יום ראשון, 18 בנובמבר 2012

מרחבים מעוותים - מאמר מאת עפר מתוקי


כנס אייקון האחרון שנערך בסוכות, השתתפתי בפאנל שיזם ידידי עפר מתוקי בנושא תגליות מדעיות בסדרי גודל שונים. בעוד שאני דיברתי על הנחיתה של קיוריוסיטי על מאדים, על חשיבותה ועל הציפיות ממנה, בחר עפר לספר לחברי הפאנל ולקהל על רעיון, שעשוי לאפשר הגעה מהירה לכוכבים מרוחקים למרות מגבלת מהירות האור.
חובבי מדע בדיוני, וכל מי שצפה בסדרות "מסע בין כוכבים" מכיר את הרעיון בשם Warp Drive, או בעברית מנוע עיוות או פיתול.
כשעפר סיפר לי שהוא מכין מההרצאה שלו מאמר לבקשת שמוליק לוטטי מהאתר סטארבייס972, ביקשתי את רשותו לקבל גירסה עבור "מסה קריטית", כלומר בשבילכם, והתוצאה לפניכם. 
עפר הוא דוקטורנט לקוסמולוגיה ומנהל תא החובבים "הרחפת הקלה" בירושלים.]

כאשר אנו חושבים על מסע בין כוכבי, האפשרות לנוע במהירות גדולה ממהירות האור לרוב מובלעת בתוך אותה מחשבה. ללא האפשרות הזו, החלומות על מסע למערכות שמש וגלקסיות אחרות ישארו בגדר זה - חלומות. אפילו בתנועה במהירות שקטנה רק בשבריר אחוז ממהירות האור, הגעה לכוכב הקרוב אלינו ביותר תיקח מעל ארבע שנים, ובזמן הזה על כדור הארץ יעברו אלפי שנים (אפקט שנובע מתורת היחסות הנקרא התארכות הזמן). כל זאת אפילו מבלי להביא בחשבון את העובדה שהאצת חללית (אפילו קטנה) למהירות שכזו דורשת כמויות אנרגיה פנטסטיות.
"שלב להילוך שני, מיסטר קראשר"

לכאורה, תורת היחסות של איינשטיין מציבה בפנינו חסם שלא ניתן לעברו - גוף בעל מסה לעולם לא יוכל לנוע במהירות האור או למעלה ממנה. אולם מסתבר שאת החבר'ה מנאס"א זה לא בהכרח מרתיע, והם הודיעו שהם שוקדים כעת על הקמת מעבדה שתבדוק היתכנות של טכנולוגיה שתאפשר לנו להגיע לכוכבים בזמנים שקצרים בהרבה מהזמן שהיה לוקח לו היינו נעים במהירות האור, ומבלי לחזור לעולם שבו אנחנו יכולים להיות הסבא רבא רבא רבא רבא רבא רבא של כל מי שחי.
  

 כדי להבין מה עבר בראש של המדענים מנאס"א, עלינו לחזור אחורה. כמה אחורה? הכי אחורה שאפשר; עד למפץ הגדול.

על פי התיאוריה המקובלת, היקום התחיל ממצב דחוס, והחל להתפשט. אולם כשמדובר על התפשטות היקום, לא מדובר על פיצוץ, כמו שאנחנו רגילים לחשוב עליו - זה לא שהחומר קיבל מהירות לפתע, אלא שהמרחב עצמו החל להתפשט, נושא איתו את החומר. למעשה, כל נקודה ביקום רואה את כל שאר היקום מתרחק ממנה, וככל שנקודה רחוקה יותר, היא מתרחקת מהר יותר. את הצורה התצפיתית של החוק הזה ניסח אדווין האבל ב- 1929, והיא אומרת בפשטות שככל שגלקסיה רחוקה יותר מאיתנו, היא מתרחקת מאיתנו במהירות גדולה יותר. כשגלקסיה מספיק רחוקה, אנחנו רואים אותה מתרחקת במהירות האור ואף למעלה מכך. זו תיאוריה שראויה לפוסט משלה, אבל מה שאנחנו ניקח ממנה כעת יהיה רק נקודה אחת שלה אנחנו זקוקים - העובדה שהמרחב יכול להתעוות. זו בדיוק הנקודה שגרמה לפיזיקאי מקסיקני בשם מיגל אלקובייר (Alcubierre) לפרסם בשנת 1994 מאמר עם רעיון מהפכני - פתרון למשוואות איינשטיין שיכול, בצורה תיאורטית, לאפשר לחללית לגמוע מרחק בין שתי נקודות בזמן שקטן מאשר אילו הייתה נעה במהירות האור, וכל זה מבלי לסבול מהתרחבות הזמן ביחס לצופה על כדור הארץ.
ד"ר מיגל אלקובייר

