מעתה אמור מוּלטיוֶורס – תיאוריית היקומים המקבילים

איך הגענו למצב בו היקום שלנו הוא רק בועה אחת בתוך ים שלם?

הפיזיקה של ימינו מובילה להכרה, כי ייתכן שהיקום שלנו הוא אחד מאינספור יקומים נוספים (רב-יקום / Multiverse): "בועות סבון" שנוצרות ונעלמות בתוך ים של קצף. נשמע יותר מדי כבד כדי להיות מציאותי? למרות שלהשערה הזו אין אישוש ניסויי מספק, היא חזקה דיה להיכלל באוסף ההשערות הסבירות אודות היקום.

אחד מהניסויים המפורסמים ביותר בפיזיקה המודרנית, הוא ניסוי 2 הסדקים. בגרסה ה"ביתית" של הניסוי יורים ברובה אוויר אל עבר לוח-מטרה, שלפניו מוצב מחסום עם 2 סדקים אנכיים. כדורים שעוברים דרך שני הסדקים, פוגעים במטרה בשתי קבוצות נפרדות: קבוצה ימנית וקבוצה שמאלית, בהתאם למיקומו של כל סדק (כמוצג באיור).

עד כאן הכול ברור; אבל כאשר עושים את אותו ניסוי עם חלקיקים תת-אטומיים, התוצאות לא כל כך מובנות מאליהן. ברגע שיורים אלקטרונים, למשל, ולא כדורים מרובה אוויר, האלקטרונים מסתדרים בצורה אחרת על פני המטרה: לא בשני טורים הדומים לשני החריצים, אלא בסדרת קווים אנכיים מצד לצד.

אלקטרונים הם חלקיקי החומר הקטנים ביותר, והם אמורים להתנהג כמו כדורי רובה זעירים. אז מדוע כאשר הם עוברים דרך שני החריצים, הם מציגים תבנית מרובת-קווים במקום תבנית דו-קווית? איך הם מצליחים "להימרח" על פני כל המסך, אם הם אולצו לעבור רק דרך שני חריצים צרים?

התבנית שיוצרים האלקטרונים דומה להפליא לתבנית אחרת, כאשר עושים את אותו ניסוי עם גלים. קחו בריכת מים גדולה, בקצה האחד שימו את לוח המטרה ובאמצעה את המסך עם שני החריצים. עכשיו זרקו אבן כבדה למכל המים, וצפו בגלים המתפשטים אל עבר המסך והמטרה. ברגע שהגלים מגיעים לשני החריצים, הם מבצעים פעולת עקיפה ומתפשטים אל עבר המטרה בצורת שני גלים חדשים (כמוצג באיור). שתי חזיתות הגלים נפגשות בדרך אל המסך: חלקן מחזקות אחת את השנייה (פסים לבנים), וחלקן מבטלות אחת את השנייה (פסים שחורים).

אז איך בכל זאת האלקטרונים, שהם פיסות חומר, מתנהגים כמו גלי הים?
מכניקת הקוואנטים מציעה מענה סטטיסטי לבעיה: כל עוד האלקטרונים לא פגעו במטרה (כל עוד לא בוצעה מדידה), אין לנו אפשרות לדעת בוודאות היכן הם נמצאים. מכיוון שאיננו יודעים בוודאות היכן הם נמצאים, יש להם סבירות סטטיסטית להיות בכמה מקומות בבת-אחת ("סופרפוזיציה"). ברגע שכל אלקטרון פוגע במסך המטרה, הוא יוצא ממצב הסופרפוזיציה ומיקומו נקבע בוודאות מוחלטת על גבי המסך ("קריסת" פונקציית הגל, המתוארת במשוואת שרדינגר).

כשמדובר באלקטרון חופשי, פונקציית הגל מתארת אותו כ"מרוח" באופן שווה בכל המרחב; לכן הוא יכול לעולל את מעלליו בניסוי 2 החריצים. באטום, לעומת זאת, האלקטרונים מוגבלים הרבה יותר, מכיוון שהם נמצאים בנפח זעיר להחריד סביב הגרעין (עשירית ננומטר; קטן פי מיליון מעובי של שערה). אבל גם שם, בתוך האטום, מיקומם של האלקטרונים לא ידוע באופן ודאי ומוחלט.

