היקום מדבר אלינו במוזיקה – פיזיקאים מסבירים מהם גלי כבידה ומה חשיבותם

היקום נראה לנו כמרחב רחוק, אפל וחסר כל, אך טכנולוגיה חדשה מגלה כי מדובר במקום שבו מתרחשות תופעות מרתקות כל הזמן. חלקן טמנות בחובן רמזים לקיום שלנו על כדור הארץ, שלמרבה ההפתעה נשמעים כמו מוזיקה.

בשיאו של חודש ספטמבר 2015 נחנך בלואיזיאנה מתקן אופטי רגיש, במסגרת ניסוי LIGO שנועד לסייע לפיזיקאים לגלות עיוותים בזמן ובמרחב. מדענים מנסים להוכיח את טענות איינשטיין לגבי מבנה היקום כבר מאה שנים מאז הגה את תורת היחסות הכללית, וברוב המקרים אף הצליחו. ואולם, טענה אחת נותרה בגדר חידה – קיומם של גלי כבידה. במילים פשוטות, איינשטיין קבע כי עצמים גדולים שנעים בחלל יוצרים גלים במרחב-זמן, שהוא למעשה מבנה היקום. הגלאים החדשים שבמתקן LIGO אמורים לאתר את התנודות הללו ולספר לנו על אירועים גדולים שהתרחשו בהיסטוריה של היקום.

לפני 1.3 מיליארד שנה התרחש אי שם בחלל הרחוק אירוע כזה, בקנה מידה גרנדיוזי. שני חורים שחורים נקלעו לסחרור אחד סביב השני – עד שהתנגשו והפכו לחור שחור אחד. האירוע גרם לשחרור אנרגיה בעוצמה "הגבוהה פי 50 מכוח הכבידה של כל כוכבי היקום גם יחד", כפי שדיווח ה-New York Times. ההתנגשות יצרה גלי כבידה שהרעידו את מבנה היקום עצמו והתפשטו בו במשך יותר ממיליארד שנים. ב-14 בספטמבר, יומיים לאחר שנחנכו הגלאים החדשים ב-LIGO, הגיעו גלי הכבידה שנוצרו בעת ההתנגשות לכדור הארץ.

אנחנו אמנם מדברים על מדע, אבל התזמון של הפעלת הגלאים יותר קרוב לעולם הנסים. משנת 1993 מנסים החוקרים לאתר גלי כבידה של אירועים ביקום, ללא הצלחה. רצה הגורל וגלים כאלה עברו דרכנו יומיים לאחר שפיתחנו את היכולת לזהות אותם. על ציר הזמן של היקום יומיים הם מספר אף פחות מזניח, אבל במונחים שלנו הם יכולים להיות קריטיים. מי יודע מתי יגיעו גלי כבידה נוספים לאזורנו והאם בכלל נהיה פה כדי לזהות אותם.

המוזיקה של היקום

למען האמת, גלי כבידה אינם אירוע נדיר כל-כך. בכל פעם שאנו נעים אנו מייצרים גלי כבידה, אבל הם כה חלשים שמעשית לא ניתן לזהותם. עצמים בקנה מידה של השמש, למשל, מייצרים גלי כבידה שמשפיעים על המרחב-זמן במרחק עצום מהם, ובכך יוצרים מסלולי הקפה של כוכבים ופלנטות, כמו כדור הארץ. חשבו על ההבדל בין האדוות שמייצר עלה הנושר על המים ובין האפקט של פגיעת מטאוריט באוקיינוס. כיצד זה קורה? נניח שמבנה היקום הוא רקמה שטוחה ואלסטית. אם תניחו כדור גדול על הרקמה, הוא ייצור עיוות במרקם השטוח שלה. אם תגלגלו כדורים קטנים בשטח השקוע שנוצר סביב הכדור הגדול, הם יחוגו סביבו. גלי הכבידה של השמש הכניסו את כדור הארץ לתנועה מסלולית סביבה, וכתוצאה מכך התאפשרה מערכת היחסים המיוחדת שבין שני גרמי השמיים הללו. במובן מסוים, לגלי הכבידה יש תפקיד מהותי ביצירת התנאים לשגשוג החיים, המושתתים על אנרגיית השמש.

האירוע הדרמטי של מפגש החורים השחורים התרחש לפני יותר ממיליארד שנה, והעיוות שיצר במרחב-זמן עבר מסע בלתי נגמר בחלל עד שהגיע לכדור הארץ. בשלב הזה הגלים היו כל כך חלשים שהיה דרוש מתקן בעל רגישות כה רבה, כזה שמסוגל לזהות שינויים של חלקיק פרוטון במבנה המציאות. למרבה המזל, כאמור, המתקן שנחנך יומיים קודם להגעת גלי הכבידה עבר שדרוג בעלות של מיליוני דולרים, בדיוק למטרה הזאת – חידוד רגישותו. ואכן, השינויים שיצרו הגלים במרקם המרחב-זמן היו זעירים מכיוון שפרץ האנרגיה של מפגש החורים התרחש לשבריר שנייה, ובכלל, הכבידה – עד כמה שהיא משפיעה על עצם קיומנו – נחשבת לכוח חלש יחסית לכוחות אחרים הפועלים ביקום. תוסיפו לזה את היחלשות הגלים בשל המרחק והזמן, ותצטרכו להשתמש במכשיר המדידה הרגיש ביותר שנבנה אי פעם כדי לאתר אותם.

