8.9 שקילות הכבידה לעיקום המרחב זמן: התמונה היחידה

דף הבית ／ פרק 8: תיאוריות פרדיגמה שתיאוריית סיבי האנרגיה תאתגר

מטרה בשלושה שלבים

כדי לעזור לקורא להבין, מדוע ההשקפה שכבידה שקולה לעיקום המרחב זמן שלטה זמן רב, אילו קשיים מתגלים בה בקני מידה שונים ובמדידות שונות, וכיצד תורת פילמנטים של אנרגיה מציעה שפה מאוחדת של ים אנרגיה וטופוגרפיית מתיחה, מורידה את העיקום למראית עין יעילה, מחזירה את הסיבתיות לשדות המתיחה ולתגובתם הסטטיסטית, ומציגה רמזים ניתנים לאימות בין־מדידות.

I. מה טוען הפרדיגמה הרווחת

• טענות הליבה
  החומר והאנרגיה קובעים כיצד המרחב זמן מתעקל, המרחב זמן המעוקם קובע כיצד גופים נעים. כבידה איננה כוח אלא גאומטריה, נפילה חופשית נעה לאורך גיאודזיות, אור מוסת בגאומטריה מעוקמת, ושעונים פועלים בקצבים שונים בהתאם לפוטנציאל ולפיכך נצפה היסט אדום כבידתי. אותה קבוצת משוואות שדה משמשת מתנועת כוכבי לכת דרך סביבת חורים שחורים ועד הרקע הקוסמולוגי.
• מדוע הגישה מועדפת
  בנוסף לאחדות מושגית המאחדת תופעות רבות של כבידה בשפה אחת של גאומטריה וגיאודזיות, יש לה אישוש מקומי חזק במדידות רבות כגון פרסצסיה של פריהליון כוכב חמה, היסט אדום כבידתי, השהיות בהדים של מכ״ם וגם אותות של גלים כבידתיים. יתרה מזאת הכלים המתמטיים והחישוביים מפותחים ומאפשרים הסקות וחישובים מדויקים.
• כיצד נכון לקרוא את הגישה
  מדובר בסיפור גאומטרי, פירוש התצפיות הכבידתיות נעשה דרך צורת המטריקה והתפתחותה. עם זאת כשנדרש להסביר משיכת יתר כגון עקומות הסיבוב של גלקסיות או חסר מסת בעדשות כבידתיות וגם את ההאצה המאוחרת של היקום, מוסיפים בדרך כלל רכיבים שמחוץ לגאומטריה כגון חומר אפל וקבוע קוסמולוגי למבדה.

II. קשיי תצפית ונקודות מחלוקת

• תלות בריבוי טלאים
  כדי לכסות יחד קני מידה גלקטיים וקוסמולוגיים מוסיפים לעיתים קרובות ישויות נוספות, חומר אפל כדי להשלים משיכה ולמבדה כדי להשלים האצה. הגאומטריה לבדה איננה מספקת מקור מיקרוסקופי לרכיבים הללו.
• הבדלים עדינים בין מרחק וצמיחה לבין עדשה ודינמיקה
  התמונה הרקעית שמותאמת באמצעות מדידות מרחק נבדלת באופן שיטתי אך קטן ממשרעת ומהקצב של צמיחת המבנה הנמדדים בעדשה חלשה, באשכולות ובהטיות מרחב של היסט אדום. עוד מתגלים פערים בין מסת העדשה לבין המסה הדינמית במערכות אחדות, ולכן נדרשים רכיבי משוב או סביבה כדי ליישרן.
• חוקי סקלה מסודרים מדי בקני מידה קטנים
  עקומות הסיבוב וקשרי התאוצה הרדיאלית מציגים התאמה הדוקה בין חומר נראה לבין משיכת יתר. הגאומטריה יכולה להכיל את התוצאה, אולם הסיבה לסדר הגבוה מוסברת לרוב אמפירית במקום להיגזר מעקרונות ראשוניים.
• רישום אנרגיה שאיננו חד משמעי
  בשפה גאומטרית אין הגדרה מקומית יחידה ועקבית באנשי למידת מערכת הקואורדינטות לאנרגיית השדה הכבידתי. לכן שאלות כמו מדוע קיימת האצה ומהו גודלו של למבדה נתקלות בקשיי טבעיות.

סיכום קצר
התזה כבידה שווה לעיקום מצליחה מאוד מקומית ובשדות חזקים. עם זאת כאשר מחברים יחד משיכת יתר, האצה מאוחרת, עקביות בין מדידות וחוקי סקלה בקנה מידה קטן, הגאומטריה לבדה איננה מספיקה ונוצרים עוד ועוד טלאים.

III. ניסוח מחדש של תורת פילמנטים של אנרגיה והשינויים שהקורא ירגיש

התמצית במשפט אחד
העיקום הוא מראית עין יעילה בלבד, הסיבה האמיתית נמצאת בשדות המתיחה של ים האנרגיה ובתגובתם הסטטיסטית.

