כוח הכבידה

כוח המשיכה הוא תופעה מסתורית שאינה מובנת במשך אלפי שנים. חוק הכבידה נוסח על ידי סר אייזק ניוטון, אשר, לאחר שקבע את חוק הכבידה האוניברסלי, הודה כי חסרה לו השערה לגבי מקור הכבידה עצמו. הוא אמר את האמירה המפורסמת "Hypotheses non fingo", שמתורגמת מלטינית ל"איני ממציא השערות".

במשך למעלה ממאתיים שנה, חוק אוניברסלי זה אפשר לדורות של אסטרונומים לחזות במדויק את תנועותיהם של גופים שמימיים, ולתפקד כמו מנגנון שעון מדויק. עם זאת, התקדמות בטכנולוגיית הטלסקופים חשפה בסופו של דבר אי התאמות במסלולים החזויים של כוכבי לכת מסוימים, בולטת במיוחד במקרה של מסלולו של כוכב חמה סביב השמש. אנומליות אלו משכו את תשומת ליבו של אלברט איינשטיין בתחילת המאה ה-20, מה שגרם לו להניח את היסודות לתורת היחסות הכללית שלו, ואחריה תורת היחסות הפרטית.

מרחב-זמן לעומת כוח הכבידה

אלברט איינשטיין הציג את המרחב הארבע-ממדי שבו זמן ומרחב שזורים זה בזה ויוצרים את מרקם חלל-זמן של היקום בקואורדינטות מעוקלות.

משוואות השדה של איינשטיין מנסחות את הקשר בין עקמומיות המרחב-זמן, המושפעת מכוח הכבידה. בצד השמאלי של משוואות אלה, מעוקמות המרחב-זמן מיוצגת, וקובעת כיצד כוח הכבידה מעצב את עצם מרקם היקום - המרחב-זמן. לעומת זאת, הצד הימני מורכב ממרכיבי טנזור המכמתים את צפיפות האנרגיה, צפיפות התנע והמאמץ (יחד עם מרכיבי מסת המנוחה של כוח הכבידה) בנקודה נתונה על מרחב-זמן מעוקל. טנזור, בהקשר זה, מתפקד כמערך רב-ממדי של ערכים, כאשר הרכיבים שלו יכולים להיות סקלרים או וקטורים. מעבר מנקודה נתונה אחת בקואורדינטות העקמומיות של מרחב-זמן דורש טרנספורמציה קואורדינטית. חשוב לציין כי תכונות טנזור אלו שומרות על משמעותן הפיזיקלית תחת טרנספורמציות קואורדינטות, מה שמבטיח שהתכונות הפיזיקליות הבסיסיות שהן מתארות נשארות קבועות ללא קשר לטרנספורמציית מערכת הקואורדינטות.

חומר מורכב באופן בסיסי מקווארקים, שהם המרכיבים החיוניים של פרוטונים ונייטרונים, המכונים יחד נוקלאונים. נוקלאונים אלה משמשים כמרכיבים הבסיסיים ליצירת גרעיני אטום. פרוטונים ונייטרונים דומים להפליא במסה, מה שהופך אותם כמעט בלתי ניתנים להבחנה מבחינת המסה. עם זאת, הם שונים משמעותית בהרכב הקווארקים שלהם ובמטען החשמלי שלהם. פרוטון נושא מטען חיובי של +1e, בעוד שנויטרון, כפי ששמו מרמז, הוא ניטרלי חשמלית, ונושא מטען של 0. הבחנה זו במטען חיונית ליציבות ולאינטראקציות של מבנים אטומיים.

למסת המנוחה של הקווארק הוקצה שדה היגס ותנע עקב המהירות היחסית של תנועת הקווארק עם הנוקלאונים. דינמיקת הקווארקים מושפעת גם מגלואונים ושדות הגלואונים הקשורים אליהם, המהווים צורה של אנרגיה התורמת לכוח הגרעיני החזק הקושר את הקווארקים יחד. אנרגיה זו חיונית לשמירה על יציבות הפרוטונים והנייטרונים בתוך גרעיני האטום. יתר על כן, הכוח הגרעיני החלש, השולט בתהליכי התפרקות הקווארקים, מוסיף שכבה נוספת לתרומות הכבידה של הקווארקים.