משוואת שרדינגר אומרת שגם פה יש מצב סטטיסטי לא-ודאי: יש סיכוי גדול יותר למצוא את האלקטרונים במיקומים מסוימים ולא במיקומים אחרים. אבל לקבוע בוודאות היכן נמצא כל אלקטרון סביב גרעין האטום? את זה לא ניתן לעשות. זו הסיבה שמתייחסים לאלקטרון כאל חלקיק "מרוח" או קוראים לו בשמות כגון "גלקיק" (גל + חלקיק). זה לא אומר שהאלקטרון הוא באמת גל או חלקיק; זה רק אומר שההסתברות למצוא אותו מתנהגת כמו גל (סביב האטום היא מדומה ל"ענן הסתברות").

הערת אגב – זו אפילו לא התכונה המוזרה ביותר של חלקיקים. אם יוצרים זוג חלקיקים זהים ממקור אחד, ומפרידים ביניהם עם קילומטרים רבים – עדיין שני החלקיקים יהיו "שזורים" אחד בשני. שינוי באחד מהם יוביל מיידית לשינוי בשני, במהירות העולה על מהירות האור. התוצא הזה הוסק לראשונה על-ידי ניסוי איינשטיין-פודולסקי-רוזן (EPR) וכן על-ידי אי-שוויון בל (Bell). לבסוף התוצא אושר לראשונה בניסויי מעבדה בשנות ה-70, על-ידי האסטרופיזיקאי ג'ון קלאוזר (Clauser), וכן בשנות ה-80 על-ידי הפיזיקאי אלן אספק (Aspect): חלקיקים שזורים (Entangled) יכולים להיות מופרדים בין שתי גלקסיות, ועדיין מדידה של אחד מהם תגדיר מיידית את התוצאה גם בשני.

גם אם נבצע את ניסוי 2 הסדקים, בצורה שבה נסיר את מסך המדידה אחרי שהחלקיק כבר עבר את הסדקים – גם אז החלקיק עדיין יתנהג בהתאם למה שהנסיין יחליט (Delayed Choice Experiment). הפיזיקאי אנטון ציילינגר (Zeilinger) השתמש בתוצא הזה ב-2007, ושיגר חלקיק למרחק של 144 ק"מ באופן מיידי, בלי לעבור את המרחב באמצע (טלפורטציה קוואנטית). ראוי לציין שהחלקיק עצמו לא הוא ששוגר; התכונות שלו הן אלו ש"קפצו" אל החלקיק המרוחק (כמעט כמו בסרט "היוקרה"). היישומים המעשיים של המוזרות הקוואנטית לא נגמרים: מחשבים קוואנטיים, גלאי פצצות מתוחכמים (ויידמן-אליצור), שפע של פרדוקסים ועוד.

נחזור ליקומים המקבילים – אם לחלקיקים אין מיקומים מוגדרים, כמתחייב מפונקציית הגל שלהם, גם אנחנו היינו צריכים להיות "מרוחים" במין הסתברות סטטיסטית (שהרי אנו עשויים מאותם חלקיקים בדיוק). מדוע זה לא קורה? אחת מהפרשנויות בנושא, טוענת שה"טשטוש" הזה לא באמת נעלם כשעוברים מהמיקרו למקרו. כל חלקיק שיכול להיות במיקום מסוים, נמצא בו-זמנית גם במיקום השני, השלישי והלאה.

כל מצב שונה כזה מתקיים למעשה ביקום נפרד. כל האפשרויות בסופרפוזיציה באות לידי ביטוי, כל אחת ביקום אחר: ביקום אחד האלקטרון עבר דרך חריץ א', וביקום השני הוא עבר דרך חריץ ב'. זו פרשנות המצבים היחסיים שהוצעה על ידי יו אוורט (Hugh Everett) בסוף שנות ה-50. הפרשנות הורחבה על-ידי ברייס דה-ויט (Bryce De-Witt), ומאז ידועה בשם "פירוש העולמות המרובים" (MWI).

הכול טוב ויפה על הנייר, אבל איפה הממצאים בשטח?
השערת היקומים המרובים פותרת הרבה בעיות במכניקת הקוואנטים, אבל אף אחד עדיין לא מצא יקום מקביל, בו מתקיימות תוצאות הניסוי ה"אחרות" (אלקטרון שפעם פגע במסך ופעם לא; פעם דרך חריץ ימין ופעם דרך חריץ שמאל וכו'). מעבר לכך, פרשנות העולמות המרובים מצריכה "מטען מטפיזי" גדול ומיותר, לכאורה: בכל פעם שמתקיים ניסוי קוואנטי, היקום מתפצל לכל האפשרויות הכלולות בניסוי, כדי להכיל את כולן (או לחילופין: כל האפשרויות מתקיימות ביקומים המקבילים, שכבר קיימים איפשהו במרחב-זמן).

