אינשטיין – האיש שהחל להוציא אותנו מהמטריקס (חלק 3): יש גלי כבידה!

בתאריך 11 לפברואר 2016 הודיעו פיסיקאים ממעבדת LIGO שבארה"ב על אישוש נוסף לתורת היחסות של אינשטיין. שלושה חודשים לאחר שהעולם חגג מאה שנה לפרסום תורת היחסות הכללית של אינשטיין, אחת מיצירות הפאר של המין האנושי, מגיעה הידיעה על גילוי אחת מהתחזיות האחרונות של אינשטיין שעוד נותר לאשש, גילוי ישיר של גלי כבידה. פחות משנה אחרי, באוקטובר 2017, הכריזה ועדת הנובל בשטוקהולם שהפיסיקאים ריינר וייס, ברי באריש וקיפ ת'ורן הם הזוכים בפרס נובל לפיזיקה לשנת 2017 על עבודתם בתחום גלי הכבידה וגילוייה. אז מהם גלי כבידה ומה החשיבות הגדולה שלהם להבנה שלנו מהו המטריקס בו אנו חיים? 

מהו המטריקס שאנו חיים בו? תמונה: pixabay.
מהו המטריקס שאנו חיים בו? תמונה: pixabay.

המאמר הופיע לראשונה בבלוג של ניר להב "חופשי ומאושר"

ראו חלקים קודמים בסדרה:

לפני כחמש שנים התחלתי לכתוב סדרת מאמרים על "המטריקס" שאנו חיים בו על פי תורת היחסות של אינשטיין, זהו חלק שלישי של הסדרה (חלק הראשוןחלק השני). אלברט אינשטיין הראה לנו שהמציאות שאנו חיים בה שונה לחלוטין ממה שחשבנו ושהמדע לא רק מסביר את העולם היומיומי שלנו אלא מרחיב אותו ומגלה לנו את סודות המציאות האמיתית בה אנו חיים. לנו, בחיי היום יום יש הרגשה שאנחנו מבינים פחות או יותר איפה אנחנו חיים ומה החוקים ששולטים בטבע, אך אחרי אינשטיין ברור שהמציאות באמת עולה על כל דמיון ובעצם אין לנו מושג מהי המציאות כמות שהיא. בעזרת הפיסיקה אנחנו מגלים אט אט את החוקים ששולטים במציאות האמיתית שלנו. ההבנות, והטכנולוגיות שנוצרות בעקבותיהן, משנות את תפיסותינו לגבי עצמנו ולגבי מיקומנו ביקום. גלי הכבידה ותורת היחסות מגלים לנו מהי התשתית של היקום שעליה אנו חיים, מעין "המטריקס" בתוכו נמצא היקום שלנו. כמו בסרט "המטריקס", אינשטיין נתן לנו את הכדור האדום, זה שמוציא אותך מהאשליה אל המציאות האמיתית ואולי, בעקבות ההבנות הפיסיקליות הללו נוכל גם אנחנו לצאת ממנו?

בחלק הראשון הצגתי את אחת התובנות המרכזיות של תורת היחסות הפרטית שאינשטיין פרסם בשנת 1905. לא רק שהזמן והאורך אינם מוחלטים אלא יחסיים (אנשים שונים יכולים למדוד, לדוגמה, כמה זמן התרחשה תופעה מסויימת וכל אחד ימדוד שהתופעה התרחשה במשך זמן שונה ושניהם צודקים), אלא גם, מסתבר שהזמן אינו זורם מהעבר, דרך ההווה אל העתיד אלא הוא מימד רביעי. עוד כיוון שאי אפשר לראות ובו קיימים בו זמנית כל הזמנים, העבר, ההווה והעתיד. כל מה שעשינו וכל מה שנעשה כבר קיימים בו. לכן, באופן עקרוני אפשר לנסות ולשנות את התקדמותינו לאורך כיוון הזמן וכך להגיע מהר יותר לעתיד או לנוע אחורה לעבר. מי יודע? יכול להיות שבעתיד נצליח לפתח מכונת זמן ולעשות זאת.

המטריקס שאנו חיים בו נקרא המרחב-זמן והוא התשתית של היקום שלנו. אנחנו "מצויירים" על פני המרחב-זמן ולכן יש לנו שלושה מימדים מרחביים ומימד זמני אחד. אם לא היינו חלק מהמרחב-זמן הזה, לא היינו בעלי ארבעת המימדים הללו. יש לנו קיום רק כי אנחנו חלק מהמרחב-זמן בצורה דומה לפני בלון עליו מצויירים אנשים וכוכבים. כפי שאין משמעות לציורים שעל הבלון מחוץ לפני הבלון, כך אין לנו משמעות מחוץ למרחב זמן, וכפי שהאנשים המצויירים על פני הבלון יכולים לנוע רק על פני הבלון ולא יכולים לראות מה יש מחוץ לפני הבלון כך גם אנחנו לא יכולים לדעת האם יש משהו אחר חוץ ממרחב הזמן שאנו "תקועים" בו. לכן זהו המטריקס של היקום שלנו.

