כתבה מיוחדת לכבוד ראש השנה המסכמת את בריאת העולם בראי המדע
סיפור הבריאה התנ״כי מתחיל עם מעשה. הסיבה למעשה האלוקי נחבא מעניינו אבל תהליך הבריאה מפורט כהלכה. התהליך אינו רגעי, הוא מתמשך ומובן מסוים אין לו סוף. באופן מפתיע, אני מוצא באבחנות אלו הקבלות מעניינות עם סיפור הבריאה המדעי. גם הוא מתחיל עם מעשה, הסיבה להתרחשותו מוסתרת מעניינו וגם הוא לקח זמן, ואף יש שיטענו, ממשיך להתרחש. מעבר לכך, אני נפעם מהעובדה שכדי לדעת את סיפור הבריאה במלואו, אנחנו נדרשים לדעת את ״התורה של הכול״, זו שמתיימרת במשוואה אחת להכיל את הטבע בשיא תפארתו. איינשטיין נהג לומר ״אני רוצה לדעת מה אלוהים חושב. השאר פרטים קטנים״. בפרשנות שלי אומר שבמובן מסוים, לדעת את הבריאה, שקול בלדעת את אלוהים, או את הטבע כולו. לכבוד ראש השנה, חשבתי לנכון לתאר כאן מה הקהילה המדעית יודעת על היווצרות היקום, מה גלוי ומה חבוי, לנפות תפיסות שגויות ולהצניע את האמירות החותכות שלעיתים נשמעות בציבור.
נתחיל עם שגיאה נפוצה - ״המפץ הגדול״ שהתרחש לפני כ-13.8 מיליארד שנה איננו רגע הבריאה. יחד עם זאת אין וודאות מדעית מוחלטת לגבי מה קרה לפני ואם בהכרח התרחש משהו לפני המפץ. בידינו כמה השערות מדוע הוא איננו הרגע הבראשתי ומספר עדויות התומכות במחשבה זו. אולי זה יפתיע את חלקכם, אבל המודל הקלאסי של המפץ הגדול לא מסוגל להסביר את כל התצפיות ביקום. לכן, רבים מהקוסמולוגים מתייחסים למפץ כאל מאורע היסטורי בהתפתחות היקום, ולאו דווקא הרגע שממנו הכול התחיל. מיותר לפרט שהמפץ לא היה באמת מאורע המזכיר פיצוצים קונבנציונליים, אלא משהו מורכב יותר. לפי המודל הקלאסי של המפץ הגדול, היקום הכיל באופן אחיד פלזמה רותחת, צפופה ואנרגטית מאוד שהתפשטה והתקררה עם הזמן. עם תהליך הקירור, כוח הכבידה נהיה דומיננטי ובעזרתו נוצרו גופים מורכבים כמו כוכבים וגלקסיות. אילו התמונה הקריקטורית של המפץ הייתה נכונה, כלומר זו שמתארת עולם שהיה בגודל ביצה, שהתפוצץ לכל עבר, היינו מצפים שבאזורים מסוימים היקום יראה שונה מאזורים מרוחקים אחרים, אך למעשה, במרחקים מספיק גדולים היקום נראה הומוגני ואיזוטרופי, כלומר זהה בכל מקום במרחב ובכל כיוון (עוד נחזור על נקודה זו בהמשך).
אומנם תאוריית המפץ מסבירה את היווצרות הגלקסיות ויסודות כבדים, היא איננה מסוגלת להסביר מדוע היקום מתפשט. למעשה, תאוריה זו לא מכילה ״פיצוץ״, אם כבר היא מסבירה מה התרחש אחרי הפיצוץ. המודל הקלאסי מתאר יקום ש״החל״ לאחר התפשטות מרחב הזמן, מבלי להסביר כיצד התרחש. מעבר לכך, תאוריה זו לא מסוגלת להסביר מהיכן החומר ביקום הגיע. נוכל לסכם את החלק הזה באמירה שתאוריית המפץ היא תורה שלא מסבירה מה התפוצץ, למה הוא התפוצץ או מה קרה לפני הפיצוץ. למעשה היא בכלל לא מכילה פיצוץ. כן, השם לחלוטין מטעה ומבלבל.
