מדוע הזמן עלול לנוע בכיוון אחד…

המפץ הגדול יכול היות אירוע נורמלי בהתפתחות היקום והוא יתרחש שוב ושוב לאורך מסגרת זמן עצומה

מאת אריאל אייזנהנדלר

לטענת שני פיזיקאים מאוניברסיטת שיקגו המפץ הגדול יכול היות אירוע נורמלי בהתפתחות היקום והוא יתרחש שוב ושוב לאורך מסגרת זמן עצומה במהלך התפשטות, התרוקנות והתקררות היקום. “היינו שמחים להגיד שהמפץ הגדול אינו אירוע חשוב בהיסטוריית היקום שלנו,” אומר שון קארול (Sean Carroll), עוזר-פרופסור בפיזיקה באוניברסיטת שיקגו. קארול ובוגרת האוניברסיטה ג’ניפר צֶ’ן (Jennifer Chen) יפרסמו מאמר אלקטרוני אודות הרעיונות שלהם ב: Arxic.
מחקרם של קארול וצ’ן בא לענות על שתי שאלות שאפתניות: מדוע הזמן נע רק בכיוון אחד והאם המפץ הגדול יכול היה להופיע עקב תנודות אנרגיה בחלל הריק המצייתות לחוקי הפיזיקה הידועים?

שאלת חץ הזמן הציקה למדענים כבר מאה שנה וזאת בגלל ש: “רוב חוקי הפיזיקה הבסיסיים אינם מבדילים בין עבר ועתיד. הם סימטריים מבחינת זמן,” אומר קארול. קשור קירבה רבה לנושא הזמן הוא מושג האנטרופיה, מדד של אי-סדר ביקום. כפי שהפיזיקאי לודוויג בולצמן (Ludwig Boltzmann) הראה לפני כמאה שנה, האנטרופיה, באופן טבעי, גודלת עם הזמן. “אתה יכול להפוך ביצה לחביתה אבל לא חביתה לביצה”, אומר קארול.

המסתורין נשאר לגבי השאלה מדוע האנטרופיה הייתה נמוכה ביקום מלכתחילה. הקושי שבשאלה הטרידה מדענים מזה זמן רב, ורובם הניחו לה והשאירו אותה כחידה שתיפתר בעתיד. קארול וצ’ן עשו ניסיון לענות עליה עכשיו. חוקרים קודמים ניגשו לבעיות הקשורות למפץ הגדול עם ההנחה שהאנטרופיה ביקום היא סופית. קארול וצ’ן אימצו את הגישה הנגדית. “אנו מניחים כי האנטרופיה ביקום היא אינסופית. היא תמיד תוכל לגדול”, אומרת צ’ן.

כדי להסביר בהצלחה מדוע היקום נראה כפי שהוא נראה כיום, שתי הגישות צריכות לכלול בתוכן תהליך הנקרא תפיחה (Inflation), שהוא תוסף של תיאוריית המפץ הגדול. אסטרופיזיקאים המציאו את תיאוריית התפיחה כדי שיוכלו להסביר את היקום, כפי שהוא נראה כיום. ע”פ תיאוריית התפיחה היקום חווה תקופה של התפשטות מאסיבית בשבריר של שניה לאחר המפץ הגדול. אך ישנה בעיה עם תרחיש זה, “שלד בארון”, אומר קארול. כדי להתחיל בתפיחה על היקום להכיל טלאי מיקרוסקופי קטנטן בתצורה מאוד לא סבירה – לא משהו שהמדענים היו מצפים ממצב התחלתי הנבחר באופן מקרי. קארול וצ’ן טוענים כי מצב התחלתי כללי יהיה דומה לחלל קר וריק – במפורש לא נקודת ההתחלה המועדפת להתחלת התפיחה.

מספר מדענים מציעים, על בסיס ההנחה שהאנטרופיה ביקום סופית, כי תנודה מקרית יכולה לעורר תפיחה, אך הדבר דורש ממולקולות היקום להתנודד ממצב אנטרופי גבוה למצב אנטרופי נמוך – סיכוי קלוש מבחינה סטטיסטית. “התנאים הדרושים כדי להתחיל תפיחה אינם קלים להשגה,” אומר קארול. ” קיים ויכוח שְקל יותר לקבל את הופעת היקום מתנודה מקרית מאשר את התחלת התפיחה מתנודה מקרית.”

התרחיש של קארול וצ’ן, אודות אנטרופיה אינסופית, קיבל השראה מממצאי 1998: היקום יתפשט לנצח עקב כוח מסתורי הנקרא “אנרגיה אפילה”. תחת תנאים אלו התצורה הטבעית של היקום היא של אחד אשר כמעט ריק. “ביקום הנוכחי, האנטרופיה גדלה והיקום מתפשט ונהיה ריק יותר,” אומר קארול.

אבל אפילו לחלל ריק יש עקבות קלושות של אנרגיה המתנודדות ברמה התת-אטומית. כפי שכבר הוצע בעבר, ע”י ג’אום גאריגה (Jaume Garriga) מהאוניברסיטה האוטונומית של ברצלונה (Universitat Autonoma de Barcelona) ואלכסנדר וילנקין (Alexander Vilenkin) מאוניברסיטת טפט (Tufts), תנודות אלה יכולות לחולל מפצים גדולים משלהן באזורים זערוריים של היקום, המופרדים במרחקים גדולים מבחינת הזמן והמרחב. קארול וצ’ן מרחיבים את הרעיון באופן דרמטי, ומציעים כי התפיחה יכולה להתחיל “לאחור” בעבר הרחוק של היקום שלנו, כך שהזמן יראה כי הוא נע אחורה (מנקודת המבט שלנו) לצופים בעבר הרחוק שלנו.

בלי להתחשב בכיוון מסלולם, היקומים החדשים שנוצרו באותם מפצים גדולים ימשיכו בתהליך גדילת האנטרופיה. במחזור האינסופי הזה, היקום לעולם לא מגיע לשיווי-משקל. אם הוא כן היה מגיע לשיווי-משקל, שום דבר לא היה קורה. לא היה כל חץ של זמן.

“אין שום מצב שאליו תגיע ובו תהיה אנטרופיה מירבית. תמיד תוכל להגדיל את האנטרופיה ע”י יצירת יקום חדש ומתן אפשרות ליקום זה להתפשט ולהתקרר,” מסביר קארול.מודל מתמטי חדש מאפשר למדענים לתאר את הזמן שלפני היווצרות היקום

האם היה יקום שקרס לפני המפץ הגדול?

מאת עפרי אילני, הארץ, 3/7/2007

מה היה לפני שנוצר היקום? כאשר נשאלו אבות הכנסייה הקתולית מה עשה אלוהים לפני שברא את העולם, הם השיבו: “הוא הכין את הגיהנום לאלה שישאלו את השאלה הזאת”. אך גם בעידן המודרני ניסו פילוסופים ומדענים להשיב על שאלה זו, וברוב המקרים לא קיבלו תשובה.

אך כעת, אסטרופיסיקאים מהמחלקה לפיסיקה באוניברסיטת פנסילווניה טוענים שהצליחו לפתח מודל מתמטי חדש, שמתאר את ראשית היקום כ”פעימה גדולה”, במקום מודל “המפץ הגדול” המקובל כיום לתיאור ראשיתו של היקום. משמעות הדבר היא שהיקום הנוכחי נולד לאחר קריסתו של יקום קודם. התיאוריה, שפותחה על ידי צוות בראשות הפיסיקאי מרטין בויוואלד מאוניברסיטת פנסילווניה, פורסמה אתמול בכתב העת Nature Physics.

תיאוריית המפץ הגדול, המבוססת על תורת היחסות הכללית של איינשטיין, היא התיאוריה השלטת בנוגע להתהוותו ולהתפשטותו של היקום. לפי מודל זה, היקום התפשט מתוך נקודה ששטחה אפס, אך היא בעלת צפיפות אינסופית. נקודה זו מתוארת על ידי הפיסיקאים כ”ייחודיות” – מצב חריג שבו כל חוקי הטבע מתמוטטים, כולל תורת היחסות עצמה. מסיבה זו, סבורים רוב החוקרים כי לא ניתן לקבוע שום קביעה מדעית לגבי הזמן שלפני ראשית היקום.

בעמדה זו מחזיק, בין השאר, גם הפיסיקאי פרופ’ סטיוון הוקינג, שקובע בספרו “קיצור תולדות הזמן” כי “עד כמה שזה נוגע לנו, לאירועים שלפני המפץ הגדול אין שום השלכות, כך שאין להם מקום בדגם מדעי כלשהו של היקום”.

אלא שבשנים האחרונות, טוענים כמה פיסיקאים שהמבט אל מעבר למחסום המפץ הגדול הוא אפשרי. בויוואלד הוא אחד החוקרים המובילים המחזיקים בעמדה זו. מחקרו מתבסס על תיאוריה חדשה יחסית בשם “כבידה לולאתית” (loop gravity), שאותה מפתחים בשנים האחרונות מתמטיקאים מאוניברסיטת פנסילווניה. תיאוריה זו, המשלבת את תורת היחסות עם פיתוחים חדשניים של מכניקת הקוונטים, מסוגלת לטענת החוקרים “לפתוח חלון” בסינגולריות של ראשית היקום, שיאפשר הצצה ליקום שקדם לו.

בשונה מתיאוריית המפץ הגדול, התיאוריה החדשה טוענת שהמאסה שהיתה מרוכזת בראשית היקום היתה גדולה מאוד אך לא אינסופית, וגם שהנקודה שממנה החל היקום להתפשט היתה קטנה מאוד, אך לא אפסית בגודלה. עקב כך, חוקי הטבע אינם קורסים בראשית היקום, וניתן לקבוע קביעות גם לגבי התקופה שלפני המפץ הגדול.

לדברי בויוואלד, תורת היחסות היא חלקית, וכיום יש בידי הפיסיקאים כלים מתמטיים שלא היו ידועים לאיינשטיין. “התורה של איינשטיין לא כוללות את התחומים בפיסיקה קוואנטית שנדרשים כדי לתאר את האנרגיות הגבוהות שהיו ביקום שלנו בשלבים המוקדמים ביותר של התפתחותו”, הוא אומר. “אבל באמצעות הכבידה הלולאתית אנחנו מסוגלים לעשות את זה”. בויוואלד טוען גם שהמודל החדש שלו הוא פשוט ואלגנטי יותר מהמודל המקובל כיום של ראשית היקום.

מה אפשר לומר על היקום הקודם? לטענת בויוואלד, ניתן לקבוע שמבנה “היקום שלפני היקום” היה מבוסס על אותה גיאומטריה יסודית כמו היקום שלנו. עם זאת, תכונות מסוימות של אותו יקום עשויות להיות שונות מהיקום שלנו, אך אינן ניתנות לידיעה בשל התנאים הפיסיקליים יוצאי הדופן ששררו בראשיתו של היקום הנוכחי. בויוואלד שולל את האפשרות של “חזרה נצחית”, כלומר של סדרת יקומים זהים לחלוטין, שצמחו וקרסו לאורך זמן אינסופי. לדבריו, “לפחות חלק מהתכונות של כל יקום לא מצליחות ‘לשרוד את הנסיעה’ דרך הפעימה הגדולה, ונגנזות בתהום הנשייה של השכחה הקוסמית”.

למאמר המקורי ביוניברס טודיי