תורת היַחֲסוּת הכללית של איינשטיין הִצליחה להסביר הכול. עד התגליות שזיעזעו אותה: שהיְקום אינו סְטָטי אלא מתרחב; ושיש עוד אין-ספור גָּלַקסיוֹת פְּרט לזוֹ שלנו. אז מהו הנעלם החסר במִשוואה?
כתבה: בת-שבע וגון-גלמידי, גליליאו צעיר
לפני שנים לא רבות כל כך חי נער צעיר ובלִבּו חלום אחד גדול: להבין את מִסתורי היְקום. הנער למד וחקר, שקע במחשבות, דמיין דמיונות ושאל שאלות. הוא לא ויתר עד שהיה למדען המפורסם ביותר בעולם: אַלבֵּרט איינשְׁטיין. גם כשכבר היה מדען מפורסם, חלומו הגדול נשאר: לתאר את כל מה שנמצא ביקום שלנו - מיליארדֵי הגלקסיות, הכוכבים והכוחות הפועלים ביניהם, בעזרת מִשוואה אחת יפה ופשוטה. ואם איינשטיין רוצה, איינשטיין מצליח. אמממ... כמעט.
זו פשוט גֵּאוֹמֶטריה
איינשטיין הגה תֵּאוֹריה נהדרת שנקראת "תורת היַחֲסוּת הכללית". היחסות הכללית היא בעצם הַרְחבה של תאוריית הכְּבידה של ניוּטוֹן, המתארת את כוחות המְשיכה בין עֲצָמים בעלי מָסה (חומר). תאוריית הכבידה של ניוטון מסבירה כיצד אנחנו נמשכים לכדור הארץ (ולכן יש לנו משקל), כיצד הירח נמשך לכדור הארץ (ולכן מַקיף אותו) וכיצד כדור הארץ נמשך לשמש (ולכן מַקיף אותה). רק סוד אחד גדול הֶאפיל על התאוריה של ניוטון: איש לא ממש הֵבין את פִּשרוֹ של כוח הכבידה המִסתורי הזה, הפועל על כל העצמים ביקום.
ואז הִגיע איינשטיין, ובעזרת תורת היחסות הכללית שלו הצליח להסביר את כוח המשיכה - פשוט על ידי הגֵאוֹמֶטריה של היקום: אין שום כוח כבידה מסתורי שמנסה להדביק את כל הכוכבים או הגלקסיות, הם פשוט משנים את המִבנה (הגאומטריה) של המֶרחב עצמו.
זה הולך ככה: כוכב שנמצא בחלל מעקֵם את המרחב סביבו, ולפיכך כל מי שנקלע לאזור יֵלך בעקבות העקמוּמיוּת ויתנהג כנמשך לכיוון של מרכז הכוכב. הרעיון פשוט: נסו לקחת כדור כבד ולהניח אותו על מִזרָן. הכדור מעקם את המזרן ויוצר שְׁקַעֲרוּרית סביבו. עכשיו נסו להניח כדור כבד נוסף לידו. גם הכדור השני יוצר שקערורית סביבו. ואם הכדורים קרובים מספיק, הם "ייפּלו" זה לתוך השקערורית של זה ויתקרבו עד שייצמדו! ככל שנניח כדור כבד יותר, כן השקערורית שתיווצר סביבו תהיה גדולה ועמוקה יותר. כך זה גם בעולם הכבידה: כוכבים מָסיביים מעקמים יותר את המרחב סביבם, ולכן כוח המשיכה שלהם חזק יותר.
אם היחסות הכללית נכונה, חשב לעצמו איינשטיין, הרי היא מנבּאת את קיוּמוֹ של הכוכב ההָזוּי ביותר ביקום: כוכב מסיבי וצפוף כל כך עד שבמקום לעקם את המרחב סביבו הוא ממש "קורע" אותו! מדמיינים מה יקרה אם תניחו על המזרן כדור טניס קטן שמשקלו מאה טונות? הכוכבים הקטנים והצפופים האלה פשוט יוצרים "חורים" בחלל. כשעצמים נופלים אל תוך ה"חורים" האלה, כבר אין להם סיכּוי לצאת משם. אפילו האור, הנע במהירות של 300 אלף קילוֹמֶטרים בשנייה, אינו יכול להימלט מ"החורים" האלה. ואם אין אור שמגיע מהם, הם יהיו תמיד שחורים, כי אי אפשר לראותם. זו הסיבה שהם זכו לשם "חורים שחורים".
אין עוד שום דבר
בעקבות תַּצפּית שנערכה בעת ליקוי חמה והתיישבה עם הניבּוי של תורת היחסות הכללית, ב-7 בנובמבר 1919 דיווח העיתון "טיימס" מלונדון: "מהפכה במדע, תאוריה חדשה של היקום, קרסו רעיונותיו של ניוטון!" - ואיינשטיין נהיה בִּן-לילה סוג של מדען-סלבּ מוכּר בכל העולם. העולם חגג, אבל שאלה אחת קשה ועקשנית לא הפסיקה להציק למדען הגדול.
באותם ימים לא היו הטֵלֶסקוֹפּים משוּכללים כל כך, ואַסטרוֹנוֹמים יכלו לראות רק את הכוכבים הנמצאים בגלקסיה שלנו – גלקסיית שביל החלב. לאיינשטיין לא הייתה דרך לדעת שמלבד שביל החלב יש עוד מיליארדי גלקסיות. מבחינתו, היקום הוא הגלקסיה שלנו, ואין שום דבר מלבדו. אמנם הכוכבים בגלקסיה נעים סביב מרכזה, אבל המבנה הכללי של הגלקסיה נשמר, ומפות הכוכבים ששׂרטטו אסטרונומים לפני מאות שנים לא השתנו מאז. אז מה הפלא שאיינשטיין התעקש להאמין כי היקום כולו סְטָטי?
כוח מוזר ומסתורי
כאן בדיוק הבעיה: אם יש כוכבים רבים כל כך ביקום, הרי הם צריכים להתקרב זה לזה בגלל הכבידה. מה זה אומר? שהיקום אינו יכול להיות סטטי. על פי חוקי הכבידה הידועים, הכוכבים לא יעצרו עד שייפּלו ויתרסקו זה על זה והיקום כולו יקרוֹס לתוך עצמו. אז איך ייתכן שהיקום בכל זאת אינו מָצוי בתהליך של קריסה?
חִשבו על זה כך: אתם רואים עצם שעף באוויר ואינו נופל, מיד תסיקו שקיימות שתי אפשרויות - שמישהו זרק אותו במהירות גדולה למעלה וכרגע עדיין הוא נע למעלה בעקבות הזריקה; או שמחובר אליו מנוע קטן, וזה כל הזמן מפעיל עליו כוח ואינו נותן לו ליפול. אלה גם שתי האפשרויות של היקום שלנו: הוא נמצא עכשיו בתהליך של התפשטות והתרחבות בעקבות כוח קַדמוֹני עצום שהופעל עליו; או שקיים כוח מניע מסתורי שפועל נגד כוח הכבידה.
האפשרות הראשונה כמובן מנוגדת לגמרי לרעיון היקום הסטטי - היא מדברת על יקום שנמצא בתהליך של התפשטות. איינשטיין העקשן, שהאמין לגמרי ביקום סטטי, בחר מיד באפשרות השנייה. הוא הוסיף למשוואה שלו, המתארת את הכוחות ביקום, כוח מוזר ומסתורי, והגדיר אותו "כוח דחייה" שמנוגד לכוח המשיכה.
האם אתם חושבים שאיינשטיין היה מרוצה מהתוספת הזו? לא ממש. מדענים אינם אוהבים כוחות "מסתוריים" שצצים להם סתם כך. אבל לאיינשטיין לא הייתה בְּרֵרה. זו הייתה הדרך היחידה שהוא יכול להמשיך להאמין בה כי היקום סטטי וגם כי תורת היחסות הכללית שלו נכונה.
מתרחב ומתפשט בקצב מסחרר
עברו השנים, הטלסקופים הלכו והשתכללו, ומדענים יכלו לראות רחוק יותר וברור יותר. בתחילת שנות העשרים של המאה הקודמת התגלו אין-ספור גלקסיות נוספות מלבד שביל החלב שלנו, וחֵקר היקום הִגיע לשיאים חדשים.
איינשטיין עקב בדְריכוּת אחר כל התגליות המעניינות האלה, אבל הוא בהחלט לא ציפה לתגלית המרעישה של האַסטרוֹנום וֶסטוֹ סְליפֶּר - תגלית זו זיעזעה את כל עולמו: סליפר גילה שהגלקסיות ביקום כל הזמן מתרחקות זוֹ מזוֹ!