על תורת האינפלציה
האם קיימת תורה שתפתור תעלומות אלו ושניתנת לאימות תצפיתי? התשובה לכך היא כן. לתאוריה זו אנחנו קוראים אינפלציה קוסמית. בגדול, זו תורה המסבירה כיצד נוצרו התנאים ההתחלתיים למפץ הגדול בעזרת התרחבות אקספוננציאלית של היקום שהתרחשה לפני כן. המכניזם לאינפלציה מתבסס על העובדה שכוח הכבידה אינו רק כוח מושך. הראשון להשתמש בכבידה דוחה היה איינשטיין, שהוסיף למשוואותיו את הקבוע הקוסמולוגי, במטרה לשמור על היקום סטטי. אילולא הקבוע הקוסמולוגי, החומר ביקום היה קורס אל תוך עצמו. כמובן שהיום אנחנו יודעים שהיקום איננו סטטי, אלא מתפשט בתאוצה. בזכות יחסות כללית, אנחנו יודעים היום שבתנאים הנכונים כוח הכבידה יכול גם לדחות גופים ולא רק למשוך אותם אחד לשני.
מתי האינפלציה התרחשה? אין לכך תשובה מדויקת. יכול מאוד להיות שהיקום היה קיים תקופה ארוכה לפני שהחלה. שאלה זו ניתנת להחלפה בשאלה אחרת – מהי צפיפות האנרגיה בה התרחשה האינפלציה? פיזיקאים מניחים שההתרחבות האקספוננציאלית של היקום החלה כאשר צפיפות האנרגיה הייתה מספיק גבוהה כדי לאחד את הכוח החזק והאלקטרו-חלש. מדובר בסקאלת אנרגיה העומדת על 10 בחזקת 16 ג׳יגה אלקטרון וולט. לשם השוואה, פרוטון אחד שקול אנרגטית ל-1 ג׳יגה אלקטרון וולט. בתנאים אלו, נדרשת פיסה קטנטנה בגודל של 10 בחזקת מינוס 28 סנטימטר, כדי ליצור את היקום הנראה. בתהליך זה, היקום הכפיל את גודלו כל 10 בחזקת מינוס 37 שניות (עשירית המיליארדית המיליארדית המיליארדית המיליארדית השניה). לאחר שהיקום הגדיל את נפחו כמאה פעמים, גודלו היה זהה לגודלה של אפונה. תהליך זה לקח בערך 10 בחזקת מינוס 35 שניות מתחילת האינפלציה, וממנו נוצרו התנאים למפץ הגדול. האנרגיה השלילית דעכה, ובתמורה נוצרו חלקיקי החומר והקרינה. היקום המשיך לגדול, אבל לא בקצב אקספוננציאלי, זאת משום שכבידה חיובית האטה את התפשטות היקום.
כאן מגיעה הערה חשובה בנוגע להתפשטות האקספוננציאלית. האנרגיה השלילית לא קטנה עם התפשטות היקום. זה אולי נשמע כמו טענה ששוברת את שימור האנרגיה, אבל לא כך. כמות האנרגיה השלילית ביקום מתאזנת עם כמות האנרגיה החיובית הנובעת מחלקיקי החומר והקרינה הידועים לנו. למעשה בזמן האינפלציה, כמות האנרגיה השלילית גדלה ובתמורה לכך כמות האנרגיה החיובית גדלה גם כן.
עדויות לתורת האינפלציה
העדות המרכזית לקיומה של אינפלציה ביקום המוקדם נצפית בקרינת הרקע הקוסמית. זו קרינה בעלת אנרגיה מאוד נמוכה, שהחלה לנוע בחופשיות מאות אלפי שנים לאחר האינפלציה. קרינה זו אחידה מכל הכיוונים, עד כדי מאית האחוז. ההבדלים האנרגטיים זניחים מאוד ומאששים את העובדה שהיקום פחות או יותר הומוגני ואיזוטרופי במרחקים מספיק גדולים. בעידן המפץ הגדול, כאשר היקום הכיל פלזמה רותחת, קרני האור קפצו בין חלקיקי החומר בתדירות גבוהה. האינטראקציה החזקה בין האור והחומר מנעו מחלקיקי האור לנוע למרחקים גדולים בחופשיות. רק כ-400 אלף שנה לאחר המפץ, כאשר הפלזמה התקררה מספיק, האור החל לנוע בחופשיות למרחקים גדולים.
