וינסנט ון-גוך צייר את ליל הכוכבים ביוני 1889, כשנתיים לאחר הניסוי המפורסם של מייקלסון-מורלי, שלכאורה הפריך את קיומו של מדיום האתר האקסיומטי, החומר שנחשב לממלא את כל המרחב. תנועות המכחול המיוחדות של וינסנט ון-גוך מתארות תנועה סיבובית של המרחב סביב הכוכבים הזוהרים.

הניסוי של מייקלסון-מורלי ב- 1887

הניסוי של מייקלסון-מורלי נחשב לאחד מהניסיונות החשובים של הפיזיקה המודרנית. הניסוי לא הצליח למצוא אפילו שינויים קלים במהירות האור ביחס למדיום האתר. עד הניסוי המתוחכם והיקר של מייקלסון-מורלי, היה מקובל על המדענים מאז אייזיק ניוטון קיומו של מדיום האתר, הנושא את גלי האור ומעביר מרחוק את כוח הכבידה, כאקסיומה כמעט מובנת מאליה.

מדיום האתר נתפס כנוזל בלתי דחיס, מעין מוצק, חסר מסה וצמיגות, שכוכבי הלכת נעים בתוכו ללא חיכוך. הניחו שכדור הארץ נע סביב השמש בתוך מדיום האתר, כאשר בחלק מהזמן הוא נע עם כיוון תנועת רוח האתר ובחלק מהזמן נגד כיוון רוח האתר. מייקלסון ומורלי הניחו, כי בעזרת מכשיר מדידה מדוייק ניתן יהיה למדוד את השינויים הקטנים במהירות האור במהלך השנה, כפי שהאיור למטה משמאל מדגים.

מדיום האתר נתפס כנוזל בלתי דחיס, מעין מוצק, חסר מסה וצמיגות, שכוכבי הלכת נעים בתוכו ללא חיכוך. הניחו שכדור הארץ נע סביב השמש בתוך מדיום האתר, כשבחלק מהזמן הוא נע עם כיוון תנועת רוח האתר ובחלק מהזמן נגדו

מייקלסון ומורלי השתמשו באינטרפרומטר מדוייק וקרן אור קוהרנטית שפוצלה לשתי אלומות, שעשו מסלולים ניצבים זה לזה והוחזרו על ידי מראות אל הגלאי. סטייה יחסית במהירות קרני האור היתה אמורה לייצר הזזת פאזה שהאינטרפרומטר המדוייק היה אמור לזהות. מייקלסון ומורלי חזרו על הניסוי בשעות שונות ביממה ובעונות שונות לאורך השנה ולא נצפתה הזזת פאזה. המסקנה הייתה שמהירות האור קבועה ושכדור הארץ לא נע בחלק מהזמן עם ובחלק אחר כנגד רוח האתר. לכן הסיקו מתוצאות הניסוי שמדיום האתר לא קיים, האקסיומה של קיום האתר הופרכה.

כדור הארץ נע בשדה הגרוויטציה של השמש עם רוח אתר (צילום: אילוסטרציה)

האם יש הסבר אחר?

האם אפשרי שמדיום האתר ינוע בשדה הגרוויטציה של השמש ביחד עם כדור הארץ כפי שמודגם באיור למעלה מצד ימין? במקרה זה רוח האתר הגרוויטציוני נעה ביחד עם כדור הארץ, תנועה יחסית ביניהם לא קיימת וגם כך לא אמור להתקבל שינוי פאזה באינטרפרומטר במהלך עונות השנה או שעות היום כפי שמייקלסון ומורלי קיבלו בניסוי. ניסוי שאולי לא הפריך את קיום האתר בעצם.

גם בהסתמך על כשלון הניסוי של מייקלסון-מורלי למצוא תנועה של כדור הארץ ביחס למדיום האתר, איינשטיין הניח בתורת היחסות שמהירות האור קבועה בכל מערכות הייחוס, ללא תלות במהירות של הגוף שפולט את האור. הוא פרסם זאת במאמר מה-30 ביוני 1905 על האלקטרודינמיקה של גופים בתנועה.

מדיום האתר על פי תורת היחסות של אינשטיין

אינשטיין התחיל את הרצאתו על האתר ותורת היחסות באוניברסיטת ליידן ב-5 במאי 1920, בשאלה מה מהות הרעיון שקיים בנוסף לחומר הרגיל שאנחנו מכירים גם חומר נוסף מסוג אחר, מדיום האתר. אינשטיין קישר את קיום מדיום האתר לנושא של הפעלת כח מרחוק ללא מגע מיידי ולתכונות של גלי האור.

אינשטיין התחיל את הרצאתו על האתר ותורת היחסות ב-1920, בשאלה מה מהות הרעיון, לפיו בנוסף לחומר הרגיל שאנחנו מכירים קיים גם חומר מסוג אחר, מדיום האתר. אינשטיין קישר את קיומו להפעלת כח מרחוק ללא מגע מיידי ולתכונות של גלי האור

אינשטיין ציין שניוטון העלה את הרעיון של הפעלת כח מרחוק על ידי מסות ללא מגע ישיר ומיידי, ושרעיון קיום מדיום האתר הממלא את המרחב נבע כאקסיומה מכך. כשהתגלה שהאור הוא תנודה שעוברת במרחב, באופן טבעי הניחו שמדיום האתר נושא גם את גלי האור. לאור יש תכונה של גל רוחבי, לא תנועה של גוף קדימה, ולכן הניחו שמדיום האתר איננו נוזל אלא הוא מעין מוצק לא דחיס המעביר תנודות רוחביות יחסיות קטנות שהם גלי האור.

אבל קיום מדיום אתר נייח הוא בעייתי מבחינת תיאוריית היחסות הפרטית כמערכת ייחוס אבסולוטית ולכן הסיקו מכשלון הניסוי של מייקלסון-מורלי שהאתר פשוט לא קיים. שגלי האור הם ישויות בפני עצמם שלא מתקיימות כהפרעה מתפשטת במדיום האתר. שגלי האור, כמו חלקיקי החומר, מתקדמים במרחב הריק.

אינשטיין טען בהרצאה שתיאוריית היחסות איננה שוללת את קיום מדיום האתר כל עוד לא מתיחסים לאתר כמורכב מחלקיקים בעלי מיקום ומהירות. אינשטיין אמר שלמרחב עצמו יש תכונות פיזיקליות ושהוא לא ריק. מדיום האתר הגרוויטציוני קיים אבל חסר "גוף" ומאופיין על ידי 10 המשוואות הדיפרנציאליות של אינשטיין שתלויות בחומר וגם במצב האתר בסביבה.

אינשטיין אמר שמדיום האתר הגרוויטציוני על פי תורת היחסות שונה ממודלים קודמים של האתר שהציעו מקסוול, לורנץ, הרץ ומאך, אך בסיכום דבריו אמר שמדיום האתר הגרוויטציוני חייב להיות קיים ושלא ניתן לחשוב על המרחב-זמן של תורת היחסות ללא האתר.

מצב היסוד של הוואקום הקוונטי וים האלקטרונים הבלתי נראים של דירק

ב-1920, כשאינשטיין דיבר על האתר ותורת היחסות, הוא לא התיחס לקיומם של חלקיקי האנטי-חומר, הפוזיטרונים, שהתגלו ב-1927 על ידי פול דירק, ועל ההבנה של דירק לגבי מצב היסוד של הוואקום הקוונטי המלא באין סוף אלקטרונים בלתי נראים.

https://youtu.be/Et8-gg6XNDY?t=394

דירק אומר שבאופן מפתיע, דוקא החלקיקים בעלי הספין, האלקטרונים, הם החלקיקים הפשוטים ביותר בטבע. כשגילה את האנטי-אלקטרונים בעלי האנרגיות השליליות, הפוזיטרונים לקח לדירק בערך עוד כשנה להבין ולהציע שאין-סוף אלקטרונים בלתי נראים לנו ממלאים את כל הרמות השליליות שמתקבלות מפתרון משוואת דירק. האלקטרונים הבלתי נראים של הוואקום ממלאים את כל רמות האנרגיה השליליות ממינוס אין-סוף ועד רמת היסוד הקוונטית, שמעליה נמצאים האלקטרונים החופשיים הרגילים שאותם אנחנו רואים.

הפתרון המאוד יצירתי ולא מובן מאליו של דירק קיבל את השם ים האלקטרונים של דירק, אבל נתפס כפרשנות לא כמציאות פיזיקלית מוחשית.

שבירת סימטריה

דירק דיבר בתחילת הראיון על שיקולי הסימטריה שהכניס אינשטיין. המודל הסטנדרטי מתאר את חלקיקי החומר והאנטי-חומר, ותורת היחסות מתארת את המרחב-זמן שהוא כנראה שם אחר למדיום האתר.

החיבור של שתי התורות הגדולות מתאר את ההתנהגות של החומר, האנטי-חומר והאתר. אז מה חסר? מה שחסר זה הוכחה של מנגנון יצירת החומר ביקום, שבירת הסימטריה בין החומר והאנטי-חומר.

החיבור של שתי התורות הגדולות מתאר את ההתנהגות של החומר, האנטי-חומר והאתר. אז מה חסר? הוכחה של מנגנון יצירת החומר ביקום, שבירת הסימטריה בין החומר והאנטי-חומר

על פי ההצעה של סחרוב מ-1967, שבירת הסימטריה התרחשה בזמן המפץ הגדול. על פי מודל קרינת הוקינג, הפרדה בין חלקיקים ואנטי-חלקיקים מתרחשת על האופק של חורים שחורים ואולי אף מועצמת במרכזים גלקטיים פעילים ובסילונים שהם אולי מנועי יצירת החומר של היקום.

ליל הכוכבים

ים האלקטרונים של דירק, הממלאים את אין-סוף הרמות השליליות של משוואת דירק יחד עם הפוזיטרונים, יוצרים ים של זוגות אלקטרון-פוזיטרון (פוזיטרוניום), הממלאים את המרחב ויכולים להשמיד זה את זה במפגש של חלקיקי חומר ואנטי-חומר או ליצור זוגות קשורים חזק במצב הפוזיטרוניום המשונה.

אוסף הזוגות יכול לקרוס למצב קוונטי רב-חלקיקי קוהרנטי שנקרא בוז-אינשטיין קונדנסט שבתוכו אין משמעות למיקום של כל פוזיטרוניום בנפרד.

זה מתאים להנחה של אינשטיין עבור מדיום האתר הגרוויטציוני חסר הגוף והחלקים שניתן לייחס להם מיקום ומהירות. זוגות הפוזיטרוניומים והקוואקוניומים יכולים להיות מדיום האתר האלקטרומגנטי והגרוויטציוני שאינשטיין תיאר בהרצאתו ב-1920 וגם ים החלקיקים האינסופי שתיאר דירק כמצב היסוד של הוואקום הקוונטי.

ים הזוגות יכול להיות מדיום האתר של המרחב "הריק" שאולי נע סביב גופים מסיביים, כמו שוינסנט ון גוך ב-1889 דמיין וצייר בליל הכוכבים, בלי להכיר את התיאוריות המדעיות הגדולות והקשות להבנה של המאה ה-20.

ד"ר רמי רום הוא דוקטור לכימיה פיזיקלית, עורך פטנטים וחוקר עצמאי של מלחמת יום כיפור.