כדי להבין כמה מגוחך המצב הזה: גם חלקיק אור שעובר ליד חור שחור, "מפצל את היקום" לשני מצבים אפשריים: ביקום אחד הפוטון נפל פנימה, וביקום השני הפוטון ברח. האם זה אומר שכל נפיחה קוואנטית מפצלת את היקום? לאלוהים הפתרונים.

למרות שאין כמעט שום אישוש לתיאוריה הזו, ולמרות שהיא נשמעת יותר כמו מטפיזיקה מאשר פיזיקה, לא מעט מדענים תומכים בה (וביניהם גם פיזיקאים ישראלים, כגון לב ויידמן ויקיר אהרונוב, וכן סטיבן הוקינג). מעבר לעובדה שהיא פותרת הרבה בעיות פילוסופיות ועקרוניות, גם במכניקת הקוואנטים וגם בתמונת העולם שהיא יוצרת, תיאוריית MWI קיבלה מעין "אישוש" משני מקורות בלתי צפויים: קוסמולוגיה מחד ופיזיקת חלקיקים מאידך.

היקום האפל והמיתרים הקוסמיים

עד שנות ה-30 המדענים היו בטוחים שהיקום נצחי, למרות שמשוואות איינשטיין "הכריחו" אותו להתפשט או להתכווץ, ולפיכך ליצור לו התחלה וסוף. רק ב-1929 נתגלתה העדות הראשונה להתפשטות היקום, והיום אנחנו יודעים שהיקום נברא לפני 14 מיליארד שנה. 10^-34 שנייה לאחר מכן, הוא החל לתפוח בצורה קיצונית: מגודל של פרוטון לגודל של גלקסיה, תוך שבריר שנייה. עוד שבריר שנייה חולף, והיקום "נרגע" וחוזר להתפשטות הרגילה שלו. למצב הזה קוראים "תפיחה" (אינפלציה), ונכון להיום הוא אחד ההסברים הטובים ביותר לכך שהיקום בנוי כפי שהוא: אחידות גדולה בהתחלה, יצירת חלקיקים מהריק, זרעי-כבידה קוואנטיים שסייעו לבניית גלקסיות וכוכבים, ההבדל בין היקום הנראה לבלתי נראה ועוד.

אבל מעבר לכך, נתגלה שהיקום התופח הוא גם דלת ליקומים מקבילים: כמה מהפיזיקאים שעבדו על נושא התפיחה, הבינו שמנגנון התפיחה לא פשוט מפסיק להתקיים ברגע שהיקום שלנו נוצר. הוא ממשיך לפעול בנקודות שונות במרחב, מה שאומר שהוא מייצר עוד מפצים גדולים ועוד יקומים. המרחב כולו מלא באנרגיה הפוטנציאלית של מנגנון האינפלציה, שדוחף את המרחב להתפשט עוד ועוד. בכל נקודה במרחב הזה, יהיו מקומות מסוימים בהם אנרגיית הדחייה של התפיחה תעבור ממצב פוטנציאלי למצב בר-קיימא (כמו התפרקות חשמלית שיוצרת ניצוצות) – ובכך תיצור עוד יקום ועוד יקום.

נקודה נוספת הנובעת מתחום הקוסמולוגיה התצפיתית, מגלה שמרבית היקום כולל חומר ואנרגיה מסתוריים: גלקסיות מסתובבות מהר מדי, והיו נקרעות לגזרים אלמלא כוח כבידה מסתורי המשאיר אותן כפי שהן. אותו כוח כבידה נובע מחומר לא מוכר ובלתי נראה, שנקרא בשם ההולם "החומר האפל". על כל יחידת מאסה של חומר רגיל, יש פי 5 מאסה אפלה ביקום (דהיינו כרבע מהמאסה ביקום).

מעבר לכך: ב-1998 נתגלה שלא רק שהיקום שלנו לא מאט את התפשטותו, הוא אף מאיץ ומתפשט מהר יותר ככל שמביטים רחוק יותר. ההתפשטות המואצת הזו נגרמת מ"אנרגיה אפלה", המתנגדת לכוח הכבידה ביקום (איינשטיין חשב על המושג הזה כבר ב-1917, ורק בשנות ה-90 מצאו לו שימוש הולם). האנרגיה האפלה מהווה 70% -80% מהיקום, ויחד עם החומר האפל – מדובר ב-95% מהיקום שנשארים מסתוריים ובלתי נגישים.

פיזיקאים התחילו למדוד את כמויות האנרגיה האפלה במרחב, כדי לבדוק את השפעתה. המספר שהם מצאו נשמע בלתי הגיוני בעליל, מכיוון שהוא כה קטן (10^-123), עד שלא הגיוני שיש לו השפעה כזו גדולה על התפשטות היקום. אם נעז להגדיל את המספר הזעום הזה, אפילו ב-4 ספרות, האנרגיה האפלה תתחזק במידה כזו שתקרע את הכוכבים והגלקסיות לגזרים (משהו שאגב ממילא יקרה בעתיד הרחוק מאוד, אם ההאצה תמשיך במגמה הנוכחית).

העובדה שצפיפות האנרגיה האפלה במרחב היא כה קטנה, מעידה על כך שהיא קיימת בדיוק במידה הנכונה ליצירת יקום בר-קיימא. אם היא הייתה חזקה או חלשה בכמה אפסים בלבד, היקום לא היה מתפתח להיות כפי שהוא כיום, ואנחנו לא היינו מופיעים בו.

אז אם לרגע נניח שיש אינספור יקומים חוץ מזה שלנו, המספר הקטן הזה דווקא נשמע הגיוני. הוא מהווה חלק זעום משאר האפשרויות הקיימות בשאר היקומים. זה דומה לבית מלון שנותן לכם מפתח לחדר מספר מיליון. בהתחלה זה נשמע מוזר מאוד, אבל אם בבית המלון הזה יש מיליארדי חדרים, לפתע המספר שלכם נשמע הגיוני. השערת היקומים המקבילים נותנת מענה לבעיית צפיפות האנרגיה האפלה.

ביקומים אחרים, האנרגיה האפלה חלשה או חזקה במידות שונות, מה שמאפשר או לא מאפשר התפתחות של חיים. ביקומים מסוימים האנרגיה האפלה תהיה דומה מספיק לזו שלנו, כדי לפתח תרבויות דומות לשלנו. זה דומה לחלוקה של חפיסת קלפים בין כמה אנשים – תמיד יהיו סדרות קלפים שיחזרו על עצמן בכל כמה סבבים. בדומה לכך, ייתכן שיש יקומים מקבילים עם כפילים שלנו.

אישוש נוסף לריבוי היקומים מגיע מתורת המיתרים (או תורת M, כפי שהיא נקראת מאמצע שנות ה-90). במקום חלקיקים נקודתיים, חסרי-ממדים, התיאוריה גורסת שחלקיקי היסוד הם מיתרי אנרגיה באורך פלאנק (מידת האורך הקטנה ביותר האפשרית: 10^-35 מטר). כל מאות החלקיקים המוכרים לנו הם פשוט מצבי אנרגיה משתנים של אותו מיתר, שרוטט במהירויות שונות.

כדי שהתיאוריה תעבוד, היא דורשת כ-9 ממדי מרחב וממד אחד של זמן, המסודרים במגוון רחב של אפשרויות; כה רחב עד שהוא מפיק 10⁵⁰⁰ פתרונות אפשריים למשוואות התיאוריה. דבר זה יכול להיות מתורגם ל- 10⁵⁰⁰ יקומים שונים.

אז מה כל זה אומר?
צריך לזכור שכל נושא היקומים המקבילים הוא השערה בלבד; השערה שמתחילה לבסס את עצמה גם מבחינה תצפיתית-ניסויית, אבל לא במידה כזו שניתן להגיד שהיא נכונה. אומנם אין אישוש לקיומם של יקומים מקבילים, אבל כאשר כל כך הרבה מהתשתית הנוכחית של הפיזיקה מצביע אל עבר האפשרות הזו – יש סיכוי סביר (גם אם נמוך מאוד) שאכן זה המצב. שלוש תיאוריות שונות משמשות בסיס לרב-יקום, וכמו שזה היה פתח מעולה לתגליות בעבר, זה יישאר פתח מעולה לתגליות גם בעתיד.

אין לי בעיה לקבל את האפשרות שיש 10⁵⁰⁰ יקומים נוספים. כבר קיבלתי אפילו את האפשרות שהיקום שלנו אינו אלא הולוגרמה שנוצרת על-ידי חוקי הטבע. מה שכן מפריע לי הוא שכל חלקיק מושתן יכול לפצל את המרחב לכמה יקומים שירצה, בהתאם ל"קריזות" שלו (עבר דרך החריץ או לא עבר; נפל לחור השחור או לא נפל). אני מקווה שגם אם יש אינספור יקומים, הם לא מצייתים לקפריזות של אלקטרונים ופוטונים. זה כבר יותר מדי אפילו בשבילי.

———————-

מבוסס על 4 פרקי הסדרה The Fabric of the Cosmos, לפי ספרו רב המכר של הפיזיקאי בריאן גרין:

1. What Is Space
2. Illusion of Time
3. Quantum Leap
4. Universe or Multiverse