השאלה המתבקשת היא האם אנחנו יכולים להסביר את ההומוגניות שהייתה ביקום המוקדם? אם ניקח בחשבון רק את המודל הקלאסי למפץ הגדול התשובה לכך תהיה לא. הסיבה היא שכדי לקבל תמונה הומוגנית כמו זו שנצפית מקרינת הרקע הקוסמית, נידרש להניע גושי חומר במהירות הקרובה פי 100 ממהירות האור, בסתירה לתורת היחסות. הדינאמיקה במודל המפץ פשוט לא מאפשרת מידה כה גבוהה של הומוגניות. מצד שני, אינפלציה מספקת הסבר טבעי לכך. לפני המפץ, היקום היה קטן מאוד, כה קטן שלא מן המנע שהיה הומוגני בזמן קצר יחסית. ההתפשטות האקספוננציאלית מתחה את היקום בזמן אפסי ושמרה את התנאים היחסיים שהתקיימו כשהיקום היה זעיר.
עדות נוספת נובעת ממידת העקמומיות של היקום. אחת מהחידות הפתוחות בקוסמולוגיה היא מדוע היקום נראה שטוח. ההגדרה הפשוטה ביותר ליקום שטוח היא שסכום הזוויות במשולש ביקום זה הוא 180 מעלות. ביקום עקום, סכום הזוויות יכול להיות גדול מ-180 או קטן יותר, ראו איור מטה.
עקמומיות היקום תלויה בצפיפות המסה שבתוכו. נהוג למדוד את העקמומיות בעזרת היחס בין צפיפות המסה ביקום לצפיפות הקריטית שבה היקום עובר מעקמומיות חיובית לשלילית או להפך. את היחס בין הצפיפיות נהוג לסמן באות אומגה. במידה ואומגה שווה לאחד, היקום שטוח. אם אומגה קטנה מאחד היקום בעל העקמומיות שלילית, ואם אומגה גדולה מאחד, היקום בעל עקמומיות חיובית. חישובים מראים שהמצב בו היקום שטוח איננו מצב יציב, לכן קוסמולוגים שוברים את הראש בניסיון להבין מדוע היקום שלנו נראה כזה. אם אומגה קטנה מאחד, ולו במעט, היקום מהר מאוד יתפשט ללא מעצורים, ואם אומגה הייתה מעט גדולה מאחד היקום היה מתכווץ בחזרה. כדי שהיקום יהיה שטוח ויישאר כזה, אומגה צריכה להיות קרובה מאוד או ממש שווה לאחד, ואכן כך ערכו.
ברמת העיקרון ניתן להניח שהיקום החל עם אומגה שווה או קרובה מאוד לאחד. אם מדובר בבחירה רנדומלית של מספר, מדובר בערך מאוד מאוד מדויק, מעט כמו להעמיד עיפרון על חודו מבלי שיפול. פיזיקאים נוטים לכנות מקרה זה כ״לא טבעי״, הרי טבעי לצפות שאם ננסה להעמיד עיפרון על חודו הוא ייפול כמעט בכל ניסיון. אם הוא לא היה נופל, היינו מניחים שמדובר במזל או שקיים מכניזם שמייצב אותו. באופן שקול, פיזיקאים חיפשו מכניזם שייצב את אומגה להיות קרובה מאוד לאחד. מסתבר שמודל המפץ הגדול הקלאסי אינו יכול להסביר מדוע אומגה שווה בקירוב טוב לאחד, אבל מודל האינפלציה כן. למעשה, הדינאמיקה במודל האינפלציה משנה את אומגה לאחד במהירות אקספוננציאלית, לא משנה מה היה ערכו ההתחלתי. עד לפני 1998, קוסמולוגיים חשבו שאומגה צריכה להיות 0.2 או 0.3, בניגוד לפרדיקציה של מודל האינפלציה, אבל לאחר מכן, מדידות הראו שאומגה קרובה מאוד לאחד. הסיבה לכך שפיזיקאים חשבו שאומגה אמורה להיות נמוכה יחסית היא משום שהם לא ידעו שהיקום מתפשט בקצב מואץ, אבל כאשר לקחו זאת בחשבון, אומגה אכן הסתכמה למספר הקרוב לאחד.
