מרחבים מעוותים - מאמר מאת עפר מתוקי

[בכנס 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".