מסקנה מדהימה נוספת שנובעת מתוך תורת היחסות הפרטית קשורה להבנה על מהות החומר. לאחר שאינשטיין קישר בין מימדים פיסיים (אורך, רוחב וגובה) לבין הזמן (מימד רביעי) הוא היה צריך לפתח מחדש את כל הפיסיקה הניוטונית שהיתה ידועה עד אז במשך 300 שנה. כאשר כעת יש ארבעה מימדים להתחשב בהם ולא שלושה. כתוצאה מכך צצו קשרים חדשים שלא היו ידועים קודם בין גדלים פיסיקלים שנראו לא קשורים. הדוגמה הידועה ביותר לקשר כזה היא המשוואה המפורסמת ביותר, לא רק של אינשטיין, אלא במדע כולו, המשוואה E=MC2

(E- אנרגיה, M- מסה, C- מהירות האור). אינשטיין מקשר כאן בין מסה ובין אנרגיה (משום שמהירות האור לא יכולה להשתנות, היא גודל קבוע בתורת היחסות. במשוואה היא משחקת תפקיד של קבוע שמוכפל במסה. היא מעין יחס המרה כיצד לעבור מיחידות של מסה ליחידות של אנרגיה, בדומה ליחס המרה כיצד לעבור מדולרים לפזו צ'יליאני לדוגמה. כדי לעבור מיחידות של מסה, כמו קילוגרם, ליחידות של אנרגיה, למשל ג'אול, צריך להכפיל את המסה במהירות האור בריבוע). בפעם הראשונה בפיסיקה הבנו משהו מעמיק אודות מהות החומר ומהות המסה. ניוטון הגדיר גודל שהוא קרא לו מסה, ללא שום הסבר מהי מסה הזו ומאיפה היא באה. כעת תורת היחסות מגלה לנו שמסה היא בעצם סוג נוסף של אנרגיה, אנרגיית מנוחה. אנרגיה שיש תמיד לחומר, לא משנה האם הוא נע או נח. כמו שיש אנרגיית תנועה או אנרגיית חום כעת יש סוג נוסף שנקרא אנרגיית מנוחה והיא המסה של הגוף. כמו שאפשר לגלגל סוג אנרגיה אחד לסוג אנרגיה שני, כך אפשר לגלגל מסה לאנרגיית תנועה או אנרגיית חום. זהו התהליך שקורה בפצצת אטום או בליבת השמש. אפשר גם לגלגל אנרגיה לאנרגיית מנוחה, כך למשל פוטון, שהוא חלקיק אור חסר מסה, אם הוא מאד אנרגתי כאשר הוא יבלע בגוש עופרת הוא יהפוך לחלקיקים בעלי מסה. הנה כך אנשטיין מאחד לנו שני מושגים שנראו שונים, מסה ואנרגיה למושג אחד. התגלית הזו היתה כל כך לא צפויה ומדהימה עד ש, לפי הסיפור, אחרי שאינשטיין הוכיח את הקשר הזה הוא קיבל סחרחורות והיה צריך לנוח כמה ימים בביתו מרוב התרגשות.

בבתי הספר עדיין מלמדים שיש חוק שימור החומר וחוק שימור האנרגיה, אך מאז ימי תורת היחסות הפרטית (יותר ממאה שנה!) אנחנו יודעים שזה לא נכון. מסה יוכלה "להיעלם", להתגלגל לאנרגיה. הדבר היחיד שנותר הוא חוק שימור האנרגיה. התובנה המרעישה של אינשטיין היא שהכל הוא אנרגיה וגם החומר הוא רק עוד סוג של אנרגיה. אפשר לפרש את המסקנה הזו בצורה חיובית של אחדות וקשר ביננו לבין כל האובייקטים שקיימים בטבע, כולנו אנרגיה. אך המין האנושי העדיף מיד לפתח פצצה מחרידה שמבוססת על המסקנה המדהימה הזו. ארבעים שנה לאחר פרסום יחסות פרטית, ארה"ב מפתחת את פצצת האטום הראשונה ומפילה שתי פצצות על יפן ובכך מביאה לכניעתה ומסיימת את מלחמת העולם השנייה.

אינשטיין מאחד את מושגי האנרגיה והמסה שנראים שונים זה מזה לאחדות אחת, ממש כמו סמל האינג והינג שנראים שונים אך מתאחדים לאחדות אחת. הכל בנוי מאנרגיה. החומר הוא רק עוד סוג של אנרגיה. תמונה: pixabay.
אינשטיין מאחד את מושגי האנרגיה והמסה שנראים שונים זה מזה לאחדות אחת, ממש כמו סמל האינג והינג שנראים שונים אך מתאחדים לאחדות אחת. הכל בנוי מאנרגיה. החומר הוא רק עוד סוג של אנרגיה. תמונה: pixabay.

