ידענים: ראשית היקום

מאת 18 באפריל 2014 26 תגובות

לאחרונה קיבלנו אישוש ניסויי ראשון לכך שהיקום עבר התפשטות מואצת שבריר שניה לאחר המפץ הגדול ואישור נוסף לתורת היחסות הכללית של אינשטיין. כך אנו מתקרבים צעד נוסף לעבר הבנה מלאה של היקום שלנו וכיצד הוא נוצר. ברוכים הבאים לקיצור תולדות היקום

היקום המתפשט. איור: מתוך ויקיפדיה

היקום המתפשט. איור: מתוך ויקיפדיה

ביום שני, 17.3.14 בשעה רבע לחמש שעון ישראל שודרה מסיבת עיתונאים שערכו קבוצת חוקרים מאוניברסיטת הרווארד, כדי להודיע על אישוש ניסויי ראשון לגלי כבידה ולתיאוריית היקום האינפלציוני. זהו אישוש ישיר ראשון לכך שהיקום עבר התפשטות מואצת שבריר שניה לאחר המפץ הגדול, לפני כ- 13.8 מיליארד שנים. אם עוד מעבדות יצליחו לחזור על התוצאות הדרמטיות הללו אפשר יהיה להכתיר את התגלית הזו כחשובה באותה מידה כמו גילוי חלקיקי ההיגס (המכונה חלקיק האלוהים) אשר התגלה ביולי 2013. מיותר לציין שבמקרה כזה, פרס נובל יוענק גם לקבוצת החוקרים הזו.

אז מה כל כך חשוב בגילוי הזה?

בעזרת הפיסיקה אנחנו מנסים להבין מהי המציאות שאנו חיים בה. אט אט אנו חושפים את חוקי הטבע היסודיים שיצרו את המציאות והיקום סביבנו ושעל פיהם הם מתנהלים. כפי שאלברט אינשטיין ביטא זאת "אני רוצה לדעת כיצד ברא אלוהים את העולם הזה.. אני רוצה לדעת מה חשב הבורא, השאר הם פרטים".

אינשטיין לא האמין באלוהים מתערב, כזה שאכפת לו ממה שאנו עושים ואף לא בישות תבונית אינסופית. אלוהים מבחינתו זהו שם כולל לכל היקום ולכל חוקי הטבע וכן למסתורין ולנשגבות שהוא הרגיש כאשר חקר את האינסוף. נשגבות שאנו יכולים רק לנסות ולגעת בה בעזרת מוחנו הסופי. ובאמת, כאשר אנו חוקרים מהי המציאות אנו מגלים חוקי טבע מכאניסטיים, ללא צורך בשום התערבות תבונית. אנו מגלים גם עד כמה המציאות מוזרה יותר מכל דמיון והמצאה אנושית. ככל שחוקרים את חוקי הטבע יותר לעומק הדברים הופכים למסתוריים יותר והזויים יותר, ממש כאילו חיי היום יום שלנו אינם משקפים כלל את המציאות האמיתית שאנו בתוכה. כמו אנשים החיים במערה וחושבים שהיא כל העולם כולו וברגע שהם מעיזים לצעוד החוצה מהמערה, הם מגלים עולם חדש ומוזר שלא היו מודעים לו, עולם שסובב את המערה ושיצר אותה. כך אנו מרחיבים, בעזרת הפיסיקה והמדע ,את המציאות שלו ויוצאים ממערת חיי היום יום שלנו לעבר המציאות האמתית שאנו חיים בתוכה ושממנה נוצרנו.

הנשגבות הזו שאינשטיין דיבר עליה מתבטאת לא רק במסע לאורך מחילת הארנב לעומקי המיסתורין העופפים אותנו אלא גם בחשיפת ההרמוניה והיופי השוררים בין חוקי הטבע. יופי כזה יתבטא למשל בתיאוריה של הכל. רבים מהפיסיקאים מניחים שבבסיס נגלה תיאוריה שתאחד את כל החומר והאנרגיה, כוחות הטבע וחוקי הטבע לכדי מהות אחת הנשלטת בעזרת תיאוריה אחת שלמה – התיאוריה של הכל. עד כה במסענו הפיסיקלי נראה שהממצאים תומכים בכך שאכן יש תיאוריה מאחדת שכזו. אנחנו עדיין לא יודעים מהי, אך יש כבר התקדמות עצומה ותובנות מופלאות לגבי מה אמור להיות בתיאוריה שכזו. כפי שהסברתי בפוסט שדות היגס לנצח – בחיפוש אחר הסימטריה האלוהית ההרמוניה הזו מתוארת על ידי סימטריות. אנו מוצאים שסימטריות מסוגים שונים מונחות בבסיס חוקי הטבע ובזכותן ובזכות שבירת הסימטריות הללו היקום נראה כפי שאנו רואים ולא אחרת.

