איך פועלת הגרביטציה?

באדיבות אתר "בשער".

איך פועלת הגרביטציה חלקיקים? גלים? לא יודעים? מהן ההשערות המקובלות ומה הוכח כבר בניסיון. מהי חזית המחקר בתחום זה היום?
גיל יעקב

תשובה מאת ד"ר טל אלכסנדר, פיסיקה של חומר מעובה, מכון ויצמן למדע
על פי תורת הכבידה של אינשטיין (יחסות כללית) כוח הכובד מבטא למעשה את עקמומיות המרחב-זמן, אשר מצידה קובעת את המסלול הקצר ביותר אשר לאורכו נע חלקיק חופשי (כלומר אחד שלא פועל עליו כל כוח). במרחב שטוח (אוקלידי) מסלול זה אינו אלא קו ישר (החוק הראשון של ניוטון). על פי צורת הסתכלות זו כוכב לכת המקיף שמש נע על מסלול מעגלי (או אליפטי) מכיוון שהשמש מעקמת סביבה את המרחב באופן שהמסלול הקצר ביותר הוא עיגול, ולא מפני שפועל עליו כוח. עם זאת, עולה השאלה: מה יקרה אם השמש תזוז לפתע? האם יוכל הכוכב "להרגיש" באופן מיידי את השינוי בעקמומיות המרחב ולהתאים את תנועתו באופן שהתנע והאנרגיה המשותפים לו ולשמש ישמרו? התשובה היא לא.
מכיוון, ששום דבר לא נע מעל מהירות האור לוקח זמן עד שהשינוי מגיע עד לכוכב. השינוי נישא במהירות האור ע"י גל גרביטציה, שבדומה לגל אור אף הוא בעל אנרגיה ותנע משל עצמו.
כך מתאפשר שימור אנרגיה ותנע בכל רגע במערכת (הכוללת כעת שלושה רכיבים: השמש, הכוכב והגל). גל גרביטציה הוא גל של עקמומיות מרחבית. עד היום לא נמדד באופן ישיר גל שכזה, אבל איבוד האנרגיה המתלווה לפליטת גלי גרביטציה נצפה במערכות בינאריות של שני כוכבי נויטרונים, שסובבים זה את זה בקרבה רבה. קצב אובדן האנרגיה מתאים בדיוק לניבויי יחסות כללית.
בשנים האחרונות, שוקדים מדענים ברחבי העולם על בניית גלאים שונים על פני כדור הארץ ועל לוויני מחקר, שיוכלו לגלות באופן ישיר את התנועות המרחביות הזעירות, שמסמנות את מעברו של גל גרביטציה. יתכן מאד שתוך כעשור יימדד סוף סוף גל גרביטציה באופן ישיר.
 
תורת היחסות הכללית היא תורה קלאסית (כלומר לא קוונטית), והיא נכונה רק בקירוב, ותקפה רק כאשר עקמומיות המרחב קטנה (בדומה למכניקה של ניוטון, שנכונה רק בקירוב ותקיפה רק במהירויות הקטנות מאד ממהירות האור). לא קיימת כיום תורה מוכחת של גרביטציה קוונטית. לו הייתה, ייתכן ואפשר היה לתאר את גלי הגרביטציה כסוג של חלקיקים. יתכן, שיתברר שתורות המיתרים אשר נחקרות באינטנסיביות רבה בעשור האחרון הן הן ההכללה הקוונטית של יחסות כללית שאותה מחפשים זמן כה רב. ימים יגידו.
 
בברכה,
ד"ר טל אלכסנדר
פיסיקה של חומר מעובה
מכון ויצמן למדע