בחלק השני בסדרה הצגתי את תורת היחסות הכללית של אינשטיין. לפיה המרחב-זמן הוא ישות פיסיקלית אמיתית ממש כמו החומר והאנרגיה. מסתבר שיש פעולת גומלין בין החומר והאנרגיה לבין המרחב-זמן. אנחנו לא רק דמויות מצויירות עליו, אנחנו גם משפיעים על הצורה שלו. ככל שיש לחומר יותר מסה (או ליתר דיוק צפיפות מסה-אנרגיה גדולה יותר) כך הוא מעקם יותר את המרחב-זמן הארבע מימדי שסביבו!

הדבר המעניין הוא שמרחב-זמן עקום גורם לחומר "המצוייר" בו לנוע בקוים עקומים כך ששני גופים שנמצאים בסביבה שלו יתחילו להתקרב אחד לשני כאילו הם מפעילים כוח משיכה בין אחד לשני. אינשטיין הבין שבעצם אין דבר כזה כוח משיכה אלא יש מסה שמעקמת את המרחב-זמן סביבה ולכן גופים נראים נמשכים אחד לשני בסביבה זו. אינשטיין "ביטל" את כוח המשיכה ככוח אמיתי, במקומו יש גאומטריה. גאומטריה של מרחב עקום בו קווים מקבילים מתקרבים אחד לשני עד שלבסוף נפגשים. ככל שלגוף יש יותר מסה, כך הוא מעקם יותר את המרחב-זמן שלו ואת המרחב-זמן שסביבו ואנו נראה זאת כאילו יש שם כוח משיכה יותר חזק. אחת התוצאות המוזרות שיוצאות מהתובנה הזו היא שיכולים להיות כוכבים עם מסה כל כך גדולה עד שהם יעקמו את המרחב זמן שסביבם בצורה אינסופית ובעצם יקרעו את המרחב-זמן (או את המטריקס) בו הם נמצאים! מעין חורים במרחב – זמן, לכוכבים מוזרים אלו אנחנו קוראים חורים שחורים. חיזוי זה של חורים שחורים אושש באמצע המאה ה-20 וכיום אנו יודעים על קיום חורים שחורים רבים.

קווי האורך על פני הגלובוס הן דוגמה מצויינת כיצד מרחב מעוקם מייצר תנועה הנראית כמו כוח משיכה. הקווים המצויירים על פני הגלובוס, נמצאים על פני משטח מעוקם - הכדור. כעת תסתכלו על קו המשווה ותבחרו שני קווי אורך שיוצאים ממנו למעלה. הקווים היוצאים מקבילים אחד לשני. אם היה מדובר במשטח שטוח, קווים מקבילים לעולם לא יפגשו. אבל משום שמדובר במרחב עקום בצורת כדור, הקווים המקבילים מתקרבים אחד לשני עד שהם נפגשים לבסוף בקטבים. אם על הקווים הללו היו חיים אנשים מאד קטנים הם לא היו יודעים שהם חיים על כדור, הם היו חושבים שהכל שטוח. אך אז שני אנשים שרצים במעלה קווי האורך המקבילים היו מתקרבים אט אט אחד לשני כאילו יש ביניהם משיכה. בגלל שהם לא יודעים שמדובר במרחב עקום, הם היו קוראים לתופעה הזו בשם כוח משיכה. כך גם אנחנו חושבים שיש כוח משיכה בין מסות אך למעשה מדובר במרחב עקום שיצרו המסות. מקור: Hellerick, Wikimedia.
קווי האורך על פני הגלובוס הן דוגמה מצויינת כיצד מרחב מעוקם מייצר תנועה הנראית כמו כוח משיכה. הקווים המצויירים על פני הגלובוס, נמצאים על פני משטח מעוקם – הכדור. כעת תסתכלו על קו המשווה ותבחרו שני קווי אורך שיוצאים ממנו למעלה. הקווים היוצאים מקבילים אחד לשני. אם היה מדובר במשטח שטוח, קווים מקבילים לעולם לא יפגשו. אבל משום שמדובר במרחב עקום בצורת כדור, הקווים המקבילים מתקרבים אחד לשני עד שהם נפגשים לבסוף בקטבים. אם על הקווים הללו היו חיים אנשים מאד קטנים הם לא היו יודעים שהם חיים על כדור, הם היו חושבים שהכל שטוח. אך אז שני אנשים שרצים במעלה קווי האורך המקבילים היו מתקרבים אט אט אחד לשני כאילו יש ביניהם משיכה. בגלל שהם לא יודעים שמדובר במרחב עקום, הם היו קוראים לתופעה הזו בשם כוח משיכה. כך גם אנחנו חושבים שיש כוח משיכה בין מסות אך למעשה מדובר במרחב עקום שיצרו המסות. מקור: Hellerick, Wikimedia.

