גורם העיוות

מדען נאס"א טוען שהוא על סף גילוי תנועה במהירות גבוהה ממהירות האור: הייתכן?

בספטמבר האחרון נאספו כמה מאות מדענים, מהנדסים ופריקים של תעופת חלל במלון הייאט באזור התעשייה של יוסטון, כדי לקיים את המפגש הציבורי השני של קבוצת 100 Year Starship. הקבוצה מנוהלת על ידי האסטרונאוטית לשעבר מיי ג'מיסון ובמימון DARPA. המשימה שלה היא "להפוך למציאות את היכולת של האדם לנוע לכוכב אחר מחוץ למערכת השמש שלנו בתוך 100 השנים הקרובות".

לגבי רוב המשתתפים בכנס, קצב ההתפתחויות בחקר החלל המאוייש היה איטי באופן מתסכל. למרות מיליארדי הדולרים שהוצאו במהלך העשורים האחרונים, סוכנויות חלל אינן מסוגלות להרבה יותר ממה שהן יכלו בשנות ה-60. יתכן שהן מסוגלות אפילו לפחות. קבוצת 100 Year Starship מתכוונת להאיץ את תהליך התנועה הבין כוכבית על ידי זיהוי ופיתוח טכנולוגיות מבטיחות.

במהלך ימי הכנס, יכלו המשתתפים להצטרף לסימפוזיונים בנושאים אקזוטיים כמו התחדשות איברים ודת מאורגנת על סיפון ספינת חלל. אחת הפרזנטציות שהכי ציפו לה הייתה בנושא "מכניקת שדות עיוות 102", שהועברה על ידי הארולד "סאני" ווייט מנאס"א. ווייט, בעל ותק של תשע שנים בסוכנות, מנהל את תכנית ההנעה המתקדמת במרכז החלל ג'ונסון (JSC), הנמצא בקרבה להייאט. יחד עם חמישה אחרים, הוא כתב לאחרונה את "מפת הדרכים למערכות הנעה בחלל" ל-16 השנים הקרובות של הסוכנות, אשר מתארת את המטרות של נאס"א לעתיד התנועה בחלל. התכנית דורשת כל מיני פרויקטים של הנעה, החל משיפור רקטות כימיות ועד למערכות מתקדמות מאוד כמו אנטי-חומר ומנועים גרעיניים. תחום המחקר המסויים של ווייט הוא אולי המתקדם מכולם: מנוע עיוות.

בפשטות, מנוע עיוות היה מאפשר תנועה במהירות גבוה ממהירות האור. הרוב מניחים שזה בלתי אפשרי, הפרה ברורה של תורת היחסות הכללית של איינשטיין. ווייט טוען אחרת. במשך חצי שעה בסימפוזיון, הוא תיאר את הפיזיקה של מנוע עיוות פוטנציאלי – מסביר למשתתפים דברים כמו בועות אלקובייר ותנודות מרחבים רב-ממדיים. הוא הסביר כיצד הוא הצליח לחשב לאחרונה תוצאות תיאורטיות שעשויות לסלול את הדרך למנוע עיוות ממשי ושהוא מתחיל ניסויים פיזיים במעבדה שלו בנאס"א, לה הוא קורא Eagleworks.

כמעט לא צריך לומר שלמנוע עיוות פונקציונלי היו יכולות להיות השלכות אדירות על טיסת החלל. היא הייתה משחררת חוקרים לא רק מהמסלול הלוויני מסביב לכדור הארץ, אלא גם ממערכת השמש כולה. במקום שיידרשו 75,000 שנה להגיע לאלפא קנטאורי, מערכת הכוכבים הקרובה ביותר לשלנו, אומר ווייט, יוכלו אסטרונאוטים המצויידים במנוע עיוות, לעבור את המסע בשבועיים.

בעקבות סיום תכנית מעבורת החלל ובהתייחס לתפקיד הגדול אותו לוקחת התעשייה הפרטית בטיסות במסלול לווייני נמוך, אומרת נאס"א שהיא תתרכז מחדש במחקר נועז ומרחיק לכת, במטרה להגיע הרחק מעבר לגבול הפרובינציאלי למדיי של הירח. אבל היא יכולה להשיג את המטרות האלה רק אם היא תפתח מערכות הנעה חדשות – כמה שיותר מהר יותר טוב. כמה ימים אחרי אסיפת ה-100 Year Starship, הדהדו דבריו של מנהל נאס"א, צ'ארלס בולדן, שחזר על הערותיו של ווייט. "באחד מן הימים, אנחנו רוצים להגיע למהירות עיוות", הוא אמר. "אנחנו רוצים לנוע במהירות גבוהה ממהירות האור, ואנחנו לא רוצים לעצור במאדים".

