בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו? – חלק ב’

אלו תובנות מהפכניות אנו מגלים בעזרת הפיסיקה! אנו שרגילים לחיי “המערה” בה לגופים יש מיקום ומהירות מוגדרים ויחידים ובה נראה שאפשר לנוע לכל כיוון, מסוגלים לצאת מהמערה ולהכיר את המציאות האמיתית בה אנו חיים. מציאות בה חלקיקים נמצאים במספר מקומות בו זמנית והמרחב והזמן הם דבר קיים ומתפשט עליו אנו “מצויירים”.

“במהלך חודש מרץ 2014 קיבלנו אישוש ניסויי ראשון לכך שהיקום עבר התפשטות מואצת שבריר שניה לאחר המפץ הגדול ואישור נוסף לתורת היחסות הכללית של אינשטיין. כך אנו מרחיבים את הבנת המציאות שלנו ומתקרבים צעד נוסף לעבר תיאוריה של הכל ולעבר הבנה מלאה של היקום שלנו וכיצד הוא נוצר. ברוכים הבאים לחלק השני של קיצור תולדות היקום! בסדרה זו נסקור הן את התובנות שהצלחנו להגיע אליהן עד היום בתחום הקוסמולוגיה
* * *

ברוכים הבאים אל השביל המתפתל אל מחוץ למערה, ברוכים הבאים אל הצד האחר!

• בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו? – חלק א’
• בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו? – חלק ג’
• בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו? – חלק ד’

אלו תובנות מהפכניות אנו מגלים בעזרת הפיסיקה! אנו שרגילים לחיי “המערה” בה לגופים יש מיקום ומהירות מוגדרים ויחידים ובה נראה שאפשר לנוע לכל כיוון, מסוגלים לצאת מהמערה ולהכיר את המציאות האמיתית בה אנו חיים. מציאות בה חלקיקים נמצאים במספר מקומות בו זמנית והמרחב והזמן הם דבר קיים ומתפשט עליו אנו “מצויירים”. ללא המרחב זמן לא היה מתפתח חומר ואנו לא היינו מתפתחים. כפי שהמהות של דונלד דאק היא שהוא דמות מצויירת מתוך סרט מצוייר, כך מהות החומר והמהות שלנו היא שאנו דמויות הקיימות בתוך המרחב זמן הארבע מימדי שנוצר בעת המפץ הגדול . שימו לב שכל התובנות הללו מגובות בניסויים שמאששים אותן כפי שיפורט בהמשך. מה עוד נגלה לגבי המהות שלנו ושל המציאות? האם למשל ישנם עוד יקומים בעלי מרחב-זמן שונים והאם ניתן לצאת אל מחוץ למרחב זמן שלנו? אלו הן שאלות מצויינות שעוד אין לנו מושג מה התשובה אליהן. אך קפצנו קדימה מדי, איך ממשיכים ומגיעים מהיווצרות המרחב זמן אל היווצרות החומר? עדיין לא סיימנו לפתח את התיאוריה כיצד התפתח היקום שלנו למצב כפי שהוא נראה היום.

(The Doors – Break On Through (To the Other Side

בראשית לא היה דבר. היה ריק.
תנודת אנרגיה הופיעה מתוך הריק,
המפץ הגדול – יצירת המרחב זמן