תורת היחסות הכללית של אינשטיין אוששה כבר בניסויים רבים ומכשירי ה-GPS שלנו עובדים כשורה בזכותה. אך אחת התחזיות של אינשטיין לא אומתה סופית עד לתוצאות הניסוי האחרון, זוהי תופעת גלי הכבידה. לפי תורת היחסות הכללית, כוח הכבידה הוא בעצם מרחב-זמן שהתעקם (ממש כמו משטח ישר שעיקמו לצורת כדור, רק שהמרחב-זמן הוא ארבע מימדי שמתעקם לצורת כדור ארבע מימדי). אחד מפתרונות המשוואות של תורת היחסות מראה שהמרחב-זמן יכול לרטוט בצורה מחזורית כמו גל. זהו גל כבידה, מעין עיוות מחזורי של המרחב זמן שמתקדם לאורך המרחב.  אנו רגילים לגלים הנעים על פני המים או באויר, אך במקרה זה מדובר על גל הנוצר עקב התעקמות המרחב-זמן עצמו. גלי כבידה הם מאד חלשים ולכן קשים למדידה, הניסוי של צוות LIGO הוא הניסוי הראשון בו הצליחו למדוד באופן ישיר  גלי כבידה. איך נדע בכלל האם עובר כאן גל כבידה? כאשר נמדוד את האזור בו עובר גל הכבידה נגלה שהמרחב שם נמתח בכיוון מסויים ומתכווץ בכיוון הניצב ואז הכיוון שנמתח יתכווץ ואילו הכיוון שהתכווץ ימתח. אם הגל יעמוד באותו אזור מרחבי אנו נראה שהתופעה הזו מחזורית:

ההשפעה של גל כבידה (בקיטוב מסוים) על שרשרת חלקיקים. מקור: MOBle, Wikimedia.
ההשפעה של גל כבידה (בקיטוב מסוים) על שרשרת חלקיקים. מקור: MOBle, Wikimedia.

אם כך, כדי לגלות גל כבידה צריך למדוד מרחוק מעין סרגל ולראות שהוא מתקצר לפתע. הבעיה היא שגלי כבידה הם מאד חלשים. הגודל, לדוגמה, של גל הכבידה שהצליחו למדוד בעזרת LIGO קטן מגודל של אטום בודד. לכן נדרשו כל כך הרבה שנים לבנות את הגלאים. האמת שהיו גילויים קודמים לפיהם הפיסיקאים כבר ידעו באופן די ברור שיש גלי כבידה עוד לפני הגילוי הישיר. כבר בשנת 1974 מדדו הפיסיקאים אסל הולס וג'וזף טיילור עדות עקיפה לגלי כבידה. הם בדקו מערכת של שני כוכבי נויטרונים שהסתובבו אחד סביב השני. כוכבי נויטרונים הם כוכבים מאד מאד מאסיביים ובגלל שהם כה מאסיביים והסתובבו מאד קרוב אחד לשני, לפי תורת היחסות הכללית, הם אמורים ליצור גלי כבידה. ואכן, כשצוות המדענים מדד עד כמה מהר הכוכבים הללו מסתובבים אחד סביב השני הם גילו שמהירות הסיבוב שלהם הולכת ועולה עם הזמן. המשמעות היא שבמקום להסתובב אחד סביב השני במרחק קבוע, צמד הכוכבים הללו הולכים ומתקרבים אחד לשני תוך כדי סיבוב ולכן מהירות הסיבוב שלהם מתגברת ככל שהם מתקרבים:

אך, מדוע זה קורה? מדוע כוכבי הנויטרונים מתקרבים אחד לשני? ההסבר הוא שהם מאבדים אנרגיה עם הזמן ולכן מתקרבים זה לזה בגלל כוח המשיכה ביניהם. אך, מדוע הם מאבדים אנרגיה עם הזמן? כמו שהבנו מתוך תורת היחסות הפרטית יש חוק שימור אנרגיה. אם הם מאבדים אנרגיה, זה אומר שהיא היתה חייבת להתגלגל לצורה אחרת של אנרגיה. אז לאן היא התגלגלה?
לגלי כבידה, כמובן!

לפי המסה והמרחק בין כוכבי הנויטרינו צוות הפיסיקאים בדק מה אמור לקרות לכוכבי הנויטרונים, לפי תורת היחסות הכללית, כאשר הם פולטים גלי כבידה. התחזית של תורת היחסות הכללית והממצאים מהמדידות של כוכבי הנויטרינו תאמו באופן מאד מדוייק אחד את השני!
צוות המדענים זכה על האישוש העקיף הזה שיש גלי כבידה בפרס הנובל בפיסיקה בשנת 1993.

בגרף מצוייר ההפרש בין זמן ההקפה המקורי (שנמדד ב1974, ועמד על כ7 שעות ו45 דקות) לבין זמן ההקפה בשנים עוקבות. הגרף הכחול הוא התחזית כפי שנובעת מתורת היחסות של איינשטיין, העיגולים האדומים הם המדידות השונות. אפילו אם תמקדו רק בשנים הראשונות (עד 82) כבר ברור לכל מידת הדיוק של התורה ואיזו תחזית מדהימה ונפלאה זו ואיזה אישוש של התורה הגילוי הזה מהווה. מתוך מאמר מעקב 30 שנה אחרי הגילוי (ההסבר הופיע לראשונה כאן).
בגרף מצוייר ההפרש בין זמן ההקפה המקורי (שנמדד ב1974, ועמד על כ7 שעות ו45 דקות) לבין זמן ההקפה בשנים עוקבות. הגרף הכחול הוא התחזית כפי שנובעת מתורת היחסות של איינשטיין, העיגולים האדומים הם המדידות השונות. אפילו אם תמקדו רק בשנים הראשונות (עד 82) כבר ברור לכל מידת הדיוק של התורה ואיזו תחזית מדהימה ונפלאה זו ואיזה אישוש של התורה הגילוי הזה מהווה. מתוך מאמר מעקב 30 שנה אחרי הגילוי (ההסבר הופיע לראשונה כאן).

אבל, עם כל הכבוד לגילוי העקיף הזה (ויש כבוד!) זהו עדיין רק אישוש עקיף ולא מדידה של גל הכבידה עצמו. היו צריכים לעבור עוד 40 שנה בערך עד לניסוי מהשנה שלעברה כדי למדוד את גלי הכבידה עצמם. כיצד הם מדדו את גלי הכבידה הזעירים הללו? כפי שכבר אמרנו, כשגל כבידה עובר המרחב זמן מתעוות בצורה כזו שהסרגל יתקצר ויתארך כשהגל עובר דרכו. אם מציבים סרגלים מוטים בתשעים מעלות, כאשר אחד הסרגלים יתארך השני יתכווץ ולהפך, על עקרון זה עובדים הגלאים. הבעיה היא שההבדלים הם בסדר גודל של אטום על מרחקים של מיליוני קילומטרים רבים, וכל משאית שעוברת ליד הגלאי עשויה לגרום להתראת שווא. היה צריך לפתח טכנולוגיה של מדידות לייזרים מספיק מדוייקת כדי להתגבר על כל הבעיות הטכניות הללו:

שלוש דוגמאות למבנה האנטנה שקולטת גלי כבידה. מייצרים שני קרני לייזר מאותו מקור. בשלב מסויים מפצלים אותם כך שהם נעים בניצב אחד לשני (הקרניים יוצריות צורה של האות L), מגיעות למראה וחוזרות חזרה לנקודת ההתחלה ומתחברות. אם אין גלי כבידה, אורך המסלול שכל קרן לייזר עושה הוא אותו האורך ואז כשהן חוזרות ומתאחדות הן בדיוק הפוכות אחת לשניה והן מבטלות אחת את השניה ולא מודדים כלום (תמונה ראשונה). אך, אם עובר במקרה גל כבידה באזור, אחד מהמסלולים ישתנה, למשל יתקצר לעומת השני (תמונה שניה). או אז, כאשר קרניי הלייזר יחזרו ויתאחדו, הן כבר לא בדיוק מתואמות והפוכות זו לזו ולכן הן לא יבטלו זו את זו וכתוצאה נמדוד תבנית לייזר כלשהי. זאת אומרת, שאם נראה שיש לייזר בנקודת ההתאחדות של הקרניים נדע שעבר כאן גל כבידה (תמונה שלישית מראה את כל התהליך). תבניות הלייזרים מדוייקות מספיק כדי לתפוס שינויים זעירים במסלול עקב גלי כבידה.

שלוש דוגמאות למבנה האנטנה שקולטת גלי כבידה. מייצרים שני קרני לייזר מאותו מקור. בשלב מסויים מפצלים אותם כך שהם נעים בניצב אחד לשני (הקרניים יוצריות צורה של האות L), מגיעות למראה וחוזרות חזרה לנקודת ההתחלה ומתחברות. אם אין גלי כבידה, אורך המסלול שכל קרן לייזר עושה הוא אותו האורך ואז כשהן חוזרות ומתאחדות הן בדיוק הפוכות אחת לשניה והן מבטלות אחת את השניה ולא מודדים כלום (תמונה ראשונה). אך, אם עובר במקרה גל כבידה באזור, אחד מהמסלולים ישתנה, למשל יתקצר לעומת השני (תמונה שניה). או אז, כאשר קרניי הלייזר יחזרו ויתאחדו, הן כבר לא בדיוק מתואמות והפוכות זו לזו ולכן הן לא יבטלו זו את זו וכתוצאה נמדוד תבנית לייזר כלשהי. זאת אומרת, שאם נראה שיש לייזר בנקודת ההתאחדות של הקרניים נדע שעבר כאן גל כבידה (תמונה שלישית מראה את כל התהליך). תבניות הלייזרים מדוייקות מספיק כדי לתפוס שינויים זעירים במסלול עקב גלי כבידה.

שלוש דוגמאות למבנה האנטנה שקולטת גלי כבידה. מייצרים שני קרני לייזר מאותו מקור. בשלב מסויים מפצלים אותם כך שהם נעים בניצב אחד לשני (הקרניים יוצריות צורה של האות L), מגיעות למראה וחוזרות חזרה לנקודת ההתחלה ומתחברות. אם אין גלי כבידה, אורך המסלול שכל קרן לייזר עושה הוא אותו האורך ואז כשהן חוזרות ומתאחדות הן בדיוק הפוכות אחת לשניה והן מבטלות אחת את השניה ולא מודדים כלום (תמונה ראשונה). אך, אם עובר במקרה גל כבידה באזור, אחד מהמסלולים ישתנה, למשל יתקצר לעומת השני (תמונה שניה). או אז, כאשר קרניי הלייזר יחזרו ויתאחדו, הן כבר לא בדיוק מתואמות והפוכות זו לזו ולכן הן לא יבטלו זו את זו וכתוצאה נמדוד תבנית לייזר כלשהי. זאת אומרת, שאם נראה שיש לייזר בנקודת ההתאחדות של הקרניים נדע שעבר כאן גל כבידה (תמונה שלישית מראה את כל התהליך). תבניות הלייזרים מדוייקות מספיק כדי לתפוס שינויים זעירים במסלול עקב גלי כבידה.
שלוש דוגמאות למבנה האנטנה שקולטת גלי כבידה. מייצרים שני קרני לייזר מאותו מקור. בשלב מסויים מפצלים אותם כך שהם נעים בניצב אחד לשני (הקרניים יוצריות צורה של האות L), מגיעות למראה וחוזרות חזרה לנקודת ההתחלה ומתחברות. אם אין גלי כבידה, אורך המסלול שכל קרן לייזר עושה הוא אותו האורך ואז כשהן חוזרות ומתאחדות הן בדיוק הפוכות אחת לשניה והן מבטלות אחת את השניה ולא מודדים כלום (תמונה ראשונה). אך, אם עובר במקרה גל כבידה באזור, אחד מהמסלולים ישתנה, למשל יתקצר לעומת השני (תמונה שניה). או אז, כאשר קרניי הלייזר יחזרו ויתאחדו, הן כבר לא בדיוק מתואמות והפוכות זו לזו ולכן הן לא יבטלו זו את זו וכתוצאה נמדוד תבנית לייזר כלשהי. זאת אומרת, שאם נראה שיש לייזר בנקודת ההתאחדות של הקרניים נדע שעבר כאן גל כבידה (תמונה שלישית מראה את כל התהליך). תבניות הלייזרים מדוייקות מספיק כדי לתפוס שינויים זעירים במסלול עקב גלי כבידה.

התגלית התאפשרה באמצעות מתקני הניסוי הרגישים שנבנו במיוחד למטרה זו, בשם LIGO – ראשי תיבות של "מצפה גלי כבידה באמצעות אינטרפרומטר לייזר" (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory). בפרויקט שותפים למעלה מאלף חוקרים מעשרים מדינות, אשר "הצליחו יחד להגשים חזון בן 50 שנה", על פי ועדת הפרס. גלי הכבידה נמדדו בשני מתקני הניסוי של הפרויקט אשר מרוחקים זה מזה. האחד באתר ליד האנפורד במדינת וושינגטון, והאחר בלינסטון בלואיזיאנה. צמד הגלאים הופעל באוגוסט 2015 למשך חודשיים, והניב ממצאים שעליהם התבססה התגלית. הם הצליחו למדוד שני גלי כבידה שונים, כל גל כבידה זוהה בשני מתקני הניסוי השונים. מאז הגילוי צוות נוסף הצליח למדוד גל כבידה שלישי ושוב לאושש את הימצאות גלי הכבידה. האירועים שיצרו את שלושת גלי הכבידה הללו אינם סיבוב של כוכבי נויטרונים אלא סיבוב והתנגשות אלימה בין שני חורים שחורים. כך, אגב, קיבלנו אישוש נוסף לקיום של חורים שחורים. ההתנגשות הזו התרחשה לפני 1.3 מיליארד שנים. החורים השחורים הללו היו מאד מאסיביים, הרבה יותר מכוכבי הנויטרונים. לחור שחור אחד היתה מסה של 29 פעמים מסת שמש שלנו, ולשני מסה של 36 פעמים מסת שמש! בשל העקמומיות החזקה שהם יוצרים החורים השחורים הסתובבו והתקרבו אחד לשני, התפתלו זה מסביב לזה עד שהתרסקו ויצרו חור שחור חדש, שמסתו 62 פעמים מסת שמש:

בסרטון: התנגשות חורים שחורים מאסיביים יוצרת גלי כבידה (מיוצגים על ידי רטט של המרחב).

