המפץ הגדול ואחריו: האבולוציה של היקום (1)

לא מזמן קיבלתי מצגת אינטראקטיבית יפה בנושא קנה המידה של היקום. מעבר לכך שהמצגת מרתקת ומומלצת מאוד לצפייה, היא גם גרמה לי לחשוב על האבולוציה הקוסמולוגית, שבני האדם נמצאים בדיוק באמצעהּ. הדברים הכי קטנים המוכרים למדע נמצאים בגדלים של 10 בחזקת מינוס 30 מטר לערך (10-30), והדברים הכי גדולים המוכרים למדע – בגודל של 10 בחזקת 30 מטר (1030, פלוס מינוס 104 בכל אחד מצדי הסקאלה).

דגמים קוסמולוגיים של היקום היו קיימים מאז ימי שוּמֶר, בבל ויוון העתיקות, לפני אלפי שנים. הדגם הקוסמולוגי היווני היה המשפיע ביותר מכולם, וגרם לכל העולם ואחותו להאמין שכדור-הארץ נמצא במרכז היקום, שהשמש סובבת סביבו ושהכוכבים נמצאים במרחק יריקה מאתנו. בנוסף חשבו שהיקום הוא נצחי ולא משתנה, אפילו במאה ה-20. אז איך התגלה שהדברים שונים ממה שחשבו?

היקום הגיאוצנטרי
מקור: wikiislam.net

כמו בכל דבר במדע, גם פה היו מעורבות שתי ידיים: התיאוריה והעובדות. תורת יחסות הכללית של איינשטיין גרסה שהיקום חייב להיות דינמי – מתפשט החוצה או מתכווץ פנימה. אבל באותם ימים לא הייתה שום עדות תצפיתית לטענה הזו, ואיינשטיין נאלץ להכניס בדיה מתמטית לתוך התיאוריה – שתמנע מהיקום לזוז. מצחיק שבדיוק באותה שנה, 1917, האסטרונום וסטו סליפר גילה את הראיה הראשונה להתפשטות היקום; עובדה שנתמכה גם על-ידי אדווין האבל ב- 1929. האבל גילה שהגלקסיות "בורחות" מאתנו לכל כיוון, ראיה לכך שהיקום מתפשט; ואם נריץ את הסרט אחורה, נראה איך הוא שוב מתכווץ עד שיגיע לנקודת היצירה שלו.

ומי אחראי לאותה נקודת התחלה של היקום? אף לא אחד. לפחות לא מבחינת המדע, שיכול לעסוק רק בדברים שניתן למדוד ולכמת. אבל מעבר לשאלה הניסויית-תצפיתית, שבוודאי לא תיענה בזמן הקרוב, יש כאן גם עניין לוגי: אם אף אחד לא יצר את אלוהים, למה צריך להניח שמישהו יצר את היקום? אם אלוהים תמיד היה, מדוע אי אפשר להניח שהיקום תמיד היה, מחכה להיוולד מאותה נקודת ייחודיות?

כיום יש הסברים מרחיקי-לכת בכל הנוגע לסיבת המפץ הגדול, כגון התנגשות בין יקומים מקבילים בממדים אחרים. הסברים מהסוג הזה יאלצו להמתין עוד שנים רבות עד שנוכל, אם בכלל, לאשש אותם. בינתיים, וככל שידוע למדענים היום, ככה התגולל הסיפור (וממשיך להתגולל עד ימינו):

זמן אפס – ראשית הזמן, המרחב והאנרגיה. ארבעת כוחות היסוד מאוחדים והחומר עדיין לא נוצר.

זמן פלאנק (10-43שנייה אחרי הראשית) – התפצלות הכבידה מתוך האנרגיה הפוטנציאלית של הכוח המאוחד (שלושת הכוחות האחרים עדיין מאוחדים תחת הכוח האלקטרו-גרעיני). כנראה שרדיוס היקום הוא בגודל פלאנק, 10-35 מטר – קטן פי 1020 מהפרוטון (או בגודל של פרוטון). ביום שבו נייצר גלאי כבידה רגיש דיו, נוכל לאתר את הקרינה הראשונית הזו, שהטמפרטורה שלה אמורה להיות מעלה אחת מעל לאפס המוחלט. אז תהיה לנו תמונה של היקום, כפי שהיה 10-43 שנייה אחרי שנוצר. אחרי עידן פלאנק הכוח הגרעיני החזק מתפצל מתוך הכוח האלקטרו-גרעיני. כעת נותרו עוד שני כוחות, שנשארו עדיין מאוחדים (אלקטרומגנטיות והכוח הגרעיני החלש).

