המפץ הגדול

מדי פעם מגיעים למערכת "חופש" מכתבים בנושא היווצרות היקום ו- "המפץ הגדול". חלקם של הכותבים מכירים באופן זה או אחר את הנושא ומעלים לדיון התנגדויות שונות אליו. אחרים אינם יודעים כלל ועיקר במה מדובר וסבורים כאילו המדע מצדד באיזשהו פיצוץ ענק ומסתורי שמייד בסופו "הסתדרו" כביכול כל הדברים בצורתם הנוכחית - כוכבים, צמחים, חיות...

לפני מספר חדשים הבאנו באתר "חופש" קישור לסרטון הדרכה לילדים בנושא המפץ הגדול, מתוך אתר האינטרנט "בריינפופ". בעקבות הסרטון שלח אלינו יאיר רזק, בעל תואר שני בפיזיקה מהאוניברסיטה העברית, מספר הערות לגבי תוכנו:

כפיזיקאי (גם אם לא בדיוק בתחום האמור), חשתי שהסרטון עלול להטעות במספר מקומות. כדאי לציין זאת, למען הצופים בו: נאמר בסרטון "יום אחד הנקודה הזו התפוצצה". דבר זה מלמד כאילו הנקודה "ישבה לה שם" זמן מה, ואז לפתע התפוצצה ללא סיבה. דבר זה הינו מטעה: המפץ הגדול מהווה את תחילת הזמן - לא היה זמן לנקודה לשבת במקומה "לפני" הפיצוץ. אמנם זהו דבר קשה להסבר, אך עדיף היה לו היו עוקפים נושא זה מאשר לומר דבר שהוא מוטעה. בהמשך לאותו משפט, האנימציה יוצרת את הרושם כאילו הגלקסיות מתפשטות במרחב, בשעה שהאמת היא כי המרחב עצמו הוא זה שמתפשט. קצת חבל, כי ניתן היה להסביר זאת היטב בעזרת הדוגמא של עוגת הצימוקים (שניתן היה להשתמש בה גם להסבר בדבר יצירת הזמן - מהנקודה הקודמת). לקראת סוף הסרטון, נאמר כי מדענים יכולים כיום לראות שרידים מהקרינה שהתפרצה במפץ הגדול, תוך רמיזה לגבי תמונות קרינת הרקע הקוסמית. זה גם מוטעה: אלה תמונות מזמן הקרוב בהרבה למפץ הגדול, אבל עדיין לא מהמקור. לא בדיוק מוטעה, אבל מאחר שמוזכרות תאוריות אחרות, כדאי היה להזכיר כי התיאור האמור כפוף לתורת היחסות הכללית, בעוד שלמעשה סבורים המדענים כי היחסות הכללית אינה חלה כאשר מתקרבים מספרים למקור, כך שבפועל אין "נקודה סינגולרית" אמיתית והדברים נהיים אפילו מוזרים יותר, כגון דיבורים על יקומים מקבילים או יקום היוצר את עצמו בסוג של מחזוריות. אף אחד עוד לא יודע עדיין בוודאות מה בדיוק קורה שם.

כתב לנו גד (שם בדוי): על סמך מה אומרים שליקום היתה התחלה? אני יודע שיש הוכחות לתאוריית המפץ הגדול אבל אולי כל הזמן החומר מתפוצץ ומתכווץ ככה בלי התחלה ובלי סוף. והשיב רוני:

