תפיסות מוטעות לגבי המפץ הגדול

התפשטות היקום מבלבלת אתכם? אינכם לבד. אפילו אסטרונומים טועים לפעמים בהבנתה

 
 
מאת: צ'רלס ה' ליינוויבר וטמרה מ' דייוויס. המאמר פורסם לראשונה בגרסה הישנה של אתר הידען בתאריך 18.6.2005, והועלתה מחדש בעקבות הרצאתו של הוקינג באוניברסיטה העברית ביום חמישי האחרון (14.12.2006) שתרגומה פורסם במקביל הערב
 
 התפשטות היקום היא אולי העובדה החשובה ביותר שגילינו מאז ומעולם אודות ראשיתנו. אלמלא התפשט היקום לא הייתם קוראים את המאמר הזה ובני אדם לא היו קיימים. גם גופים מולקולריים קרים, כמו אורגניזמים חיים או כוכבי לכת דמויי כדור ארץ לא היו נוצרים אלמלא החל היקום להתפשט ממפץ גדול לוהט, והתקרר תוך כדי כך. היווצרותם של כל המבנים ביקום: גלקסיות, כוכבים, כוכבי לכת ואפילו מאמרי סיינטיפיק אמריקן – תלויים כולם בהתפשטות היקום.
בחודש יולי 2005 ימלאו 40 שנה להכרזתה של קבוצת מדענים על גילוי ראיות מובהקות להתפשטות היקום ממצב קדמוני חם וצפוף יותר. הם מצאו את אור הדמדומים הצונן שנותר מהמפץ הגדול: קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו. מאז התגלית הזאת, התפשטות היקום והתקררותו היו עמודי התווך של הקוסמולוגיה כשם שהאבולוציה של דרווין היא עמוד התווך של הביולוגיה. בדומה לאבולוציה הדרווינית, התפשטות היקום מספקת את ההקשר שבו נוצרים מבנים פשוטים ומתפתחים במרוצת הזמן למבנים מורכבים. בלי אבולוציה והתפשטות אין משמעות רבה לא לביולוגיה המודרנית ולא לקוסמולוגיה המודרנית.
התפשטות היקום דומה לאבולוציה הדרווינית גם במובן נוסף, מעניין מאוד: רוב המדענים חושבים שהם מבינים אותה, אבל לא רבים מהם מסכימים על משמעותה האמיתית. גם כיום, 150 שנה אחרי פרסום הספר “מוצא המינים”, הביולוגים עוד מתווכחים על המנגנונים ועל ההשלכות של תורת דרווין (אם כי לא על אמיתותה), בעוד חלק ניכר מהציבור הרחב שרוי עדיין בעלטה קדם-דרווינית. בדומה לכך, 75 שנה אחרי שתוארה לראשונה התפשטות היקום, רבים עדיין טועים בהבנתה. קוסמולוג בכיר שמילא תפקיד חשוב בפירוש משמעותה של קרינת הרקע הקוסמית – ג'יימס פיבלס מאוניברסיטת פרינסטון – כתב ב-1993: “ממדיה ועושרה של התמונה הזאת [מודל המפץ הגדול] עדיין אינם מובנים במלואם, כפי שהיה ראוי לדעתי… אפילו בקרב כמה מן התורמים המרתקים ביותר לזרם הרעיונות.”
פיזיקאים ידועי שם, מחבריהם של ספרי לימוד באסטרונומיה וסופרי מדע פופולרי חשובים, כתבו על התפשטות היקום דברים שגויים, מוליכי שולל או חשופים לפרשנות שגויה. הואיל וההתפשטות היא בסיסו של מודל המפץ הגדול, נודעת חשיבות מרובה לאי-הבנות כאלה. ההתפשטות היא רעיון פשוט ומפתה, אבל מהי בדיוק משמעות האמירה שהיקום הולך ומתפשט? להיכן הוא מתפשט? האם גם כדור הארץ מתפשט? וכאילו לא היה די בבלבול הקיים, מתברר עכשיו שהתפשטות היקום הולכת ומואצת, ולתהליך הזה יש השלכות שמאמצות באמת ובתמים את כוח הדמיון.
מהי בכלל התפשטות?
כשגוף רגיל ומוכר כלשהו מתפשט, למשל קרסול נקוע או האימפריה הרומית או פצצה, הוא נעשה גדול יותר בכך שהוא מתפשט למרחב שמסביב לו. קרסוליים, אימפריות ופצצות, לכולם יש מרכזים ויש שוליים. מעבר לשוליים, יש מקום שאפשר להתפשט אליו. ליקום, ככל הנראה, אין שוליים, אין מרכז ואין חוץ, אז איך הוא יכול בכלל להתפשט?
כאנלוגיה טובה, תארו לעצמכם שאתם נמלים שחיות על פניו של בלון מתנפח. עולמכם הוא דו-ממדי; הכיוונים היחידים שאתם מכירים הם שמאל, ימין, קדימה ואחורה. אין לכם שום מושג מה פירוש המלים “למעלה” ו”למטה”. יום אחד מגלה נמלה אחת כי הדרך שעליה לעבור כדי לחלוב את הכנימות שלה נמשכת זמן רב יותר מכפי שנמשכה בעבר: יום אחד עברה את הדרך בחמש דקות, למחרת בשש דקות, ביום הבא – בשבע. ומשך הזמן הדרוש כדי ללכת למקומות מוכרים אחרים התארך אף הוא. הנמלה ההיא בטוחה שהיא אינה הולכת לאט יותר ושהכנימות מסתובבות להן באקראי קבוצות-קבוצות, ואינן זוחלות במאורגן ממנה והלאה.
זוהי הנקודה החשובה: המרחקים אל הכנימות התארכו, אף על פי שהכנימות עצמן לא נדדו לשום מקום. הן נשארו כפי שהיו, במנוחה ביחס ליריעת הגומי של הבלון, ובכל זאת המרחקים אליהן וביניהן הולכים וגדלים. משהבחנתם בעובדות האלה תוכלו להסיק שהקרקע תחת כפות רגליכם מתפשטת. זה מוזר מאוד, מפני שכבר הקפתם את כל עולמכם ולא מצאתם שום שוליים או “חוץ” שלתוכם העולם יכול להתפשט.
התפשטות היקום שלנו דומה מאוד להתנפחותו של בלון. המרחקים אל גלקסיות רחוקות הולכים ומתארכים. האסטרונומים מדברים כלאחר יד על “נסיגה” או “התרחקות” של גלקסיות רחוקות, אבל הגלקסיות אינן נעות במרחב מאיתנו והלאה. הן אינן רסיסים של פצצה קוסמית ענקית. במקום זאת, המרחב שבין הגלקסיות לבינינו מתפשט. הגלקסיות השונות נעות באקראי לכל עבר בתוך הצבירים שלהן, אבל צבירי הגלקסיות שרויים למעשה במנוחה. את המונח “במנוחה” אפשר להגדיר בדקדקנות רבה. קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו ממלאת את היקום ומגדירה מסגרת ייחוס אוניברסלית, כמו יריעת הבלון באנלוגיה, שביחס אליה אפשר למדוד תנועות.