הרעיון הבסיסי של אלקובייר הוא לנצל את התכונה של המרחב שמאפשרת לו להתכווץ ולהתרחב, ועל ידי כך לעצב את המרחב סביב החללית בצורה שתגרום למרחב עצמו לזוז, בזמן שהחללית עצמה יושבת בתוך בועה של חלל רגיל ולא מרגישה את השינויים שסביבה. בפתרון של אלקובייר המרחב מכווץ לפני החללית ומתרחב מאחריה, ובכך בועת החלל הרגיל בה היא שוכנת "גולשת" על מעין גל של עיוות מרחב, באנלוגיה דומה לגולש שמשתמש בגלשן כדי לגלוש על גל בים. היות והמרחב הוא זה שנע, ולא החללית עצמה, התנועה יכולה להיות בכל מהירות, גם כזו שגדולה בהרבה ממהירות האור, והזמן בתוך הבועה נשאר זהה לזמן על כדור הארץ.

תיאור ויזואלי מופשט של שדה העיוות
  
לפתרון של אלקובייר נמצאו מספר בעיות. חלק מן הבעיות נוגעות ליישום הפרקטי: בעיה אחת היא שאפקטים קוונטיים כמו קרינת הוקינג יגרמו לטמפרטורה בבועה לגדול עד כדי ששום דבר לא יוכל לשרוד בה; בעיה אחרת היא שכמות האנרגיה, שלה נזדקק כדי לבצע מסע אחד לאלפא סנטאורי, שווה בגודלה לאנרגיית מסת המנוחה של צדק (כלומר שלכל מסע כזה נצטרך לצרוך מסה השווה לזו של צדק). היות וצדק מכיל כ- 70% מהמסה במערכת השמש שאינה בשמש עצמה, זה לא פתרון חסכוני במיוחד. בעיה נוספת נוגעת לכך שעל פי חישובים אחרים, שדה העיוות יסחוף איתו חלקיקים שיאספו בדרך, כך שכאשר המנוע יפסיק לפעול יתפרץ גל של חלקיקים בעלי אנרגיה אדירה, שיוכל להשמיד כל מערכת שמש שאליה תגיע החללית (ואת החללית עצמה).
בעיות אחרות הן ברמה התיאורטית, כמו למשל ששדה האנרגיה שנדרש כדי ליצור את האפקט הוא סימטרי לחלוטין, ולכן הכיוון בו תנוע החללית יהיה רנדומלי - לכיוון אליו התכוונו או בדיוק בכיוון ההפוך.

לפני מספר שבועות פרסם מדען נאס"א בשם הארולד "סוני" ווייט מאמר שמתבסס על הפתרון של אלקובייר אך משנה אותו מעט, ובכך לטענתו פותר שתי בעיות. ווייט שינה מעט את צורת שדה האנרגיה, מכדור לטורוס (“דונאט”), וטען שאם לחללית תהיה מהירות התחלתית (כנראה שהכוונה היא לתאוצה התחלתית) קטנה בכיוון הנכון, זה יגרום לכך שהמהירות שתקבל כשיפעילו את שדה העיוות תהיה גם היא בכיוון הנכון. בנוסף, חישובים מראים שהאנרגיה הנדרשת למסע לאלפא סנטאורי תהיה פחותה משמעותית מאשר בפתרון של אלקובייר - "רק" סך צריכת האנרגיה של האנושות בשלושה חודשים. זו עדיין כמות אנרגיה עצומה, אבל היא כבר בתחום שנראה אפשרי.