שאלה מצוינת. אכן יש ראיות למפץ הגדול, לפני כ-13.7 מיליארד שנה, אבל זה לא נכון להגדיר זאת כ"חומר מתפוצץ". מה ש"התפוצץ" זה החלל עצמו, מנפח אפסי למה שאנו רואים כיום, והמגמה נמשכת - היקום ממשיך להתרחב, ובקצב הולך וגובר. ולענין: מכך שקצב התפשטות היקום הולך וצובר תאוצה, לא נראה סביר שהוא ילך ויתכווץ שוב וחוזר חלילה. אבל בהחלט יתכן שאותו המנגנון שגורם לתאוצה (שאיננו מבינים אותו עדיין, ומכנים אותו בשם "אנרגיה אפלה") "יהפוך כיוון" ויגרום להתכווצות היקום. אין כרגע שום ראיות לכך, אבל היות שאנו מבינים מעט יחסית אודות המנגנון הזה, אי אפשר לשלול את האפשרות הזאת (עדיין). מלבד האפשרות של יקום מחזורי, יש עוד שתי אפשרויות מענינות: הראשונה, שהיקום נוצר ספונטאנית, כארוע קוונטי מתוך מרקם קוואנטי אינסופי. לפי תיאוריה זו, כל הזמן נוצרים יקומים זרים זה לזה. אפשרות אחרת, שעולה מתוך תורת המיתרים, היא שקיימים אינסוף יקומים, כל-אחד עם קבועים פיזיקליים (וחוקי פיזיקה) קצת שונים, גם כן זרים לגמרי אחד מהשני. כל האפשרויות האלה נחקרות כרגע בלהט רב, אם כי להבנתי, האפשרות של יקום מחזורי היא הפחות סבירה, לפחות כרגע. מה שחשוב לזכור זה המהירות בה ההבנה שלנו את היקום משתנה. עד לפני כמאה שנה סברו שהיקום כולו מורכב מהגלקסיה שנו, עם כמה מיליוני כוכבים נראים, ושהיא אינה משתנה. רק בתחילת המאה הקודמת נבנו טלסקופים מספיק חזקים כדי להראות שהערפיליות שנראו ככתם בהיר ולא ברור הן גם גלקסיות אדירות, עם מיליארדי כוכבים. כמה שנים אחר-כך גילו שהגלקסיות מתרחקות אחת מהשניה במהירות שתלויה במרחק (ומכך הסיקו את הזמן בו היקום היה נקודתי). רק בעשרים השנים האחרונות, בערך, הבנו שקצב ההתפשטות הולך וגובר עם הזמן... ואם אתה מעונין ללמוד עוד, אני ממליץ בחום על הספרים "קוסמולוגיה" ו"אסטרופיזיקה" מאת גיורא שביב, וכן "קיצור תולדות הזמן" של סטיבן הוקינג.

גם דקל (שם בדוי) התעניין לגבי המפץ הגדול ותחילתו וסופו של היקום, והשיב לו יאיר:

דברים רבים אנחנו לא ממש יודעים, אבל אני אנסה לספר מה אנחנו כן יודעים, ומה נראה שיהיו התשובות. כאשר מדברים על המפץ הגדול, בדרך כלל מדברים עליו במסגרת תורת היחסות הכללית של איינשטיין. במסגרת זו, יש תשובות די ברורות. אולי אתחיל דווקא במה שנאמר לגבי החלל הריק - אכן לא היה חלל מסביב לסינגולריות. מקובל לומר שככול שהולכים אחורה בזמן היקום נהיה קטן יותר, אבל אולי יעזור לדמיון שלך אם במקום זאת תחשוב על המרחקים בין כל הדברים כנהיים קטנים יותר. באיזושהו שלב, כל המרחקים נהיים בגודל אפס, כלומר אין שום מרחק בין דברים - כלומר הכל ב"נקודה" אחת, מבחינה גאומטרית. עם זאת, בתאוריית היחסות גם הזמן הוא מעין מרחק, וכאשר מדברים על גדילת היקום "עם הזמן" הכוונה היא בעצם לזמן כמרחק הנמדד מהמפץ הגדול, באופן דומה לאיך שמודדים את קווי הגובה כזווית מהקוטב הצפוני. אין משמעות למרחק שלילי (המרחק בין שתי נקודות הוא תמיד גודל חיובי), ולכן אין גם משמעות לזמן שלילי - זה כמו לשאול מה נמצא צפונית לקוטב הצפוני, או (באופן יותר מדויק) מה נמצא במרחק שלילי מהמפץ הגדול. אין משמעות לזמן לפני המפץ הגדול, ולכן לא "היה" משהו לפני המפץ הגדול, והסינגולריות לא "תמיד הייתה שם" בגלל שלא היה "תמיד" וגם לא היה "שם" - הסינגולריות היא בכל מקום (המרחקים בין כל דבר ודבר הגיעו לאפס), והזמן מאבד את משמעותו (אין מובן לזמן לפני המפץ הגדול). תאוריית היחסות הכללית אינה מדייקת בנושא. אנו יודעים מזה זמן מה שהתאוריה הנכונה תהיה תאוריה קוונטית, כלומר תאוריה שמבוססת על מכניקת הקוונטים (היחסות הכללית מבוססת, בעצם, על המכניקה הניוטונית, בשינויים קלים). ישנם כמה כיוונים מבטיחים לגבי איך תיראה התאוריה הנכונה, אבל כרגע אין לנו הבנה טובה שלה. מה שדי בטוח זה שהתיאור של ההתפתחות מתוך מפץ גדול הוא נכון. יש תאוריות המתארות את ההתפתחות בפירוט רב, ויש התאמה רבה למדידות אסטרונומיות שונות. מצד שני, מכיוון שאין בידנו את התאוריה הקוונטית של היחסות הכללית, אנו לא יודעים הרבה על המפץ הגדול עצמו ועל מה שיש מעבר לו, אם בכלל יש. כל התשובות שאמרתי למעלה נתונות בספק. הנה כמה אפשרויות: האפשרות המשעממת ביותר היא שלא ישתנה כלום. במסגרת תורת הקוונטים אי אפשר לדבר על מרחק קטן יותר ממרחק הידוע כ"מרחק פלנק", או זמן קצר יותר מ"זמן פלנק", ולכן יחליפו מרחקים אלו את ה"אפס" במפץ הגדול - אך מעבר לכך, התשובות יהיו זהות. אפשרות זו כנראה סבירה אם התאוריה הנכונה תהיה "כבידת לולאות קוונטית", מה שנראה לי סביר ביותר. אפשרות אחרת, שאני מקווה לה באופן אישי, היא שהזמן הוא אינסופי - שיש אינסוף עבר ואינסוף עתיד. ניתן להבין למה, מתוך מחשבה על עתיד היקום שלנו. לפי תאוריית היחסות הכללית היקום שלנו בסופו של דבר יגיע למצב שנקרא "מוות אנטרופי", בו היקום קופא ושום דבר לא ישתנה יותר. אבל לפי תורת הקוונטים, תמיד יהיו תנודות אקראיות, וככול שיעבור הזמן ההסתברות לתנודה אקראית גדולה תגדל. אחרי מספיק זמן, תקרה תנודה מספיק גדולה (בגודל שנקרא "שדה אינפלטרון") שתגרום לכך שחלק מהיקום יעבור התפשטות והתחממות מהירה שאחריה התקררות אטית - כלומר, אותו חלק מהיקום יעבור מפץ גדול, וייווצר יקום חדש על גבי הישן. בדרך זו לנצח ייווצרו יקומים חדשים בעתיד, ואם תשליך על העבר גם היקום שלנו נוצר ככה ויש אינסוף עבר. מצב זה סביר אם היקום אינסופי, וזו אפשרות סבירה ביותר. אפשרות אחרת היא שיש תהליך מחזורי היוצר מפץ גדול שוב ושוב. למשל, במסגרת "תורת המיתרים" (אפשרות אחת לתאוריה הקוונטית האמיתית) היקום שלנו הוא יריעה ארבע-מימדית בתוך עולם עם 11 מימדים, ממש כמו איזו יריעת בד (דו-מימדית, כלומר יש לה רוחב ואורך, אבל אין לה עומק) בעולם התלת-מימדי שלנו. ניתן להראות שבמצבים מסוימים יריעות שונות, כלומר יקומים שונים, ייתקלו זה בזה, ומצב זה ייצור מפץ גדול בשניהם. זהו תהליך מחזורי - היריעות, כלומר היקומים, מתנגשים ומתרחקים, ואז מתקרבים שוב ומתנגשים שוב, וחוזר חלילה. אפשרות אחרת היא שלא ניתן להגדיר זמן מעבר למפץ הגדול, אבל שיש עוד יקומים וקיום מעבר ליקום שלנו. ניתן למשל לחשוב על הקיום כמעין כדור גולף, שבו כל שקערורית מייצגת יקום. הזמן הוא קו בתוך השקערורית, או ליתר דיוק מרחק לאורך הקו הזה. לכל שקערורית יש קו משלה, ולכן זמן משלה. אבל אין משמעות לזמן מחוץ לשקערורית, ואין קשר בין הזמן של יקום אחד לזה של יקום אחר. בכל אופן, התקווה היא שנצליח בסופו של דבר להבין מהי התאוריה הקוונטית הנכונה שהיחסות הכללית היא רק גרסה לא-מדויקת שלה, ושתאוריה זו תספק תשובות לשאלות שנשאלות. קשה מאוד לאשש את התאוריות השונות, מכיוון שקשה מאוד לעשות את החישובים ולהראות מהן התחזיות שלהן, וקשה מאוד לבצע ניסויים לבדיקת התחזיות שכן מצליחים לייצר. אבל עם הזמן, אני מאמין שנצליח לעשות כן. עד אז, אנחנו פשוט לא נדע את התשובות לשאלות רבות. יש לנו הרבה תאוריות, אבל אין ידע. אני ממליץ בחום על הספר "מארג היקום", מאת בראיין גרין (כן, בעברית), שמסביר מאוד יפה את התאוריות והאפשרויות השונות, ואת הפיזיקה המודרנית בכלל.

