בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו?

פרק אחרון בסדרה, והפעם על ריבוי יקומים

משקפי תלת מימד
"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 החמישי והאחרון של קיצור תולדות היקום! בסדרה זו נסקור הן את התובנות שהצלחנו להגיע אליהן עד היום בתחום הקוסמולוגיה

במקרה זה רואים גל אור (גל אלקטרומגנטי) שנע ימינה. בעת שהוא נע ימינה הוא יכול להתנודד מעלה ומטה כמו הגל האדום, אך הוא יכול גם להיתנודד בקיטובים אחרים. הוא יכול למשל להתנודד בכיוון פנימה והחוצה של צג המחשב או בכיוונים אלכסוניים (כמו הגלים האדומים הדהויים בתמונה). באמצע התמונה יש ריבוע בעל קווים שחורים שנראה כמו תריס. זהו מקטב שנותן רק לגל האדום בעל הקיטוב האנכי לעבור. כל שאר הקיטובים נבלעים במקטב ולא מצליחים לעבור. גם גלי כבידה עושים קיטובים שונים וניתן למדוד את השפעתם על קרינת הרקע הקוסמית, אך קיטובים אלו מאד קטנים. חישובים מראים שתהליך האינפלציה אמור לעשות גלי כבידה בקיטובים רבים ובגלל ההתרחבות האינפלציונית של המרחב הקיטובים הללו גדלים ומתעצמים. גלים מקוטבים אלו היו אמורים לעבור ולשנות את כיוון התנועה של קרינת הרקע הקוסמית שרק נוצרה בכיוון הקיטובים הללו. היום כשאנו מודדים את הקרינה הקוסמית הזו אנו אמורים לראות את כיווני הקיטוב הללו. כך, אם אכן המרחב-זמן עבר תהליך של אינפלציה אנו אמורים למצוא את ההדים שתהליך זה השאיר בקרינת הרקע הקוסמית. אבל גם אם נמצא קיטובים בקרינת הרקע הקוסמית, איך נדע שאלו קיטובים שנוצרו דווקא מתהליך האינפלציה ולא מתהליכים אחרים? מסתבר שאחד מהקיטובים שגלי כבידה אמורים לעשות עקב תהליך האינפלציה הוא יחודי. קיטוב זה נקרא B-MODE ואנו יודעים מתי ניתן לקבל אותו בגלי כבידה. בגלל שתהליך האינפלציה מגדיל ומגביר תופעות מרחביות אנו מצפים שהקיטובים שאירעו בעת האינפלציה, ובפרט הקיטוב הזה יהיו גדולים יחסית בקרינת הרקע הקוסמית. גדולים יותר מקיטובי B-MODE אחרים שיכולים להופיע בקרינת הרקע הקוסמית עקב תופעות אחרות. צוות החוקרים ירד לאנטרטיקה, מקום בו הלחות מאד נמוכה וניתן למדוד את קיטובי קרינת הרקע הקוסמית בדיוק גדול ואכן הצליחו למצוא בקרינה קיטוב מסוג B-mode בעוצמות הצפויות ובגדלים הצפויים שאמורים להיווצר בעקבות גלי כבידה שנוצרו משלב התפשטות אינפלציוני. כך הצליחו החוקרים לאשש הן את קיום גלי הכבידה והן שהמרחב-זמן שלנו עבר תהליך של התפשטות אינפלציונית. בנוסף, מתוך היחסים בין הקיטובים השונים ובין קיטוב ה- B-mode שהחוקרים מצאו בקרינת הרקע הקוסמית הם יכולים להעריך את האנרגיה של גלי הכבידה שטילטלה וקיטבה את הקרינה בזמן האינפלציה. לפי האנרגיה הזו ניתן בעצם לדעת באיזה תקופה לאחר המפץ הגדול היה השלב האינפלציוני. הציפיות היו ששלב האינפלציה התקיים סביב הזמן בו נפרד הכוח הגרעיני החזק מהכוח המאוחד, ואכן, כמו בציפיות המוקדמות, האנרגיה שהחוקרים קיבלו מתאימה לתחום האנרגיות והטמפרטורות הגבוהות שהיו בתקופת ההפירדות הזו. הנה כך קרינת הרקע הקוסמית מספקת לנו אישוש נוסף לתיאורית המפץ הגדול והיקום האינפלציוני, הפעם בעזרת הקיטובים שהיא נושאת עימה מאז יצאה לדרכה.

