איינשטיין צדק, ניוטון טעה: 100 שנים לתגלית שחשפה איך פועל היקום

לפני מאה שנים, ב-29 במאי 1919, עברה הפרעה על היקום, ובעקבותיה נהפך אלברט איינשטיין למפורסם.

איינשטיין עצמו לא עשה שום תוכניות מיוחדות ליום שידע שיכול להיות אחד הגדולים בחייו. הוא היה בביתו בברלין ועסק בכתיבת מכתב שבו הודה כי טעה בוויכוח עם מתמטיקאי גרמני אחר. הוא לא הפגין שום התרגשות מכך שבאותו יום, שתי משלחות מדעיות בודקות את תורת היחסות הכללית שלו.

אחת מהמשלחות יצאה לסוברל בברזיל, ואחת לאי פרינסיפה מול החוף המערבי של אפריקה. שתי המשלחות יצאו לצפות בליקוי חמה מלא, שבו ימדדו את התעקמות אור הכוכבים שיוצר שדה הכבידה של השמש. התצפיות שלהן הוכיחו לראשונה שאיינשטיין צדק.

בלי יחסות כללית אין GPS

תורת היחסות הכללית היא התיאוריה המצליחה ביותר בכל הזמנים. עליה נבנות מערכות GPS (מערכות מיקום לווייניות), עדשות כבידה, התמזגות חורים שחורים, מסלולי כוכבי לכת ותופעת ההסחה לאדום בה תדר של אור הנמדד על ידי צופה מרוחק משתנה מהתדר שלו (או הצבע) במקור. אף אחת מתחזיות התורה לא הופרכה.

כשאיינשטיין הציג את תורת היחסות הכללית ב-1915, היא התיימרה להחליף את תורת הכבידה של אייזיק ניוטון אחרי כמה מאות שנים שבהן שלטה בחשיבה שתיארה את היקום.

ליקוי החמה – ניסוי טבעי שהוכיח את התיאוריה

תורת היחסות עוסקת בעצם בהנחה שהכבידה נוצרת לא על ידי גופים בעלי מסה, אלא באמצעות חומר ואנרגיה שמעקמים את מארג היקום. בשדות כבידה חלשים, החישובים של ניוטון מספקים קירוב טוב לתוצאה הנמדדת, אולם בסמוך לגופים מאוד גדולים או במהירויות מאוד גבוהות, יהיה פער בין החישוב הניוטוני למה שיימדד בפועל.

התיאוריה של איינשטיין, שפורסמה במהלך מלחמת העולם הראשונה, חזתה שאור יתעקם בחולפו סמוך למסה גדולה, כמו השמש. כבר ב-1911 הוא הציע למדוד את מיקומם של כוכבים מרוחקים בזמן שהשמש בליקוי, כדי לבדוק את התיאוריה שהאור מתעקם בעברו ליד השמש. הוא חזה שהאור יתעקם בקצת יותר מ-2/3600 מעלות, או 1.7 שניות קשת.

בפועל, כאשר התקיים ליקוי החמה, צילמו המדענים את צביר הכוכבים הקרוב ביותר לשמש, ההיאדות (Hyades). המטרה היתה להשוות את מיקום הכוכבים בזמן הליקוי עם צילומים רגילים שנעשו בלילה. אם איינשטיין צדק, בזמן הליקוי הכוכבים יהיו מוזחים ביחס למיקום "הרגיל" שלהם, וכך יוכח שהשמש מעקמת את האור החולף לידה.

מדענים נסערים – ואיינשטיין קונה כינור

התצפיות הראו שאיינשטיין צדק, והאור התעקם ב-1.7 שניות קשת. איינשטיין קיבל את הבשורות הראשונות בספטמבר, וכתב לאמו על החדשות המשמחות. האישור הרשמי הוכרז בנובמבר באגודה המלכותית האסטרונומית בלונדון, והוליד כותרות נסערות בעיתונים: "מדענים פחות או יותר נסערים מתוצאות התצפיות בליקוי" – היתה אחת הכותרות ב"טיימס". איינשטיין קנה לעצמו כינור כפרס.

מאה שנים אחרי כן, חוקרי תורת היחסות בעולם חוגגים בדרכם שלהם.

קתרין לייני, פיסיקאית ב-CERN, שוויץ ובעלת החשבון @PhysicsCakes (עוגותפיזיקה) בטוויטר, יצרה מערך מסתובב שמדמה ליקוי חמה עשוי מעוגות בצורת השמש, הירח וכדור הארץ.

היום (רביעי) מעלה האגודה המלכותית האסטרונמית בלונדון הצגה מיוחדת בכיכובים של בן ליווינגסטון בתפקיד איינשטיין, וקולין אטלי בתור ארתור אדינגטון, האסטרופיזיקאי שהוביל את המשלחת בפרינסיפה.

בסוברל ופרינסיפה מתקיימים השבוע כנסים, שיכללו מלבד הרצאות וסמינרים גם מצעדים, ריקודים וסעודות.

במקום לדמיין את היקום כאוות נפשנו

"המשוואות של איינשטיין איפשרו לקוסמולוגיה להפוך למדע", אמר ג'ון בארו, קוסמולוג, בריאיון אימייל ל"ניו יורק טיימס". "לפניו, קוסמולוגיה היתה כמו ענף אמנותי של ההיסטוריה. יכולתם לדמיין את סוג, צורת וטיב היקום כאוות נפשכם".

המשוואות של איינשטיין, הוא אמר, "מתוחכמות יותר מכל משוואות אחרות במדע. הן מתארות את היקום כולו. כל פתרון של משוואות איינשטיין מתאר יקום אפשרי שלם שעולה בקנה אחד עם חוקי הפיסיקה".

אלסנדרה בואוננו, מנהלת במכון מקס פלנק לפיזיקה של כבידה בפוטסדם, התארחה בחגיגות בפריניסיפה, שם דנה בגלי כבידה, עוד תיאוריה שנחזתה על ידי תורת היחסות הכללית.

"הגלים היו כמו טביעות אצבע של מקורות לגלי כבידה", היא אמרה. מחקרה מתמקד בשיפור הדיוק של המודלים של טביעות האצבע, לצורך תצפיות מתוכננות של גלאי הלייזר-אינטרפומטר לגלי כבידה (LIGO – שמותקן בשני מצפים בארה"ב ומיועד למדוד גלי כבידה) וגלאי וירגו (פרויקט מדידת גלי כבידה של שש מדינות, בהן איטליה, צרפת, פולין, הונגריה וספרד) , ובעבור גלאים עתידיים, כמו LISA של סוכנות החלל האירופית, שיושק ב-2034.

איינשטיין צודק יותר כיום יותר מתמיד

בפרינסיפה פתח את הכנס קליפורד ויל, מתמטיקאי פיזיקאי קנדי מאוניברסיטת פלורידה, שפירסם ב-1986 את הספר "האם איינשטיין צדק?". כותרת ההרצאה שלו היום היא "האם איינשטיין עדיין צודק?".

התשובה היא - עוד יותר, כנראה. בעשורים האחרונים התבצעו "שלל ניסויים מדהימים שבחנו את תורת היחסות הכללית, וכולם אישרו את התחזיות", אמר ויל. המרדף, עם זאת, עדיין נמשך: "יש דברים שאנחנו לא מבינים לגמרי, וכנראה שתמיד יהיו. ככל שנמשיך למדוד, יהיה לנו יותר ביטחון בתיאוריה", הוא אמר. "וכמובן שמצד שני, כל סטייה מהתחזיות שלו תלמד אותנו שיש משהו חדש שצריך לחקור".

הסבר אפשרי לביטחון העצמי שהפגין איינשטיין לנוכח הניסוי מציע פיזיקאי בן זמננו: "איינשטיין היה משוכנע שדרך המלך לחוקי הפיזיקה לא עוברת בניסויים, אלא בפיתוח התוכן המתמטי של תיאוריות מבוססות היטב", אמר גרהם פרמלו.