אבל אל לנו למתוח יותר מדי את משל הבלון. מנקודת ראותנו שמחוץ לבלון, התפשטותה של יריעת הגומי הדו-ממדית הקמורה אפשרית רק מפני שהיא שרויה במרחב תלת-ממדי. בממד השלישי הזה יש לבלון מרכז, ופני השטח שלו מתפשטים אל תוך האוויר הסובב אותו כשהוא מתנפח. מכאן אפשר להסיק שהתפשטות המרחב התלת-ממדי שלנו מחייבת את נוכחותו של ממד רביעי. אבל בתורת היחסות הכללית של איינשטיין, אבן הפינה של הקוסמולוגיה המודרנית, המרחב הוא דינמי. הוא מסוגל להתפשט, להתכווץ ולהתעקם אף על פי שאינו שרוי בתוך מרחב בעל ממדים רבים יותר.
במובן זה, היקום עומד ברשות עצמו. אין לו צורך במרכז כדי להתפשט ממנו והלאה, או במרחב ריק מחוץ לו (מה שזה לא יהיה) כדי להתפשט לתוכו. כשהוא מתפשט, אין הוא משתלט על מרחב שהיה פנוי קודם לכן מסביבו. כמה תיאוריות חדישות, כמו תורת המיתרים, אכן מדברות על ממדים נוספים, אבל התפשטות היקום התלת-ממדי שלנו אינה זקוקה לממדים הנוספים האלה כדי להתרחב לתוכם.
פקק תנועה קוסמי תמידי
ביקום שלנו, כמו על פני הבלון המתנפח, כל הדברים מתרחקים זה מזה. לפיכך, המפץ הגדול לא היה התפוצצות בתוך המרחב; הוא היה דומה יותר להתפוצצות של המרחב. הוא לא התחולל במקום מסוים והתפשט משם כלפי חוץ, לאיזה חלל דמיוני שהיה קיים עוד לפני כן. הוא התרחש בכל המקומות בבת אחת.
אם נתאר לעצמנו שהשעון נע אחורה בזמן, כל אזור נתון ביקום יתכווץ, וכל הגלקסיות ייעשו קרובות יותר זו לזו, עד שהן תתנגשנה יחדיו בפקק תנועה קוסמי – המפץ הגדול. מהאנלוגיה הזו לפקק תנועה אפשר להבין כאילו מדובר בבעיה מקומית שאפשר לעקוף אותה אם מאזינים למוקד התנועה ברדיו. אבל המפץ הגדול היה פקק תנועה שאין שום אפשרות לעקוף אותו. תארו לעצמכם שפני כדור הארץ מתכווצים, עם כל הכבישים והדרכים, אבל המכוניות שומרות על גודלן. בסופו של דבר תהיה הצטופפות של פגוש אל פגוש בכל דרך וכביש. שום מוקד תנועה לא יועיל כנגד פקק תנועה כזה: ההצטופפות מתרחשת בכל המקומות.
בדומה לכך, המפץ הגדול קרה בכל מקום ומקום – בחדר שבו אתם קוראים את המאמר הזה, בנקודה קצת שמאלה מהכוכב אלפא קנטאורי, בכל המקומות. הוא לא היה דומה לפצצה שמתפוצצת בנקודה מסוימת, שאותה אנו מזהים כמוקד הפיצוץ. אם נחזור לאנלוגיית הבלון, אין שום מקום מיוחד על פני הבלון שהוא מוקד ההתפשטות.
הימצאותו זו של המפץ הגדול בכל אתר ואתר עומדת בעינה בלי קשר לשאלות כמו מהו גודל היקום, או אפילו אם גודלו סופי או אינסופי. לפעמים אומרים הקוסמולוגים שהיקום היה פעם בגודל של אשכולית, אבל כוונתם האמיתית היא שאותו חלק של היקום שאנו יכולים לראות עכשיו – היקום הנצפה – הוא שהיה בגודל של אשכולית.
לצופים שחיים בגלקסיה אנדרומדה, או מעבר לה, יש יקומים נצפים משלהם, שונים משלנו אך חופפים במידה מסוימת. בני אנדרומדה יכולים לראות גלקסיות שאנו איננו יכולים לראות רק מפני שהם קצת יותר קרובים אליהן, וגם ההפך מזה נכון. גם היקום הנצפה שלהם היה פעם בגודל של אשכולית. לכן אנו יכולים לדמיין את היקום בראשיתו כערימה של אשכוליות חופפות חלקית, המשתרעת לאינסוף בכל הכיוונים. בדומה לכך, הרעיון כאילו המפץ הגדול היה “קטן”, יש בו כדי להוליך שולל. המרחב בכללותו היה כנראה אינסופי. כווצו מרחב אינסופי במידה שרירותית, ועדיין הוא יהיה אינסופי.
התרחקות במהירות גבוהה ממהירות האור
מכלול אחר של תפיסות שגויות נוגע לתיאור הכמותי של ההתפשטות. הקצב שבו גדלים המרחקים בין הגלקסיות נוהג לפי חוקיות מובהקת, שאותה גילה האסטרונום האמריקאי אדווין האבל ב-1929: מהירות התרחקותה של גלקסיה כלשהי מאיתנו (v) עומדת ביחס ישר למרחקה מאיתנו (d), כלומר, v = Hd. המקדם H נקרא קבוע האבל, והוא מכמת את מהירות התמתחותו של המרחב – לא רק סביבנו, אלא סביב כל משקיף ביקום.
כמה אנשים מתבלבלים מפני שלא כל הגלקסיות מצייתות לחוק האבל. אנדרומדה, הגלקסיה הגדולה הקרובה אלינו יותר מכל השאר, דווקא נעה לעברנו, ולא מאיתנו והלאה. החריגים האלה נובעים מכך שחוק האבל מתאר את התנהגותן הממוצעת של הגלקסיות. יכולות להיות לגלקסיות גם מהירויות מקומיות צנועות, כשהן מתנועעות כה וכה ומפעילות משיכת כבידה זו על זו – וזה מה שקורה בין שביל החלב ואנדרומדה. גם לגלקסיות רחוקות יותר יש מהירויות מקומיות קטנות, אבל מנקודת הראות שלנו (ערכים גבוהים של d), המהירויות האקראיות האלה שוליות לעומת מהירויות ההתרחקות הגבוהות (v). לכן, בהתייחס לגלקסיות כאלה, חוק האבל תופס בדיוק רב.
שימו לב: לפי חוק האבל, היקום אינו מתפשט במהירות אחת ויחידה. כמה גלקסיות מתרחקות מאיתנו בשיעור של 1,000 ק”מ בשנייה, אחרות (שמרחקן מאיתנו כפול) בשיעור 2,000 ק”מ בשנייה, וכן הלאה. למעשה, חוק האבל מנבא כי גלקסיות שנמצאות מעבר למרחק מסוים, הידוע בשם מרחק האבל, מתרחקות מאיתנו במהירות גבוהה ממהירות האור. לפי ערכו המדוד של קבוע האבל, מרחק זה הוא בערך 14 מיליארד שנות אור.
האם הניבוי הזה בדבר גלקסיות שמהירותן עולה על מהירות האור מלמד שחוק האבל שגוי? האם לא קבעה תורת היחסות הפרטית של איינשטיין כי שום דבר אינו יכול לנוע במהירות גבוהה ממהירות האור? שאלה זו בלבלה דורות של סטודנטים. התשובה היא שתורת היחסות הפרטית חלה רק על מהירויות “רגילות” – על תנועות במרחב. המהירות שאליה מתייחס חוק האבל היא מהירות התרחקות שסיבתה היא התפשטות המרחב עצמו, ולא תנועה בתוך המרחב. זהו אפקט של תורת היחסות הכללית, שאינו כפוף לסייגיה של תורת היחסות הפרטית. מהירות התרחקות שעולה על מהירות האור אינה מפירה את תורת היחסות הפרטית. עדיין אמת היא ששום דבר אינו יכול לנוע מהר יותר מאלומת אור.
התמתחות והתקררות
התצפית הראשונית שלפיה היקום מתפשט התפתחה בין 1910 ל-1930. אטומים פולטים ובולעים אור באורכי גל מוגדרים, כפי שנמדד בניסויי מעבדה. תבניות הפליטה והבליעה הללו נראות גם באור המגיע מגלקסיות רחוקות, אלא שתבניות אלה מוסטות אל אורכי גל גבוהים יותר. האסטרונומים אומרים שאור הגלקסיות “מוסט לאדום”. ההסבר פשוט לגמרי: כשהמרחב מתפשט, גלי האור נמתחים. אם המרחב הכפיל את גודלו במשך מסעם של הגלים, אורכי הגל שלהם הוכפלו והאנרגיה שלהם ירדה למחצית מערכה המקורי.
אפשר לתאר את התהליך הזה במונחים של טמפרטורה. לפוטונים שגוף פולט יש משהו משותף – טמפרטורה – התפלגות מסוימת של אנרגיה שמשקפת את מידת החום של הגוף. כשהפוטונים חוצים את המרחב המתפשט, הם מאבדים אנרגיה והטמפרטורה שלהם יורדת. בדרך זו מתקרר היקום תוך כדי התפשטותו, כשם שהאוויר הדחוס במכל של צוללן מתקרר כאשר משחררים אותו ומניחים לו להתפשט. לדוגמה, הטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו עומדת כיום על כ-3 מעלות קלווין, אף שהתהליך ששחרר את הקרינה הזאת התרחש בטמפרטורה של 3,000 מעלות קלווין בערך. במשך הזמן שחלף מאז נפלטה הקרינה הזאת עלה גודל היקום פי 1,000, ולכן ירדה טמפרטורת הפוטונים בשיעור זה. אסטרונומים שצפו בגז שבגלקסיות רחוקות מדדו במישרין את טמפרטורת הקרינה בעבר הרחוק, ומדידות אלה אישרו שבמרוצת הזמן היקום הולך ומתקרר.
יש שפע של אי-הבנות סביב היחס בין היסט לאדום לבין מהירות. רבים מתבלבלים בין ההיסט לאדום שמקורו בהתפשטות היקום, לבין ההיסט לאדום היום-יומי יותר, שמקורו באפקט דופלר. אפקט דופלר המוכר גורם להתארכותם של גלי קול אם מקור הקול נע מאיתנו והלאה – לדוגמה, צפירתו ההולכת ומנמיכה של קטר רכבת. העיקרון הזה חל גם על גלי אור, המתארכים כאשר מקור האור נע במרחב מאיתנו והלאה.
הדבר דומה, אבל לא זהה, למה שקורה לאורן של גלקסיות רחוקות. ההיסט לאדום הקוסמולוגי אינו היסט דופלר רגיל. פעמים רבות האסטרונומים מדברים על השניים כאילו אין הבדל ביניהם ומבלבלים שלא לצורך את הסטודנטים שלהם. ההיסט לאדום נוסח דופלר וההיסט לאדום הקוסמולוגי מתוארים באמצעות שתי נוסחאות שונות. הראשונה מקורה בתורת היחסות הפרטית, שאינה מביאה בחשבון את התפשטות המרחב, ואילו השנייה מקורה בתורת היחסות הכללית, שמביאה אותה בחשבון. שתי הנוסחאות כמעט זהות כשמדובר בגלקסיות סמוכות, אבל הולכות ומתבדרות במה שנוגע לגלקסיות רחוקות.
לפי נוסחת דופלר הרגילה, גופים שמהירותם במרחב קרובה למהירות האור מציגים היסט לאדום קרוב לאינסוף. אורכי הגלים שנפלטים מהם נעשים ארוכים עד כדי כך שאי אפשר עוד להבחין בהם. אילו חלה הקביעה הזאת על הגלקסיות, היו הגופים הנראים הרחוקים ביותר בשמים צריכים להתרחק במהירויות שנופלות רק במעט ממהירות האור, אבל נוסחת ההיסט לאדום הקוסמולוגי מוליכה למסקנה שונה לגמרי. במודל הסטנדרטי העכשווי של הקוסמולוגיה, גלקסיות שההיסט לאדום שלהן הוא 1.5 בקירוב – כלומר, שאורכי הגל של האור שלהן גבוהים פי 1.5 מערך הייחוס שנמדד במעבדה – מתרחקות מאיתנו במהירות האור. האסטרונומים צפו בכ-1000 גלקסיות בעלות היסטים לאדום שמעל 1.5. במלים אחרות, הם ראו כ-1000 גופים שמתרחקים מאיתנו במהירות גבוהה ממהירות האור; ובהתאם, אנו מתרחקים מהגלקסיות האלה במהירות גבוהה ממהירות האור. קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו עברה מרחקים גדולים עוד יותר, וההיסט לאדום שלה הוא 1,000 בערך. כאשר פלטה הפלזמה הלוהטת של היקום הצעיר את הקרינה שאנו רואים עכשיו, היא התרחקה ממקומנו במהירות גבוהה פי 50 בערך ממהירות האור.
לרוץ כדי להישאר במקום
הדיבורים על גלקסיות שמהירותן גבוהה ממהירות האור נשמעים כמו מיסטיקה, אבל הדבר דווקא אפשרי בגלל שינויים בקצב ההתפשטות. תארו לעצמכם אלומת אור שמרחקה מאיתנו עולה על מרחק האבל, 14 מיליארד שנות אור, והיא מנסה לעשות את דרכה אלינו. היא נעה לעברנו במהירות האור, יחסית למרחב המקומי שלה, אבל המרחב המקומי שלה מתרחק מאיתנו במהירות גבוהה ממהירות האור. אף על פי שאלומת האור נעה לעברנו בכל המהירות האפשרית, אין היא יכולה להדביק את התמתחות המרחב. הדבר דומה לילד שמנסה לעלות בדרגנוע כנגד כיוון תנועתו. פוטונים במרחק האבל מזכירים את המלכה האדומה שאמרה לאליס כי בארץ המראה יש לרוץ בכל המהירות האפשרית רק כדי להישאר באותו המקום.
מכאן עלולים להסיק כי אור שמעבר למרחק האבל לא יגיע אלינו לעד, ולפיכך לעולם יישאר מקורו בלתי נצפה. אבל מרחק האבל אינו קבוע, כי קבוע האבל, שבו הוא תלוי, משתנה במרוצת הזמן. ביתר פירוט, ערך הקבוע עומד ביחס ישר לשיעור הגידול במרחק בין שתי גלקסיות, חלקי מרחק זה. (לצורך החישוב אפשר להשתמש בכל צמד גלקסיות שהוא.) במודלים של היקום ההולמים את נתוני התצפיות, המכנה גדל מהר יותר מהמונה, ולכן קבוע האבל הולך וקטן. כיוון שכך, מרחק האבל הולך וגדל. תוך כדי כך, אור שנע לעברנו, ושנמצא בתחילה ממש מעבר למרחק האבל, והתרחק מאיתנו (בגלל התפשטות המרחב), עשוי למצוא את עצמו בהמשך בתוך מרחק האבל. מעתה נמצאים הפוטונים האלה באזור של המרחב שהתרחקותו מאיתנו אטית ממהירות האור, ולכן הם יכולים להגיע אלינו.
אבל הגלקסיה שממנה באו הפוטונים אולי ממשיכה להתרחק במהירות גבוהה ממהירות האור. לכן אנו יכולים לצפות באורן של גלקסיות שהתרחקו מאיתנו תמיד – ויתרחקו מאיתנו תמיד – במהירות גבוהה ממהירות האור. במלים אחרות, מרחק האבל אינו קבוע, ואינו מציין את גבול היקום הנצפה.
אם כן, מה מציין את גבול היקום הנצפה? שוב, זהו נושא ששורר בו בלבול רב. אילולא התפשט המרחב, הגוף הרחוק ביותר שהיינו יכולים לראות היה נמצא במרחק של כ-14 מיליארד שנות אור מאיתנו, כי זה המרחק שהאור היה יכול לעבור ב-14 מיליארדי השנים שמאז המפץ הגדול. אך מכיוון שהיקום מתפשט, המרחב שהפוטון כבר צלח ממשיך להתפשט מאחוריו במשך מסעו. לפיכך, המרחק העכשווי אל העצם הרחוק ביותר שאנו יכולים לראות גדול מזה פי שלושה בערך, כ-46 מיליארד שנות אור.
כאשר נתגלה לא מזמן שהתפשטות היקום מואצת, המצב נעשה מעניין עוד יותר. לפני כן חשבו הקוסמולוגים שאנו חיים ביקום שהולך ומאט, ולכן יצטרפו עוד ועוד גלקסיות לשדה הראייה שלנו. אבל ביקום שהולך ומאיץ, אנו מוקפים בגבול שמעבר לו מתרחשים אירועים שלא נוכל לראות לעולם ועד – אופק אירועים קוסמי. על מנת שאורן של גלקסיות מתרחקות במהירות גבוהה ממהירות האור יוכל להגיע אלינו, קבוע האבל צריך לגדול; אבל ביקום מואץ, הוא מפסיק לגדול. אירועים רחוקים יכולים לשגר אלומות אור לעברנו, אבל האור הזה נשאר לכוד מעבר למרחק האבל מחמת האצת ההתפשטות.
היקום המואץ, אם כן, דומה לחור שחור בכך שיש לו אופק אירועים – שפה שמעבר לה איננו יכולים לראות. המרחק העכשווי אל אופק האירועים הקוסמי שלנו הוא 16 מיליארד שנות אור, וזה בהחלט בתוך תחום הצפייה שלנו. אור שבקע מגלקסיות שמצויות עתה מעבר לאופק האירועים לא יוכל להגיע אלינו לעולם; המרחק העומד עתה על 16 מיליארד שנות אור יתפשט במהירות גבוהה מדי. עדיין נוכל לראות אירועים שהתרחשו בגלקסיות האלה לפני שחצו את האופק, אבל אירועים מאוחרים יותר יסתתרו מעינינו לעד.
האם ברוקלין מתפשטת?
בסרט “הרומן שלי עם אנני”, הילד המייצג את וודי אלן הצעיר מסביר לרופא ולאימא שלו מדוע אינו מעוניין להכין שיעורים. “היקום מתפשט… היקום הוא הכול, ואם הוא מתפשט, אז מתישהו הוא יתפרק, וזה יהיה הסוף של הכול!” אבל אמו יודעת מה נכון ומה לא: “אתה כאן בברוקלין. ברוקלין לא מתפשטת!”
והצדק עמה. ברוקלין לא מתפשטת. רבים חושבים שעם התפשטות היקום, כל הדברים מתפשטים אף הם. אבל אין זו אמת. ההתפשטות עצמה – כלומר התפשטות במהירות קבועה, שאינה מואצת ואינה מואטת – אינה מחוללת שום כוח. אורכי הגל של הפוטונים מתמתחים עם היקום משום שפוטונים, שלא כמו אטומים או ערים, אינם עצמים קוהרנטיים שגודלם נקבע מתוך פשרה בין כוחות. אמנם שינוי קצב ההתפשטות מוסיף כוח חדש לתערובת, אבל אפילו הכוח החדש הזה אינו גורם להתפשטות עצמים או להתכווצותם.
לדוגמה, אילו נעשתה הכבידה חזקה יותר, עמוד השדרה שלנו היה נדחס עד שהאלקטרונים בחוליות היו מגיעים לשיווי משקל חדש, בקרבה קצת יותר גדולה זה לזה. היינו נעשים נמוכים יותר, אבל לא היינו ממשיכים להתכווץ. באורח דומה, אילו חיינו ביקום שמושל בו כוח משיכת הכבידה, כפי שחשבו רוב הקוסמולוגים עד לפני כמה שנים, ההתפשטות הייתה מואטת, מפעילה דחיסה קלה על הגופים ביקום, והם היו מגיעים לגודל קטן יותר של שיווי משקל. אך משהגיעו אליו, הם לא היו ממשיכים להתכווץ.
אך בפועל, התפשטותו של יקומנו מואצת, והדבר מפעיל על הגופים שבו כוח קל כלפי חוץ. עקב כך, גופים קשורים נעשים קצת יותר גדולים מכפי שהיו ביקום שאינו מואץ, כי שיווי המשקל בין הכוחות מושג בגודל קצת יותר גבוה. על פני כדור הארץ, ההאצה כלפי חוץ – ממרכז כדור הארץ והלאה – היא שבריר זעיר (10-30) של תאוצת הכבידה הרגילה כלפי פנים. אם התאוצה הזאת קבועה, אין היא גורמת להתפשטות כדור הארץ; במקום זה עולמנו פשוט מתפשר על גודל קצת יותר גדול של שיווי משקל סטטי.
הניתוח הזה משתנה אם התאוצה אינה קבועה, כפי שמעריכים כמה קוסמולוגים. אם התאוצה עצמה עולה, היא עתידה בסופו של דבר להיות חזקה עד כדי כך שתפורר את כל המבנים – “הקרע הגדול”. אבל הקרע הזה לא יתרחש בגלל ההתפשטות או התאוצה כשלעצמן, אלא בגלל האצת התאוצה.
מודל המפץ הגדול מבוסס על תצפיות בהתפשטות, בקרינת הרקע הקוסמית, בהרכבו הכימי של היקום ובהצטברויות החומר בו. כמו כל הרעיונות המדעיים, ייתכן שבעתיד יפנה המודל הזה את מקומו לאחר. אבל עד אז הוא הולם טוב יותר את הנתונים שבידינו מכל מודל אחר שהוצע. ככל שמצטברות מדידות חדשות ומדויקות, המאפשרות לקוסמולוגים להבין טוב יותר את ההתפשטות והתאוצה, כך הם יכולים לשאול שאלות מעמיקות יותר על הזמנים הקדומים ביותר ועל קני המידה הגדולים ביותר של היקום. מה גרם להתפשטות? קוסמולוגים רבים מייחסים אותה לתהליך הקרוי תפיחה (אינפלציה), שהיה סוג של התפשטות מואצת. אבל התשובה הזאת חייבת להיות חלקית בלבד, שהרי הדעת נותנת כי היקום חייב להיות שרוי בהתפשטות, על מנת שזו תוכל להיעשות מואצת. ומה על קני המידה הגדולים ביותר, מעבר למה שאנו יכולים לראות? האם חלקים שונים של היקום מתפשטים בשיעורים שונים, כך שיקומנו הוא רק בועה תופחת אחת ברב-יקום הרבה יותר גדול? איש אינו יודע. למרות השאלות הרבות שעדיין תלויות ועומדות, התצפיות נעשות מדויקות יותר ויותר, ועתה הן רומזות שהיקום ימשיך להתפשט לצמיתות. אבל אנו מקווים שהבלבול האופף את ההתפשטות הזאת דווקא יתכווץ.

 

סקירה כללית / בלבול קוסמיהתפשטות היקום היא אחד הרעיונות היסודיים ביותר במדע המודרני, אבל רבים מבינים אותה שלא כהלכה.
המפתח למניעת אי-הבנות הוא שלא להתייחס כפשוטו למונח “המפץ הגדול”. המפץ הגדול אינו פצצה שהתפוצצה במרכז היקום ושיגרה גושי חומר החוצה, אל חלל שהיה קיים מלכתחילה. במקום זאת הייתה זו התפוצצות של המרחב עצמו, שהתרחשה בכל מקום ומקום, כפי שהתפשטות פני השטח של בלון מתרחשת בכל נקודה ונקודה של פני הבלון.
הבדל זה בין התפשטות בתוך מרחב לבין התפשטות של מרחב אולי אינו נראה חשוב, אבל יש לו השלכות מרחיקות לכת על גודל היקום, על קצב התרחקותן של הגלקסיות זו מזו, על סוגי התצפיות שהאסטרונומים יכולים לערוך ועל טיבה של ההתפשטות המואצת המתרחשת ככל הנראה, גם עתה.
אם נדקדק בלשוננו, מודל המפץ הגדול יכול לומר מעט מאוד על המפץ הגדול עצמו. הוא מתאר את מה שקרה אחר כך.

מה התפוצץ במפץ הגדול?
לא נכון: המפץ הגדול היה דומה לפצצה שהתפוצצה במקום מסוים, בחלל שהיה ריק קודם לכן.
לפי השקפה זו, היקום נברא כאשר התפוצץ חומר מתוך מקום מסוים כלשהו. הלחץ היה גבוה ביותר במרכז, ונמוך ביותר בחלל שמסביב; הפרש הלחצים הזה דחף את החומר כלפי חוץ.
נכון: מה שהתפוצץ היה המרחב עצמו.
המרחב שבו אנו מצויים מתפשט בעצמו. לא היה מרכז להתפוצצות הזאת; היא התרחשה בכל מקום ומקום. הצפיפות והלחץ היו שווים בכל המקומות, כך שלא היו הפרשי לחצים מהסוג הדוחף התפוצצות רגילה.

האם יכולות גלקסיות להתרחק במהירות גבוהה ממהירות האור?
לא נכון: ודאי שלא. תורת היחסות הפרטית של איינשטיין אוסרת על כך.
תארו לעצמכם אזור במרחב שיש בו כמה גלקסיות. הגלקסיות נעות מאיתנו והלאה – ככל שגלקסיה רחוקה יותר, כן מהירותה גבוהה יותר [חצים צהובים]. אם מהירות האור היא הגבול העליון, מהירות הגלקסיות חייבת להתייצב עליה בסופו של דבר.
נכון: ודאי שכן. תורת היחסות הפרטית אינה חלה על מהירות התרחקות.
ביקום מתפשט, מהירות ההתרחקות עולה בהתמדה עם המרחק. מעבר למרחק מסוים, הקרוי מרחק האבל, היא עולה על מהירות האור. אין זו הפרה של תורת היחסות, כי סיבתה של מהירות ההתרחקות אינה תנועה בתוך מרחב, אלא התפשטות של המרחב.

השערה מייגעת
כל אימת שסיינטיפיק אמריקן מפרסם מאמר על קוסמולוגיה, כמה קוראים כותבים אלינו וטוענים שהגלקסיות אינן באמת מתרחקות מאיתנו, כי התפשטות המרחב אינה אלא אשליה. לטענתם, ההיסטים לאדום של הגלקסיות אינם נגרמים אלא בגלל “התעייפות” האור במהלך מסעו הארוך. ייתכן שתהליך לא ידוע כלשהו גורם לאור לאבד אנרגיה באופן ספונטני, וזה מביא להאדמתו תוך כדי תנועתו במרחב.
כמה מדענים הציעו את הרעיון הזה בפעם הראשונה לפני 75 שנה, וכמו כל מודל טוב, הוא מציג ניבויים שאפשר להעמידם למבחן. אבל כמו כל מודל רע, הניבויים שלו אינם תואמים את התצפיות. לדוגמה, כאשר כוכב מתפוצץ כסופרנובה, הוא מתבהר ואחר כך מתעמעם – תהליך שנמשך כשבועיים, בסוג הסופרנובות שהאסטרונומים מסתייעים בהן למיפוי המרחב. במשך השבועיים האלה, הסופרנובה פולטת זרם של פוטונים. השערת האור העייף מנבאת שהפוטונים האלה יאבדו אנרגיה בדרכם, אבל הצופים יראו תמיד זרם שנמשך שבועיים.
אבל ביקום מתפשט, לא זו בלבד שפוטונים יחידים נעשים מתוחים יותר (ולכן מאבדים אנרגיה), אלא גם זרם הפוטונים כולו מתמתח. לכן דרושים לפוטונים יותר משבועיים כדי להגיע לכדור הארץ. תצפיות שנעשו לא מכבר מאמתות את האפקט הזה. סופרנובה בגלקסיה שההיסט לאדום שלה הוא 0.5 נמשכת לכאורה שלושה שבועות; בגלקסיה שההיסט שלה 1, היא נמשכת לכאורה ארבעה שבועות.
השערת האור העייף גם מנוגדת לתצפיות בספקטרום של קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו, ובבהירות פני השטח של גלקסיות רחוקות.

האם אפשר לראות גלקסיות מתרחקות במהירות גבוהה ממהירות האור?
לא נכון: ודאי שלא. אורן של גלקסיות כאלה לא יגיע אלינו לעולם.
גלקסיה שמרחקה עולה על מרחק האבל מתרחקת מאיתנו במהירות גבוהה ממהירות האור. היא פולטת פוטון [קו זיגזג צהוב]. עם התפשטות המרחב, הפוטון נגרר לאחור כמו דג שמנסה לשחות נגד הזרם. הפוטון לא יגיע אלינו לעולם.
נכון: ודאי שכן, כי קצב ההתפשטות משתנה במרוצת הזמן.
בתחילה, אכן אין בכוחו של הפוטון להגיע אלינו. אבל מרחק האבל אינו קבוע; הוא הולך וגדל, וייתכן שיגדל עד שיכיל את הפוטון. מרגע שיקרה הדבר, הפוטון יתקרב אלינו ובסופו של דבר יגיע אלינו.

למה יש היסט לאדום קוסמי?
לא נכון: מפני שהגלקסיות המתרחקות נעות במרחב ומציגות לפנינו היסט דופלר.
לפי אפקט דופלר, תנועתה של גלקסיה מאיתנו והלאה מותחת את גלי האור והם נעשים אדומים יותר. אורך גל האור הזה נשאר בעינו במשך מסעו במרחב. המשקיף הרואה את האור מודד את היסט דופלר שלו ומחשב את מהירות הגלקסיה.
נכון: גלקסיות כמעט אינן נעות במרחב, ולכן הן פולטות אור באותם אורכי גל פחות או יותר, לכל הכיוונים [למעלה]. אורכי הגלים הולכים ומתארכים במהלך המסע מפני שהמרחב מתפשט. לכן האור הולך ומאדים בהדרגה [באמצע ולמטה]. כמות ההיסט לאדום שונה מזו שהייתה מתקבלת מאפקט דופלר.

מה גודלו של היקום הנצפה?
לא נכון: גיל היקום הוא 14 מיליארד שנה, לכן רדיוס החלק הנצפה שלו הוא 14 מיליארד שנות אור.
ראו את הגלקסיה הרחוקה ביותר שאנו יכולים לצפות בה – גלקסיה שהחלה לפלוט פוטונים זמן קצר אחרי המפץ הגדול, והם מתחילים להגיע אלינו רק עכשיו. שנת אור היא המרחק שפוטונים עוברים בשנה אחת. לכן פוטון מהגלקסיה הזאת עבר דרך של 14 מיליארד שנות אור.
נכון: הואיל והיקום מתפשט, רדיוס החלק הנצפה שלו עולה על 14 מיליארד שנות אור.
תוך כדי תנועת הפוטון, המרחב שהוא חוצה הולך ומתפשט. עד שהפוטון מגיע אלינו, המרחק הכולל אל הגלקסיה שממנה יצא, גדול למען האמת פי שלושה מהחישוב הפשוט המבוסס על משך המסע.