סכום מסת המנוחה, התנע, הגלואונים ושדה הגלואונים, לאינטראקציות הגרעיניות החלשות יש השלכות על המאפיינים הכוללים של כוח המשיכה של החומר ביקום. הבנת אינטראקציות אלו חיונית להבנה מקיפה של האופן שבו קווארקים משפיעים על תופעות כבידה בקנה מידה מקרוסקופי. מסת המנוחה של הקווארקים תורמת 1% לכוח הכבידה שמפעיל הפרוטון, כ-39% נוספים כתנע עקב התנועה היחסית של הקווארקים, וה-60% הנותרים נובעים מתופעות אנרגטיות התורמות גלואונים, שדות גלואונים, הכוח האטומי החלש (התפרקות קווארקים).

 

כאשר נתון לטמפרטורות קיצוניות של 2 טריליון מעלות צלזיוס, הכוח הגרעיני החזק נחלש משמעותית, והגלואונים מפסיקים לתיווך כוח זה ביעילות. כתוצאה מכך, נוקלאונים מתפרקים, משחררים קווארקים חופשיים שיוצרים "נוזל קווארקים מושלם", המתנהג כמו נוזל אידיאלי עם השפעות כבידה מינימליות, המזכיר את מצב היקום זמן קצר לאחר המפץ הגדול.

חלק מהחוקרים חוקרים טמפרטורות נמוכות במיוחד המושגות באמצעות קירור לייזר, שבו שני מתנדים בקנה מידה קטן נשמרים בטמפרטורה של 10 מיקרו-קלווין בלבד מעל אפס מוחלט. מטרת מערך ניסוי זה היא לקבוע האם קיימת אינטראקציה במיקרו-כבידה בין המתנדים, ואם אינטראקציה זו מציגה מאפיינים קוונטיים, מה שעלול להוביל לתובנות חדשות לגבי העקרונות של:

השלכות תורות היחסות של אלברט איינשטיין - מרחב-זמן וכבידה

תורות היחסות הכללית והפרטית של איינשטיין חזו תופעות רבות כמו כיפוף אור על ידי כבידה, עדשת כבידה, קיום חורים שחורים, גלי כבידה המתפשטים דרך מרחב-זמן, והתארכות זמן על ידי כבידה (מכונת זמן למסע לעתיד), שכולן הוכחו בניסויים.

מנקודת מבט טכנית, כל אובייקט פיזי שיש לו מסה וחווה תאוצה מייצר גלי כבידה במרחב-זמן, תופעה הכוללת כל דבר, מבני אדם וכלי רכב ועד מטוסים. עם זאת, גלי הכבידה המופקים על ידי עצמים על כדור הארץ זניחים בגודלם, בעיקר בשל מסותיהם ותאוצותיהם הקטנות יחסית. כתוצאה מכך, גלים אלה חלשים מכדי שניתן יהיה לזהות אותם באמצעות המכשירים הנוכחיים שלנו. כדי לצפות בגלי כבידה משמעותיים, מדענים חייבים להרחיב את החיפוש שלהם מעבר למערכת השמש שלנו, שם יש עצמים בעלי מסות ותאוצות גדולות במיוחד, המייצרים אותות ניתנים לזיהוי גם לאחר שעברו מאות מיליוני שנות אור מגלקסיה רחוקה שבה מקורם של האירועים המייצרים גלי כבידה, ועד לגלאי הארץ.