המפץ הגדול יצר את המרחב והזמן שאנו חיים בהם ובתוכם פיזר את כל האנרגיה שהיתה עצורה בו. האנרגיה הזו היתה עצומה ולפי תורת היחסות יש קשר בין מסה לאנרגיה. מתוך הנוסחה המפורסמת E=mc² נובע שמסה היא עוד סוג של אנרגיה, מעין אנרגיית מנוחה. מסה היא תכונה שיש לחלקיקים רבים, וגם אנחנו כאשר אנו עולים על המשקל הביתי אנחנו מודדים את המסה שלנו (ולא את המשקל שלנו). כך לאחר המפץ הגדול האנרגיה העצומה הזו הגלגלה לחלקיקים בעלי מסה וכן לקרינת אור (המורכבת מחלקיקים חסרי מסה הנקראים פוטונים). אם נקח גז ונדחוס אותו למקום קטן, חלקיקי הגז יתנגשו יותר ויותר אחד בשני והגז יתחמם. לעומת זאת, כאשר נגדיל את הנפח בו הגז יכול להיות חלקיקי הגז ינועו יותר בחופשיות ויתנגשו פחות ופחות אחד בשני, כתוצאה הגז יתקרר. זהו המצב ששרר בתחילת היקום שלנו, ככל שהזמן עבר היקום המשיך לגדול, המרחב-זמן שזה עתה נוצר הלך ונמתח והגדיל את נפח היקום. ככל שהיקום גדל כך היה לחלקיקים יותר מקום לנוע בו והם הלכו והתקררו. לפי ההערכות, מיד לאחר המפץ הגדול הטמפרטורה ביקום שאך נולד היתה סביב 10,000,000,000,000,000,000,000,000,000,000 מעליות צלזיוס! (1 ואחריו 31 ספרות, 10 מליון טריליון טריליונים). החלקיקים נעו במהירות עצומה, התנגשו, התחברו ומיד התפרקו ויצרו מעין “מרק חלקיקים לוהט” קדמוני. לאחר זמן רב, כ- 380,000 שנה לאחר המפץ הגדול, נפח היקום גדל כך שהאלקטרונים איבדו מספיק אנרגיה ונעו מספיק לאט כדי להילכד בכוח החשמלי שיצרו מטעני הפרוטונים מבלי לברוח. כך נוצר האטום הפשוט ביותר – אטום המימן (שמורכב מאלקטרון אחד ופרוטון אחד המוחזקים ביחד בכוח אלקטרומגנטי בשל המטענים החשמליים ההפוכים שלהם). בשלב זה טמפרטורת היקום כבר ירדה לטמפרטורה “נמוכה” סביב 2,727 מעלות צלזיוס (לשם השוואה, היום הטמפרטורה הנמדדת בחלל הבין כוכבי היא סביב 270- מעלות צלזיוס שהם 2.7 מעלות מעל לאפס המוחלט בו שום חלקיק אינו זז). אחרי יצירת אטומי המימן היקום המשיך להתקרר ויכלו ליהווצר אטומים כבדים יותר כמו אטום ההליום לו שני אלקטרונים ושני פרוטונים. כך, המודל הסטנדרטי של הקוסמולוגיה מצליח להסביר כיצד נוצרו החלקיקים והאטומים ומצליח לחזות במדויק את כמות אטומי המימן, ההליום ושאר היסודות שאנו רואים ביקום סביבנו.

בראשית לא היה דבר. היה ריק.
תנודת אנרגיה הופיעה מתוך הריק,
המפץ הגדול – יצירת המרחב זמן
היקום החל להתפשט (ואין משמעות לשאלה לאן)!
יצירת החלקיקים והאטומים

סימטריה עילאית ומתנשא ושבירתה

רעיון האיחוד והסימטריה בא לידי ביטוי במפץ הגדול ובשניות הראשונות אחריו. הנקודה שהכילה את כל החומר והאנרגיה של היקום ושעברה את אירוע המפץ הגדול היתה במצב של סימטריה מושלמת. במצב זה אי אפשר היה להבדיל בין אנרגיה, חומר או כוח. הכל היה במצב אחיד ללא תכונות שיבדילו ביניהם. לאחר המפץ הגדול והיווצרות המרחב זמן הסימטריה הזו החלה להישבר בקצב מסחרר. במצב סימטרי הדברים נראים אותו הדבר ואי אפשר להבדיל ביניהם. כאשר הסימטריה נשברת לפתע נוצרים הבדלים וניתן להבחין בין דברים. חישבו לדוגמה על זכוכית, כאשר מחממים אותה מספיק היא הופכת לנוזלית ומקבלים בועת זכוכית מושלמת וסימטרית בה כל הצדדים נראים בדיוק אותו הדבר. לאחר מכן מוציאים אותה מהתנור ונותנים לה להתקרר. הקירור הורס לה את הסימטריה וסדקים ובועות נוצרים במקומות מסויימים בתוך בועת הזכוכית. בצורה דומה, בעת המפץ הגדול היקום היה לוהט וסימטרי לחלוטין. לאחר המפץ הגדול היקום התקרר ומיד הופיעו “סדקים” בסימטריה. האנרגיה חסרת התכונות הפכה לחלקיקים בעלי תכונות שונות שניתן להבדיל ביניהם, כך שבירת סימטרייה יצרה את החומר. בנוסף, הכוחות היסודיים שאנו מכירים כיום היו גם הם מאוחדים לכוח אחד סימטרי. לאחר המפץ הגדול הסימטריה הזו בין כוחות הטבע נשברה והכוחות השונים נפרדו זה מזה לארבעת הכוחות היסודיים בטבע שאנו מכירים כיום – כוח הכובד (גרוויטציה), כוח אלקטרומגנטי (הכוחות החשמליים והמגנטיים), כוח גרעיני חזק וכוח גרעיני חלש. לפי ההערכה, כל אלו נפרדו מכוח מאוחד אחד בזמנים קצרים עד כדי גיחוך מיד לאחר המפץ הגדול. שוב, עדיין אין בידינו את התיאוריה שיודעת לאחד את כל הכוחות, אך מתוך התיאוריות שכן אוששו אנו יכולים להעריך כיצד אמורה היתה הסימטריה הזו להישבר ואפילו להעריך מתי כל כוח נפרד משאר הכוחות המאוחדים.

