האם היקום הוא בעצם בועת סבון ענקית?

תקציר

כוח הכבידה היה תמיד השכן השקט והבלתי נראה, שמעולם לא משלם שכירות ופשוט מושך הכל אליו. אבל מה אם כוח הכבידה אינו זה שאנחנו חושבים? מה אם הוא לא כוח מסתורי, אלא תוצר לוואי - אשליה - כמו פיסת הפיצה האחרונה שבעצם לא אכלתם, אבל היא פשוט נעלמה?

במאמר הזה נבחן את הרעיון היפותטי (אפשר לומר: מעט מטורף) שככוח הכבידה הוא למעשה ביטוי של מתח הפנים - הכוח שמחזיק בועות, טיפות מים וכל החלומות שלנו על חיים כאסטרונוטים. בדרך נבחן פיזיקה, נשחק עם מרחב-זמן, נעשה כמה אנלוגיות שגויות ונאנוס חלקיקים ללא בושה.


תוכן עניינים

  1. מבוא: האם כוח הכבידה הוא טריק?

    Advertising
  2. מהו מתח פנים ולמה מים נדבקים זה לזה?

  3. הפיזיקה של מתח הפנים ומרחב-זמן

  4. כוח הכבידה: הכלב הנאמן של היקום

  5. מודל מתח הפנים של כוח הכבידה

  6. ראיות וניסויי מחשבה

  7. בעיות, ביקורת ופיזיקאים זועמים

  8. עקרון ההולוגרמה והכבידה המתהווה

  9. מטאפורה רחוקה מדי? כשאנלוגיות הופכות לקונספירציות

  10. סיכום: האם אנחנו חיים בטיפה ענקית?


1. מבוא: האם כוח הכבידה הוא טריק?

כוח הכבידה: ניוטון אמר שהוא כוח, איינשטיין אמר שהוא עיקום של מרחב-זמן, והחתול שלך אומר שהוא הדרך שבה הרצפה הופכת ליעד. אבל האם ייתכן שהבנו את כל זה לא נכון?

האם יכול להיות שכוח הכבידה אינו פונדמנטלי, אלא מתהווה? האם הוא - כמו בראנץ' - תופעה שטחית שמתרחשת רק כשמחברים דברים יחד?

כן. אולי. כנראה שלא. אבל לשחק את זה עושה כיף.


2. מהו מתח פנים ולמה מים נדבקים זה לזה?

נתחיל בפשוט. מתח פנים הוא כוח הנוצר על ידי אינטראקציות מולקולריות בגבול בין נוזלים לאוויר. המולקולות בתוך הנוזל נדחפות ומושכות באופן שווה לכל הכיוונים. אבל בשטח הפנים? זה כמו חרדה חברתית - אין מישהו שאוחז לך ביד.

התוצאה? נוצר מעין "קרום" אלסטי על פני הנוזל. זו הסיבה לכך שמים מטפטפים. זו הסיבה שחרקים יכולים לרוץ על מים. וזו הסיבה שהבקבוק של השמפו שלך מזמר כשאתה לוחצים עליו לא נכון.

המתמטיקה מאחורי זה כוללת כוחות בין-מולקולריים והפחתת שטח הפנים, אבל התובנה האמיתית היא:


3. הפיזיקה של מתח הפנים ומרחב-זמן

עכשיו, בואו נניח שהיקום הוא נוזל ענק. ומרחב-זמן הוא פני השטח שלו. נשמע מגוחך? מצוין, ככה חושבים פיזיקאים תיאורטיים.

ישנן תיאוריות אמיתיות - כמו התכתבות AdS/CFT - שמרמזות שהיקום עשוי להיות הולוגרפי, כלומר, הכל שאנו חווים בתלת-מימד מוקר בפועל ממשטח דו-ממדי. כמו בית הקולנוע IMAX המוזר ביותר בעולם.

האם כוח הכבידה - החבר הוותיק שלנו - יכול להיות רק סוג של מתח פנים בהקשר הזה? כוח הנובע מהנטייה של מרחב-זמן למזער את אנרגיית השטח?

זה כאילו המרחב-זמן עצמו הוא ממברנה מתוחה, וכשהמסה מעוותת אותו, היא לא עושה זאת באמצעות כוח מסתורי, אלא על ידי שינוי התפלגות אנרגיית השטח המקומית. בדומה להנחת קוגל Bowling על משטח טרמפולינה. רק שהטרמפולינה בלתי נראית והקוגל עשוי מקווארקים.


4. כוח הכבידה: הכלב הנאמן של היקום

כוח הכבידה לא זוכה להערכה מספקת. אלקטרומגנטיות מקבלת את כל האורות הנוצצים והדברים המנצנצים. הכוחות הגרעיניים החזקים והחלשים מחזיקים יחד גרעיני אטומים ומעוררים התפרקות רדיואקטיבית. אבל כוח הכבידה? כוח הכבידה פשוט מושך.

הוא מושך גלקסיות, כוכבים ואתכם אחרי האימון. ושלא כמו ה-Wi-Fi שלכם, הוא תמיד דולק.