האם גופים בתוך היקום מתפשטים גם הם?
לא נכון: כן. ההתפשטות מגדילה את היקום ואת כל אשר בו.
ראו גלקסיות בצביר. כשהיקום גדל, גדלות הגלקסיות וגדל הצביר כולו. שולי הצביר [מסגרת צהובה] נעים כלפי חוץ.
התפשטות היקום היא אחד הרעיונות היסודיים ביותר במדע המודרני, אבל רבים מבינים אותה שלא כהלכה.המפתח למניעת אי-הבנות הוא שלא להתייחס כפשוטו למונח “המפץ הגדול”. המפץ הגדול אינו פצצה שהתפוצצה במרכז היקום ושיגרה גושי חומר החוצה, אל חלל שהיה קיים מלכתחילה. במקום זאת הייתה זו התפוצצות של המרחב עצמו, שהתרחשה בכל מקום ומקום, כפי שהתפשטות פני השטח של בלון מתרחשת בכל נקודה ונקודה של פני הבלון.הבדל זה בין התפשטות בתוך מרחב לבין התפשטות של מרחב אולי אינו נראה חשוב, אבל יש לו השלכות מרחיקות לכת על גודל היקום, על קצב התרחקותן של הגלקסיות זו מזו, על סוגי התצפיות שהאסטרונומים יכולים לערוך ועל טיבה של ההתפשטות המואצת המתרחשת ככל הנראה, גם עתה.אם נדקדק בלשוננו, מודל המפץ הגדול יכול לומר מעט מאוד על המפץ הגדול עצמו. הוא מתאר את מה שקרה אחר כך.לא נכון: המפץ הגדול היה דומה לפצצה שהתפוצצה במקום מסוים, בחלל שהיה ריק קודם לכן.לפי השקפה זו, היקום נברא כאשר התפוצץ חומר מתוך מקום מסוים כלשהו. הלחץ היה גבוה ביותר במרכז, ונמוך ביותר בחלל שמסביב; הפרש הלחצים הזה דחף את החומר כלפי חוץ.נכון: מה שהתפוצץ היה המרחב עצמו.המרחב שבו אנו מצויים מתפשט בעצמו. לא היה מרכז להתפוצצות הזאת; היא התרחשה בכל מקום ומקום. הצפיפות והלחץ היו שווים בכל המקומות, כך שלא היו הפרשי לחצים מהסוג הדוחף התפוצצות רגילה.לא נכון: ודאי שלא. תורת היחסות הפרטית של איינשטיין אוסרת על כך.תארו לעצמכם אזור במרחב שיש בו כמה גלקסיות. הגלקסיות נעות מאיתנו והלאה – ככל שגלקסיה רחוקה יותר, כן מהירותה גבוהה יותר [חצים צהובים]. אם מהירות האור היא הגבול העליון, מהירות הגלקסיות חייבת להתייצב עליה בסופו של דבר.נכון: ודאי שכן. תורת היחסות הפרטית אינה חלה על מהירות התרחקות.ביקום מתפשט, מהירות ההתרחקות עולה בהתמדה עם המרחק. מעבר למרחק מסוים, הקרוי מרחק האבל, היא עולה על מהירות האור. אין זו הפרה של תורת היחסות, כי סיבתה של מהירות ההתרחקות אינה תנועה בתוך מרחב, אלא התפשטות של המרחב.כל אימת שסיינטיפיק אמריקן מפרסם מאמר על קוסמולוגיה, כמה קוראים כותבים אלינו וטוענים שהגלקסיות אינן באמת מתרחקות מאיתנו, כי התפשטות המרחב אינה אלא אשליה. לטענתם, ההיסטים לאדום של הגלקסיות אינם נגרמים אלא בגלל “התעייפות” האור במהלך מסעו הארוך. ייתכן שתהליך לא ידוע כלשהו גורם לאור לאבד אנרגיה באופן ספונטני, וזה מביא להאדמתו תוך כדי תנועתו במרחב.כמה מדענים הציעו את הרעיון הזה בפעם הראשונה לפני 75 שנה, וכמו כל מודל טוב, הוא מציג ניבויים שאפשר להעמידם למבחן. אבל כמו כל מודל רע, הניבויים שלו אינם תואמים את התצפיות. לדוגמה, כאשר כוכב מתפוצץ כסופרנובה, הוא מתבהר ואחר כך מתעמעם – תהליך שנמשך כשבועיים, בסוג הסופרנובות שהאסטרונומים מסתייעים בהן למיפוי המרחב. במשך השבועיים האלה, הסופרנובה פולטת זרם של פוטונים. השערת האור העייף מנבאת שהפוטונים האלה יאבדו אנרגיה בדרכם, אבל הצופים יראו תמיד זרם שנמשך שבועיים.אבל ביקום מתפשט, לא זו בלבד שפוטונים יחידים נעשים מתוחים יותר (ולכן מאבדים אנרגיה), אלא גם זרם הפוטונים כולו מתמתח. לכן דרושים לפוטונים יותר משבועיים כדי להגיע לכדור הארץ. תצפיות שנעשו לא מכבר מאמתות את האפקט הזה. סופרנובה בגלקסיה שההיסט לאדום שלה הוא 0.5 נמשכת לכאורה שלושה שבועות; בגלקסיה שההיסט שלה 1, היא נמשכת לכאורה ארבעה שבועות.השערת האור העייף גם מנוגדת לתצפיות בספקטרום של קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו, ובבהירות פני השטח של גלקסיות רחוקות.לא נכון: ודאי שלא. אורן של גלקסיות כאלה לא יגיע אלינו לעולם.גלקסיה שמרחקה עולה על מרחק האבל מתרחקת מאיתנו במהירות גבוהה ממהירות האור. היא פולטת פוטון [קו זיגזג צהוב]. עם התפשטות המרחב, הפוטון נגרר לאחור כמו דג שמנסה לשחות נגד הזרם. הפוטון לא יגיע אלינו לעולם.נכון: ודאי שכן, כי קצב ההתפשטות משתנה במרוצת הזמן.בתחילה, אכן אין בכוחו של הפוטון להגיע אלינו. אבל מרחק האבל אינו קבוע; הוא הולך וגדל, וייתכן שיגדל עד שיכיל את הפוטון. מרגע שיקרה הדבר, הפוטון יתקרב אלינו ובסופו של דבר יגיע אלינו.לא נכון: מפני שהגלקסיות המתרחקות נעות במרחב ומציגות לפנינו היסט דופלר.לפי אפקט דופלר, תנועתה של גלקסיה מאיתנו והלאה מותחת את גלי האור והם נעשים אדומים יותר. אורך גל האור הזה נשאר בעינו במשך מסעו במרחב. המשקיף הרואה את האור מודד את היסט דופלר שלו ומחשב את מהירות הגלקסיה.נכון: גלקסיות כמעט אינן נעות במרחב, ולכן הן פולטות אור באותם אורכי גל פחות או יותר, לכל הכיוונים [למעלה]. אורכי הגלים הולכים ומתארכים במהלך המסע מפני שהמרחב מתפשט. לכן האור הולך ומאדים בהדרגה [באמצע ולמטה]. כמות ההיסט לאדום שונה מזו שהייתה מתקבלת מאפקט דופלר.לא נכון: גיל היקום הוא 14 מיליארד שנה, לכן רדיוס החלק הנצפה שלו הוא 14 מיליארד שנות אור.ראו את הגלקסיה הרחוקה ביותר שאנו יכולים לצפות בה – גלקסיה שהחלה לפלוט פוטונים זמן קצר אחרי המפץ הגדול, והם מתחילים להגיע אלינו רק עכשיו. שנת אור היא המרחק שפוטונים עוברים בשנה אחת. לכן פוטון מהגלקסיה הזאת עבר דרך של 14 מיליארד שנות אור.נכון: הואיל והיקום מתפשט, רדיוס החלק הנצפה שלו עולה על 14 מיליארד שנות אור.תוך כדי תנועת הפוטון, המרחב שהוא חוצה הולך ומתפשט. עד שהפוטון מגיע אלינו, המרחק הכולל אל הגלקסיה שממנה יצא, גדול למען האמת פי שלושה מהחישוב הפשוט המבוסס על משך המסע.לא נכון: כן. ההתפשטות מגדילה את היקום ואת כל אשר בו.ראו גלקסיות בצביר. כשהיקום גדל, גדלות הגלקסיות וגדל הצביר כולו. שולי הצביר [מסגרת צהובה] נעים כלפי חוץ.נכון: לא. היקום גדל, אבל גופים קוהרנטיים בו אינם גדלים.
גלקסיות שכנות נמשכות בתחילה לעברים שונים, אך בסופו של דבר הכבידה ההדדית שלהן גוברת על ההתפשטות. נוצר צביר, ומתקבע במצב של שיווי משקל.

על המחברים
צ'רלס ה' ליינוויבר (Lineweaver) וטמרה מ' דייוויס (Davis) הם אסטרונומים במצפה הכוכבים הר סטרומלו ליד קנברה שבאוסטרליה. הם עוסקים במגוון גדול של שאלות, מקוסמולוגיה ועד חיים ביקום. בראשית שנות ה-90, בעת שהיה ליינוויבר באוניברסיטת קליפורניה בברקלי, הוא נכלל בצוות הלוויין COBE, שגילה תנודות בקרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו. יש לו תארים לא רק באסטרופיזיקה אלא גם בהיסטוריה ובספרות אנגלית. בעבר הוא שיחק כדורגל במסגרת חצי-מקצוענית, והוא אב לשתי כוכבות כדורגל צעירות, קולין ודיירדרי. דייוויס חברה בצוות גלאי הסופרנובות והתאוצה – טלסקופ חלל שנמצא עכשיו בשלבי תכנון. היא מייצגת את אוסטרליה בספורט הקרוי פריסבי אולטימטיבי והשתתפה בשתי אליפויות עולם.

מאמר זה באדיבות המהדורה הישראלית של סיינטיפיק אמריקן, היוצאת בהוצאת אורט. לחצו כאן לאתר המגזין ולאפשרות לעשות מנוי.