הכוח הראשון שנפרד מסימטריית הכוחות הוא הגרוויטציה. שבירה זו אירעה בחלק ה- 0.0000000000000000000000000000000000000000001 של השניה הראשונה לקיום היקום לאחר המפץ הגדול (42 ספרות לאחר הנקודה העשרונית). כדי להשלים את התמונה ההזוייה הזו נזכיר שהטמפרטורה היתה אז אותה טמפרטורה שהזכרנו קודם בה היה “מרק ההחלקיקים הלוהט”. זוהי טמפרטורה ענקית שנקראת טמפרטורת פלאנק (או אנרגיית פלאנק), אין לנו עדיין תיאוריה שיודעת להתמודד עם האנרגיה הזו. באנרגיה זו צריך תיאוריה שלוקחת בחשבון הן את תורת היחסות הכללית של אינשטיין והן את תורת הקוונטים. תיאוריה כזו תתאר לנו כבידה קוונטית. אין בידינו עדיין תיאוריה שכזו, אך יש רמזים המראים שבזמן זה ובאנרגיה זו הכבידה נשברה מהכוח המאוחד. אחריו נפרד הכוח הגרעיני החזק כ-0.0000000000000000000000000000000001 שניות לאחר המפץ הגדול (34 ספרות לאחר הנקודה העשרונית) עם טמפרטורה של 1,000,000,000,000,000,000,000,000,000 (1 ואחריו 27 ספרות) מעלות צלזיוס. אחרי היפרדות זו, כל מה שנשאר מהכוח המאוחד הוא הכוח האלקטרו-חלש שמאחד את שני הכוחות שעדיין לא נפרדו, הכוח הגרעיני החלש והכוח האלקטרומגנטי. אך כמובן שזמן קצר לאחר מכן נפרדו גם הכוח הגרעיני החלש והכוח האלקטרומגנטי כאשר טמפרטורת היקום ירדה לאלף טריליון מעלות צלזיוס (לקח “הרבה זמן” עד ששבירה זו אירעה – 0.000000000001 של השניה הראשונה לקיום היקום לאחר המפץ הגדול). היקום החל את דרכו עם סימטריה מלאה ובעקבות התקררותו הסימטריה נשברה. אם הסימטריה היתה נשמרת לא היינו כאן היום, דווקא בשל שבירת הסימטריה נוצרו החומר וארבעת הכוחות כפי שאנו מכירים אותם כיום.

בראשית לא היה דבר. היה ריק.

תנודת אנרגיה הופיעה מתוך הריק,
המפץ הגדול – יצירת המרחב זמן
היקום החל להתפשט (ואין משמעות לשאלה לאן)!
הסימטריה נשברה, האיחוד נסדק
הכוחות נפרדו
החלקיקים נוצרו
מרק קדמוני לוהט הלך והתקרר
החלקיקים לאטומים החלו להתחבר
האטומים התחברו אחד לשני

בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו? – חלק א’

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 ההרצאה תהיה במוצאי יום השואה בנושא האם יצר האדם רע מנעוריו?) אנא עקבו אחרי פרסומי הבלוג חופשי ומאושר.

עוד בנושא באתר הידען:

• עדות ישירה ראשונה לקיומם של גלי כבידה שגרמו ליקום להתנפח מיד לאחר המפץ הגדול – ראיון עם פרופ’ אבי לייב מאוניברסיטת הארווארד, מנהל המחלקה של החוקר הראשי שביצע את הניסוי
• קיבלנו מסר חשוב משבריר השניה שלאחר המפץ הגדול –  ראיון עם פרופ’ מרק קמיונקובסקי שהגה את הניסוי
• כיצד פועל הטלסקופ בקוטב הדרומי שגילה את גלי הכבידה שנוצרו במפץ הגדול?
• מהם גלי כבידה?
• אוזן קשבת להדי המפץ הגדול