מסע החיפוש אחר תורת הכל – מדענים בוחנים את איינשטיין באמצעות הנתונים הרבים שהתקבלו מתצפיות גלי כבידה
הרבה לפני שארכימדס הציע כי כל התופעות הניתנות לצפייה עבורנו עשויות להיות מובנות באמצעות עקרונות יסודיים, בני האדם דמיינו את האפשרות לתורה של הכל. במהלך המאה האחרונה, פיזיקאים התקרבו יותר לפענוח תעלומה זו. תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין מספקת בסיס מוצק להבנת היקום בקנה מידה גדול, בעוד שמכניקת הקוונטים מאפשרת לנו להבין את פעולתו ברמה התת-אטומית. הבעיה היא ששתי המערכות אינן מסכימות על אופן פעולתה של הכבידה.
כיום, בינה מלאכותית מציעה תקווה חדשה למדענים המתמודדים עם אתגרי החישוב האדירים הכרוכים בפענוח תעלומות של משהו מורכב כמו היקום וכל מה שבו, וקנט יאגי, פרופסור חבר בקולג’ ובית הספר לתארים מתקדמים למדעי הרוח והמדעים של אוניברסיטת וירג’יניה, מוביל שותפות מחקר בין פיזיקאים תיאורטיים ופיזיקאים חישוביים באוניברסיטת וירג’יניה שעשויה להציע תובנה חדשה לגבי האפשרות לתיאוריה של הכל או, לכל הפחות, הבנה טובה יותר של הכבידה, אחד הכוחות היסודיים של היקום.
פריצות דרך בתצפית על היקום
אחד ההיבטים של תורת היחסות הכללית של איינשטיין הוא שעצמים הנעים בחלל יוצרים גלים, בדומה לסירה הנעה במים, אך גם כאשר גלים אלה נוצרים על ידי כוכבי לכת, כוכבים וגלקסיות, או אפילו חורים שחורים שיכולים ליצור את שדות הכבידה החזקים ביותר האפשריים, הם עדיין קטנים בצורה בלתי נתפסת. כתוצאה מכך, כמעט מאה שנים לאחר שאיינשטיין פרסם לראשונה את רעיונותיו על גלי כבידה, פותחו האמצעים הטכנולוגיים לצפייה בהם. בשנת 2015, תוכנית הידועה בשם LIGO, או מצפה גלי הכבידה של אינטרפרומטר לייזר, אחד הפרויקטים הגדולים ביותר שמומנו אי פעם על ידי ה-NSF, זיהתה גלי כבידה בפעם הראשונה, מה שהוביל לפרס נובל בפיזיקה עבור מובילי הפרויקט. במקביל מימן האיחוד האירופי מצפה מקביל בשם VIRGO.
“הגילוי היה אחד הרגעים החשובים ביותר בפיזיקה במאה השנים האחרונות”, אמר יאגי.
וככל שהטכנולוגיה הנדרשת לצפייה בתופעות תת-אטומיות מתקדמת, כך גם מתקדמת היכולת החישובית הנדרשת לעיבוד כמויות עצומות של נתונים שאסטרונומים אוספים על היקום. בנוסף, התפתחויות חדשות בלמידת מכונה ובינה מלאכותית בשנים האחרונות מאפשרות למדענים ליצור ולבחון מודלים מתמטיים מורכבים המתארים את התופעה שהם מבחינים בקצב שפעם היה בלתי נתפס.
יאגי חוקר את גלי הכבידה העצומים שנוצרים על ידי זוגות של חורים שחורים וכוכבי נייטרונים כפולים – חלק מהעצמים הצפופים ביותר ביקום שהם חזקים פי 10 בחזקת 13 ממגנט מקרר טיפוסי, על פי יאגי – והוא משתמש בתופעות אלה כדי לבחון את התיאוריות של איינשטיין על הכבידה ולבדוק את חוקי הפיזיקה הגרעינית הבסיסיים בחיפוש אחר מידע שיעזור לפתור את הניתוק בין התיאוריה של איינשטיין למכניקת הקוונטים.
מימון והסברה חינוכית
מענק ה-CAREER, מטעם הקרן הלאומית למדע של ארה”ב יביא מימון של 400,000 דולר לקולג’ במהלך חמש השנים הקרובות, ייצור הזדמנויות לסטודנטים לתארים מתקדמים נוכחיים ועתידיים המעוניינים בפיתוח ויישום אלגוריתמים של למידת מכונה שיעזרו להסביר ולחזות תצפיות של גלי כבידה ויעניקו לנו הבנה עמוקה יותר של התנהגות הכבידה.
לאחר שהאלגוריתמים החישוביים יתוכננו בצורה מדויקת – תהליך שאמור לקחת מעט כמו מספר שבועות – יאגי אמר שצוותו יוכל לעבד את הנתונים שנאספו על ידי LIGO כדי לבחון את תורתו של איינשטיין מהר פי מאה. “ונפח החלל שנוכל לחפש בו את הנתונים האלה יגדל פי עשרה”, אמר יאגי.
כמה נתקרב לתיאוריה של הכל?
“עדיין יש הרבה בעיות שצריך לפתור”, אמר יאגי. “אני מקווה שאראה את זה בימי חיי, אבל אני לא רוצה להיות אופטימי מדי”.
“הוכחת תאוריה היא כמעט בלתי אפשרית”, הסביר יאגי. “תמיד תהיה שגיאת מדידה בכל ניסוי, אבל אנחנו נמשיך לנסות לראות אם נמצא ראיות שיפריכו את תורת היחסות הכללית. בו בזמן, אנחנו פשוט ממשיכים לגלות כמה יפה ונכונה היא נראית”.
“לאחרונה היה דחף גדול מאוד להבין טוב יותר גלי כבידה לא רק כתחזית או מושג תיאורטי אלא להיות מסוגלים לזהות אותם ישירות”, אמר פיל אראס, ראש המחלקה לאסטרונומיה באוניברסיטת וירג’יניה. “מאמץ זה פתח חלון חדש לגמרי ליקום ונתן לנו דרך חדשה לבדוק את התיאוריות שלנו על אופן ההתפתחות של כוכבים. המחקר של קנט היה חשוב מאוד להבנה שלנו את זה”.
