יום שבת, 14 במאי 2011

Gravity Probe B. חלק ראשון.

לפני כמעט חמישים שנה יצא לדרכו אחד הפרוייקטים השאפתניים והמורכבים ביותר שידע המדע המודרני. לפני שבועיים נחתם הפרוייקט באמירה חד משמעית ומלאת משמעות: תמונת העולם של אינשטיין בנוגע לכוחות הכבידה נתמכת באופן מרשים ביותר ע"י הניסוי. ניסוי בכבידה? ביחסות כללית? האם זה בכלל יתכן? אכן כן. שם הפרוייקט השאפתני: Gravity Probe B. קבלן הביצוע: NASA. הרעיון המקורי גאוני, המשימה מסובכת מאין כמוה מבחינה הנדסית, וההצלחה היא בסופו של דבר פרי של גאונות, עבודת צוות מורכבת, התמדה יוצאת מגדר הרגיל, ודבקות במטרה כמו שאפשר למצוא רק אצל הפיזיקאים הקשוחים ביותר...


טוענים שאינשטיין עצמו סבר שאת הניבויים היותר איזוטריים של תורת הכבידה שלו לא ניתן יהיה לבדוק אי פעם בניסוי... התיקונים שמכניסה היחסות הכללית לתורתו של ניוטון הם כה זעירים, עד כי רק נוכחות של שדות כבידה אדירים, שאינם נגישים לנו, מאפשרים את בחינתם. חלק מהתוצאים של התורה ניתנים לבחינה באמצעות תצפיות אסטרונומיות, ואולם בחינה ישירה של התאוריה בסביבת כדה"א (כלומר בחינה באמצעות ביצוע ניסוי ולא באמצעות תצפית) נראתה לאינשטיין ולבני דורו מעבר להישג יד. ובכל זאת, הזמנים השתנו ומה שנראה היה בזמנו כמקרה אבוד, הפך עם הזמן למטרה בת השגה.

בניגוד לתורת היחסות הפרטית, הנתמכת באינספור ניסויים ותצפיות, היחסות הכללית הייתה ועודנה פרי הגות מחשבתית עם בסיס רעוע למדי של תמיכה אמפירית. כרגע עולים בדעתי רק שישה מבחנים אותם צלחה התאוריה, ובהצלחה מרשימה: נקיפת ציר האליפסה של מסלול התנועה של מרקורי, הטיית קרני אור המגיעות מכוכבים רחוקים בעוברן בקרבת השמש, השהייה בזמן של אותות הנעים בקרבת גופים מאסיבים דוגמת השמש, עידוש כבידתי סביב צבירי גלקסיות, דעיכה אנרגטית של פולסארים בינאריים, ובדיקת ההסחה הכבידתית לאדום בקרבת הארץ באמצעות שעונים אטומיים (הניסוי Gravity Probe A). 

אישוש עקיף (ועם זאת מרשים!) מגיע גם ממודלים קוסמולוגיים הנסמכים על הפורמליזם של היחסות הכללית ונתמכים בממצאים אמפיריים. כאן עולות בדעתי שתי דוגמאות: קרינת הרקע הקוסמית המאששת במידת מה את מודל המפץ הגדול, וההתפשטות המואצת של היקום המצייתת לחוק האבל. את זו האחרונה ניתן להסביר באמצעות הקבוע הקוסמולוגי אשר אינשטיין סבר, בטעות, שהכנסתו למודל הייתה טעותו הגדולה ביותר... מנגד, ולעניות דעתי, אין הסבר מניח את הדעת לסטייה מן התאוריה הנצפית בסחרור של גלקסיות, זאת למרות שנעשה מאמץ כן לכופף את המציאות כך שתתאים למודל שאנו כה אוהבים, באמצעות השערת קיומו של החומר האפל.

ובכן, מהן אותן פרדיקציות איזוטריות שאינשטיין סבר (כנראה) שלא ניתן יהיה אי פעם לבדקן? קיומו של חור שחור יכול היה בהחלט להיכלל בקטגוריה של איזוטריקה, אלא שאם דבר כזה אכן קיים, הרי שזה רק עניין של זמן עד שיתגלה באמצעות ההשפעה שלו על סביבתו. ובאמת, אף שטרם נצפו כאלו במישרין, עדויות עקיפות המצויות בידנו מצביעות על כך שהיקום רווה אותם עד בלי די... גלי כבידה הם אמנם איזוטריקה חמקמקה אף יותר, אלא שגילוי עקיף כבר התבצע באמצעות מדידת דעיכת זמן המחזור של צמד פולסרים בינאריים (פרס נובל לשנת 1993) וגילוי ישיר, ממש כאן ע"פ כדה"א, נמצא על הכוונת של ניסוי LIGO.

אבל נדמה שהפרדיקציה המופלאה והמוזרה מכולן, ובה בעת גם הבלתי נגישה מכולן, היא זו המכונה "גרירת מסגרת" (frame dragging). במה המדובר? על פי תורת היחסות הכללית, גוף מאסיבי המסתובב סביב צירו גורר את המרחב-זמן כולו יחד איתו... ניתן להמשיל זאת לכדור ברזל השקוע בתוך נוזל צמיג, ומסתחרר סביב צירו. עם תנועתו גורר כדור הברזל את הנוזל הצמיג שבקירבתו לעקוב אחריו בסחרורו. ככל שהנוזל קרוב יותר לפני הכדור גדלה עוצמת הגרירה, וככל שמתרחקים מפני הכדור היא נחלשת. אפקט גרירת המסגרת בתורת היחסות הכללית הוא מזערי עד מאוד היכן ששדות הכבידה חלשים, כמו למשל בקרבת כדה"א, ועצום היכן שהם אדירים, כמו בקרבת חור שחור קומפקטי.


חישה כמותית של גרירת המסגרת הנוצרת ע"י סיבוב כדה"א סביב עצמו הייתה מטרתו התובענית של הניסוי Gravity Probe B. הרעיון הראשוני לביצוע ניסוי מן הסוג הזה עלה עוד בשנת 1959 ע"י ג'ורג' פו (לא הדב) ושוכלל ב-1960 ע"י לאונרד שיף, מומחה בעל שם בתחום גרירת מערכת. הצעה מגובשת לביצוע הניסוי הונחה לפתחה של נאסא בשנת 1961 ואושרה לביצוע בשנת 1964. התכנון ההנדסי היה מורכב ביותר, והאתגרים הטכנולוגיים - אדירים, כמעט בלתי נתפסים. השיגור התבצע בשנת 2004, ואיסוף המידע הסתיים בסוף 2005. ניתוח המידע הושלם רק עתה והמסקנות הנה הן מונחות לפיתחנו...


אפקט גרירת המסגרת על קצה המזלג, על האתגרים הטכנולוגים המסובכים, על המשימה, על ניתוח התוצאות, ועל המסקנות - ברשימות הבאות בנושא.


אפק גרירת מערכת כפי שהוא נתפס בדמיונו של מאייר
מצוות הפרוייקט. לקוח מאתר המשימה של GP-B


לחלק השני


2 comments:

  1. עופר, תודה על הרשומה המעניינת. אני עוקב כבר שנים אחרי הניסוי הזה והוא מעניין אותי במיוחד.
    רציתי להעיר שלמיטב ידיעתי הם לא עמדו במטרות בכל הקשור לדיוק המדידה של אפקט ה-frame dragging. הציפייה הייתה למדוד אותו בדיוק הרבה יותר גבוה.

    השבמחק
  2. צודק ב-100%. ככל הידוע לי הניסוי כמעט נכשל בזיהוי הגרירה ורק דבקותם הבלתי מתפשרת של הנסיונאים במטרה הצילה אותו מכישלון חרוץ. יתר על כן, ניסוי אחר שנעשה הציג דיוק גבוה בהרבה. מקווה להתייחס לכל אלו בהמשך.

    אשמח לכל תיקון, הערה, תוספת, או הסתייגות שתמצא לנכון!

    השבמחק