הארולד "סאני" ווייט, מהנדס בנאס"א, מנהל את מעבדת Eagleworks במרכז החלל ג'ונסון, שם הוא עובד על הנעה מתקדמת. ווייט מנסה לעוות זמן-חלל, מחקר, שלדבריו יוכל בבוא היום להביא להנעת עיוות צילום: ג'ק תומפסון

שימוש הזרם המרכזי הראשון בביטוי "מנוע עיוות" היה ב-1966, כאשר ג'ין רודנברי השיק את סדרת מסע בין כוכבים. במשך 30 השנה הבאות, היה העיוות קיים אך ורק בתור בסיס לאחת מסדרות המדע הבידיוני המתמשכות ביותר. אז, מצא פיזיקאי בשם מיגואל אלקובייר את עצמו צופה בפרק של הסדרה. באותה תקופה, הוא עבד על לימודי התואר שלו ביחסיות כללית, והוא שאל את עצמו מה היה נדרש כדי לממש מעשית את מנוע העיוות. הוא פרסם ב-1994מאמר שהסביר את הפיזיקה העומדת מאחורי המנוע.

אלקובייר דמיין בועה בחלל. בחלקה הקדמי של הבועה, היה המרחב-זמן מתכווץ, בעוד מאחורי הבועה, היה המרחב-זמן מתרחב (דומה במקצת למה שהתרחש במפץ הגדול). העיוותים היו דוחפים את כלי החלל קדימה בצורה חלקה, כאילו הוא היה גולש על גל, על אף המהומה שהייתה מתרחשת סביבו. בעקרון, בועת עיוות הייתה יכולה לנוע במהירות שרירותית; מגבלת מהירות האור של התיאוריה של איינשטיין חלה רק בתוך המרחב-זמן, לא בעיוותים של המרחב-זמן עצמו. בתוך הבועה, אלקובייר העריך שהמרחב-זמן לא היה משתנה, והיה מותיר את נוסעי החלל ללא פגע.

המשוואות של איינשטיין ליחסיות כללית קשות מאוד לפתרון בכיוון אחד – הבנת האופן בו חומר מכופף מרחב – אבל הכיוון ההפוך הוא פשוט למדיי. אלקובייר קבע באמצעותם את פיזור החומר הדרוש כדי ליצור בועת עיוות שכזאת. הבעיה הייתה שהפתרונות דרשו תצורת חומר מעורפלת שנקראת אנרגיה שלילית.

בפשוטה שבהגדרות, כוח משיכה הוא הכוח המושך בין שני חפצים. כל חפץ, לא משנה כמה קטן, מפעיל מידה של כוח משיכה על החומר שסובב אותו. התובנה של איינשטיין הייתה שהכוח הזה הוא קימור במרחב-זמן, אבל אנרגיה שלילית דוחה מבחינת כוח משיכה. במקום למשוך יחד את המרחב-זמן, אנרגיה שלילית תפריד אותו. באופן גס, על מנת שהמודל שלו יעבוד, היה אלקובייר זקוק לאנרגיה שלילית כדי להרחיב את המרחב-זמן מאחורי כלי חלל.

הפיזיקאי מיגואל אלקובייר פיתח את המודל להנעת עיוות אחרי שצפה בפרק של מסע בין כוכבים

למרות שאף אחד מעולם לא מדד אנרגיה שלילית, מכניקת הקוואנטים חוזה שהיא קיימת, ושמדענים אמורים להיות מסוגלים לייצר אותה במעבדה. דרך אחת לייצר אותה יכולה להיות באמצעות אפקט קזימיר: שתי צלחות הולכה מקבילות, הממוקמות קרוב מאוד זו לזו, אמורות ליצור כמויות קטנות של אנרגיה שלילית. המודל של אלקובייר נכשל היכן שהוא דרש כמות אדירה של אנרגיה שלילית, כמויות במידה גדולה מזו שרוב המדענים מעריכים שניתן לייצר.

