מימדים מרובים נשמעים כמו מדע בידיוני, אבל תאוריות פיזיקאליות חדשניות מחייבות אותנו להתבונן במובן מאליו ולחשוב מחדש על מספר המימדים ביקום. האם ניתן לבנות ניסוי שיבדוק זאת?
בטח כבר שמעתם בעבר על גלי כבידה. אלו גלים המתפשטים במרחב הזמן ונוצרים כתוצאה (למשל) מהתנגשויות של חורים שחורים או כוכבי נייטרונים. הגילוי המפורסם של LIGO לא היה רק לשם הגילוי ואישוש תורת הכבידה של איינשטיין. בזכות גלי הכבידה, סוף סוף מדענים יכולים לבחון תאוריות שעד כה לא חלמנו שנצליח לאשש או להפריך.
אחת מהתאוריות שחוקרים כבר שנים חולמים לבדוק נוגעת במספר המימדים ביקום שלנו. המפתח לבחינת השערה זאת נמצא איי שם בניתוח גלי הכבידה מאוגוסט לפני שנה. שני כוכבי נייטרונים הסתובבו אחד סביב השני והתמזגו. ברגע המיזוג התשחררה אנרגיה עצומה שחלקה התפזרה כגלי כבידה וחלקה בקרינה. להבדיל ממיזוג חורים שחורים, מיזוג כוכבי נייטורנים יוצר קרינה אדירה הניתנת לאיתור בעזרת טלסקופים מתקדמים. בזכות אותו הבזק אור מדענים איתרו את המרחק של כוכבי הנייטרונים מכדור הארץ ובעזרת מידע זה הסיקו כמה מסקנות מרחיקות לכת.
איך נראה עולם מרובה ממדים?
אנחנו רגילים לעולם תלת מימדי עם מימד נוסף של זמן, אבל מימדים נוספים עשויים לתת הסבר להבדלי העוצמה בין כוח הכבידה לכוחות אחרים בטבע ואולי גם על טבעה של האנרגיה האפלה. כדי להבין בדיוק כיצד מימדים וגלי כבידה משתלבים, נתחיל בלדמיין אור נקודתי שמתפשט במרחב. נניח שבכל רגע, האור מתפזר לכל הכיוונים באופן שווה. לכן אם נדליק ונכבה את האור הנקודתי, יתפשט במרחב קליפת אור כדורית שתלך ותגדל. מעיקרון שימור אנרגיה, האנרגיה על כל הקליפה נשמרת. משום שהקליפה גדלה עם הזמן, כמות האנרגיה בכל שטח חתך תקטן. כלומר, אם נציב שני טלסקופים במרחק מה אחד מהשני, הטלסקופ הרחוק יותר ממוקד האור יבחין בעוצמת אור חלשה יותר. בכמה חלשה יותר? חלשה באופן פרופורציונלי לשטח קליפת האור.
השאלה היא מה גודלו של שטח זה? עבור כל מימד, שטח הקליפה שונה. בדו מימד שטח הקליפה הולך כמו הרדיוס, בתלת מימד כמו הרדיוס בריבוע וכך הלאה (כהכללה, העוצמה קטנה ביחס הפוך למרחק בחזקת המימד פחות אחד). משום שאנחנו מודדים ירידה בעוצמת האור שקטנה ביחס הפוך בריבוע למרחק, ניתן לומר שהאור נע במרחב תלת מימדי.
אבל מה לגבי כבידה? ובכן, גם גרביטציה מתוארת באופן זהה. משוואת איינשטיין מתאימה יפה מאוד ליקום תלת מימדי. למרות היופי במשוואות הכבידה, פיזיקאים לא מרוצים מהתמונה הכללית. הכוח חלש להפליא ואין לו תיאור מספק באנרגיות גבוהות. כפיתרון הוצאו תאוריות שמוסיפות מימדים מרחביים נוספים כך שכוח הכבידה מתפשט גם בהם בעוד ששאר הכוחות מתפשטים רק בשלושה מימדים. עובדה זו מאפשרת לכוח הכבידה להיות חלש יותר ובאנרגיות מספיק גבוהות לראות את השפעת המימדים הנוספים על עוצמת גלי הכבידה.
בתורת המיתרים למשל מימדים נוספים הם עניין שבשגרה. אם כך איפה הם? השערה אחת אומרת שהמימדים כה קטנים ומקופלים עד שאין ביכולתנו האפשרות לגשת אליהם ניסיונית. השערה אחרת סוברת שמרחבים נוספים פרוסים בממברנות בסמוך לשלושת המרחבים הפיזיים “הרגילים”. ממברנות שכאלה בדיוק רלוונטיות לחידת עוצמתו של כח הכבידה. נוכל גם לציין בקצרה שמימדים נוספים יכולים להעניק הסבר מעניין גם לאנרגיה אפלה. בתאוריות מסוימות התפשטות היקום נעה אל עבר המימדים הנוספים ומנקודת מבטנו היקום נראה מאיץ כשלמען האמת הוא לא.
אז מה בסוף התקבל? האם אנחנו חיים ביקום רב מימדי? האם עוצמת גלי הכבידה קטנה מהר יותר מריבוע המרחק? ובכן, הנתונים מלייגו ווירגו מראים שאנחנו חיים בעולם תלת מימדי. אולי זה נשמע קצת מאכזב, הרי גילוי מימדים נוספים נשמע יותר מרתק, אבל עצם האפשרות לבחון תאוריות שכאלה בהחלט צריך להפליא. חשוב לציין שתורת המיתרים טרם נפסלה משום שמימדים קומפקטים עדיין אפשריים.
המאמר מבוסס על מחקר שפורסם ביולי האחרון על ידי קבוצת חוקרים אמריקאים. למאמר.
3 תגובות
המאמר המדעי נותן 3 כיוונים שבהם ניתן לחשוב על ליישם אותו להכרעה במחלוקת פתוחה בפיזיקה.
אחד מהם זה תורת המיתרים אל מול Theory of Everything של אנתוני גארט ליזי. ניתן לחשוב אולי על ניסוי ב Cern.
היקום שנגיש עבורינו הוא בהכרח תלת מימדי, אבל לא בטוח שהיקום שנגיש לנו הוא כל מה שיש.
תאורית המיתרים היא עדיין מתמטיקה בלבד. די ברור שתישאר כזו ולא תוכל לתאר את הפיסיקה ללא פריצת דרך אדירה, ואז כנראה במילא כבר לא תיקרא באותו שם.
מצב ההבנה של הפיסיקה כיום הוא שיש שלשה מימדים מרחביים בלבד. ניתן לבנות אין סוף תאוריות שיכילו יותר מימדים (בנוסף על תאורית המיתרים), אבל אם לא מצליחים לקשר תאוריה למדידה פיסיקלית, היא נשארת תאוריה מתמטית בלבד.