האם זה החומר שממנו עשויות מהפכות מדעיות

הלוויין WMAP אישר באחרונה כי רק %4 מהיקום עשויים מחומר רגיל. האם על רקע הממצא הזה, שגורם לאי-נוחות מסוימת אצל חלק מהאסטרונומים, עשויה להתפתח תיאוריה קוסמולוגית חלופית, פחות “אפלה”?

ג'ודית אנטון, “קופרניקוס”

לפני כמה שבועות התפרסמו בעמודים הראשונים של עיתונים רבים בעולם תוצאות פרויקט המחקר – WMAP לוויין של נאס”א שמדד את קרינת הרקע הקוסמית. קרינה זו, שמקורה ביקום הצעיר מאוד, מגיעה אלינו מכל הכיוונים. על פי המדידות המדויקות של השינויים בקרינת הרקע הצליחו החוקרים לאמוד את גודלם של כמה פרמטרים חשובים באסטרונומיה. כך התברר, בהתאם לציפיות, כי היקום מורכב מ-%73 “אנרגיה אפלה”, % 23″חומר אפל” ו-%4 חומר רגיל (ואנרגיה רגילה).

בכתבות על הגילוי נאמר מעט מאוד על העובדה שהרכבו של היקום, כפי שהוא מוסבר כיום על ידי אסטרונומים וקוסמולוגים, וכפי שעלה גם מתוצאות ניסוי ,WMAP הוא בעצם אפוף מסתורין. על פי תמונת העולם המקובלת על המדע כיום, כל היקום המוכר לנו, כל הגלקסיות הנראות, כל השמשות וכל כוכבי הלכת הם רק ארבעה אחוזים מכל מה שיש ביקום. קצף על פני המים באוקיינוס אדיר של דברים שאינם חומר ואינם אנרגיה, לפחות לא במובן הרגיל.

החומר והאנרגיה האפלים אינם גורמים שרירותיים. קיומם עלה כהשערה מלומדת של אסטרופיסיקאים בשל הצורך לתת תשובות תיאורטיות לממצאים תצפיתיים ולאשש את תורת היחסות ואת תיאוריית המפץ הגדול. ההשערות נבדקו שוב ושוב, נבחנו לאור תצפיות חדשות ועברו שורה של מבחנים ביקורתיים על ידי הקהילה המדעית לפני שהתקבלו כהסברים התיאורטיים המקובלים. אך למרות זאת, אי אפשר שלא להרגיש באי נוחות מסוימת לנוכח ההסבר ש-%96 אחוז מהיקום אינו אלא צירוף של גורמים שלא נצפו באופן ישיר מעולם, גורמים המתוארים כ”מסתוריים” גם של ידי המדענים. אלא שהדיון המדעי סובב, באופן טבעי, סביב שאלות ספציפיות על התצפיות והנתונים ולא עוסק בביקורת על-מדעית הבוחנת את מורכבותה של תמונת העולם הנובעת מהתיאוריות ואת משמעותה. אחד מהמדענים יוצאי הדופן מהבחינה הזאת הוא פרופ' פול שכטר, אסטרופיסיקאי בעל שם מהמכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס, שהתראיין לפני כמה חודשים למגזין המקוון,” “Slate בכתבה שעסקה בניסויים של נאס”א בנושא כוח הכבידה. שכטר אמר כי “מתבקש שינוי תפישה בנוגע לכוח הכבידה” והוסיף כי “האחרון שהצליח להביא לשינוי בתיאוריה לגבי כוח הכבידה היה איינשטיין”. שינוי זה חולל מהפכה אדירה בפיסיקה ובאסטרונומיה.

כאשר הסברים תיאורטיים בתחום מדעי מסוים מגיעים לנקודה שבה מורגשת אי-נוחות ביחס לתמונת העולם שהם מציירים, נקודה בה מתקיים סירבול מושגי רב, הדבר עשוי להעיד על נקודת משבר שבה מתהווים תנאים להתחוללותה של מהפכה מדעית. האם ייתכן שהאסטרונומיה המודרנית נמצאת כיום בשלב טרום מהפכני מסוג זה?

לדברי פרופ' מנחם פיש, מהמכון להיסטוריה ופילוסופיה של המדעים והרעיונות ע”ש כהן באוניברסיטת תל אביב, המדע מגיע לנקודת מפנה כאשר ההסברים שהוא מציע מפסיקים להיות סבירים. “אך מה ייחשב לגבול הסבירות בהקשר זה?”, מקשה פיש, “עד כמה צריכה השערה מדעית לחרוג מגבולות השכל הישר כדי שהמדענים ימצאו לנכון לבחון מחדש את השערות היסוד של התיאוריה?”

את קיומה של מאסה אפלה שיערו מדענים לאחר שביצעו מדידות של מהירות הסיבוב של גלקסיות שונות. המהירות שנצפתה לא התאימה לכמות החומר שמכילות אותן גלקסיות, ועל פי חוקי הפיסיקה לא היה אפשר להסביר את תנועתן – לפי החישובים הן היו צריכות להיקרע במהירות ולהתפורר לכל עבר. כדי לספק הסבר לעובדה שהגלקסיות מתמידות תנועתן מיליארדי שנים ואינן נקרעות הועלתה ההשערה כי חוץ מכל החומר שבו אנחנו יכולים לצפות – הכוכבים השונים וענני האבק והגז העצומים – קיים בחלל חומר נוסף, אפל, שאינו נראה בתצפיות אך מפעיל כוח משיכה ומשמר את המבנה והתנועה של הגלקסיות. ההסבר המקובל כיום הוא שהחומר האפל מורכב מחלקיקים שונים מאלה המרכיבים חומר רגיל; שהוא אינו מורכב מאטומים אלא מחלקיקי חומר “אקזוטיים” שבהם יהיה אפשר להבחין רק באמצעות גלאים מיוחדים.

האנרגיה האפלה נולדה פעמיים. לראשונה הניח את קיומה אלברט איישטיין, כאשר ניסח את תורת היחסות הכללית; הוא כינה אותה “הקבוע הקוסמולוגי”. איינשטיין הוסיף את הקבוע הקוסמולוגי לגרסה מוקדמת יותר של משוואותיו לאחר שנוכח כי נובע מהן שהחומר ביקום צריך לשאוף להתאחד בשל כוח המשיכה ולכן צריך להתקיים תהליך קריסה כלל-יקומי. על פי תמונת העולם הרווחת באותה עת היה היקום סטטי וחסר תנועה, ולכן איינשטיין היה חייב לשלב במשוואות גורם נוסף שיאזן את כוח המשיכה. שנים לאחר מכן, כשהתברר מתצפיות שהגלקסיות השונות מתרחקות אחת מהשנייה והועלתה השערת המפץ הגדול, ביטל איישנטיין את הקבוע הקוסמולוגי וכינה אותו “הטעות הגדולה של חיי”. בשנות התשעים נערכו תצפיות באמצעות טלסקופים עתירי עוצמה שהראו כי הגלקסיות השונות לא רק מתרחקות אלא גם מאיצות את מהירותן, והקבוע הקוסמולוגי נולד מחדש כגורם המסביר את ההאצה.

המדע נעזר רבות בתוספות משלימות, המשולבות בתיאוריות על פי הצורך. התוספות משמשות מדענים כדי ליישב את תמונת העולם המדעית המקובלת עם ממצאים חדשים שאינם מתיישבים עם תמונת עולם זו. בסוף המאה ה-19 ניסח הפיזיקאי הבריטי ג'יימס מקסוול את חוקי התפשטותם של גלים אלקטרומגנטיים, ובכך הניח את היסוד לאלקטרוניקה ולתקשורת המודרנית. משוואות מקסוול מראות כי השדה החשמלי והשדה המגנטי מתפשטים בגלים. השאלה שהתעוררה מיד היתה מהו התווך שבו נעים הגלים הללו, שהרי לא ייתכנו גלי-ים ללא ים כמו שלא ייתכנו גלי קול, הנעים באוויר, ללא אוויר. אך הגלים האלקטרומגנטיים נעים גם בריק מוחלט – זאת ניתן היה לבדוק בניסוי. המדענים נזקקו לגורם תיאורטי נוסף שיאפשר להם לכלול את הגלים האלקטרומגנטיים בתמונת העולם המקובלת. את הפער בתיאוריה מילא האתר, אותו מושג המופיע בביטוי “גלי האתר” שבו נעשה שימוש עד לפני כמה שנים כדי לתאר שידורי רדיו (שהם הרי גלים אלקטרומגנטיים). המושג, הקיים מימי יוון העתיקה, התאים לצורכי השעה. האתר תואר כתווך המצוי בכל מקום ומהווה מוליך לגלים האלקטרומגנטיים. כיום ברור לפיסיקאים כי אין אתר. תמונת העולם העכשווית מדברת במושגים של פוטונים ומייחסת לאור (ולתופעות אלקטרומגנטיות אחרות) אופי כפול: גלי וחלקיקי. האתר היה השערה מיותרת.

על פי התפישה הקלאסית של מבנה המדע, שהועלתה על ידי פילוסוף המדע קארל פופר, ניסוי או תצפית הסותרים את התיאוריה חייבים להביא להפרכתה וביטולה, אך בפועל התהליך מורכב יותר. כאשר תיאוריה מהווה כר פורה למחקר או לפיתוח טכנולוגי, קהילת המדענים איננה נחפזת להשליך אותה ולהכריזה כבטלה רק בשל קיומם של תצפיות או ניסויים העומדים בסתירה אליה. במקום להחליף את התיאוריה, מוסיפים לה מושגים, גורמים או הסברים המאפשרים לה להכיל את התגלית הסוררת ולהמשיך הלאה. רק לעתים רחוקות, כאשר נצבר מכלול של תופעות שההסבר להן אינו מניח את הדעת, נפתחת הדלת לשינוי מהפכני ולכינונה של תפישת עולם חדשה.

המהפכה של קופרניקוס

כך קרה במהפכה האסטרונומית של קופרניקוס. מאז ימי היוונים הקדמונים הסבירו אסטרונומים את תנועת כוכבי הלכת, השמש והירח באמצעות מערכת המבוססת על תנועה מעגלית סביב נקודת מרכז שבה נמצא כדור הארץ. בשלב מסוים התגלו ממצאים תצפיתיים שהתנגשו עם תמונת עולם זו. כדי להתמודד עם התצפיות החדשות הוסיפו האסטרונומים הקדמונים מעגלים קטנים נוספים, המכונים אפיציקלים, הנעים על גבי המעגלים הגדולים במהירויות שונות כך שלבסוף מתקבלת התנועה הנצפית. המערכת הלכה והסתבכה עם הזמן, ונדרשו חישובים מפרכים על מנת לחשב את פעולתם של עשרות המעגלים המשולבים שהיא כללה. בתחילת המאה ה-16 הציע קופרניקוס לוותר על הסרבול התיאורטי שנוצר ולהסביר את התנועה באופן פשוט יותר. תמונת העולם שהוא הציע כללה פחות השערות והנחות יסוד והיתה פשוטה יותר להצגה, אך על פיה השמש היא שנמצאת במרכז המערכת וסביבה נעים כוכבי הלכת השונים, בהם כדור הארץ.

האם אנו אכן עדים לסרבול מושגי ולעודף של תיקונים תיאורטיים החושפים קווי שבר באסטרונומיה המודרנית? האם דינם של החומר האפל והאנרגיה האפלה להיות מושלכים אל פח האשפה של המדע כמו האתר והאפיציקלים? מוקדם עדיין לקבוע.

ייתכן שבעתיד יתברר כי המדענים אכן קלעו בדיוק רב בהשערותיהם ושהגורמים שקיומם שוער אכן קיימים בצורה שבה תוארו. ייתכן שיום אחד תחזור חללית מחקר לכדור הארץ עם דגימות של חומר אפל או תימדד האנרגיה האפלה בצורה ישירה וברורה. אך ייתכן גם שבימים אלה יושב בחדרו הפיסיקאי, האסטרונום או אולי פקיד הפטנטים שיום אחד יפרסם הסבר אחר לתופעות הקוסמיות; הסבר שיאיר באור חדש את היקום.

“האנרגיה האפלה” היא חידה

ד”ר נח ברוש

באמצע פברואר, התפרסמו התוצאות הראשונות שהשיג הלוויין MAPלחקר קרינת הרקע הקוסמית. המימצאים – ברמת רגישות וחדות גבוהה בהרבה מאלו שסיפק הלויין ,COBE לפני עשור – הראו כי היקום הוא בן 13.7 מיליארד שנה (כלומר מאז המפץ הגדול), פלוס-מינוס – כלומר טעות אפשרית בחישוב – 200 מיליון שנה.

הכוכבים הראשונים נדלקו ביקום “רק” 200 מיליון שנה לאחר המפץ הגדול. רוב היקום איננו חומר רגיל כפי שאנו מכירים אותו, אלא רק %4 מכלל החומר שממנו גם אנחנו בנויים.

הלויין ,MAP ששוגר ב-,2001 השיג זאת לאחר שנה אחת בלבד של פעילות בחלל ובשנים הבאות ישופרו התוצאות שלו ויושוו לניבויים התיאורטיים. מפתחיו הועידו לו משימה נכבדה: למדוד את קרינת הרקע הקוסמית ברמת דיוק ללא תקדים.

קרינת הרקע שוחררה למרחבי היקום כאשר אלקטרונים חופשיים, שנוצרו במפץ הגדול, התחברו להם עם הגרעינים הראשונים שהופיעו ביקום ושיצרו אטומים נייטרליים של מימן, הליום, וכמות קטנה של יסודות כימיים כבדים יותר. המועד של חיבור כל הרכיבים לשם יצירת חומר ניטרלי ביקום, נקבע כ-380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול. מרגע זה ואילך התפשטה קרינת הרקע ביקום ללא הפרעה – עד שנקלטה עתה, במכשירי המדידה.

ברגעים האחרונים לפני שיחרורה מ”חיבוק הדב” של החומר המיונן, קלטה קרינת הרקע את החתימה של החומר שבו היא נמצאה, בדמות שינויים זעירים בטמפרטורה.

במקום שנראה שהוא הקר ביותר במפה, שסיפק ,MAP הטמפרטורה מגיעה ל-2.7249 מעלות מוחלטות, בעוד שבמקום החם ביותר היא 2.7251 מעלות. בהפרש זעיר כזה, של פחות מאלפית המעלה, חבוי המיבנה הגדול של היקום: האזורים הצפופים ביותר שהחלו אז להיווצר כהצטופפויות קטנות של חומר שהלכו וגדלו תוך כדי משיכהוספיחה אליהם של חומר שמצוי בסביבתם.

אזורים אלה הפכו ברבות השנים לצבירים עשירים של גלקסיות, כל אחת דומה לשביל החלב שבו אנו חברים.

כדי להשיג את רמת הדיוק שנדרשה, הוצבה החללית הלא-מאויישת MAPבמקום “שקט” בחלל, שבו עומס החום מהשמש הוא קבוע. האזור הזה, המכונה “הנקודה השנייה של לגרנג”, נמצאת במרחק גדול פי ארבעה ממרחקנו מהירח. חללית במקום זה מרגישה את כוח המשיכה של השמש וגם את זה של כדור הארץ.

בהשפעת השקלול של שני הכוחות, נעה החללית על מסלול סביב השמש ומקיפה אותה מדי שנה, כמו כדור הארץ בעצמו. החללית נשארת כל הזמן באותו אזור, יחסית לארץ – ולכן קל יותר להתקשר עמה (בתקשורת מחשבים ורדיו מהארץ) תודות לתאי השמש שבה המפיקים חשמל באופן אחיד.

אחת התוצאות המעניינות ביותר שסיפק ,MAP הוא החישוב המחודש לגבי תכולת היקום. מסתבר, שהתוצאות מציגות שרק חלק זעום – %4 בלבד מתכולת היקום – הוא חומר רגיל, עשוי אטומים ומולקולות כפי שאנו מכירים אותם על-פני כדור הארץ. אבל, כ-%23 היא “מסה אפלה” – מרכיב לא מזוהה של היקום, שיוצר כוח משיכה וכבידה המשפיע על תנועות החומר הרגיל.
כיום חושבים ש”המסה האפלה” מורכבת מסוג לא ידוע של חלקיקים, שלא נמצאו עדיין במאיצים החזקים ביותר. יתר התכולה הקוסמית הוא סוג חדש של חומר (או”מוצר”) שקיומו זוהה רק בשנים האחרונות, ומכונה “אנרגיה אפלה”. האנרגיה האפלה גורמת כנראה להאצת התפשטותו של היקום. כיום אין למדענים מושג מהו מקורה וגם מה טבעה.