ווייט טוען שהוא מצא דרך לעקוף את המגבלה הזאת. בסימולציית מחשב, שינה ווייט את העצמה ואת גאומטריית שדה העיוות. הוא קבע שבתאוריה, הוא יוכל לייצר בועת עיוות על ידי שימוש בשיעור אנרגיה שלילית קטן פי מיליונים ממה שאלקובייר העריך ואולי אפילו מעט מספק כדי שכלי החלל יוכל לשאת את האמצעים לייצר אותה. "הממצאים", הוא אומר, "משנים אותה מבלתי מעשית לאפשרית".

מרכז החלל ג'ונסון נפרש לצד לגונות, במקום שם יוסטון הופכת למפרץ גלבסטון. יש שם תחושה של קמפוס מכללה פרברי, אבל כזה המותאם לאימון אסטרונאוטים. ביום הביקור שלי, פגש אותי ווייט בבניין 15, מבנה נמוך וסבוך של מסדרונות, משרדים ומעבדות המכילות את Eagleworks. הוא לבש חולצת פולו רקומה בסמל של Eagleworks, אשר מציג עיט דואה מעל חללית עתידנית.

ווייט לא התחיל את הקריירה שלו בהנעה. הוא למד הנדסת מכונות והצטרף אל הסוכנות ב-2004 כחלק מהצוות הרובוטי שלה, לאחר שעבד ב-JSC כקבלן מאז שנת 2000. בסופו של דבר, הוא לקח פיקוד על הזרוע הרובוטית על תחנת החלל הבין-לאומית בזמן שעבד על הדוקטורט שלו בפיזיקת פלזמה. רק ב-2009 הוא העביר את תחומי האחריות שלו להנעה, שהיה תחום תחום ההתעניינות שלו מתמיד, והסיבה בשלה הוא בא לעבוד בנאס"א מלכתחילה.

"סאני הוא אדם ייחודי למדיי", אומר הבוס שלו ג'ון אפלווייט, שמנהל את ענף מערכות ההנעה בתוך דירקטוריון ההנדסה של JSC. "הוא בהחלט איש חזון, אבל הוא גם מהנדס. הוא יכול לקחת את החזון שלו ולהפוך אותו למוצר הנדסה שימושי". בערך בזמן שהוא הצטרף לקבוצה של אפלווייט, ביקש ווייט רשות לפתוח מעבדה משלו, שתוקדש להנעה מתקדמת. הוא העלה את השם Eagleworks – המזכיר את Skunk Works המפורסם של לוקהיד מרטין – ונתן לנאס"א ליצור לוגו על פי מפרט שקבע. אז הוא החל לעבוד.

ווייט מוביל אותי אל משרדו, אותו הוא חולק עם עמית המחפש מים על הירח, ואז מוביל אותי במורד המסדרון ל-Eagleworks. בזמן ההליכה, הוא מספר לי על המסע שלו לפתיחת המעבדה, אותו הוא מגדיר כ"תהליך ארוך ומאומץ למציאת דרכים בהן הנעה מתקדמת תוכל לעזור לחקר החלל". הוא מדבר עם מבטא דרומי קל, תוצר של שנים רבות בהן חי בדרום ארצות הברית – קודם במכללה באלבמה ואז במשך 13 שנים בטקסס.

ווייט מראה לי את המתקן ומוביל אותי על פני המאפיין המרכזי שלו, שהוא מכנה מדחף פלזמה ואקום קוואנטי (quantum vacuum plasma thruster – QVPT). המכשיר נראה כמו טבעת אדומה עבה עם חוטי חשמל מלופפים בחוזקה מסביב לליבה, והוא אחד משתי היוזמות ש-Eagleworks עובדת עליהן, יחד עם מנוע עיוות. הוא גם סודי. כשאני שואל אותו אודותיו, ווייט אומר לי שהוא לא יכול לחשוף עליו דבר פרט לכך שהטכנולוגיה בשלב פיתוח מתקדם יותר ממנוע העיוות. בדוח של נאס"א משנת 2011 שנכב על ידו, כתוב שהוא משתמש בתנודות קוואנטיות בחלל ריק כמקור דלק, כך שחללית המונעת על ידי מכשיר QVPT לא תצרוך דלק הנעה.