עידן התפיחה (10-34 שנייה) – האנרגיה ביקום נמצאת במצב של רִיק, כלומר שום חומר עדיין לא הופיע. המצב הזה מאיץ את התפשטות היקום, פי 1050 מקצב התפשטותו הרגיל. היקום גדל מרדיוס של פרוטון לרדיוס של כדור טניס, תוך שבריר זעום של שנייה. כשעידן התפיחה מסתיים (10-30 שנייה אחרי הראשית), מתחילים להיווצר חלקיקי חומר מתוך הריק והיקום חוזר לקצב ההתפשטות הרגיל.
עידן התפיחה גורם לכך שליקום יש שני "גבולות" – גבול אחד הוא מה שנקרא "היקום הנראה", שבו אור מגיע אלינו מהנקודה המרוחקת ביותר שניתן לראות (בסביבות 14 מיליארד שנות אור). הגבול האחר הוא גודלו האמתי של היקום, שכנראה מגיע לכ- 100 מיליארד שנות אור.

היקום בן מאית מיליארדית השנייה (10-11) – שני הכוחות האחרים – האלקטרומגנטיות והכוח הגרעיני החלש – עדיין מאוחדים תחת הכוח האלקטרו-חלש. בתום מאית מיליארדית השנייה, שני הכוחות נפרדים זה מזה – והיקום מקבל 4 כוחות יסוד הפועלים עד ימינו (כבידה, אלקטרומגנטיות ושני כוחות גרעיניים).
בשלב זה שבירת הסימטריה מפעילה גם את שדה היגס, המעניק לכל חלקיק את המאסה הייחודית שלו (מלבד פוטונים, גרביטונים וגלואונים). הפיזיקאים במאיץ LHC מנסים לאתר את החלקיק הנושא של שדה זה, שנקרא "בוזון היגס".

היקום בן מיליונית שנייה (10-6) – הטמפרטורה כה גבוהה (10 טריליון מעלות) עד שפרוטונים ונייטרונים עדיין לא יכולים להתקיים. היקום הוא אוקיינוס נוזלי העשוי מפלזמת גלואון-קווארק, יחד עם חלקיקי יסוד אחרים כגון לפטונים. ייתכן שלפני כן התקיימו גם "פראונים" (Preons), חלקיקי-היסוד התיאורטיים שמהם עשויים קווארקים; אך נכון להיום אין לקיומם שום אימות.

היקום בן מאית אלפית השנייה (10-5) – הקווארקים והאנטי-קווארקים מפסיקים להשמיד אחד את השני. אלו שנותרו מתחילים להתארגן בשלשות (כמה צבאי מצדם), ויוצרים פרוטונים ונייטרונים.

היקום בן עשירית אלפית השנייה (10-4) – הפצצה מתמדת של אלקטרונים ופוזיטרונים, הופכת פרוטונים לנייטרונים ולהפך. בסוף התהליך יש ביקום פי 5 יותר פרוטונים מאשר נויטרונים.

היקום בן מאית שנייה (10-2) – שיווי משקל תרמי בין חומר ואנרגיה (חומר הופך לאנרגיה באותו קצב שבו אנרגיה הופכת לחומר).

היקום בן שנייה – הטמפרטורה לוהטת כמו פיצוץ של פצצת מימן, אך היקום יותר דחוס מאבן. בשלב זה מצליחים להשתחרר חלקיקי נויטרינו ולעוף ביקום במהירות האור, בלי שמשהו יפריע להם בדרכם. ברגע שגלאי הנויטרינו שלנו יהיו רגישים מספיק, נוכל לראות את היקום כשהיה בן שנייה אחת בלבד.

היקום בן דקה וחצי – טמפרטורת היקום מעל מיליארד מעלות, דבר שאינו מאפשר ליצור גרעיני-אטום. אלו שכן מצליחים להתחבר לכמה רגעים, נקרעים מייד למרכיביהם (פרוטונים ונייטרונים).

