לפי תורת היחסות הכללית, גוף מאסיבי הנמצא בתנועה “גורר” את המרחב איתו. מדענים מאיטליה ומארה”ב ערכו לאחרונה סדרת בדיקות, וטוענים כי כל הנראה תורת היחסות תעבור גם את המבחן הזה
מאת: מיכל סחף, גלילאו
לפי תורת היחסות הכללית, גוף מאסיבי הנמצא בתנועה “גורר” את המרחב איתו. עיוות כזה צפוי גם בקרבת גוף מסתובב, אשר “מפתל” את המרחב בקרבתו. ככל שהגוף מאסיבי יותר, הופכת התופעה למשמעותית יותר. תופעה זו אינה קיימת בתורת הכבידה של ניוטון.
האפקט נחזה תיאורטית כבר לפני עשרות שנים, אך עד כה לא נמצאו עדויות תצפיתיות לניבוי זה. בקרבת כדור הארץ שדה הכבידה איננו חזק דיו עד כדי פיתול המרחב במידה שתשפיע על משימות החלל שלנו או על תנועת הירח. תופעה זו אמורה לעמוד למבחן ניסויי עם הלווין Gravity Probe B, אשר צפוי להניב תוצאות, ברמת דיוק של 1%, לא לפני 2006.
מדידות אשר בוצעו לאחרונה על ידי מדענים מאיטליה ומארה”ב, רומזות כי ייתכן שתורת היחסות תעבור את המבחן. החוקרים איגנציו צ'יופוליני (Ciufolini) מאוניברסיטת לצ'ה (Lecce) באיטליה ואריקוס פבליס (Pavlis) מאוניברסיטת מרילנד שבארה”ב השתמשו בזוג לוויינים: LAGEOS ו- LAGEOS 2 – על מנת לעקוב אחר העיוות. המחקר התפרסם לאחרונה בשבועון המדע נייצ'ר.
הלוויינים, המקיפים את כדה”א בגובה של כ-6000 ק”מ, מצופים בחומר המחזיר אור בדיוק אל הכיוון ממנו הוקרן (ראו: “ראשיתה של גלימת ההיעלמות”, מדור זה, גיליון 72). מדידת הזמן העובר מרגע ששוגרה קרן לייזר ועד לחזרתה מפני השטח של הלוויינים, מאפשרת לדעת את מיקומם המדויק.
המדענים עקבו בשיטה זו אחר מסלולי הלוויינים במשך כ-11 שנים. נצפו סטיות זעירות במסלולם של הלוויינים, אשר קשורות לטענת החוקרים לאפקט היחסותי של עיוות המרחב. העיוות שנמצא הוא כ-99% מערכו של העיוות התיאורטי. קשה לאמוד את שגיאת המדידה בניסוי זה. המדענים התחשבו בחוסר-האחידות של שדה הכבידה של כדור הארץ, חוסר-אחידות ניוטוני, לא יחסותי, שמקורו בהתפלגות הבלתי-אחידה של מאסת כדור הארץ.
הם התבססו על נתונים ממשימה של נאס”א המכונה GRACE, ששוגרה בשנת 2002 במטרה למפות בדייקנות את שדה הכבידה של כדה”א. אולם, קשה לדעת אם הובאו בחשבון כל מקורות השגיאה האפשריים ואם הוערכה נכונה השפעתם על התוצאות.
ייתכן כי החוקרים לא דייקו בהערכת השפעת חוסר האחידות הניוטוני של שדה הכבידה. רמת הדיוק של המדידות אינה מספיקה כדי לקבוע חד-משמעית כי תורת היחסות “עמדה במבחן”, וכי התצפיות תואמות את הניבוי התיאורטי. לשם כך יהיה צורך להמתין לתוצאות של משימת Gravity Probe B.
אושרה תחזית נוספת מתורת היחסות – כדור הארץ גורר את החלל סביבו
אחת התחזיות האחרונות של תורת היחסות הכללית של איינשטיין אושרה בידי כלי מדויק, שחישב כיצד כדור הארץ הסובב סביב צירו חוצה את מארג החלל ב'קפיצת חלל'
26.10.2004
מאת: אבי בליזובסקי
אחת התחזיות האחרונות של תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין, שטרם הוכחה עד כה, אושרה בידי כלי מדויק למדידת היחסיות, שחישב כיצד כדור הארץ הסובב סביב צירו חוצה את מארג החלל ב-Space Warp (קפיצת חלל). הניסוי בוצע כמעט בחינם ונעשה תוך שימוש בלייזרים קרקעיים. מחקר דומה אמור להתבצע באמצעות לווין בשווי 700 מיליון דולרים, הנקרא 'גרביטי פרוב B', ששוגר באפריל כדי לבחון בדיוק את ההשפעות הללו.