שימו לב למשהו מוזר שקרה כאן, המסות של החורים השחורים שהתנגשו לא מסתכמות למסה של החור השחור החדש לאחר ההתנגשות. לחור השחור החדש יש מסה קטנה יותר ממסות שני החורים השחורים השיצרו אותו! לאן נעלמה המסה?

למי שעקב אחרי המאמר התשובה כבר ברורה. כמו שראינו מתוך תורת היחסות הפרטית, מסה היא עוד סוג של אנרגיה והיא יכולה להתגלגל לצורות אנרגיה אחרות. ואכן, כששני חורים שחורים מתנגשים תורת היחסות הכללית חוזה שחלק מהמסה שלהם יהפוך לאנרגיה שתשתחרר בצורת גלי כבידה. הפער החסר – שלוש פעמים מסת שמש הפך לגלי כבידה שעוותו את המרחב זמן והתקדמו בו במשך מעל למליארד שנים עד שמדדנו אותם בכדור הארץ בעזרת אנטנות מיוחדות.

אני חושב שזה ממש מדהים להבין כך את היקום ואת הגדלים הענקיים הללו. ככל שעוברות השנים מאז פרסום תורת היחסות אנחנו מצליחים לאשש עוד ועוד את המסקנה המדהימה שהמרחב-זמן הוא משהו ממשי. הנה אוששנו שוב את קיום החורים השחורים, הלוא הם החורים במרחב – זמן ואת התנודות המחזוריות שנעות על פני המרחב זמן – גלי הכבידה. המרחב – זמן הארבע מימדי שלנו כה אמיתי עד שהוא יכול להיות תווך לגלים ממש כמו שהאוויר יכול להיות תווך לגלי קול.

אבל, לא רק שתורת היחסות וממשות המרחב – זמן הארבע מימדי קיבלו אישוש ניסויי נוסף אלא שכעת גילינו דרך נוספת בה אפשר לראות את היקום. אם עד היום יכולנו למדוד את היקום בעזרת גלי אור (גלים אלקטרומגנטיים), כעת נוכל לראות את היקום לא בעזרת גלי אור אלא בעזרת גלי כבידה!

עד היום הכרנו שני סוגי גלים עקריים, גלי קול וגלי אור. אנו משתמשים בשניהם כדי לראות. בעזרת טכנולוגיות הסונר והאולטרה סאונד אנו רואים בעזרת גלי קול, ובעזרת חומרים שרגישים לתדירויות שונות של גלי אור אנו יכולים לראות את היקום בעזרת אור נראה, גלי רנטגן, גלי מיקרו, על סגול, תת אדום וגלי גמה. בעזרת גלי אור אנו מתקשרים באופן מיידי עם כל מקום ברחבי העולם. הטלפונים הסלולריים, הרדיו והטלויזיה משדרים את המידע שלהם בעזרת תדירויות שונות של גלי אור. גלי אור בתדירויות שונות פתחו לנו עולמות חדשים וידע חדש לגבי המציאות. אנו הרחבנו את תפיסת המציאות שלנו מהאור הנראה שאנו קולטים בעיניים שלנו לעבר תדירויות שהיו חסומות בפני עיננו. פתאום גילינו שיש עולם שלם של מראות שאפשר לראות רק בעזרת תדירויות אור אחרות, כמו למשל לראות עצמות בתוך הגוף בעזרת גלי רנטגן או לראות את שאריות המפץ הגדול, בו נוצר היקום, בעזרת תדירות אור מאד נמוכות. אך כל העולם העשיר הזה עדיין מסתמך רק על צורת גל אחת, על גלי אור. כעת הצלחנו להרחיב את יכולת הראיה שלנו. פרצנו את הגבולות אל מעבר לגלי אור ולגלי קול לעבר צורת גל חדשה לגמרי, גלי כבידה. הרטט של המרחב זמן עצמו. אין לנו עוד שום מושג מה נגלה כאשר הטכנולוגיה תתפתח עוד יותר ונוכל לחקור את היקום בעזרת גלי הכבידה הללו. לפי העושר שנפתח בפנינו כאשר גילינו כיצד לראות תדירויות אור מעבר לתדירות האור הנראה, כנראה שאנחנו עומדים לגלות יקום מופלא ומסתורי עוד יותר ממה שאנו מבינים כיום.