ניסוי העיוות של ווייט ספון בפינה האחורית של החדר. לייזר הליום-נאון מוברג על שולחן קטן המחורר בשבכה מחוררת, יחד עם מפצל קרניים ומצלמת CCD שחור-לבן מסחרית. זהו אינטרפרומטר שדה עיוות ווייט ג'ודיי, שם שניתן לו על ידי ווייט עצמו ועל שם ריצ'ארד ג'ודיי, עובד JSC בגמלאות שמסייע לווייט לנתח את המידע מה-CCD. מחצית מאור הלייזר עוברת דרך טבעת – מכשיר המבחן של ווייט; המחצית השנייה לא. אם לטבעת לא הייתה השפעה, ווייט היה מצפה לסוג אחד של אות ב-CCD. אם היא תעוות את החלל, הוא אומר, "תבנית ההפרעה תהיה שונה באופן ברור".

כשהמכשיר מודלק, המערך של ווייט נראה מושלם מבחינה קולנועית: לייזר אדום בוהק, ושתי הקרניים שלו חוצות זו את זו כמו חרבות אור. בתוך הטבעת, אותה ווייט טוען ל-23,000 וולט, ישנם ארבעה קבלים קרמיים עשויים בריום-טיטנאט. ווייט בילה את השנה וחצי האחרונות בתכנון הניסוי, והוא אומר שהקבלים "יבססו אנרגיה פוטנציאלית גדולה מאוד". אך כשאני שואל כיצד הוא עשוי לייצר את האנרגיה השלילית הדרושה לעיוות מרחב-זמן הוא מתחמק. "זה נכנס ל… אני יכול להגיד לך את מה שאני יכול להגיד לך. אני לא יכול להגיד לך את מה שאני לא יכול להגיד", הוא אומר. הוא מסביר שהוא חתם על מסמכי שמירה על סודיות שמונעים ממנו מלחשוף את הפרטים. אני שואל מול מי יש לו את ההסכמים האלה. הוא אומר, "אנשים נכנסים ורוצים לדבר על דברים. אני פשוט לא יכול לפרט יותר מזה".

בעוד התיאוריה של תנועת עיוות היא אינטואיטיבית למדיי – עיוות מרחב-זמן כדי ליצור בועה נעה – היא סובלת מכמה מכשולים משמעותיים. אפילו אם ווייט יכול היה להפחית באופן דרסטי את כמות האנרגיה השלילית שאלקובייר דרש, היא עלולה עדיין להיות גדולה בהרבה ממה שמדענים יכולים לייצר, אומר לורנס פורד, פיזיקאי תיאורטי באוניברסיטת טאפטס שפרסם ב-30 השנים האחרונות עשרות מאמרים בכתבי עת מדעיים בנושא אנרגיה שלילית. פורד ופיזיקאים אחרים אומרים שישנן מגבלות פיזיות מהותיות – לא רק אתגרי הנדסה – על כמות האנרגיה השלילית שיכולה להתקיים במקום אחד לאורך זמן כלשהו.

אתגר נוסף הוא, שכדי ליצור בועת עיוות שנעה מהר ממהירות האור, יצטרכו המדענים לחלק את האנרגיה השלילית מסביב לחללית, כולל לפניה. ווייט לא חושב שזו בעיה; כשאני שואל אותו על העניין, הוא אומר באופן מעומעם שמנוע עיוות היה עובד בגלל "מכשיר שיוצר את התנאים הדרושים". אבל יצירת התנאים האלה לפני חללית פירושה ייצור חלוקה של אנרגיה שלילית שנעה מהר ממהירות האור, הפרה של תורת היחסות הכללית.
לבסוף, תנועת עיוות מציבה בעיה קונספטואלית. ביחסות כללית, תנועה במהירות גבוהה ממהירות האור מקבילה לתנועה בזמן. באמירה שתנועת עיוות היא אפשרית, ווייט למעשה טוען שהוא יכול ליצור מכונת זמן.

המכשולים האלה מעלים כמה ספקות מהותיות. "אני לא חושב, על פי ההבנה שלי בפיזיקה, שהוא הולך לראות משהו בניסויים שלו", אומר קן אלום, פיזיקאי באוניברסיטת טאפטס, ששירת בפאנל שדן בנושא הנעה אקזוטית בהתכנסות ה-100 Year Startship ב-2011. נח גריהאם, פיזיקאי במכללת מידלברי שקרא לבקשתי שניים ממאמריו של ווייט, כתב באי-מייל: "אני בכלל לא רואה מדע בר תוקף באף אחד משני המאמרים מעבר לסיכומים על עבודות קודמות".