עדות שלישית לאינפלציה היא דווקא בחוסר ההומוגניות של היקום (במרחקים קצרים). מן הסתם, במרחקים מספיק קצרים היקום לא באמת נראה אחיד. היקום זרוע בכוכבים ופלנטות במרחקים וגדלים שונים כשבין גרמי השמיים כמעט ריק מוחלט. כפי שציינתי מקודם, כדי שייווצרו גופים מאסיביים נדרשת חוסר הומוגניות ואיזוטרופיות. באזורים עם צפיפות חומר גבוהה יותר מהממוצע יורגש כוח כבידה עוצמתי יותר שימשוך אליו חומר נוסף ובתהליך שרשרת יהפוך למאסיבי יותר ויותר. אבל מה המכניזם שחולל חוסר ההומוגניות זו? מדהים לגלות שדווקא מכניקת הקוונטים, הדומיננטית במרחקים קצרים, היא שגרמה לשינויים קוסמיים אלו. תחת המעטפת של מודל האינפלציה ניתן לחשב ממש כיצד הפלקטואציות הקוונטיות השאירו חותם על היקום המוקדם ועד להיום. כאשר ממפים את המפה של הקרינה הקוסמית לפי תדרים, ניתן לראות את האקו הקוונטי במדויק למה שמודל האינפלציה מנבא. למעשה היו לא מעט ניבויים כיצד מיפוי התדרים יראה, אבל מודל האינפלציה היה זה שהתאים לתצפיות באופן מדויק להפליא.
התפתחות היקום
לאחר האינפלציה, מהמפץ הגדול ולאחריו, היקום עבר סדרת תהליכים שאסכם את חלקם בקצרה.
עד כאלפית המיליארדית השנייה מרגע המפץ, נוצרה א-סימטריה בין כמות חלקיקי החומר והאנטי חומר ביקום. הסיבה לכך איננה ידועה. המודל הסטנדרטי מניח שהכוחות הפועלים על חלקיקי החומר ואנטי חומר שקולים לחלוטין. לכן, סביר להניח שנוצרה כמות שווה של חומר ואנטי חומר בתחילת היקום. לצד זאת, כאשר חלקיקי חומר ואנטי חומר מתנגשים, הם מומרים לחלקיקי אור. אם כך הדבר, כאשר היקום היה צפוף מאוד, סביר שבהתנגשות עוצמתית כל חלקיקי החומר ואנטי חומר יומרו לאור והיקום יהיה ריק מחומר. הנחה זו עומדת בסתירה לתצפיות ואין בידנו הסבר משכנע מדוע נותר חומר ביקום.
מיד לאחר מכן, חלקיקי החומר קיבלו את מסתם ממכניזם ההיגס. זהו מעבר פאזה מעניין ביקום שבו הכוח החלש משנה את עוצמתו. בין אלפית המיליארדית השנייה ל-20 מיקרו שניות, הקווארקים שמילאו את היקום מתחילים להתגבש לפרוטונים ולניוטרונים שכולנו מכירים המרכיבים את גרעיני האטום בטבלה היסודית. כמובן נוצרו עוד חלקיקי חומר רבים אבל אלו בסוף ידעכו לחלקיקים המוכרים לכולנו. השלב הבא בהתפתחות היקום נחבא מעט מעניינו כי הוא מערב את תהליך ה״קיפאון״ של החומר האפל, כלומר הרגע שבו החומר האפל מפסיק לבוא במגע עם חלקיקים אחרים, ומתווך את השפעתו רק דרך כוח הכבידה. כשנייה לאחר המפץ, חלקיקי הניוטרינו התחילו לנוע בחופשיות מהפלזמה הרותחת. שימו לב שחלקיקי הניוטרינו נעו בחופשיות לפני חלקיקי האור. משום כך, חקר הניוטרינו יכול לספק הצצה ליקום מוקדם אף יותר. לצערנו, הניוטרינו הוא חלקיק שמגיב לחלקיקי החומר רק דרך הכוח החלש, ולכן קשה מאוד למדוד את קיומו והשפעתו. כאשר היקום היה בן 6 שניות, התחוללה האניהילציה בין האלקטרונים לפוזיטרונים (אנטי אלקטרונים) וכאשר היקום היה בן -3 דקות, היסודות הקלים החלו להיווצר. לקח מאות אלפי שנים עד שמימן ניטרלי היה עדיף אנרגטית (על פני מימן טעון), ומנקודה קריטית זו חלקיקי האור החלו לנוע בחופשיות.
מעבר לתורת האינפלציה
עד כה התמונה שתיארתי התבססה על תצפיות ביקום וממאיצי חלקיקים. מנקודה זו ואילך נדון בחלקים הספקולטיביים יותר של מודל האינפלציה. כאשר אינפלציה מתרחשת באזור מסוים במרחב, האנרגיה השלילית המניעה אותה דועכת עם הזמן באופן לוקאלי. מצד שני, כמות האנרגיה השלילית גדלה ככל שהנפח של היקום גדל. תהליך זה יוצר אזורים ביקום שמפסיקים לגדול לצד מעטפת שמתמלאת באנרגיה שלילית. למעשה, האנרגיה השלילית נצברת מהר יותר מקצב דעיכתה ולכן התפשטות היקום ממשיכה לעד. בתהליך זה, נוצרים איים שמפסיקים להתפשט שאותם קוסמולוגים מכנים כ״שקים״. כל שק כזה יכול לייצג יקום בפני עצמו עם חוקי טבע משלו. חשוב לציין שיקומים אלו נמצאים במארג מרחב זמן אחד ולעיתים יכולים להתנגש. מדענים ניסו בעבר לחפש חותמות כבידתיות של התנגשויות עם יקומים נוספים, אך טרם מצאו. הסבר טבעי לקיומם של יקומים עם חוקי טבע שונים מגיע, באופן מעניין, גם מתורת המיתרים. תורה זו מאחדת תחת פורמליזם יחיד את תורת היחסות ומכניקת הקוונטים. כן, כבר הצלחנו לקוונטט את הכבידה, אבל אף אחד לא טען שיש רק דרך אחת לעשות זאת. תורת המיתרים היא תורה מסובכת, ולעיתים קשה לפתור בעזרתה בעיות, אך לעיתים המצב יכול להיות הפוך לחלוטין. לשאלה מה מצב היסוד של התורה, כלומר מהו המצב הפיזיקאלי עם האנרגיה הנמוכה ביותר, קיימות 10 בחזקת 500 תשובות שונות. מצד אחד מדובר במכשול. כיצד נוכל לבחור את מצב היסוד שמתאר את היקום שלנו? ואיזה מנגנון יבחר דווקא את מצב היסוד הזה? מצד שני, אם אין מנגנון כזה, אולי זה סימן לכך שכולם קיימים? חוקרי מיתרים מאמינים שכל מצב יסוד מתאר יקום חדש ולצידו סט של קבועי טבע שונים. הרעיון משתלב יד ביד עם מודל האינפלציה ויקומים מרובים שתורה זו מנבאת.
לסיכום אומר שרבות החידות מסך העובדות הידועות לנו. לא בטוח שאי פעם נוכל לענות על כולן. השאלה הקשה מכל ככל הנראה נוגעת ברגע הסינגולריות, בזמן שהיקום היה בעל גודל אפסי. יחד עם זאת, אי אפשר שלא להתפלא מהעובדה שאנחנו, בני האדם, מסוגלים לחשוב על שאלות אלו ולמצוא תשובות, גם אם חלקיות.
יש לכם שאלה מדעית? מוזמנים לשוחח איתי בכתובת המייל: [email protected]
כתבה זו מבוססת על סדרת ההרצאות של אלן גות׳ מ-MIT. ניתן לצפות בהן כאן
עוד בנושא באתר הידען: