף מוזר,” מודה רוזנברג בעליצות. אבל אף על פי שהרבה גלאי וימפים נעשו רגישים יותר ויותר, הם לא הצליחו לגלות דבר. קו פרשת המים הגיע בשנה שעברה, כשגלאי רגיש במיוחד ששמו “קְסֶנון תת-קרקעי גדול” (LUX), הממוקם מתחת לגבעות של דקוטה הדרומית, נכנס לפעולה. עד כה, גם הוא העלה חרס בידו.

כעת זהו רגע מכריע לגבי רוזנברג: האם הוא יצליח להוכיח שאַקסיונים הם הפתרון לחידה ואגב כך לספק תמיכה לתורת היחסות הכללית – רעיונו של איינשטיין שכבידה נובעת מעקמומיות הזמן-מרחב. העיקרון מאחורי ה-ADMX מענג בפשטותו. אם אכן החומר האפל מורכב מחלקיקים, חייבת לנשוב רוח בלתי פוסקת של חלקיקים אלה דרך כדור הארץ וכל מה שעליו (ובכלל זה אתם עצמכם). ואם החלקיקים האלה הם אַקסיונים, מדי פעם בפעם חלק מהם צפוי להתפרק. אך בעוד האַקסיונים עצמם הם בלתי נראים, בתהליך ההתפרקות הנדיר שלהם הם אמורים להפוך לגלי מיקרו חלשים שיפיקו אות חלש אך ניתן לזיהוי. הרעיון אולי נשמע פשוט, אבל מבחינה מעשית מסובך מאוד לבצע אותו.

“יש לנו מכל שגודלו כגודל חבית נפט,” אומר רוזנברג, “המקורר לטמפרטורה של 100 מיליקלווין,” כלומר עשירית מעלה מעל האפס המוחלט. הטמפרטורה הנמוכה מבטיחה שהגלאי עצמו לא ייצר כמעט בכלל רעש בצורת גלי מיקרו. בשלב הבא, ממגנטים את המכל כדי להביא להתפרקות האַקסיונים. ולבסוף, גלאי קטן דמוי עיפרון מצותת לגלי מיקרו שאינם אמורים להיות שם. וכאילו לא די באתגרים האלה – אין איש יודע בדיוק לאיזה סוג גלי מיקרו עלינו להאזין; התדירות של האות תלויה במסתו של האַקסיון, שהיא כמובן אינה ידועה.

לולאות של מיתרים

הפרויקט: תיאורטיקנים של מיתרים מנסים לאחד את כל הכוחות הידועים בטבע לתוך מסגרת תיאורטית יחידה על ידי כך שהם מתארים גם חלקיקים וגם כוחות כנוצרים מתנודות בלולאות של מיתרים. חלק מהגרסאות של התיאוריה מספקות חיזויים על תופעות שהתרחשו בראשיתו של היקום. ייתכן שהתופעות האלה הותירו את חותמן בקרינה שמגיעה אלינו מפאתיו הרחוקים ביותר של היקום.

העושים במלאכה: אנדריי לינדה, רנאטה קאלוש, אחמד אלמחיירי, לנארד סַסקינְד, שמיט קאשרו, פטריק היידן, למפרוס למפרו. קרדיט: טימות’י ארצ’יבלד

הדרך היחידה לעקוף את הבעיה היא לסרוק את תחום גלי המיקרו תדירות אחר תדירות; במובנים רבים אפוא כל ניסוי ADMX דומה מאוד למה שעושים חובבי רדיו שעוברים בין ערוצים. פניו של רוזנברג זורחים כשאני מציע את ההשוואה הזאת: “תמיד הסתקרנתי מן האלקטרוניקה של מכשירי רדיו. בתור ילד שיחקתי אִתם, שולח גלי רדיו לירח ומחכה לשמוע את האות החוזר. אבל הגלאים שאנו משתמשים בהם היום כדי לחפש אותות בניסוי הם רגישים כל כך עד שאילו היינו מכניסים אותם למכשיר סלולרי, הייתה לנו קליטה מלאה במאדים!” רוזנברג גם גאה מאוד על כך שבניגוד לחיפוש האין-סופי של איינשטיין אחר תיאורית השדה המאוחדת, לניסוי שלו יהיו תוצאות חד משמעיות.

“עד 2018 נכסה את כל טווח התדרים הרלוונטי לאַקסיון,” אומר רוזנברג. “אז נדע בוודאות אם הוא קיים, אם לאו.” במילים אחרות: או שיהיה בידינו רמז חדש וגדול לאיזה כיוון ללכת כדי לפתח את התיאוריה של הכול, או שנדע שעלינו למחוק עוד רעיון מרשימת הרעיונות האפשריים.

האנרגיה של המרחב הריק

בעוד רוזנברג מפרק בסבלנות את הבעיה של החומר האפל, חוקרים אחרים מנסים להגיע לתמונה שלמה של הפיזיקה באמצעות חיפוש אחר המרכיב הבלתי נראה השני של היקום שלנו: האנרגיה האפלה. פעולתה של האנרגיה האפלה הפוכה מזו של החומר האפל: בעוד החומר האפל מפעיל כוח משיכה כבידתי, האנרגיה האפלה יוצרת כוח דחייה. בגלל פעולתה נגד כוח המשיכה, לאנרגיה האפלה השלכות מידיות על פרשנותנו את משוואות תורת היחסות הכללית. ויותר מזה: אי אפשר להסביר את האנרגיה האפלה בעזרת המודל הנוכחי של פיזיקת החלקיקים. אם כך, היכולת להסביר את האנרגיה האפלה היא מבחן מכריע לכל תיאוריה הטוענת לכתר של התיאוריה של הכול.

מבחן כזה בדיוק נערך כרגע על ידי פרימן מאוניברסיטת שיקגו. פרימן הצמיד מצלמה שנבנתה בהזמנה אישית לטלסקופ בלאנקו, טלסקופ בעל מפתח של ארבעה מטרים הממוקם על סֶרוֹ טולולו שבצ’ילה, פסגה המתנשאת לגובה של יותר משני קילומטרים מעל פני הים. הרעיון הבסיסי הוא לאסוף כמות אדירה של תמונות של גלקסיות רחוקות. כל תמונה במצלמה מכילה 570 מיליון פיקסלים, מספר עצום של נתונים, והמצלמה תצלם 400 תמונות כאלה בכל לילה, 105 לילות בכל שנה, לאורך חמש שנים. שלא במפתיע, הפרויקט קרוי “סקר האנרגיה האפלה” (Dark Energy Survey) ועד שיסתיים בפברואר 2018, ייסרקו בו 300 מיליון גלקסיות וכ-4,000 סופרנובות. (לשם השוואה, החיפוש האוטומטי המתקדם ביותר עד כה אחר סופרנובות, שנערך על ידי האוניברסיטה של קליפורניה בברקלי מ-1998 עד 2000, מצא בסך הכול 96 סופרנובות.)

כמו רוזנברג, גם פרימן החל את דרכו המקצועית כפיזיקאי עיוני אך נשאב לצד התצפיתי בגלל הרעיון של תכנון מבחנים ממשיים. אבל עתה עליו להתמודד עם הקשיים של המטלה שקיבל על עצמו. “קשה לאסוף את הנתונים, קשה לעבד את הנתונים,” הוא אומר.

פרימן וצוותו מחלקים את התוצאות מן התצפיות לארבעה חלקים, כשכל חלק מאפשר עיבוד של היבט אחר של התנהגות האנרגיה האפלה. חלק אחד של התוצאות מתמקד בכוכבים מתפוצצים מסוג הקרוי סופרנובות מטיפוס Ia, המשמשות אבני דרך בחלל. הבהירות של הסופרנובות האלה מאפשרת לקבוע את המרחק אליהן וצבען מורה על המהירות שבה הן מתרחקות מאִתנו. שילוב המידע שמגיע מכמה אבני דרך כאלה מאפשר להעריך איך התפשטות היקום השתנתה במהלך הזמן. שלושת החלקים הנוספים של הניתוח בודקים דפוסים שונים באופן שבו גלקסיות מתקבצות לצבירים. הכבידה גורמת לדברים להימשך זה לזה, והאנרגיה האפלה גורמת להם להתרחק זה מזה. מיפויָם של שינויים בצבירים של גלקסיות לאורך פרקי זמן קוסמיים יכול אפוא לגלות את עוצמת ההשפעה של האנרגיה האפלה.

מוזרים ככל שיהיו, אפשר לחשוב על החומר האפל ועל האנרגיה האפלה כעל קישוט על גבי מציאות שגם איינשטיין היה מזהה. אבל האם ייתכן שתיאור המציאות עצמה זקוק להתאמות כדי שנוכל להתקדם?
המודלים הפשוטים ביותר של אנרגיה אפלה מתארים אותה כתכונה בלתי משתנה של המרחב הריק עצמו, ואשר שוררת בכולו. מתברר שהתיאוריות הסטנדרטיות של פיזיקת החלקיקים יכולות להסביר את קיומה של אנרגיה כזאת; אלא שהעוצמה שהם חוזים לאנרגיה הזאת גדולה פי 10 בחזקת 120 מזו הנצפית. (לעתים רואים בחיזוי הזה החיזוי הגרוע ביותר בתולדות הפיזיקה.) היכולת להסביר את הערך האמיתי והקטן בהרבה של האנרגיה האפלה הוא אחד המבחנים החשובים ביותר העומד בפני כל תיאוריה עתידית של הכול. כמו כן, אסטרונומים עדיין אינם יודעים בשלב זה אם גודלה של האנרגיה האפלה אכן קבוע. אם פרימן וצוותו יגלו שעוצמתה של האנרגיה הזו משתנה בזמן, התיאוריה של הכול תידרש להסביר גם את הממצא הזה.

אבל לפני שנגיע לעניין הזה, יש עניין יסודי ממנו שעלינו ליישב. “ההנחה שלנו היא שהאנרגיה האפלה היא שמניעה את התפשטות היקום, אבל אין שום ודאות שזה אכן כך. בהחלט יכול להיות שבקני המידה הגדולים ביותר, תורת היחסות הכללית פשוט אינה התיאוריה הנכונה,” אומר פרימן. ייתכן שיש דרך לשנות מעט את תורת היחסות הכללית כך שתסביר את האפקטים הנצפים של האנרגיה האפלה, אפשרות שפרימן מתעתד לחקור מקרוב. על כל פנים, חייבת להיות תיאוריה שתרחיב את זו של איינשטיין, ופרויקט סקר האנרגיה האפלה בוודאי יתרום לפיתוחה של התיאוריה הזאת.

האם החיים הם הולוגרמה?

מוזרים ככל שיהיו, עדיין אפשר לחשוב על החומר האפל ועל האנרגיה האפלה כעל לא יותר מקישוט ליקום המוכר: זיגוג של חלקיקים או שדות נוספים על גבי מציאות מן הסוג שגם איינשטיין היה מזהה ללא שום קושי. אבל האם ייתכן שתיאור המציאות עצמה זקוק להתאמות כדי שנוכל להתקדם לקראת תיאוריה פיזיקלית מקיפה יותר? האם ייתכן שלמרחב-זמן עצמו יש תכונות חדשות שטרם זוהו, שאינן מתוארות על ידי היחסות הכללית?

קרייג הוגאן, מנהלו של המרכז לאסטרופיזיקה של חלקיקים במעבדת המאיץ הלאומית האמריקנית על שם פֶרמי (פֶרמילאב), מתעמק בחידה הזאת בעזרת ניסוי שהוא מכנה הוֹלוֹמֶטֶר. הניסוי מנסה לבדוק אם המרחב והזמן בנויים מיחידות יסודיות: יקום המורכב מעצם טבעו מסביב לתקתוקי שעון ושנתות סרגל. על פי נקודת המבט החלופית הזאת, התחושה שלנו שאנו חיים בעולם תלת-ממדי אינה אלא אשליה בלבד: אילו היינו יכולים להביט במרחב בהגדלה מספקת – פחות או יותר כך שהיינו מביטים על פיסת מרחב שקטנה פי עשרה ביליוני ביליונים מגודלו של אטום – היינו רואים פיקסלים דו-ממדיים, שנראים תלת-ממדיים רק כשמביטים בהם בפרספקטיבה רחוקה דיה, בדומה לנקודות שעל מסך טלוויזיה.

כל אחת מן היחידות היסודיות האלה תציית לחוקים קוונטיים. כך, למשל, תהיה מידה מסוימת של אי-ודאות מובנית לגבי מיקומה של כל יחידה כזאת. בקנה מידה גדול המרחב ייראה רציף, בדיוק כפי שסבר איינשטיין, אך ברמה היסודית יהיה לו מבנה קוונטי. יקום מפוקסל כזה יכפה את מכניקת הקוונטים על תורת היחסות ובכך יסיר מכשול רציני העומד בפני יצירת תיאוריה מאוחדת של הפיזיקה כולה.

הרעיון של מציאות דו-ממדית המופיעה כאילו הייתה תלת-ממדית ידוע כעיקרון ההולוגרפי, ומכאן שאב הוגאן את ההשראה לשם הניסוי שלו. “הוֹלוֹמֶטֶר” הוא גם כעין משחק מלים, המשחזר את שמו של מכשיר מן המאה ה-16 שנועד למדידה מדויקת של קרקעות. גם המכשיר שבנה הוגאן, שכבר עכשיו אוסף נתונים בפֶרמילאב, תוכנן לבדוק את השטח ולבצע מדידות בדיוק חסר תקדים. המכשיר משגר קרן לייזר שמפוצלת לשתי קרניים שכל אחת מהן נשלחת למנהרה שונה. שתי הקרניים פוגעות במראות, מוחזרות מהן ואז שוב מאוחדות. אם למרחב יש מבנה קוונטי, האי-ודאות בכל אחד מן הפיקסלים של המרחב אמורה לגרום לריצוד בתוך המתקן, ריצוד שיגרום להזחה יחסית בין הגלים של שתי הקרניים כך שהן לא יהיו מתואמות. בתיאוריה, ההוֹלוֹמֶטֶר מסוגל למדוד הזחות בסדר גודל של אַטומטר: 10-18 מטר!

אבל ייתכן שאפילו זה לא קטן דיו: חלק מהעמיתים של הוגאן מזהירים אותו שאם יש למרחב מבנה קוונטי בסיסי, הוא עשוי להיות בקנה מידה זעיר אף יותר – זעיר כל כך עד שלא יהיה אפשר לזהות אותו בניסוי. הוגאן רואה בספקנות שלהם קריאת תיגר. בשיחתנו נראה שהוא משועשע במיוחד מן הדרך שבה הניסוי שלו מרגיז את לאונרד סַסקינְד מאוניברסיטת סטנפורד, אחד התורמים העיקריים לרעיון של היקום ההולוגרפי. “ללני יש דעה לגבי איך העיקרון ההולוגרפי פועל, וזה אינו הרעיון שנבדק בניסוי שלי. הוא משוכנע למדי שלא נמצא כלום. נפגשנו בכנס בשנה שעברה, והוא הצהיר שישסף לעצמו את הגרון אם נמצא את האפקט בניסוי שלנו,” נזכר הוגאן.

סביר להניח שהוויכוח הזה יוכרע לכאן או לכאן במהרה. אחרי שאסף מידע במשך שעה, ההוֹלוֹמֶטֶר מתקרב לרגישות פְּלַאנק, קנה המידה שבו הוגאן חושב שהגבשושיוּת של המרחב תתחיל להופיע. הוגאן צופה שתשובה מלאה תתקבל בתוך שנה – הזמן שנדרש כדי להגיע לרגישות גבוהה הרבה יותר מרגישות פְּלַאנק, ואז יקרה משהו, רק שהוגאן אינו יודע בוודאות מה: “או שלא נראה משהו או שכן נראה משהו. בכל מקרה, מרחב הרעיונות האפשריים יצטמצם. לאף אחד אין שמץ של מושג למה לצפות.”

החלום של איינשטיין, שוב

אחרי ששמעתי את הוגאן, הייתי להוט גם לקבל את נקודת המבט של סַסקינְד. בניגוד לסטריאוטיפ של פיזיקאי עיוני מהורהר המאוהב במודלים מתמטיים, סַסקינְד ממהר לצלול לשיחה על מושגים שניתנים לבדיקה מעשית: “אנשים מתלוננים על כך שפיזיקאים עיוניים מפזרים רעיונות בלי אחריות מפני שהם אינם צריכים לבחון אותם בחינה ניסויית. שטויות. החשיבות של האפשרות לבדוק תיאוריה ברורה מאד לכולנו,” הוא אומר. אבל אם קיים ניסוי מעבדתי לבחינת הרעיון, ההוֹלוֹמֶטֶר אינו הניסוי הנכון לטענתו.

צלבנים קוסמיים
המיקום: מכון פרימטר לפיזיקה עיונית, ווטרלו, אונטריו. הפרויקט: תיאורטיקנים מנסים למצוא דרכים לתאר את כל היקום בתוך מסגרת תיאורטית יחידה. רעיון אחד שהוצע הוא שאפשר להחליף את יחסיות הזמן של איינשטיין ביחסיות של גודל, דבר שיכול להוביל לניסוח חדש של תורת היחסות הכללית, ניסוח שבו זמן וצורה הם בעלי משמעות ואילו לגודל אין משמעות.

העושים במלאכה: דניאל קרסקו גוואריינטו, גבריאל הרצג, פלאביו מרקאטי, שון גריב, האמיש פורבס; ניאל או-מורצ’דהה, אנריקה גומז, אנדראה נפולטנו, ג’וליאן ברבור, לי סְמולין. קרדיט: סנדי ניקולסון.

גישה מבטיחה מזו, גורס סַסקינְד, היא לצפות אל עבר קצה היקום הנראה ולחפש התנהגות שתתמוך בתורת המיתרים. לפי התיאוריה הזאת, כל החלקיקים והכוחות הם בעצם אופנים שונים של תנודות במיתרים רוטטים של אנרגיה, כך שיש כאן בעצם הסבר מאוחד לגבי כולם. (המיתרים האלה שונים מן המונח “מיתרים קוסמיים”, שמתאר פגמים משוערים שנוצרו במרחב-זמן ביקום המוקדם.) לתיאוריה גם יש חיזויים לגבי התנאים הפיזיקליים במהלך המפץ הגדול. ומה שמדהים יותר: לגרסאות מסוימות של התיאוריה הזאת – אלה שסַסקינְד עובד עליהן – יש אפילו חיזויים לגבי התנאים בשלב מוקדם אף יותר, לפני שהיקום שלנו נוצר. סַסקינְד מאמין שאסטרונומים יוכלו לגלות שרידים מאותו שלב קדמוני צרובים בקרינה שמגיעה מפאתיו הרחוקים של היקום.

אבל יותר סביר, לדבריו, שהצעדים הבאים לקראת האיחוד הגדול של הפיזיקה לא יגיעו מניסוי או מתצפית, אלא ממחקרים מתמטיים אינטנסיביים של חורים שחורים ושל המרחב והזמן. “דברים חשובים יקרו בחמש, עשר שנים הקרובות,” צופה סַסקינְד. “איני אומר שתהיה לנו תיאוריה שלמה של הכול; אנחנו אפילו לא קרובים לכך. אבל מחכות לנו תובנות עמוקות מאוד לגבי הקשר בין כבידה ובין מכניקת הקוונטים.”

וכשהקשר יתגלה, סַסקינְד מצפה – בדומה לרוב הפיזיקאים העיוניים כיום – שמכניקת הקוונטים היא שתצא כשידה על העליונה, כך שהכבידה ותורת היחסות הכללית יאולצו להשתלב במסגרתה. אבל מכיוון שאיינשטיין היה הראשון ללכת בנתיב הזה, זה נראה אך הוגן לתת את המילה האחרונה לאחד המצדדים הגדולים שלו בתקופה הנוכחית, הפיזיקאי לי סְמולין ממכון פֶּרימטר לפיזיקה עיונית שבאונטריו.