אבל מה אם "המשיכה" הזו היא רק אפקט העיקום שנגרם על ידי מתח פנים? אם מורידים מסה גדולה למרחב-זמן, אפשר פשוט לעוות את משטח מרחב-זמן ולתת לדברים אחרים "להחליק" עליו כמו נמלים על דיסקית פרוגי.

דמיינו את מודל הלוחות הגומי המפורסם של איינשטיין - אבל עכשיו הוסיפו מים. בדיוק הכנתם מרק מרחב-זמן.


5. מודל מתח הפנים של כוח הכבידה

בואו נפתח את התיאוריה הדמיונית שלנו. הנה ההצעה:

במילים אחרות: כוח הכבידה הוא לא יותר ממשיכת נימים קוסמית. אובייקטים "טיפסים" במעלה עקומי האנרגיה של מסות גדולות, ממש כמו מים שמצליחים לטפס בניגוד לרצונם על בד נייר.

זה אפילו תואם את הדרך שבה השדות הכבידתיים הופכים לחלשים יותר ככל שהמרחק גדל. בדומה לאופן שבו כוחות מתח הפנים חלשים יותר.

זה גם עוזר להסביר חורים שחורים! כאשר מספיק חומר מצטבר, הוא מותח את מתח הפנים מעבר לגבול - נוצר קרע או "בור" במרקם מרחב-זמן.


6. ראיות וניסויים מחשבתיים

א) כדור הארץ בסבון

דמיינו שהכדור שלנו הוא בועת סבון, ואתם מניחים גולה עליו. הגולה הזו מעוותת מעט את המשטח, וגולות אחרות באזור שלה מתגלגלות אליה. זה כוח הכבידה, ילדים.

עכשיו החליפו את הגולה בכוכב לכת ואת סרט הסבון במרחב-זמן. BOOM: מתח פנים אנלוגי לתיאוריית היחסות הכללית. בערך.

ב) כוס הקפה הקוסמית

שפכו חלב לקפה. שימו לב כיצד הוא נמשך לאזורים הצפופים והעשירים יותר באנרגיה. עכשיו דמיינו שהקפה הוא מרחב-זמן והחלב הוא... אוקיי, המטפורה מתפרקת. אבל זה נראה מגניב, נכון?


7. בעיות, ביקורת ופיזיקאים כועסים

אגב, פיזיקאים אמיתיים היו מרגישים בנוח מאוד עם זה.

הנה כמה בעיות:

בנוסף, המתמטיקה הופכת למשונה מאוד כשעושים ניסיונות למדל את מרחב-זמן כבועת סבון. אלא אם כן אתם נהנים מחישובי טנזורים תוך כדי בכי.

אבל אנחנו לא רוצים לקלקל את הכיף.


8. עקרון ההולוגרפיה וכוח הכבידה המשתנה

כאן זה מתחיל להיות ממש מוזר. כמה פיזיקאים - כמו אריק ורלינדה - הציעו שכוח הכבידה אינו יסודי, אלא נובע מגרדיאנטים באנטרופיה.

במילים אחרות, למסה יש השפעה על כמות המידע שיכול להיות מקודד על פני משטח של אזור מרחבי-זמני. לכן כוח הכבידה הוא תוצאה של מערכות הניסיון למקמם את האנטרופיה, ממש כמו השולחן שלך בסוף השבוע.

במבט הזה, כוח הכבידה כמשיכת נימים אינו רחוק. זו מטפורה עם שערים אנטרופיים. מרחב-זמן רוצה להיות חלק. ואנרגיה היא רק קיפול מקומי בכיסוי המציאות.

ובכן, זה די נעים.


9. מטפורה מוגזמת מדי? כאשר אנלוגיות הופכות לקונספירציות

כאן טמונה הסכנה: לא כל האנלוגיות ניתנות להרחבה. רק משום שהכבידה מתנהגת כמו מתח פנים, זה לא אומר שהיא מתח פנים. זו כמו לטעון שכלב הוא מיקרוגל כי שניהם נובחים כשלוחצים על כפתור שלהם.

עם זאת, בחינת רעיונות אלה מרחיבה את האינטואיציה שלנו. זה פותח דלתות מוזרות. ולפעמים הפיזיקה צריכה קצת מוזר.

פשוט תשאלו את החתול של שרדינגר. או לא. הוא עשוי להיות מת.


10. מסקנה: האם אנחנו חיים בטיפה עצומה?

בכנות, אולי לעולם לא נדע מה באמת כוח הכבידה. האם זה כוח? עיקום? תופעת מתח פנים? תקלה במטריצה?

מה שאנחנו יודעים הוא שהחקירה של רעיונות אלה שומרת על הפיזיקה בחיים. היא מזכירה לנו שבמדע מדובר לא רק בעובדות - מדובר במשחק, פליאה ולפעמים גם בקריאת "מה אם היקום עשוי מג'לי?" בשעה שלוש לפנות הבוקר.

אז בפעם הבאה שהטוסט שלך נופל ונוחת עם הצד החמתי למטה, אל תקלל את כוח הכבידה. פשוט חייך ואמור:

"אה כן... מתח הפנים זוכה שוב."

COPYRIGHT ToNEKi Media UG (limited liability)

AUTHOR:  THOMAS JAN POSCHADEL


References

Abstact