גם מציאת חלקיקי ההיגס לפני כשנה וגם גילוי גלי הכבידה ואישוש תיאוריית היקום האינפלציוני עליהם התבשרנו לפני כשבועיים, חשובים במיוחד משום שהם מקרבים אותנו צעד נוסף לעבר חזון התיאוריה של הכל. בעוד גילוי חלקיקי ההיגס נתן אישור נוסף לתיאוריות שלנו לגבי חלקיקי החומר והכוחות השונים בטבע, הגילוי הנוכחי נותן לנו אישור נוסף לתורת היחסות הכללית של אינשטיין ומקדם אותנו לעבר הבנה כיצד היקום שלנו, על כל החומר והאנרגיה שבו, נוצר והתפתח. הוא גם מקדם אותנו לעבר פתרון של שאלות מעניינות אחרות לגבי המציאות שלנו כמו האם אנו היקום היחידי או שמא זהו רק יקום אחד מתוך רבים אחרים. אנחנו עדיין לא יודעים את התשובה לשאלה המסקרנת הזו, אך האישוש הנוכחי מספק רמז לכך שאולי יש עוד יקומים רבים.

כיצד נוצר היקום?

אנחנו נמצאים בשלב די מפותח מבחינת הפיסיקה ויש לנו כבר מושג די טוב לגבי בריאת היקום שלנו. אנחנו אפילו יכולים להציע הסבר כיצד נברא משהו מהאין. זוהי רק תיאוריה ראשונית שללא ספק תשתנה ככל שנבין יותר, אך כבר כעת יש לנו רמזים כיצד התיאוריה האמיתית אמורה להראות:

בראשית לא היה דבר. היה ריק.

כעת יש צורך להכיר את תורת הקוונטים (ותורת השדות שמכלילה ומאחדת אותה עם תורת היחסות הפרטית). בעזרת תיאוריה זו אנו מסבירים ומנבאים את התנהגות החלקיקים היסודיים המרכיבים את האטומים ואת החומר והכוחות ביקום. לעניינינו חשוב לדעת שאחת מהתובנות של תורת הקוונטים היא חוק טבע בשם עקרון אי הודאות. לפיו לחלקיקים אין תכונות עד שלא מודדים אותם (נקרא פרשנות קופנהגן). לדוגמה, עד שלא נמדוד את מיקום החלקיק, לא יהיה לו מיקום אחד והוא יהיה "מרוח" על פני כל המיקומים האפשריים. זהו מצב מוזר שאנו לא מכירים מחיי היום יום, אך כך מתנהגים החלקיקים היסודיים שבונים אותנו. יש השפעה לכך שהחלקיק נמצא בכל המיקומים האפשריים עד שמודדים אותו ואנו מסוגלים למדוד את ההשפעות הללו. כך אוששה בניסויים התכונה המוזרה הזו של החלקיקים. לפי עקרון אי הודאות, לא רק שאין תכונות לחלקיק כל עוד לא הופעלו כוחות פיסיקליים עליו שמודדים את התכונות הללו, אלא גם שכאשר מודדים תכונות מסויימות של חלקיק כמו המיקום והמהירות שלו, אי אפשר למדוד את שתי התכונות הללו בבת אחת. או שיש לחלקיק מיקום או שיש לחלקיק מהירות. שלא כמו חיי היום יום שלנו, לחלקיק אין גם מיקום וגם מהירות בבת אחת. אם בכל זאת ננסה למדוד את שתי התכונות הללו, נוכל להגיע למיקום ולמהירות מקורבים של החלקיק. תהיה לנו אי ודאות במיקום שלו ואי ודאות במהירות שלו. במצב כזה לחלקיק עצמו אין מיקום מדוייק ומהירות מדוייקת והתכונות הללו "מרוחות" בתחום מסויים והוא "קופץ" בין כל האפשרויות השונות הללו. אי ודאות דומה יש גם בין תכונות האנרגיה והזמן. אם נמדוד למשל זמן מדוייק ב"שעון קוונטי" שעשוי מחלקיק פועם, לא נדע כלל באיזה אנרגיה החלקיק פועם ולחלקיק יהיו מצבי אנרגיה רבים.

אי הודאות הזו גורמת לכך שאין דבר כזה ריק. גם כאשר אין כלום ואנו מודדים מצב ריק, אי הודאות המובנית שיש ביקום לגבי אנרגיה אומרת שאין דבר כזה אפס מוחלט של אנרגיה. הואקום לא באמת ריק ויש בו מידה קטנה של אנרגיה. בגלל אי הודאות הזו באנרגיה, מתוך הריק יווצרו חלקיקים ומיד יעלמו אליו חזרה. כך, מתוך הריק הבראשיתי נוצרו אנרגיה וחלקיקים ומיד חזרו אל הריק. היקום שלנו נוצר במקרה נדיר בו יצאה מהריק אנרגיה רבה. נראה שלפני שהאנרגיה הזו הספיקה להיעלם חזרה לריק, בגלל שצפיפות האנרגיה היתה כה רבה היא עברה תהליך מיוחד שיכול להזכיר פיצוץ. זהו המפץ הגדול.

בראשית לא היה דבר. היה ריק.
תנודת אנרגיה הופיעה מתוך הריק,
המפץ הגדול


ניר להב (בתפקיד אלברט איינשטיין) מסביר את התפשטות היקום באמצעות בלון

עד כאן דיברנו על ספקולציה. אנחנו עדיין לא יודעים לומר מה התרחש לפני המפץ הגדול, אך עקרון אי הודאות נותן לנו רמז כיצד תיאוריה עתידית שכן תסביר זאת תיראה. לעומת זאת משלב המפץ הגדול יש לנו תיאוריה מבוססת שהצלחנו לבדוק בעזרת ניסויים רבים ושמסבירה את כל אבולוציית היקום עד לימינו. התיאוריה הזו נקראת המודל הקוסמולוגי הסטנדרטי (או בשמה הרשמי Lambda-CDM) והיא זו שאוששה כעת בניסוי נוסף. מדהים בעניי שאנו יכולים להציע תיאוריות על יצירת היקום שלנו שקרתה לפני 13.8 מיליארד שנה ועדיין לחשוב על ניסויים מתוחכמים ולהצליח לאשש בעזרתם את התיאוריות שלנו לגבי אירועים שקרו לפני זמן כה רב. זוהי כוחה הרב של הפיסיקה והמדע בכלל, המסוגל לקחת תיאוריות ולבדוק האם הן נכונות או לא גם אם מדובר באירועים שקרו לפני מליארדי שנים או באירועים המתרחשים במרחקים עצומים של מליארדי שנות אור או במרחקים זעירים יותר מטריליונית המטר.

הסיבה למפץ הגדול לא ידועה לנו. בעת המפץ הגדול היקום הנראה כולו היה בגודל של נקודה. במילים אחרות כל החומר והאנרגיה שיש כיום ביקום שאנו מסוגלים לראות (שגודלו הוא 138,000,000,000,000,000,000,000 ק"מ) נדחסו לנקודה חסרת מימדים. צפיפות האנרגיה בנקודה כזו היא אינסופית ואין לנו מושג איך להתמודד עם גדלים שכאלה. לנקודה כזו אנו קוראים נקודה סינגולרית ושם חוקי הפיסיקה שאנו מכירים קורסים. תורת היחסות הכללית של אינשטיין חזתה שני מקרים בהם יש נקודות סינגולריות כאלה, אחת ברגע המפץ הגדול והשניה במרכזו של חור שחור. מעניין לציין שבגלל המוזרות של הנקודה הסינגולרית אינשטיין לא האמין לתוצאות המתמטיות הללו. הוא לא חשב לדוגמה שבאמת נמצא חורים שחורים ביקום. בכל זאת מסתבר שהמתמטיקה והתיאוריה חזקה מהיוצר שלה ובשנות השישים מצאנו הן עדויות חזקות לקיומם של חורים שחורים והן אישושים חזקים לכך שהיה מפץ גדול. כיום הפיסיקאים חושדים שמקרים כאלה בעלי גדלים אינסופיים כמו הנקודות הסינגולריות הן רמז לכך שהתיאוריה הנוכחית אינה שלמה ובתיאוריה עתידית שתרחיב את תורת היחסות נדע כיצד לנהוג במקרים קיצוניים כל כך כמו ששררו במפץ הגדול או במרכזם של חורים שחורים והאינסופים הללו יעלמו.

במפץ הגדול החל היקום שלנו כפי שאנו מכירים אותו, עם חוקי הטבע המוכרים לנו כיום. המפץ הגדול אינו פיצוץ פשוט של חומר לתוך חלל. במפץ הגדול נוצרו החלל והזמן. נוצרו ארבעת המימדים שיש ביקומנו- האורך, הרוחב, הגובה וכן הזמן. לפני המפץ הגדול לא היה חלל שניתן לנוע בו כפי שאנו מכירים ולא היה זמן. לא היה עבר, הווה ועתיד כפי שאנו מכירים. לכן אין משמעות לשאול מה היה מחוץ למפץ הגדול, כי לא היו עדיין מימדים מרחביים להגדיר בחוץ ובפנים וכן אין משמעות לשאלה מה היה לפני המפץ הגדול, משום שעדיין לא היה זמן ולא היה עבר שיגדיר מהו 'לפני'. עם המפץ הגדול נוצרו החלל והזמן כפי שאנו מכירים אותם והחלו להתפשט. אפשר לחשוב על כך כמו פיצוץ של מוקש בחלל. חלקי המוקש עפים לכל עבר מעוצמת הפיצוץ וימשיכו לנוע במהירות שווה הרחק מנקודת הפיצוץ ככל שיעבור הזמן עד אשר משהו, כמו כוכב, יפריע להם בדרכם. כך גם לאחר המפץ הגדול המרחב והזמן שלנו החלו להתפשט והם ממשיכים לעשות זאת מאז. לאן המרחב והזמן מתפשטים? שוב, אין משמעות לשאלה הזו משום שכל החלל שאנו מכירים ושאליו אפשר לזוז הוא זה שמתפשט לתוך ריק חסר מימדים, חסר חלל וזמן. הדרך הטובה ביותר לדמיין זאת הוא בעזרת בלון עליו מצויירים הכוכבים והגלקסיות. בלון זה הוא היקום וגומי הבלון הוא המרחב זמן עצמו עליו מצוייר כל החומר שיש ביקום. ניפוח הבלון מייצג את התפשטות המרחב זמן. לגבי כל החומר, הכוכבים והגלקסיות המצויירים על הבלון אין משמעות לעולם שמסביב לבלון. כל מה שהם מכירים הוא רק גומי הבלון. זהו עולמם ואלו המימדים בהם הם יכולים לנוע. בצורה דומה גם אנחנו "מצויירים" על המרחב זמן ויכולים לנוע רק בתוכו מבלי אפשרות לדעת מה יש מעבר לו.

בעת המפץ הגדול נוצרו המרחב והזמן שאנו חיים בתוכם. מרחב-זמן זה החל להתפשט בעקבות המפץ הגדול. אין משמעות לשאלה מה יש מחוץ למרחב-זמן משום שהוא זה שמגדיר "חוץ" ו"פנים" כך שרק בתוכו יש משמעות למרחקים ולזמנים. אפשר לחשוב על המרחב-זמן כעל התשתית או המטריקס בו אנו חיים. זהו מטריקס קיים ודינמי שמתפשט.

בחלקים הבאים של המאמר נביא לכם הרחבה על שבירת הסימטריה והנסיבות שהביאו להיווצרות החומר.

הערת הכותב:

בחודש יוני הקרוב מתכנן ניר להב להרצאות על נושא זה במסגרת הסדרה שאני מעביר בסינמטקים ברחבי הארץ, סדרת המדע וחקר המציאות (בחודש אפריל ההרצאהתהיה במוצאי יום השואה בנושא האם יצר האדם רע מנעוריו?) אנא עקבו אחרי פרסומי הבלוג חופשי ומאושר.

 

 

עוד בנושא באתר הידען:

 

26 תגובות ל “בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו? – חלק א'”

  1. שיק

    קשקוש בלאבוש, אל תיקח את דברי הרמב"ם עכשיו על זה שאלוקים הוא מחוץ לחוקי הפיסיקה ותדביק אותם כעת למדע…אין ולא יהיה תשובה למדע איך נוצרה הנקודה הראשונה , ושתהיה ולו הקטנטנה ביותר.נקודה.סוף פסוק!עאלק אין אלוהיםםם.מאיפה באת בטח מאיזה גרגיר דייייי

הוספת תגובה

  • (will not be published)