במאמר סוקר ווייט דברים נוספים, כגון הרחבת הפתרון למספר מימדים רב ואפשרויות לשימוש בשדה עיוות שכזה גם במהירויות ומרחקים קטנים בהרבה, כמו במסע מכדור הארץ לנקודות בתוך מערכת השמש, אך החלק המעניין ביותר, לטעמי, הוא ההכרזה שמגיעה לקראת סוף המאמר - נאס"א כבר החלה בפיתוח מעבדות שיאפשרו בדיקה ראשונית של נכונות התיאוריה. השיטה הניסויית בה אמורים להשתמש מסובכת מכדי להסביר אותה כאן, אך היא מתבססת על ההנחה שבאמצעות קבל טבעת בקוטר של כסנטימטר ומתח גבוה מאוד יהיה ניתן ליצור שדה אנרגיה בצורה המתאימה, כך שיווצר במקום שדה עיוות קטנטן. שדה העיוות הזה ימצא בתוך מכשיר* שמסוגל למדוד עיוות מסדר גודל של אחד חלקי עשרה מליון מגודל הטבעת, ובתקווה זה יאפשר למדוד ולאשש את בסיס התיאוריה.

כל זה נשמע מבטיח מאוד, אבל לצערנו זו לא יותר מאשר בדיקה ראשונית ביותר לכך שהתיאוריה בכלל נכונה; היישום עדיין רחוק מאיתנו מאוד, מכמה סיבות.
ראשית, אפילו אם התיאוריה נכונה, המכשולים הטכניים של יצירת בועה בגודל המתאים עדיין לא ידועים, והאנרגייה הדרושה היא מעבר למה שאנחנו יכולים לרתום כרגע.
שנית, יש עדיין מספר בעיות שנמצאו עם התיאוריה ושלא נפתרו באופן שמניח את דעת כל מי שעוסק בתחום.
ולבסוף, ישנה עדיין בעיה בסיסית - על מנת שהבועה תוכל לנוע, מה שיוצר אותה חייב להיות בתוכה, אחרת יהיה צורך להאיץ את מחולל השדה יחד עם הבועה, דבר שמחזיר אותנו לתורת היחסות והבעיות שהיא מעמידה בפנינו. הדרכים היחידות שאנחנו מכירים היום (באופן תיאורטי לחלוטין) לחולל שדה שמסוגל לכווץ ולהרחיב את המרחב בצורה הדרושה מתוך הבועה, משתמשות ב"חומר אקזוטי" (למשל, חומר עם מסה שלילית - טכיונים) שעוד לא ברור שכלל קיים, או באפקטים קוונטיים מסובכים ביותר, שלא ברור אם מתקיימים במימדים גדולים כמו זה של הבועה.

עם זאת, כל טכנולוגיה ששינתה את העולם התחילה את דרכה כתיאוריה, ובדרך כלל מפתח התיאוריה כלל לא חזה את היישום הטכנולוגי שיגיע ממנה. מבחינה זו מנוע העיוות הוא יוצא דופן, ויתכן שהעובדה שיש מטרה ברורה באופק תאפשר לדברים להתקדם מהר יותר (תרתי משמע).


קישורים נוספים:
  • סרטון שמדגים כיצד עשוי להראות מעבר של חללית המתקדמת באמצעות מנוע עיוות על פני כוכבי לכת.
  • למי שמעוניין להרחיב את אופקיו בנושא מסע בין כוכבי, באתר נאס"א ישנה סקירה במילים פשוטות (אך באנגלית) של הרעיונות השונים בתחום והיכן הם עומדים.

_________________________________
* אינטרפרומטר מייקלסון-מורלי; מכשיר מרתק עם היסטוריה מרתקת לא פחות. הניסוי בו השתמשו במכשיר לראשונה נחשב ל"ניסוי הכושל המפורסם בעולם".

9 תגובות:

  1. הבעיה של 'מדענים' היא שדימיון אינו הצד החזק שלהם: מייד עם הישמע תאוריה שלא חשבו עליה קודם, ישקיעו מייד מאמצי על בלהסביר למה זה פשוט לא יעבוד, אלא אם כן יוכלו לכתוב עליה את שמם.

    אני בטוח שהוספת add לפרוייקט תאפשר את ישומו מהר יותר, לרבות אם 'המדענים' יוותרו על האגו שמאפיין את הווייתם.

    השבמחק
    תשובות
    1. אתה מוזמן ליטול את המושכות; נראה במה תסתכם התרומה שלך לקידום העניין. ובכלל, מה אם לא אגו מפותח (ואפשר להניח שחסר בסיס) מביא אותך ללגלג כל כך לאלו שאין לך כל דרך להשיג את שהשיגו הם?

      מחק
    2. אתה מבין שאני מתכוון לאלה שמונעים קידמה רק כי לא חשבו על הרעיון בעצמם - לא לאלה שחושבים מחוץ למסגרת ללא קשר לידע קיים כלשהו. כן?

      הבעיה: תנועה בסביבה חדשה, בה חוקי הפיזיקה הנוכחיים לא תקפים. הצעתי: יש להשתמש בחוקי הפיזיקה האחרים בלבד (שקשה לנו לדמיין מסיבת 'קבוע קוסמי' וכו').
      הקדמה: מכונית מירוץ ללא הילוכים נמוכים: היא נדחפת מאחור ע"י מכונית מירוץ רגילה, ולאחר שמגיעה בעצמה למהירות מינימאלית אז נעה בכוחות עצמה.
      ->רעיוני הנוכחי מבוסס על כך שחללית מירוץ רגילה תייצר מקסימום אנרגיה שהיא מסוגלת, ולאחר שהחללית שהיא דוחפת תגיע למהירות מינימאלית; אז הנדחפת תחל לנוע באמצעות חוקי פיזיקה שלא עובדים אצלינו, למשל ע"י *הקצנת השינויים שעוברים עליה*: כמו מטוס שמאיץ על המסלול ואז הכנפיים מאפשרות המראה. לחץ האוויר מעכב מאוד את הנפילה עד כדי מעבר מתנועה דו-מימדית (קדימה/אחורה/לצד) לתנועה תלת-מימדית (למעלה/למטה) שהינה בלתי רלוונטית לרכב ממוצע.

      מטוס צריך גלגלים *רק* בהמראות ובנחיתות, ממש כפי שמכונית צריכה כנפיים הפוכות רק החל ממהירות מסויימת.
      כמה פעמים ראיתה בTV סירות מירוץ שמתהפכות? הן מתהפכות כי לא מתאימות את עצמן לסביבתן הפיזיקאלית החדשה.
      -->דוגמא נוספת היא חללית שממריאה מסביבה בה האטמוס' בלחץ 1 וגם הכבידה ברמה 1, אל עבר החלל הריק ואז סביבתה משתנה ללחץ 0, *כבידה 0* וגם נוספת קרינה קוסמית. יש מבין?

      הודעתי הראשונית מכוונת למי שקורא את הפיסקאות לעיל ושולל אותן *מייד* רק כי לא חשב על רעיונות אילו בעצמו ו\או הינו חסר דימיון כדי לפחות לשקול אותן ו\או בסופו של דבר דוחה ללא טיעון ענייני כלשהו.

      מחק
  2. שלום יואב,
    אהבתי מאוד את הכתבה. אני לא יודעת אם אתה זוכר את נושא ההתכתבות שלנו מלפני כמה חודשים. אני בספר שלי הזכרתי גם את התיאוריה של warp drive . בעצם איינשטיין העלה את הרעיון הזה בגיל 17, ובזמנו לא כל כך הכירו אותו. פעם שאלו את איינשטיין איך זה שאתה כל כך חכם! איינשטיין אמר - אני לא כל כך חכם, לי יש דמיון מפותח. לא משנה, אהבתי את הרעיון על חומר עם מסה שלילית. בתודה - הדס מוסהזדה

    השבמחק
  3. ברור שאין מגבלה יחסותית על התמתחות המרחב-זמן. אבל *הפרעות* בגיאומטריה המקומית של המרחב-זמן מתקדמות במהירות האור; קוראים לזה "גלי כבידה". האם יש קשר בין הדברים או שאני לא בכיוון? זאת ועוד, מה שנע במהירות האור לא יכול לשאת עימו מערכת מנוחה. אז כיצד יוצרים בועה של מרחב-זמן שטוח במרכז ההפרעה. הרי זה כמו להרכיב על סוס פוטוני אוכף...

    השבמחק
  4. היי,
    מאמר מצויין, אבל יש לי 2 שאלות:
    1. כיצד יודעים שהמרחב עצמו יכול לנוע במהירות גדולה ממהירות האור?

    2. כיצד יודעים שתנועה כזאת לא תשפיע על הזמן בתוך הבועה יחסית לזמן מיחוץ לבועה?

    תודה,
    גיא

    השבמחק
  5. שלום לכולם,

    אני מודה לכם על השאלות. אנסה לענות עליהן כמה שיותר בבהירות:
    אין קשר ישיר בין גלי כבידה לבין התופעה שמתוארת כאן. כלומר, יתכן שיפלטו גלי כבידה בעקבות הפעלת המנוע, אך התפשטות המרחב עצמה אינה מוגבלת במהירות, כפי שמוגבלים גלי הכבידה. את זה אנחנו יודעים על ידי התבוננות סביבנו - גלקסיות שרחוקות מספיק מאיתנו, מתרחקות מאיתנו במהירות שגדולה במהירות האור. זה דבר שאינו אפשרי על פי היחסות הפרטית, ומתאפשר רק מכיוון שהמרחב עצמו מתפשט (וזו גם תשובה לשאלה הראשונה של גיא).
    לא כל כך ברורה לי האמירה שמה שנע במהירות האור לא יכול לשאת עימו מערכת מנוחה - כל גוף נושא עימו מערכת מנוחה, כולל גם פוטונים. מערכת מנוחה זו בסה"כ המערכת שבה הגוף במנוחה, כלומר המערכת שנעה ביחד עם הגוף.
    לגבי השאלה השניה של גיא, אנחנו לא יודעים כיצד תשפיע תנועה כזו על מה שקורה בתוך הבועה, היות ומעולם לא ניסינו את זה, אך לפי התיאוריה, זה מה שקורה. זו בדיוק השיטה המדעית - לתיאוריות קיימות יש ניבויים שעדיין לא נבדקו, וכשבסופו של דבר מגיעים לבדוק אותם, קיום או אי קיום שלהם מביאים לכך שהתיאוריה מקבלת חיזוק או מופרכת לצריכה להיות מוחלפת.

    אני מקווה שזה ברור מספיק...
    עפר.

    השבמחק
  6. שלום עופר,
    אני חולק עליך (עופר חולק על עופר :))
    לאור בפרט ולכל חלקיק שנע במהירות האור אין ולא יכולה להיות מערכת מנוחה. תוכל לקרוא על כך כאן:
    http://ofer-megged.blogspot.co.il/2011/03/blog-post_26.html
    מסכים לחלוטין שאין מגבלות על מהירות התפשטות המרחב, אבל מתוך התיאור שאתה מביא אני מתקשה להבחין בין הפרעות במטריקה דוגמת גלי כבידה לבין רעיון המנוע. מצד שני, צריך לקרוא את הפרטים הטכניים של המאמר כדי להבין טוב יותר, אבל אומר לך בכנות: זה לא נראה לי רציני.

    השבמחק