מלבד זה, כמה שנים לאחר מכן גילה האסטרונום הידוע אַדווין האבּל כי ככל שהגלקסיה נמצאת במרחק גדול יותר מאתנו, כן היא מתרחקת במהירות גדולה יותר. התגלית הזו לא הוֹתירה מקום לסָפֵק: היקום שלנו לגמרי לא סטטי, הוא מתרחב ומתפשט בקצב מסחרֵר.
איינשטיין, על אף היותו עקשן, היה גם אדם צָנוע שידע להודות בטעויות שלו. אילו רק בחר באפשרות הראשונה הוא יכול לנבֵּא בעצמו את התפשטות היקום ולא היה צריך להוסיף את כוח הדְּחייה המוזר הזה לתאוריה היפה שלו. "זו הטעות הגדולה ביותר של חיי", הודה איינשטיין בעצב, והוציא אותו מיד מהמשוואה. הסיפור הזה יכול להסתיים כאן, אבל המדע מרתק הרבה יותר מכל מה שאנחנו מסוגלים לדמיין...
חוזרים לאיינשטיין
גם אם היקום שלנו מתרחב והגלקסיות מתרחקות זו מזו, קיימת השפעה חזקה של כוחות הכבידה בין הגלקסיות. כוחות הכבידה האלה הפוכים בכיוונם לתנועת הגלקסיות, ולכן אמורים כל הזמן להאֵט את מהירותן.
נחזור לדוגמה הקודמת של עצם שאינו נופל, אבל הפעם נבחר באפשרות הראשונה – מישהו זרק אותו במהירות גדולה ועדיין הוא עולה בעקבות הזריקה. גם אם תזרקו כדור הכי גבוה שאתם יכולים - מהירותו תקטן כל הזמן בשל משיכת כדור הארץ, וברוב המקרים ייעָצר הכדור לבסוף וייפול בחזרה (אלא אם כן תעיפו אותו במהירות של קצת יותר מארבעים אלף קילומטרים לשעה, ואז הוא יצליח להיחָלץ מכוח המשיכה של כדור הארץ).
במשך שנים חיפשו אסטרונומים עדוּיוֹת שיאשרו את הֶאָטת הגלקסיות, אבל בשנת 1998 היו כולם בהֶלם מוּחלט מאחת התגליות המוזרות ביותר בכל הזמנים: לא זוֹ בלבד שהגלקסיות אינן מאִטות, אלא שהן מאיצות! כלומר הן בורחות זוֹ מזוֹ במהירות שהולכת וגדלה כל הזמן! מתברר שהיקום שלנו מתפשט ומתרחב בתְאוּצה אַדירה.
מאז המדענים מנסים להסביר את התאוצה המוזרה הזו בכל מיני תאוריות שונות ומשוּנוֹת. כדי שהגלקסיות יתרחקו בתאוצה זו מזו דרוש כוח דחייה אדיר שיגבר על כוח המשיכה ביניהן. אולי שמעתם במקרה על כוח כזה?
ובכן, במציאות שגוברת על כל דמיון פיזיקאים רבים סבורים כיום כי "הטעות הגדולה של איינשטיין" היא בדיוק מה שהם מחפשים! אותו כוח דחייה שאיינשטיין הוסיף בלית ברֵרה למשוואותיו ולאחר מכן גרם לו מבוכה - מתאים בדיוק לחוקרים החדשים. מעניין מה היה איינשטיין חושב על זה...
אז איך הסיפור הזה מסתיים? כרגע איש אינו ממש יודע. טובי המדענים בעולם יושבים ברגע זה ומנסים להגשים את החלום הגדול של איינשטיין – להבין את היקום שלנו. האם זה יקרה אי-פעם? האם המוח שלנו חכם מספיק בשביל זה? מבטיחים לעדכּן אתכם כשיהיו התפתחויות מעניינות.
הכתבה פורסמה בגיליון אוקטובר 2014 של גליליאו צעיר
רוצים לקרוא עוד? לקבלת מגזין גליליאו צעיר במתנה
עוד בנושא באתר הידען:
- ניצחון לאיינשטיין אחרי ששני כוכבים העמידו במבחן את תורת היחסות
- האם אשתו הראשונה של איינשטיין חיברה איתו בחשאי את תורת היחסות?
- מדוע איינשטיין חשוב