קיפ תו'רן, אחד מזוכי הפרס ומייסדי הפרויקט, תיאר עם פרסום התגלית ב-2016: "המרחב היה שקט כמו האוקיינוס השקט ואז פתאום 'סערה' – התנגשות של חורים שחורים, שנמשכה רק 20 אלפיות השנייה. באותו רגע קצר נוצרה אנרגיה של פי 50 מזו שכל כוכבי היקום ביחד. זה לקחת שלושה כוכבים – כל אחד בגודל שמש – ולהפוך אותם ברגע אחד לאנרגיה טהורה. גלי הכבידה שונים כל כך מגלי האור. אני משוכנע שנכונו לנו עוד הפתעות גדולות בחקר היקום".

משום שמדובר בגלים, יש להם תדירות. הפיסיקאים במעבדת LIGO המירו את התדירויות של גלי הכבידה לתדירויות של גלי קול שאנו יכולים לשמוע! תדירויות נמוכות נשמעים כמו קול בס ותדירויות גבוהות נשמעות כמו קול גבוה. רוצים לשמוע?

כך נשמעים גלי הכבידה שהגיעו אלינו מהתנגשות שני החורים השחורים לפני כמליארד שנה!

ולסיום, קיפ ת'ורן הוא לא רק פיסיקאי בעל פרס נובל, הוא גם משלב בין מדע לאומנות. כבר בשנות השמונים הוא עזר לאסטרופיסיקאי קרל סייגן בכתיבת ספר מדע בדיוני בשם קונטקט (שהפך לסרט מצויין בשנת 1999). בשביל הסיפור ת'ורן פיתח את הנושא של מחילות תולעת, פתרון נוסף של תורת היחסות הכללית בעזרתו אפשר לקפוץ מיידית ממקום אחד במרחב זמן, למקום אחר רחוק מאד במרחב ובזמן. לפני כמה שנים, הבמאי כריסטופר נולן, ביקש גם הוא עזרה מקיפ ת'ורן בשביל סרטו "בין כוכבים". שוב ת'ורן הסכים וחישב עבורם כיצד חור שחור אמור להראות כאשר מתקרבים אליו. הנה תוצאת החישובים:

תמונת חור שחור מהסרט "בין כוכבים". הפיסיקאי זוכה הנובל הטרי קיפ ת'ורן היה אחראי עיצוב החור השחור לפי חישובים מתוך תורת היחסות הכללית. שילוב יפהיפה של פיסיקה ואומנות! מקור: מתוך הסרט Interstellar, 2014.
תמונת חור שחור מהסרט "בין כוכבים". הפיסיקאי זוכה הנובל הטרי קיפ ת'ורן היה אחראי עיצוב החור השחור לפי חישובים מתוך תורת היחסות הכללית. שילוב יפהיפה של פיסיקה ואומנות! מקור: מתוך הסרט Interstellar, 2014.

ראו עוד בנושא באתר הידען:

שיתוף ב print
שיתוף ב email
שיתוף ב whatsapp
שיתוף ב linkedin
שיתוף ב twitter
שיתוף ב facebook

7 תגובות

  1. נורא מעניין
    אהבתי לקרוא את המאמר.
    מרגיש כמו מדע בדיוני.
    יוצרת מין תחושה שאולי כל הגלים הללו ( אור קול וכבידה) הם בעצם "גלי המוח" של הבריאה או ה"טבע" שיצר אותנו.
    חוויה רוחנית …

  2. צחוק הגורל.
    אינשטיין מעולם לא קיבל פרס נובל על תורת היחסות, שהיא, בברור, המפעל המדעי של אדם אחד, הגדול (המורכב) ביותר אי פעם.
    והנה עתה, 2 פיסיקאים מקבלים פרס נובל על בניית מכונה שמצליחה לאשש את אחת התחזיות השוליות של תורת היחסות.

  3. תודה רבה על התגובות!
    אתם מוזמנים לקרוא עוד מאמרים שלי באתר הידען ובבלוג שלי חופשי ומאושר!
    הרצל, זה נכון, הסיפור הזה מופיע בחלק השני של הסדרה.
    אביהו, עד היום לא מצאנו אפילו אישוש אחד שאכן יש צלחות מעופפות. לכל התמונות השונות יש הסברים מדעיים פשוטים

  4. ההצגה של מרחב-זמן בעל 4 ממדים היא של מינקובסקי ולא של איינשטיין. קוריוז מעניין הוא שמינקובסקי, שהיה מורהו של איינשטיין למתמטיקה, כעס עליו שלא למד בשקדנות וקרא לו "הכלב שלא עושה שעורים".

  5. סיכום יפה ומעניין של תגליות האחרונות בפיזיקה וחשיבותן,
    הכרתי את רוב העובדות ועדיין מצאתי עניין רב בקריאת המאמר.
    מומלץ לכל חובב מדע וגם ל"סתם סקרנים" שרוצים לדעת
    באיזה מרחב ומימד הם חיים.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.

דילוג לתוכן