מהי קפיצת חלל
'קפיצת החלל' במילון מוגדרת כהפרעה היפוטתית ברצף החלל-זמן, והיא עשויה לאפשר לנוסעים לטוס במהירות גבוהה ממהירות האור. היא תוצאה עקבית של תורת היחסות הכללית, המתארת את כוח המשיכה כעיקום בחלל שנוצר על ידי העצם שיושב בתוך הבור הכבידתי.
לפי תורת היחסות הכללית, מסה הסובבת סביב צירה תמשוך את החלל שסביבה. ההשפעה מתחילה להיות חשובה כדי להבין מקרים של תנועה מהירה, כמו למשל פולסארים מסתחררים או תנועת הגז המקיף חורים שחורים. לתופעה הזו קוראים 'frame-dragging' או אפקט 'לנס טירינג'. היא נחזתה לראשונה בידי הפיסיקאים האוסטרים יוזף לנס והאנס טירינג ב-1918, ואולם עד עה לא היו למדענים מכשירים מדויקים דיים כדי למדוד שינויים זעירים במארג היקום.
2 מטרים בכל שנה
איגנציו צ'יופוליני (Ciufolini) מאוניברסיטת לאצ'ה שבאיטליה ואריקוס פאבליס (Pavlis) מאוניברסיטת מרילנד בבלטימור ציירו את מסלוליהם של שני לווינים של נאס”א: Lageos ו- Lageos 2 במשך למעלה מ-11 שנים באמצעות לייזרים מודדי טווח בדיוק של מילימטרים ספורים. ההשפעה גרמה להוצאת הלווינים ממסלולם ב-2 מטרים בכל שנה, כך דיווחו החוקרים בגליון השבועון “נייצ'ר “.
החוקרים טוענים כי התוצאה אליה הגיעו מהווה 99 אחוזים מהערך הצפוי בידי תורת היחסות, עם שולי טעות של עד 10 אחוזים. “התוצאות הללו הן המדידות המדויקות הראשוניות של ה-frame-dragging”, אמר ניל אשבי, פיסיקאי מאוניברסיטת קולורדו בבולדר.
לא כולם מסכימים
בכל זאת, כמה מדענים נשארים עדיין בלתי משוכנעים מכך שהמדידות אכן מדויקות כפי שטוענים החוקרים. “אחת הבעיות הגדולות היא כיצד מפרידים את השפעת התופעה הזו מההשפעה החזקה יותר של משיכת כדור הארץ”, אמר קליפורד וויל, פיסיקאי מאוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס-מיזורי, העומד בראש הוועדה המדעית המייעץ ללווין Gravity Probe B.
“אם כדור הארץ היה סימטרי באופן מושלם היה קל למדוד את ה-frame-dragging, ואולם כדור הארץ המחוספס יוצר שדה משיכה לא אחיד, שעשוי להסיט את הלווינים אפילו רחוק יותר מאשר frame-dragging”, הוסיף וויל.
התורה על רגל אחת
תורת היחסות היא שמן של שתי תיאוריות מעמיקות בפיסיקה שהן מפעל חייו של אלברט איינשטיין. איינשטיין הציג תחילה את תורת היחסות הפרטית, ב-1905 (יש המכנים אותה “תורת היחסות המיוחדת”, special theory of relativity). התיאוריה עוסקת ביחסים בין גופים נעים במהירויות קבועות ובקווים ישרים. בעקבות לייבניץ ומך, ערער איינשטיין על הנחת המוחלטוּת של הזמן והמרחב בפיסיקה, שהיתה מקובלת על ניוטון.
כל מדידה של מרחק ושל מרווח זמן תלויה בצופה. אם הוא רואה עצמו כשרוי במנוחה (ב”מערכת התמד”), התהליכים במערכת הנעה ביחס אליו נראים לו אטיים יותר, והמרחקים נראים קצרים יותר; המסה של גופים במערכת הנעה תיראה כבדה יותר. הדבר היחיד שהוא מוחלט בכל המערכות הוא מהירות האור.
התורה הכללית
ב-1915 הוסיף את תורת היחסות הכללית (general theory of relativity). שם הרחיב איינשטיין את תורת היחסות והחיל אותה גם על מערכות מואצות. עקרון היסוד הוא שכל חוקי הפיסיקה חייבים להיראות זהים בכל המערכות. איינשטיין עמד על השקילוּת שבין תופעת ההאצה לתופעת משיכת הכבידה.
עוד מימי גליליאו היה ידוע כי כל הגופים נעים בהשפעת הכבידה בתנועה זהה. לכן אין לדעת אם תנועה מואצת מסוימת נובעת ממשיכת הכבידה, או מייצגת מערכת שאינה מואצת, מנקודת ראות של מערכת מואצת. איינשטיין טען כי שקילוּת זו היא עקרונית, וכי אין שום הבדל בין השתיים. ניוטון ניסח את חוק הכבידה, אך לא סיפק לו כל הסבר.