מתקן LIGO יודע לזהות את שינוי מבנה המציאות באמצעות מדידת קרני אור. מדובר בעיקרון פשוט למדי: קרן לייזר נשלחת למראה חצי שקופה המפצלת אותה לשתי מנהרות מאונכות זו לזו (כמו האות L), כל אחת באורך 4 ק"מ. בקצה כל מנהרה נמצאת מראה המחזירה את הקרניים למראה המפצלת. המנהרות הללו נמצאות בתנאים של ואקום ומבודדות לחלוטין מהשפעות חיצוניות. לכן, במצב שבו מבנה המציאות יציב, שתי הקרניים אמורות לבטל זו את זו ולהשתקף יחד מהמראה המפצלת לנקודה סופית. במצב של עיוות במרחב-זמן, חלק אחד של מבנה המציאות מתרחב והשני מתכווץ, בדומה לתנועת נחש. כאשר זה קורה, קרן האור שנעה בקטע שהתרחב תעבור מרחק גדול יותר מזו שנעה בקטע שהתכווץ, ואז יודיע המתקן על ההפרש ביניהן. בבוקר ה-14 בספטמבר זה קרה, ואחרי מספר חודשים של מחקר ואימותים פרסמו הפיזיקאים מ-LIGO את תגליתם המרעישה – ההוכחה האחרונה לתורתו של איינשטיין.

החלק ששבה את דמיון הציבור הוא העובדה שאכן זיהוי הגלים התבצע באמצעות מדידת אור, אבל האופן שהמידע הזה נודד בחלל והיכולת שלנו לתפוס אותו יותר דומה למוזיקה. זוהי שירת היקום. כיוון שהשינוי במבנה המציאות היה בקנה מידה של חלקיק פרוטון, הוא אמנם בלתי נראה לעין האנושית אבל בהחלט נשמע. המדענים תרגמו את הממצאים לצלילים, ומתברר שהמרה זו מאפשרת להם להפיק מידע רב. מכיוון שתדר של גלי כבידה שנוצרו מהתנגשות החורים השחורים שונה מהתדר של גלי כבידה כתוצאה מסחרור שקדם להתנגשות, הצליל שיתקבל יישמע אחרת. פרופסור סקוט יוז מ-MIT, עובד ב-LIGO, אומר כי "אוצר המילים של הסחרור מוטבע בצורת הגל". כלומר, אם עד היום יכולנו להכיר את היקום רק באמצעות העיניים, מעתה יש לנו חוש נוסף בשימוש.

מסע בזמן ורמזים למפץ הגדול

כמו יוז, כל המדענים הנוגעים בדבר מתרגשים מאוד מהתגלית. אם להתבטא בצורה פיוטית, היקום כותב לנו שירים כבר מזמן ורק עתה פיתחנו את היכולת להאזין להם. אם אתם תוהים כיצד הם נשמעים – למרבה האירוניה, צליל של גלי כבידה נשמע כמו משהו מסרט מדע בדיוני, מעין שריקה או ביפ בעלי טון משתנה. המלחין הבריטי ארתור ג'פס הגדיל ויצר מוזיקה המבוססת על צליליהם של גלי הכבידה שהתגלו.

לשם מה להוטים המדענים לאתר את התנודות הללו במבנה המציאות? מלבד הוכחת תורת היחסות של איינשטיין, יש לגלי כבידה משמעות אדירה מבחינת פיתוח הידע האנושי – זוהי דרך חדשה להכיר את היקום. גלי הכבידה נושאים עמם, על פני המרחב והזמן, את סיפורם של אירועים בקנה מידה עצום שהתרחשו במרחקים אסטרונומיים מאתנו ועשויים לספק לנו מידע חדש שערכו לא יסולא בפז. במגזין QUARTZ מפרטים כמה מן ההשלכות האפשריות, והן לא פחות ממדהימות. ראשית, גלי הכבידה יספקו מידע על הגופים שיצרו אותם, חורים שחורים במקרה הזה. שנית, הם יכולים ללמד אותנו על עיוותים במרחב-זמן, ומדענים משערים כי ניתן לבצע דרכם מסעות בזמן. בנוסף, נפתחה פה דלת לגלות רמזים על טבעו של המפץ הגדול.

לתגלית גלי הכבידה יש גם משמעות קצת יותר רחבה לגבי האופן שבו אנו תופסים את המציאות. היקום מתגלה כישות פעילה שמייצרת המון מידע ומפיצה אותו לכל עבר. שאלות מרתקות עולות לגבי מקומנו בפאזל – אילו עוד דרכים של היקום לגלות לנו את רזיו קיימות? מה התגליות הללו יספרו לנו על מקור היווצרות האדם? כיצד התאפשר לנו לפתח רצון ויכולת להבין את הסודות הללו? ומה המשמעות עבור התודעה שלנו? אפשר להמשיך ולהפליג בהרהורים על גבי גלי הכבידה עד המחוזות הנסתרים ביותר של הקוסמוס.

ומה שאולי הכי מפליא הוא שכל זה ניצת בהתנגשות אדירים בין שני חורים שחורים – כל אחד במסה של 30 שמשות – והגיע אלינו כלחישת הד בדמותו של שינוי בן אלפית הפרוטון בקרן לייזר.

כתבות נוספות שעשויות לעניין אותך:

פיזיקאים מתלבטים: האם הזמן באמת עובר או שהשינוי הוא אם כל האשליות?

מיהו החתול שמשגע פיזיקאים בעולם עם שאלות קיומיות?

מדוע עוד לא פגשנו חייזרים? פרדוקס פרמי מציע תשובה מדעית

עוד מרדיו מהות החיים:

לבחור את המחר