לאחר פירסום ההתכתבות שלעיל כתב אלינו גולש נוסף: רציתי לשאול שאלה על ההתרחבות הקוסמית שלאחר המפץ הגדול. אם המרחב עצמו גם הוא מתרחב כל הזמן, האם זה לא אומר שבעצם אנחנו, כל אחד ואחד מאיתנו, צומחים ומתרחבים כל הזמן? זאת אומרת, אם אתמול הייתי גבוה מטר ושמונים, היום אני גבוה כשני מטרים של אתמול, אלא שקנה המדה התרחב אף הוא? והשיבו בתחילה דן וניצן:

סוגיית "קנה המידה" אינה רלבנטית לגבינו: הסרגל בו אנחנו מודדים את גובהנו הוא כלי קבוע, שאינו משתנה, ולכן המדידות שאתה מבצע לקביעת גובהך אינן משתנות בגין שינויים אפשריים בקנה המידה הקוסמי. אם קנה המידה היה מתרחב אף הוא, אזי לא היינו צופים בגלקסיות מתרחקות זו מזו, ובעצם ספק אם היינו יכולים להסיק את ההתרחבות. במודל עוגת הצימוקים מתרחבת העוגה, אך לא הצימוקים.

השיב יאיר:

קנה המידה לא מתרחב יחד עם המרחב. צריך לזכור שאנחנו יצורים פיזיים, שמודדים מרחקים בעזרת סרגלים פיזיים - שמוחזקים ביחד על ידי הכוח החשמלי. כאשר המרחב מתרחב, זה יוצר כוח המושך את האטומים שבסרגל זה מזה, אבל אם ההתרחבות איטית מספיק הכוח לא יספיק לשנות את אורך הסרגל. חשוב על זוג מגנטים, המונחים על רצועת גומי, צמודים זה לזה (ומושכים זה את זה). אם תמשוך את הרצועה מספיק לאט, המגנטים יישארו צמודים זה לזה. זה המצב עם הגוף שלנו, שמוצמד יחדיו על ידי כוח חשמלי, ועם הגופים השמימיים מרמת אסטרואיד ועד רמת גלקסיה, המוחזקים ביחד על ידי כוח הכבידה. אם התרחבות המרחב תהיה מהירה מספיק, הכוח שייווצר יהיה חזק מספיק כך שהגלקסיות - והגופים והסרגלים שלנו - יקרעו. אבל המרחב לא מתרחב כל כך מהר כרגע (הוא כנראה כן יתרחב מהר יותר בעתיד, ונגיע למצב הזה בעוד כמה עשרות מיליארדי שנים). לכן, אנו יכולים למדוד את התרחבות המרחב. אם אתה יודע אנגלית, אולי תרצה לשמוע את התשובה הזו ממישהו גדול ממני - פרופסור ססקינד מאוניברסיטת סטנפורד, מגדולי הפיזיקאים בתחום. השאלה, והתשובה, ניתנות החל מהדקה 04:00 בהרצאה מספר שתיים שלו על קוסמולוגיה ב-YouTube. סדרת ההרצאות מיועדת לקהל הרחב, ומעמיקה מאוד בכל הנושאים שקשורים במפץ הגדול והתמונה הכללית של היקום. מאוד מומלץ, אבל לאט לאט היא נעשית יותר ויותר טכנית. היא נותנת טעם טוב למה זה קוסמולוגיה, וכדאי להקשיב לה ולו כדי לראות אם התחום מעניין אותך, אם תרצה להעמיק בו.

והשיב גם ערן, סטודנט:

היקום אכן מתרחב כל הזמן. החלל עצמו גם כן מתרחב. זה קצת קשה להסביר בלי ללמוד את תורת הייחסות המיוחדת וגם הכללית, אבל היקום בעבר היה מאוד מאוד קטן ודחוס ואנרגטי ותקופת ההתרחבות הגדולה (מה שנקרא, בצורה לא כל כך מדויקת, המפץ הגדול) דחפה אותו להתפשט במהירות. ההתפשטות שהתחילה אז עדיין מתקיימת. בנוסף קיים עוד כוח דוחה לא ידוע שגורם לה. אבל כיום, ההתרחבות הזאת ניכרת רק במרחקים אסטרונומיים אדירים, כמו בצבירי גלקסיות. במרחקים יותר קטנים כמו גלקסיות, מערכות שמש ובמיוחד על גופים דחוסים כמו כדור הארץ, ההשפעה הזאת זניחה עד לא קיימת כי הכבידה חזקה יותר. הדוגמה הטובה לכך היא לחם עם צימוקים: אם תכפיל את גודל הלחם פי שניים אז המרחק בין הצימוקים יגדל פי שניים אבל הצימוקים עצמם לא. לעוד מידע חפש באינטרנט, בדרך כזו אחרת, מושגים כמו "Cosmic Expansion" או "Expansion of Space" או "Metric Expansion". וכמובן שאפשר להתחיל בוויקיפדיה.

ראו גם: מתי ארעה התגבשות החלקיק שממנו החל המפץ הגדול?