סְמולין משוכנע שרבים מן העמיתים שלו ששקועים כל כולם בתיאוריות קוונטיות פשוט חושבים ב”קטן”, תרתי משמע, בחיפושיהם אחר התיאוריה הסופית. “הדרך היחידה להבין את מכניקת הקוונטים היא כתיאוריה של תת-מערכת,” אומר סְמולין, “אבל תורת היחסות הכללית אינה תיאור של תת-מערכות. היא תיאור של העולם כמערכת סגורה.” אם אנחנו רוצים להבין את היקום כולו, עלינו להביט על העולם במונחים יחסותיים, בדיוק כפי שעשה איינשטיין.

הגישה הזאת הביאה את סְמולין להשערה המרעישה שייתכן שחוקי הפיזיקה משתנים לאורך הזמן ושליקום יש זיכרון של ההיסטוריה של עצמו – דבר שהוא מכנה עקרון הקדימות. באופן הזה הוא מקווה להתקדם מעבר לשאלות ממוקדות שמכניקת הקוונטים השאירה ללא מענה (העוצמה של שדה כלשהו, או המסה של חלקיק כלשהו) ולהתייחס לכולן כאל היבטים התפתחותיים של יקום יחיד המתפקד כמערכת סגורה. יש לו אפילו מושג כיצד לבחון את הרעיון שלו.

“אם נצליח לפתח מערכת שהיא גדולה ומסובכת אך עדיין ניתנת לתיאור על ידי מצב קוונטי טהור, נאלץ את הטבע לייצר שיטות סיווג חדשות. ניתן לדמיין איך אפשר לעשות זאת עם מתקנים קוונטיים,” אומר סְמולין. לאחר שניצור את אותה מערכת שוב ושוב במעבדה, ייתכן שהטבע יתחיל לפתח העדפה למצב קוונטי מסוים. “יהיה קשה להבדיל בין המצב הזה לבין כל הרעש הרגיל שמתקבל בניסויים. אבל זה לא יהיה בלתי אפשרי.”

סְמולין אינו מתכוון להישמע מיסטי, אבל נדמה שבאופן מסוים אין הוא מדבר על היקום הפיזי, אלא על רוחו של איינשטיין. לפני מאה שנה בן אדם יחיד גילה דרך חדשנית לחשוב על היקום. לפני שישים שנה החיים האלה כבו, כגורלם של כל החיים האנושיים במוקדם או במאוחר. אבל רוחו של איינשטיין עדיין מותירה חותם ברור על החוקרים של ימינו. הם עורכים ניסויים חדשים בשירותו של אידאל נושן. הדחף הזה נראה בלתי ניתן לעצירה: חוקרים צעירים ממשיכים לשחזר את החיפוש שלו אחר אמת עמוקה יותר, הארה נעלה יותר.

על הכותבים

קורי ס’ פאוול
הוא כתב מדעי, עורך ובלוגר המתגורר בברוקלין שבניו-יורק. הוא חוקר אורח בתכנית לסיקור של מדע, בריאות וסביבה של אוניברסיטת ניו יורק. אפשר לעקוב אחריו בכתובת twitter.com/CoreysPowell.
לקריאה נוספת

Search for Hidden Sector Photons with ADMX Detector. A. Wagner et al. in Physical Review Letters, Vol. 105, No. 17, Article No. 171801; October 19, 2010
Time Reborn: From the Crisis in Physics to the Future of the Universe. Lee Smolin. Houghton Mifflin Harcourt, 2013
Mass and Galaxy Distributions of Four Massive Galaxy Clusters from Dark Energy Survey Science Verification Data. P. Melchior et al. in Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Vol. 449, No. 3, pages 2219–2238; May 21, 2015
On the Generalized Theory of Gravitation. Albert Einstein; April 1950
האם המרחב דיגיטלי? מייקל מוייר. סיינטיפיק אמריקן ישראל, יוני 2012
אטומים של מרחב וזמן. לי סמולין, סיינטיפיק אמריקן ישראל, אפריל-מאי 2004
הילד הרע של הפיזיקה, ראיון עם לאונרד ססקינד. פיטר ביירן, סיינטיפיק אמריקן ישראל, אוקטובר-נובמבר 2011
יון, עיצוב ובניית האתר: יחידת טכנולוגיות אינטרנט, אורט ישראל