[קיטוב קרינת הרקע הקוסמית]

האם יש יקומים מקבילים?
יקום אינפלציוני נותן גם אפשרות מעניינת לגבי הימצאות יקומים נוספים. המרחב התפשט במהירות הרבה יותר גבוהה ממהירות האור, כך שיכול להיות שנוצרו בועות חומר כה רחוקות אחת מהשניה עד שאין סיכוי שיווצר כל קשר ביניהם. קשר שכזה יכול לנוע במהירות מקסימלית של מהירות האור ומשום שהמרחקים בין בועות החומר הללו כה גדולות, שום חומר לא יצליח לעבור בין בועת חומר אחת לאחרת ושום קשר לא יווצר ביניהן. מאחר שאין קשר בין בועות החומר הללו אפשר לראות בכל אחת מהן יקום בפני עצמו שמתנהל במקביל לשאר היקומים בתוך רב-יקום שהחל בזמן המפץ הגדול והצמיח מתוכו יקומים רבים בזכות תקופת האינפלציה. לכל היקומים הללו יש אותם חוקי פיסיקה וכולם נוצרו באותו הזמן לפני 13.8 מליארד שנים, אך כל אחד מהם מתנהל ומתפתח ללא קשר לשאר היקומים. מודל היקום האינפלציוני נותן אפשרות ריאלית יותר לכך שאנו חיים בתוך יקום שהוא רק אחד מתוך מבנה רב יקומי, אך גם בלעדיו יש רמזים לכך שישנם יקומים מקבילים ליקום שלנו. למשל, מאד יכול להיות שהמפץ הגדול שלנו כלל אינו המפץ היחידי! שלא כמו בדוגמת הבלון, תצפיות מצביעות על כך שהיקום כולו שטוח ואינסופי. אנחנו יכולים לראות רק כוכבים שהאור שלהם הגיע אלינו לטלסקופים. כדי שנראה כוכב מסויים הוא צריך להיות בטווח בו לאור שהוא פלט יהיה מספיק זמן מאז היווצרות היקום כדי להגיע אלינו. זהו היקום הנראה. מאד יכול להיות שיש כוכבים רחוקים יותר מעבר ליקום הנראה שלאור שלהם פשוט לא היה זמן מאז היווצרות היקום להגיע עד אלינו. מבחינתנו, עד שיעבור מספיק זמן לאור שלהם להגיע אלינו, הכוכבים הללו עדיין לא ביקום הנראה שלנו ולא משפיעים עלינו. היקום כולו כנראה אינסופי, אך היקום הנראה שלנו הוא רק בגודל של 138,000,000,000,000,000,000,000 ק"מ (138 מליארד טריליון ק"מ). כשאנו אומרים שהיקום התחיל מנקודה אחת, נקודת המפץ הגדול, הכוונה היא ליקום הנראה שלנו. יותר מדוייק יהיה לומר שבזמן המפץ הגדול כל הנקודות ביקום כולו (לא רק ביקום הנראה) היו בעלות צפיפות אנגיה אינסופית. במילים אחרות, אם היקום כולו אינסופי, ברגע יצירת היקום הנראה שלנו נוצרו במקביל יקומים נוספים בעלי נקודות מפץ גדול אחרות מנקודת המפץ הגדול שלנו. כל המפצים הללו התרחשו באותו הזמן מיד לאחר שנוצר המרחב זמן של היקום כולו, אך בנקודות שונות לאורך המרחב האינסופי הזה. אפשר לחשוב על כך בצורה הבאה, היקום הנראה שאנו מסוגלים למדוד החל במפץ הגדול שלנו, אך האם היקום הנראה הוא כל מה שיש? כפי שאמרנו, סביר להניח שמעבר ליקום שאנו מסוגלים למדוד ישנו עוד חומר ולאור שיצא מחומר זה עדיין לא היה זמן מהיווצרות המרחב ועד היום להגיע אלינו. מבחינתנו החומר הזה אינו קיים ביקום שלנו ולא התחיל בנקודת המפץ הגדול שלנו. הוא כנראה התחיל מנקודת מפץ גדול אחרת, מיד לאחר היווצרות המרחב זמן לפני 13.8 מליארד שנה. כך שכנראה ישנם יקומים מקבילים רבים עד אין סוף. כל יקום כזה הוא יקום נראה אחר המתאים לחומר בתחום מסויים מתוך המרחב האינסופי. כל עוד אין קשר בין היקומים הנראים השונים הללו, כל אחד מהם סגור בתוך עצמו. משום שעובר זמן ומשום שהיקום הנראה שלנו מתפשט, אט אט נוספים כוכבים חדשים ליקום הנראה שלנו. כך יקומים נראים קרובים יכולים להתאחד ליקום נראה אחד גדול. האם אנו היקום היחיד? האם ישנם עוד יקומים? האם היו במקביל למפץ שלנו עוד מפצים גדולים? ישנם רמזים לכך, אך אנחנו עדיין לא יודעים האם הרעיונות הללו נכונים. אלו רק ספקולציות כרגע וצריך לחכות לתיאוריות הבאות שירחיבו את התובנות שלנו לגבי טיב המציאות בה אנו חיים.