• כבידה טנסילית סטטיסטית מסבירה את משיכת היתר.
• ההיסט האדום נובע מן פוטנציאל המתיחה ומן מסלולים העוברים דרך התפתחות השדה הטנסילי, פרק זה אינו משתמש ברעיון ההתפשטות המטרית.
• אותה מפת יסוד של פוטנציאל מתיחה צריכה לאחד בו בזמן עדשה כבידתית, דינמיקה, שאריות במדידות מרחק וצמיחת מבנה.

המחשה אינטואיטיבית
דמיינו את היקום כים המצוי במתיחה. מה שאנו קוראים לו גאומטריה מעוקמת דומה למפת קווי גובה של פני הים, קל לקרוא את המפה אך הקווים אינם יוצרים את התבליט. מה שמסיט ספינה ממסלולה או משנה את נתיב הגל הוא מתיחות פני הים והמדרון שלה. הגאומטריה היא המראה, המתיחה היא המנוע.

שלוש נקודות מפתח בניסוח מחדש

1. הורדת מעמדה של הגאומטריה
   הגאומטריה נתפסת כמופע מסדר אפס. נפילה חופשית והסטת אור ניתנות עדיין לתיאור באמצעות מטריקה יעילה, אך ההסבר לסיבה מיוחס לטופוגרפיית המתיחה ולנתיבי הזרימה. מבחני שדה קרוב ושדה חזק נשמרים כגבולות של תגובת המתיחה.
2. משיכת יתר היא תגובה סטטיסטית
   המשיכה הבלתי נראית בגלקסיות ובאשכולות נובעת מאופרטור טנסילי מאוחד שנבנה מן התפלגות החומר הנראה, ויוצר ישירות משיכת דיסקה חיצונית וגם התכנסות עדשתית, בלי צורך בפיגומי חלקיקים אפלים.
3. מפה אחת לשימושים רבים במקום ריבוי טלאים
   אותה מפה בסיסית חייבת לצמצם יחד שאריות בעקומות סיבוב, סטיות משרעת בעדשה חלשה, תזוזות זעירות בזמני השהיה בעדשה חזקה והטיות כיוון חלשות בשאריות מדידות המרחק. אם כל תופעה דורשת מפת טלאי נפרדת מתערער האיחוד המוצע.

רמזים ניתנים לאימות לדוגמה

• התאמה במרחב בין מפת התכנסות עדשתית לבין שאריות שדה המהירויות של אותה מטרה, המצביעה על כיוון חיצוני משותף של השדה.
• אופרטור מתיחה אחיד שניתן להעברה בין גלקסיות, פרמטרים שנקבעו לפי עקומות סיבוב מפחיתים לאחר התאמות קטנות שאריות בעדשה חלשה.
• הבדלים מיקרוסקופיים בין תמונות רבות בעדשה חזקה, שאריות בזמני השהיה והיסטי אדום זעירים מתואמים משום שהמסלולים עוברים התפתחות טנסילית שונה.
• הטיה כיוונית עקבית במדידות מרחק כגון סופרנובות וגם אוסצילציות אקוסטיות של באריונים, בכיוון המועדף שמתואם עם הכיוון המועדף בצמד עדשה ודינמיקה.

הבהרות קצרות של אי הבנות נפוצות

• תורת פילמנטים של אנרגיה איננה שוללת את תורת היחסות הכללית, אלא משחזרת את הופעת ההצלחה שלה בתחומי שדה קרוב ושדה חזק אך מייחסת את הסיבתיות לתגובת המתיחה ומתייחסת לגאומטריה כתיאור יעיל.
• עקרון השקילות והנפילה החופשית תקפים בסדר אפס, מקומית שדות המתיחה כמעט אחידים וקווי העולם כמעט גיאודזיים, תרומים מסדר גבוה מאפשרים השפעות סביבתיות חלשות מאוד הניתנות לבדיקה.
• גלים כבידתיים נתפסים כגלי מתיחה הנעים בים האנרגיה, ברמת הדיוק הנוכחית גבולות ההתפשטות והקוטביות העיקרית תואמים את התצפיות והבדלי פרטים אם יופיעו מקושרים בעדינות לכיוון מפת היסוד.
• חורים שחורים ועדשה כבידתית אינם מתבטלים, הם נשמרים כמופעי תגובה חזקים, ההבדל הוא שהשדות החיצוניים סביבם והשאריות מוסברים יחד באמצעות אותה מפת יסוד של פוטנציאל מתיחה.

לסיכום
התזה כבידה שווה לעיקום המרחב זמן היא הישג גאומטרי גדול. עם זאת כזווית יחידה היא מתקשה להסביר יחד משיכת יתר, האצה מאוחרת, עקביות בין מדידות וחוקי סקלה קטנים בלי להוסיף עוד טלאים. תורת פילמנטים של אנרגיה מורידה את העיקום למופע, מציבה את הסיבה בשדות המתיחה ובתגובה הסטטיסטית שלהם, ודורשת ליישר שאריות בין מדידות על גבי אותה מפת יסוד של פוטנציאל מתיחה. כך נשמרת בהירותה של הגאומטריה ובו בזמן מוצעים הסברים חסכוניים יותר, ניתנים לבחינה ובנויים על פחות הנחות.