אלקובייר, כיום פיזיקאי באוניברסיטה הלאומית של מקסיקו, ספקן אף הוא. "אפילו אם אני נמצא בתוך חללית באמצע ויש לי את האנרגיה השלילית, אין שום דרך שאני אוכל למקם אותה היכן שאני צריך אותה", הוא אמר לי בטלפון מביתו במקסיקו סיטי. "זה רעיון נחמד. אני אוהב אותו בגלל שאני כתבתי אותו בעצמי. אבל יש לו סדרה של מגבלות שראיתי לאורך השנים, ואני לא רואה כיצד אפשר להתגבר עליהן".

משמאל לשער הראשי בג'ונסון, שוכבת רקטת Saturn V על צידה, שלביה מנותקים כדי לחשוף חלק מקרביה. היא אדירה בגודלה. גודלו של אחד ממנועיה הרבים הוא בגודלה של מכונית קטנה, וכשהיא שכובה על צידה, הרקטה ארוכה בכמה מטרים ממגרש פוטבול. הרקטה היא עדות שקטה לקושי שבטיסת חלל. גם היא בת ארבעים שנה, והיא מייצגת את הזמן שחלף מזמן, כשנאס"א הייתה חלק ממאמץ לאומי גדול לשלוח אדם אל הירח. היום, JSC מרגיש כמו מקום שנגע פעם בגדולה אך נפל מאז מהמסלול הלווייני שלו.

במרכז החלל ג'ונסון, ווייט עובד לצילה של רקטת Saturn V צילום: ג'ק תומפסון

פריצת דרך בתחום ההנעה תוכל לעורר עידן חדש ב-JSC ובנאס"א, ובמידה מסויימת העידן הזה כבר כאן. Dawn, גששת ששוגרה ב-2007, חוקרת את חגורת האסטרואידים באמצעות מדחפי יונים. ב-2010 שיגר צוות יפני את Ikaros, כלי טיסת החלל הבין-כוכבי הראשון המונע באמצעות מפרש סולארי, סוג נוסף של הנעה ניסיונית. וב-2016 מתכננים מדענים לבחון את ה-VASIMR, מערכת מבוססת-פלזמה המתוכננת להנעת דחיפת-על, על תחנת החלל הבין-לאומית. בעוד המערכות האלה עשויות בבוא היום לשאת אסטרונאוטים אל המאדים, הן עדיין לא יוכלו לשלוח אסטרונאוטים אל מעבר למערכת השמש. כדי לעשות את זה, אומר ווייט, תצטרך נאס"א לאמץ פרוייקטים מסוכנים יותר.

הנעת עיוות היא אולי הבלתי סבירה ביותר מכל מאמצי ההנעה של נאס"א. קהילת המדע הנרחבת יותר גורסת שווייט אינו מסוגל לייצר אותה. מומחים אומרים שהוא עובד נגד חוקי הטבע והפיזיקה. ועל אף כל זאת, נאס"א עומדת מאחוריו. "הוא לא ממומן ברמה גבוהה מאוד במונחים של מה שהוא מנסה להשיג", אומר אפלווייט. "אני חושב שיש הרבה מאוד עניין בתוך הדירקטוריון להמשיך לפתח את העבודה שלו. אלה הם מסוג הקונספטים התאורטיים אשר, אם הם נושאים פרי, ישנו את חוקי המשחק".

בינואר, ארז ווייט את אינטרפרומטר העיוות שלו והעביר אותו למתקן חדש. Eagleworks גדלה מעבר למידות ביתה הראשון. המעבדה החדשה גדולה יותר והוא אומר בהתלהבות, "היא מבודדת מבחינה סייסמית", ופירוש הדבר שהיא מוגנת מרטט. אבל אולי הדבר הטוב ביותר במעבדה החדשה הוא הסיפור שמאחוריה; נאס"א הקצתה לווייט מתקן שנבנה עבור תכנית האפולו, אותו מבנה הביא את ניל ארמסטרונג ואת באז אולדרין לירח.

עוד על חידושים בגליון יוני של popular science ישראל – למבצע היכרות מיוחד לגולשי HWzone.co.il