כדור הארץ גורר את המרחב סביבו
26/10/2004
מאת אורי בריזון, הארץ
אישוש לאחד הניבויים המוזרים של תורת היחסות הכללית
קבוצת חוקרים מארצות הברית ואיטליה הציגה מדידה מדויקת ראשונה, המעידה על כך שכדור הארץ גורר את המרחב בעת סיבובו סביב צירו. תוצאות המחקר, שבוצע בשיתוף בין כמה אוניברסיטאות לסוכנות החלל נאס”א, פורסמו לפני כמה ימים. הן מאששות את תורת היחסות הכללית של איינשטיין ומראות כי אחד הניבויים המוזרים ביותר שלה אכן מתרחש.
תורת היחסות הכללית פורסמה על ידי איינשטיין בשנת 1916. היא מתארת את השפעתם של גופים גדולים, כגון כוכבים וכוכבי לכת, על המרחב הסובב אותם ועל גופים אחרים הנעים במרחב זה. בפיסיקה המודרנית, תיאור היקום נטוע באבחנתו של איינשטיין כי המרחב “מתעקל” סביב גופים גדולים. כדי לדמיין זאת אפשר לחשוב על כדור כבד המונח על מזרן רך. הבור שנוצר סביב הכדור דומה ל”בור הכבידה” שיוצרים כוכבים בחלל סביבם. המאסה העצומה של הכוכב גורמת עיוות או עיקול בחלל ובשל כך משתנה מסלול תנועתם של גופים אחרים, הנעים בקרבתו של גוף זה.
הסיבה שאנו נמשכים לכדור הארץ היא שאנו נמצאים ב”תחתית” בור הכבידה שהוא יוצר במרחב. כדי להתרחק מהארץ עלינו להשקיע אנרגיה (למשל על ידי הפעלת מנוע של טיל), כמו שאדם שנמצא בתחתיתו של בור רגיל חייב להשקיע אנרגיה כדי לטפס החוצה.
איינשטיין שינה לחלוטין את תפישת המרחב של המדע. החלל חדל להיות אחיד וחלק ולבש צורה מורכבת יותר, בעלת מבנה וקווי מתאר מפותלים. משוואות היחסות הכללית וההבנה החדשה על אופיו של המרחב הובילו לתחזיות בדבר תופעות נוספות שאמורות להתרחש בו, מעבר ליצירתם של בורות כבידה. אחת המוזרות מבין התחזיות האלו נוסחה על ידי קבוצת חוקרים כבר בשנת 1918 והיא התחזית בנוגע לגרירת המרחב (Frame Dragging). על פי התחזית, בסביבתם הקרובה של כוכבים וכוכבי לכת יחולו עיוותים במרחב, שינבעו ישירות מסיבובם של הללו סביב צירם.
מדובר בעיוות שניתן לדמיין אותו אם נחשוב על כדור טניס המסתובב בתוך מכל של שמן סמיך. סביב הכדור תיווצר מעין מערבולת. החיכוך בין הכדור לשמן בעת סיבובו יגרום לגרירה של שכבת שמן סביב הכדור. באופן דומה חוזה היחסות הכללית כי המרחב עצמו ייגרר סביב כוכבים וכוכבי לכת. החלל סביבם ידמה לבור, שהתעקל והתעוות בכיוון הסיבוב של הכוכב. גרירת המרחב היא אפקט ייחודי, שנחזה על ידי משוואות היחסות הכללית ולכן מדידתו נחשבת לאישוש חזק ביותר לתיאוריה.
גרירת המרחב המתרחשת סביב כדור הארץ עדינה ביותר. עד לפני שנים ספורות לא היתה בנמצא טכנולוגיה רגישה דיה למדוד את האפקט וניסיונות מדידה שונים הניבו תוצאות לא מדויקות. לפני חצי שנה שוגר הלוויין Gravity Probe B כדי לבצע מדידה מדויקת (עד 1% טעות) של גרירת המרחב בפעם הראשונה, אך תוצאות המדידות שהוא עורך יעובדו רק בשנה הבאה. בינתיים הצליחה קבוצת החוקרים האמריקאית-האיטלקית לבצע מדידה בעלת תחום טעות של עד 10% – הטובה ביותר עד כה.
המדידה בוצעה באמצעות בדיקה קפדנית של השינויים במסלולם של שני לווייני מחקר בשם LAGEOS ו-LAGEOS 2. הלוויינים הללו שוגרו כדי לאפשר מעקב אחרי תנועת היבשות והם מחזירים קרני לייזר שמשוגרות אליהם מהקרקע. חישוב השינוי במיקומם של הלוויינים במסלול סביב הארץ הראה שינוי של כשני מטרים בשנה – בדיוק השינוי שנחזה על ידי חישוב גרירת המרחב. המדידה מחזקת את ביטחונו של המדע בתיאוריית היחסות הכללית ומהווה עדות נוספת לגאונותו של איינשטיין.