גלי כבידה הם תופעות בלתי מורגשות הגורמות לעיוות במארג המרחב-זמן, תווך שאינו מחזיר אור. כאשר גלים אלה מתפשטים דרך מרחב-זמן, הם גורמים לעיוות בגאומטריה של כל האובייקטים בדרכם, כולל אינטרפרומטרים מתוחכמים לגילוי כמו LIGO, Virgo ו-KAGRA, כמו גם מצפי כבידה אחרים על פני כדור הארץ. בניגוד לכוחות יסודיים אחרים, לא ניתן למסך כנגד כוח הכבידה; הוא משפיע על כל מה ששקוע במרחב-זמן. תכונה מהותית זו פירושה שחומר השקוע במרחב-זמן כפוף להשפעות של גלי כבידה, מה שעלול להוביל לשינויים מדידים בגאומטריה, למשל במרחק בין שתי נקודות של עצמים מעוותים, כאשר גלי כבידה אלה עוברים דרכם.

משוואות השדה של איינשטיין - מרחב-זמן, מסע במרחב-זמן כבידה מקרוסקופית וקוונטית סיבתיות ופרדוקסים

גשרי ER (על שם איינשטיין ורוזן), המכונים בדרך כלל חורי תולעת, מהווים פתרונות למשוואות איינשטיין ומציבים אתגרים להבנתנו את מרחב-זמן וכוח המשיכה, במיוחד כאשר בוחנים את הקשר הפוטנציאלי שלהם למכניקת הקוונטים ולמסע במרחב-זמן.

בתחום היחסות הפרטית, הרעיון של גשרי איינשטיין-רוזן מעלה שאלות עמוקות לגבי היתכנות נסיעה מהירה מאור וטבעו הבסיסי של מרחב-זמן עצמו. אם גשרים אלה קיימים, או ניתנים ליצירה, הם יכולים תיאורטית לאפשר תנועה שחורגת מהמגבלות המוטלות על ידי מהירות האור, אבן יסוד בפיזיקה המודרנית. הסיכוי הזה לא רק מזמין ספקולציות על מסעות בין-כוכביים, אלא גם מעורר הערכה מחדש של העקרונות השולטים בסיבתיות ובמבנה המציאות. ככל שמדענים ממשיכים לחקור את ההשלכות של מבנים תיאורטיים אלה, לימוד גשרי איינשטיין-רוזן נותר מפגש מרתק של פיזיקה, קוסמולוגיה והחיפוש להבין את המסתורין העמוק ביותר של היקום.

גשרי איינשטיין-רוזן, כפתרונות למשוואות איינשטיין, מעלים אתגרים להבנתנו את מרחב-זמן וכוח המשיכה, במיוחד כאשר בוחנים את הקשר הפוטנציאלי שלהם למכניקת הקוונטים.

אם אובייקטים יכלו לנוע דרך חורי תולעת מהר יותר מאור, זה עלול להוביל להפרות של סיבתיות, שבהן ההשפעות מקדימות את הגורמים שלהן.  

לפני ששואלים איך ליצור חור תולעת בגודל קוסמי המחבר בין שני מקומות רחוקים במרחב-זמן, מהנדסי חורי תולעת צריכים לפתור את מה שכבר ידוע מתוך האטה של משוואות היחסות הכללית, מה שנובע מסימולציות, אפילו לפני כניסת חפץ כלשהו לחור התולעת. חור התולעת יתמוטט מיידית, מה שיהפוך את המעבר לבלתי אפשרי.

חורי תולעת אינם יציבים באופן קריטי, ולייצובם נדרשת חומר אקזוטי המכונה אנרגיה שלילית. מכיוון שאין אי התאמה תיאורטית המונעת את קיומה של אנרגיה שלילית, למדענים אין מושג היכן למצוא אותה. בהיעדר אנרגיה שלילית עד כה, מטיילי חלל-זמן היחידים הם תולעים.

אולי תרבות שקודמת לנו ב-5 מיליון שנה, ששלטה במקורות אנרגיה בלתי מוגבלים ופתרה את כל הפרדוקסים, חיממה את מכונות הזמן שלה כדי להתחיל מסע בחלל ובזמן.