קצף הסבון שבתמונה יכול לייצג את היקום שאולי אנו חיים בו. המרחב-זמן האינסופי של היקום נוצר בזמן המפץ הגדול, לפני 13.8 מליארד שנים (קצף הסבון כולו). באותו זמן, כל נקודה היתה נקודה סינגולרית בעלת צפיפות אנרגיה אינסופית. לאחר המפץ הגדול התפתחו והתפשטו "יקומים נראים" רבים בדומה ליקום הנראה שלנו (הבועות השונות בתמונה). היקום הנראה שלנו הוא רק אחד מהבועות הללו לאורך המרחב-זמן האינסופי של היקום כולו. אין קשר בין היקומים נראים השונים הללו, אך אם הזמן כל בועת "יקום נראה" ממשיכה להתפשט במרחב-זמן וכך נוצר קשר בין יקומים נראים שונים קרובים והם מתאחדים לבועה גדולה יותר של יקום נראה מאוחד גדול (בועות סבון שמתחברות לבועה גדולה יותר). שלב אינפלציוני של היקום הנראה יכול לייצר יקומים נראים נוספים מתוכו (בדומה לבועת סבון שגדלה כה מהר עד שהתפצלה למספר בועות קטנות יותר).

יצאנו למסע מרתק להבנת היקום והבנת עצמנו. מסע גילוי מסעיר שנותן לנו את האפשרות לגעת לרגע בנשגב ובאינסופי וכך להרגיש חלק מהעוצמה האדירה של הטבע. מסע זה יכול למלא אותנו משמעות, ענווה והערכה אל הנשגב שנמצא סביבנו ושאנו, היצורים האנושיים הקטנים, מסוגלים לחשוף ולהבין אט אט. מסע זה אל מחוץ למערה עדיין לא הסתיים והוא טומן בחובו עוד הפתעות וגילויים רבים. האם אנו היקום היחידי? מהי האנרגיה האפלה? כיצד נוצר המפץ הגדול? כיצד הסימטריה נשברה ליצירת כל הכוחות והחלקיקים? עוד שאלות רבות נשארו ללא מענה ומחכות לתיאוריה הבאה שלנו שתפתור אותם ותחבר עוד חלקים לפאזל שיחשוף את מסתרי המציאות שלנו. אך כבר כעת חשפנו חלקים נרחבים מתמונת היקום וניתן לסכם כיצד נוצר היקום הנראה שלנו בצורה די מדוייקת ויפה -

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
כוח הכובד מהכוח המאוחד נפרק
אז הגיע תור הכוח הגרעיני החזק
היקום החל מתפשט כמשוגע
עד שנרגע
היקום הפך כביר ממש
הכוח האלקטרומגנטי נפרד מהכוח הגרעיני החלש
החלקיקים נוצרו וקיבלו מסה חיש מהר
מרק קדמוני לוהט הלך והתקרר
החלקיקים לאטומים החלו להתחבר
קרינת הרקע יצאה לדרכה
האטומים התחברו אחד לשני ללא בעיות
כוכבים נוצרו מתוך הסטיות
הכוכבים יצרו מבנים וגלקסיות
אנרגיה אפלה בינתיים הצטברה
והתפשטות היקום שוב גברה

שיר קיצור תולדות היקום

תמונה באדיבות נאס"א ובתרגומם הנאמן של מכון דוידסון

בתאריך 2 לאפריל 2014 הוזמנתי לתוכנית "ציפורי לילה עפות רחוק" בגלי צה"ל ושידרתי יחד עם שירה ז' כרמל תוכנית על הגילויים החדשים, המפץ הגדול, בריאה, דת ורוחניות חילונית. הנה לינק לשמיעה והורדה (לחצו את "להורדה" עם הכפתור הימני של העכבר ובחרו "שמור"), ועוד לינק לשמיעה, חלק א' וחלק ב' של התוכנית.
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: