האם גלילאו טעה?

חוקרים מטעם נאס”א מתכוונים להיעזר בלייזרים שיכוונו לירח כדי לבדוק הנחה בסיסית של הפיזיקה המודרנית.

ד”ר טוני פיליפס, פטריק ל. בארי , נאס”א

לפני ארבע מאות שנים, לפי הסיפור, גלילאו גליליי הפיל חפצים מהמגדל בפיזה: כדורי תותח, כדורי רובים, עצמים מזהב, כסף ועץ. ייתכן שהוא ציפה, שהעצמים הכבדים יפלו מהר יותר, אך לא כך קרה. כולם פגעו בקרקע באותו זמן, כך הוא גילה תגלית חשובה. הכבידה מאיצה את כל העצמים באותו קצב, ללא תלות במסה שלהם או בהרכבם.

כיום עובדה זו נקראת “האוניברסליות של הנפילה החופשית” או “עקרון השקילות”. היא מהווה אחד מיסודות הפיזיקה המודרנית. למעשה, איינשטיין יצר את התיאוריה שלו לכבידה, כלומר את תיאוריית היחסות הכללית, בהנחה שעקרון השקילות נכון.

אבל מה אם הוא שגוי?

“ישנן תיאוריות מודרניות, שלמעשה טוענות שתאוצת הנפילה החופשית כן תלויה במידה כלשהי בהרכב החומר של העצם,” אומר ג’ים וויליאמס, פיסיקאי במעבדת ההינע הסילוני של נאס”א JPL (Jet Propulsion Laboratory). אם כך הדבר, יהיה צורך לשכתב את תיאוריית היחסות, תקום מהפכה בפיסיקה.

קבוצה של חוקרים במימון נאס”א מתכוונים לבחון את עקרון השקילות על ידי כיוון אלומות לייזר לירח.

“מדידת מרחק בעזרת לייזרים היא אחד הכלים החשובים ביותר בידינו לחיפוש אחר פגמים בתיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין,” אומר סלאבה טורישב, מדען חוקר ב-JPL (Jet Propulsion Laboratory) שעובד ביחד עם ג’ים וויליאמס ואחרים על הפרויקט.

הניסוי אפשרי, מכיוון שלפני יותר מ-30 שנה האסטרונאוטים מאפולו השאירו מראות על הירח – מערך קטן של מראות מחזירות, שכאשר פוגעת בהן אלומה של לייזר מכדור הארץ, הן מחזירות אותה היישר בחזרה. בעזרת הלייזרים והמראות ביכולתם של חוקרים לעקוב בדיוק אחר תנועת הירח סביב כדור הארץ.

זוהי גרסה מודרנית של הניסוי במגדל פיזה. במקום להפיל כדורים לקרקע החוקרים יצפו בנפילתם של כדור הארץ והירח כלפי השמש. בדומה לכדורי רובה וכדורי תותח, גם כדור הארץ והירח עשויים מהרכב שונה של יסודות, והם בעלי מסה שונה. האם הם מואצים לכיוון השמש באותו קצב? אם כן, עקרון השקילות תקף. אם לא, היכונו למהפכה.

הפרה של עקרון השקילות תתגלה בניסוי כעיקום מסלולו של הירח, בכיוון השמש או הלאה ממנה. “ייתכן שבעזרת שימוש במסות גדולות כמו כדור הארץ והירח נוכל לראות את האפקט הזעיר הזה, אם הוא קיים,” מציין וויליאמס.

מדענים עוקבים אחרי מסלולו של הירח מאז ימי אפולו. עד כה, תיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין – ועקרון השקילות – עומדים במבחן הניסוי עד לדיוק של כאחד חלקי עשר בחזקת 13. ואולם, הדיוק הזה לא מספיק גבוה כדי לבחון את התיאוריות המתחרות על ירושת מקומה של היחסות.

מדידות נוכחיות של המרחק לירח בעזרת לייזרים – מרחק של כ-385,000 קילומטר – מגיעות לדיוק של כ-1.7 סנטימטר. המתקן החדש במימון נאס”א והקרן הלאומית למדע, שיחל את פעולתו בסתיו, יעלה את הדיוק פי עשרה לטווח טעות של כמילימטר או שניים. עליית המדרגה בדיוק תאפשר למדענים לגלות סטיות קטנות פי עשרה מתיאוריית היחסות הכללית של איינשטיין. רמת דיוק זו עשויה להיות רגישה מספיק לגילוי העדויות הראשונות לפגמים.

כדי להגיע לדיוק הזה המתקן, שנקרא APOLLO (Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation), חייב למדוד את הזמן שלוקח לפולסים של הלייזר לעשות את הדרך מהירח וחזרה בדיוק של כמה פיקושניות, רק טריליונית השניה (שנייה חלקי עשר בחזקת 12). מהירות האור ידועה, כ-300,000 קילומטר בשנייה, כך שמדידת הזמן מגלה למדענים את המרחק בין הטלסקופ של APOLLO והמראה על פני השטח של הירח.

כיצד הגיע ה-APOLLO לשיפור פי עשרה? בתור התחלה, הוא משתמש בטלסקופ גדול יותר מהמתקן הקודם במצפה מק’דונלד בטקסס – 3.5 מטרים לעומת 0.7 מטרים. המראה הגדולה יותר של ה-APOLLO מאפשרת לו לתפוס יותר פוטונים של אור, החוזרים מהירח, מסביר טום מרפי, פרופסור באוניברסיטת קליפורניה בסן דייגו והמתכנן של מתקן ה-APOLLO. הטלסקופ הקטן יותר תופס בממוצע פוטון אחד על כל 100 פולסים יוצאים של לייזר (כל פולס כולל יותר מעשר בחזקת 17 פוטונים!). טלסקופ ה-APOLLO יתפוס כחמישה פוטונים מכל פולס, מה שישפר משמעותית את החוזק הסטטיסטי של התוצאות.

היה על המתכננים להתמודד עם כמה הפרעות אפשריות. האטמוספירה של כדור הארץ, לדוגמא, עשויה להטות את מסלולה של אלומת האור בדומה לאופן בו היא גורמת לכוכבים לנצנץ. כמו כן תנועות טקטוניות זעירות של הקרקע מתחת למצפה APOLLO, שנמדדות בכמה סנטימטרים לשנה, עשויות להטות את התוצאות בטווח הארוך. לכן מנהלי הפרויקט בחרו פסגת הר ליד וויט סנדס, ניו מקסיקו. האטמוספירה באזור רגועה במיוחד, וכמוה גם האדמה מתחת למצפה. בנוסף, מד כבידה מוליך-על וחיישן GPS הותקנו ליד המצפה כדי לגלות תזוזות עדינות של הקרקע, וברומטרים ימפו את מצב האטמוספירה.

וויליאמס וטורישב קיבלו לאחרונה מענק מהמשרד למחקר ביולוגי ופיסיקלי של נאס”א כדי לשפר את תוכנות ניתוח מדידות המרחק בעזרת לייזר של JPL בסדר גודל כדי להתאים ליכולות החדשות של המתקן בניו מקסיקו. “יהיה צורך להתמודד עם כל מיני השפעות קטנות ברמה של המילימטר,” מציין טורישב.

מדידות דקדקניות של השפעות זעירות כאלה עשויות לגרום לנפילתה של האוניברסליות של הנפילה החופשית…

פיסיקאים רבים יקבלו בברכה את החדשות. הם מוטרדים כבר שנים בגין אי ההתאמה המסקרנת בין תיאוריית היחסות הכללית ומכניקת הקוואנטים. שתי התיאוריות, אשר כל אחת מהן מצליחה מאוד בתחומה, משולות לשתי שפות שונות המתארות את היקום בשני אופנים שונים מהותית זה מזה. מציאת ליקויים בתיאוריית היחסות הכללית עשויה להוביל לתיאוריה חדשה של הכול, שתשלב את הפיסיקה של הקוואנטים והכבידה למסגרת תיאורטית הרמונית אחת.

מפיזה, איטליה, לירח, לוויט סנדס, ניו מקסיקו: זהו ניסוי נרחב, המקיף מאות שנים ומאות אלפי מיילים. בקרוב אולי תהיה בידנו התשובה.

תרגום: דיקלה אורן

הכתבה באתר החדשות של נאס”א