היקום בן 3 עד 5 דקות – הטמפרטורה ביקום עומדת על מיליארד מעלות, אך פרוטונים ונייטרונים בכל זאת מצליחים להתחבר באמצעות הכוח הגרעיני החזק. כך נוצרים ביקום גרעיני האטומים הראשונים (הרוב מימן והליום, השאר הוא כמויות זעירות של ליתיום ושאר איזוטופים).

היקום בן שעה – הטמפרטורה ביקום ירדה עד כדי שרוב התהליכים הגרעיניים נפסקים.

היקום בן חודש עד שנה – הטמפרטורה ביקום היא בסביבות 100 מיליון מעלות, כמו במרכזם של כוכבים. אלקטרונים אינם מצליחים להתחבר לגרעינים, ליצירת אטומים שלמים.

קרינת הרקע הקוסמית

היקום בן 300,000 עד מיליון שנה – רק 300,000 שנה לאחר היווצרותו, טמפרטורת היקום ירדה מתחת ל-10,000 מעלות, דבר המאפשר לאטומים ולמולקולות להיווצר. ברגע שנוצר ה"נתק" הזה, בין קרינה ובין חומר, הפוטונים חופשיים להתפזר ביקום מבלי להיבלע על-ידי החומר, והיקום מואר באור מסנוור ("ויהי אור"). אנו רואים את הפוטונים הללו עד היום, שמאז הספיקו להתקרר לטמפרטורה של 3 מעלות מעל לאפס המוחלט. זוהי קרינת הרקע הקוסמית, שמראה לנו כיצד היקום נראה 300,000 שנה לאחר היווצרותו.

היקום בן 100 מיליון שנה – החומר ביקום הוא מעין מרק אפל של מימן והליום, המתערבל ליצירת תחילתן של גלקסיות. הכוכבים עדיין לא הספיקו להיווצר, מלבד בודדים, שאינם מספיקים כדי לנקד את החושך באור כפי שאנו רואים היום.

היקום בן מיליארד שנה – בזמן זה היקום עדיין רדיואקטיבי מדי לקיומם של חיים יציבים (8,000 מעלות בערך). מתחילה יצירתם של טרום-גלקסיות וקוואזארים (גלקסיות עם חור שחור מאסיבי במרכזן).

עתיד היקום
תצפיות אסטרונומיות מאשרות שהיקום ממשיך להתפשט, ועושה זאת בקצב מואץ. ההסבר הנוכחי להתנהגות המוזרה הזו הוא "אנרגיה אפלה", המהווה 75% מכלל החומר ביקום. אף אחד לא יודע מהי אותה אנרגיה אפלה, ומדוע היא מתנהגת בצורה מוזרה, אבל היא היפוכה של הכבידה. יש לה אנרגיה "שלילית" המנוגדת לכוח הכבידה, והיא מאיצה את התפשטות היקום. היקום ימשיך להתפשט לנצח במהירות מואצת, עד שבסופו של דבר אפילו האטומים והמרחב עצמו ייקרעו לגזרים ולא יישאר כלום.

הסבר אחר, שאינו מקובל כעת על הקהילה המדעית, הוא היפותיזת MOND של הפיזיקאי הישראלי מרדכי מילגרום. MOND, או Modified Newtonian Mechanics, גורסת כי אין שום צורך להמציא חומר אפל על מנת להסביר את המוזרויות שאנו רואים בשמי הלילה. כל מה שצריך הוא לשנות מעט את החוק השני של ניוטון. גם לתיאוריית "מונד" יש בעיות משלה, ולמרות שפרופ' מילגרום ופרופ' יעקב בקנשטיין כבר התאימו אותה בהצלחה לאפקטים של תורת היחסות, היא עדיין לא התקבלה כהסבר בקרב המדענים העוסקים בתחום.

הפוסט הבא יעסוק בהמשך הסיפור – היווצרות מערכת השמש, כדור-הארץ והחיים על פניו.

 

3 תגובות



  1. תודה על הפוסט היפה והמרשים. רק הערה קטנה, למיטב ידעתי התורה של פרופ' מילגרום מעלימה את הצורך בחומר אפל אבל אין לה נגיעה בנושא האנרגיה האפלה שלפי ההערכות מהווה 75% ממסת היקום. ועוד הערה קטנטונת, ההסבה של MOND לתורה יחסותית היא של פרופ' בקנשטיין לבד ולטעמי היא קצת מאולצת.

    הגב

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *

*