מדידות של קרינת הרקע הקוסמית מצביעות על כך שהיקום הנצפה שטוח בקירוב, אך המדענים עדיין אינם יודעים אם היקום כולו אינסופי, סופי ללא קצה או בעל מבנה טופולוגי מורכב יותר
תצפיות ביקום המוקדם מראות שהמרחב נראה שטוח בכל היקום הנצפה. אבל מעבר לאופק הקוסמי שלנו, ייתכן שהיקום עדיין מתעקם, נסגר על עצמו או מתחבר בדרכים מפתיעות. לכן הגודל האמיתי והצורה הכוללת של היקום נשארים שאלה פתוחה.
כדי להבין את הבעיה, האסטרופיזיקאים משתמשים לפעמים באנלוגיה של כדור הארץ. לפני השטח של כדור הארץ יש גודל סופי, ואפשר למדוד את שטחו. ובכל זאת, כשעומדים על הקרקע אין “קצה” שנופלים ממנו. פני השטח סופיים, אבל חסרי גבול. הדבר מתאפשר בזכות עקמומיות.
אותה שאלה עולה גם לגבי היקום. האסטרונומים מניחים בדרך כלל שהיקום נמשך מעבר למה שאנחנו יכולים לראות. כלומר, אילו הטלסקופים שלנו היו מסוגלים להביט רחוק יותר, היינו כנראה רואים עוד גלקסיות, עוד כוכבים ועוד מבנים קוסמיים. אבל יש כאן מגבלה עקרונית: האופק הנצפה הוא גם גבול למידע שיכול להגיע אלינו. לכן ייתכן שלעולם לא נדע מהו גודלו הכולל של היקום.
אפשרות אחת היא שהיקום אינסופי. כלומר, הוא נמשך בלי סוף. אבל קיימת גם אפשרות אחרת: שהיקום סופי, ובכל זאת חסר קצה. זה נשמע פרדוקסלי, אך כך בדיוק פועלים פני השטח של כדור הארץ.
איך יודעים אם המרחב “שטוח” או “מעוקם”? במתמטיקה יש לכך כמה מבחנים. אחד מהם מבוסס על משולשים. במישור שטוח, סכום הזוויות במשולש הוא 180 מעלות. על משטח מעוקם, הסכום הזה משתנה. מבחן אחר קשור לקווים מקבילים: במישור שטוח הם אינם נפגשים לעולם, אבל על משטח מעוקם הם יכולים להיפגש.
הקוסמולוגים מיישמים רעיונות דומים על היקום כולו באמצעות קרינת הרקע הקוסמית במיקרוגל, האור הקדום שנפלט כאשר היקום התקרר ממצב של פלזמה חמה וצפופה. לפי החישובים, בקרינה הזאת אמורות להופיע תנודות זעירות בטמפרטורה. ואכן הן נצפות. נוסף על כך, אפשר לחשב מה אמור להיות הגודל הזוויתי שלהן. אם המרחב היה מעוקם מאוד, האור היה משנה את דרכו לאורך מיליארדי שנות אור, והתבניות היו נראות לנו בגודל שונה.
אבל המדידות מראות שהתבניות נראות בדיוק כמעט בגודל הצפוי ביקום שטוח. מכאן נובע שהגיאומטריה של היקום הנצפה שטוחה בקירוב גבוה מאוד.
האם זה סוגר את הדיון ומוכיח שהיקום אינסופי? לא בהכרח. גם אם היקום נראה שטוח בתחום שאנחנו מסוגלים למדוד, ייתכן שהוא מתעקם בקני מידה גדולים בהרבה, הרבה מעבר ליקום הנצפה. במילים אחרות, ייתכן שאנחנו בוחנים רק “טלאי” קטן מתוך מבנה גדול יותר.
יש גם הבחנה חשובה בין גיאומטריה לטופולוגיה. הגיאומטריה מתארת אם המרחב שטוח, כדורי או דמוי אוכף. הטופולוגיה עוסקת בשאלה אם המרחב “נסגר” על עצמו. אפשר, למשל, לקחת דף שטוח ולגלגל אותו לגליל. מקומית הוא עדיין שטוח, אבל גלובלית הוא מחובר לעצמו. באופן דומה, גם יקום שגיאומטרית הוא שטוח יכול להיות סגור באחד הכיוונים או בכמה כיוונים.
הפיזיקאים חיפשו רמזים לכך. בין השאר הם בדקו אם אפשר למצוא תבניות חוזרות בקרינת הרקע הקוסמית או גלקסיות שנראות משני צדדים שונים של השמים, כאילו האור הקיף את היקום וחזר. עד כה לא נמצאה ראיה משכנעת לכך. לכן ההערכה הנוכחית היא שהיקום נראה גם שטוח וגם פשוט, בלי סימנים ברורים לכך שממדים שלו נסגרים על עצמם.
ובכל זאת, ייתכן שלעולם לא נדע בוודאות. מגבלת האופק הקוסמי מונעת מאיתנו לבדוק מה קורה מעבר לחלק הנצפה. לכן שאלת הגודל האמיתי והצורה הכוללת של היקום נותרת פתוחה: הוא עשוי להיות אינסופי, או סופי אך חסר קצה, או אפילו בעל מבנה טופולוגי מורכב בהרבה מכפי שאנו מסוגלים למדוד כיום.
עוד בנושא באתר הידען:
