כשהיקום היה בתוך ראש סיכה

אחת הבעיות שעולות בכל הנוגע למפץ הגדול, היא העובדה שקשה לתפוש איך יקום כל כך ענק (ואולי אפילו אינסופי) היה יכול להידחס בנפח של פחות מגודלו של אטום.

אין ספק שהתיאור הזה, שעולה ממשוואות הפיזיקה המודרנית, מחייב אותנו לאמץ את הדמיון כמעט עד לקצה גבול היכולת.

רדיוסו של היקום הנראה, זה שאנו מסוגלים לראות נכון להיום, מגיע לכדי 14 מיליארד שנות אור. אבל יש עוד חלק ליקום; זה שאיננו מסוגלים לראות, מכיוון שהאור משם עדיין לא הגיע אלינו. חלק זה נמצא במרחק של כ-90 מיליארד שנות אור – פי 6.4 מגודלו של היקום הנראה.

איך כל הדבר הבלתי נתפש הזה, שמכיל בתוכו מספר עצום של חלקיקי חומר (החישוב אומר בערך 10 בחזקת 80 אטומים), ועל זה עוד תוסיפו את כל חלקיקי האינטראקציות (כבידה, אלקטרומגנטיות והכוחות הגרעיניים) – איך כל זה יכול להידחס לנפח של פחות מאטום בודד?

Burn, Motherfucker, burn
כדי שיהיה אפשר להבין את זה בצורה אינטואיטיבית, אני מדמין לעצמי בניין בן 5 קומות שעולה באש. כמובן שלא מדובר רק בבניין עצמו, על החומרים מהם הוא עשוי, אלא גם על החפצים הנמצאים בתוך הדירות, חדר המדרגות ועוד. לצורך הדוגמה נימנע מלהרוג בני אדם בשריפה הדמיונית הזו. הם כולם ברחו מבעוד מועד.

בוא נדמיין שהשריפה הדמיונית הזו נמשכת מספיק זמן, עד שכל הבניין וכל מה שבתוכו הופכים לאפר. זה לא כל כך קשה לדמיין – אחרי הכול רוב רובו של כל בניין הוא בעצם חלל ריק. אומנם המבנה עצמו תופס נפח לא קטן במרחב, אבל בסופו של דבר מדובר ביותר חלל מאשר חומר.

אחרי שהכול הפך לאפר, אני מניח שיהיה אפשר לאסוף אותו (באמצעות טרקטורים לדוגמה) וליצור ממנו קובייה בנפח של כמה מטרים מעוקבים. בניין שלם בגובה של 20 או 30 מטרים, הפך לקובייה קטנה שגודל צלעה כמה מטרים בודדים. כיווץ משמעותי פי 10 לפחות.

אבל הדוגמה שלנו לא נעצרת כאן. נניח שיש לנו מכבש דמיוני ומופלא, שיכול לדחוס את קוביית האפר מכל ששת צדדיה, שווה בשווה בלי הגבלה. ככל שהמכבש לוחץ פנימה, כך עולה הטמפרטורה הפנימית של מולקולות האפר. למה, בעצם? כי הדחיסה משאירה להם פחות ופחות מקום, וככל שטווח התנועה שלהם קטן, הם נאלצים “לזוז” מהר יותר כדי לשמור על קיומו של החומר (שאחרת היה קורס לחלוטין).

בסופו של דבר הטמפרטורה הופכת לגבוהה מספיק עד שחלקיקי האפר, שהיו עד עכשיו במצב מוצק, הופכים לגז. כבר בשלב הגז קוביית האפר נדחסה פי כמה וכמה לעומת גודלה המקורי, שעמד על אורך צלע של 2 או 3 מטרים. עוד כיווץ משמעותי פי 10 לפחות, אם לא יותר – ובסך הכול פי 100 לעומת גודלו המקורי של הבניין.

אבל המכבש ממשיך בדחיסה, ומולקולות הגז עצמן מתחילות להרגיש את החום, עד כדי כך שהאלקטרונים נקרעים מהאטומים שלהם ומשאירים גרעיני אטומים עירומים. למצב הזה קוראים פלזמה, והוא מצב הצבירה הרביעי של החומר (אחרי מוצק, נוזל וגז).

במצב כזה, שבו נשברו הקשרים האלקטרומגנטיים בתוך האטומים בשל הלחץ והצפיפות, אין יותר מה שיחזיק את החומר ויתמוך בו. כשאתם יושבים על כיסא, הדבר היחיד שמונע מכם “לשקוע” פנימה אל תוך האטומים שלו – הוא הכוח האלקטרומגנטי בין האטומים שלכם לאטומים של הכיסא. אותו דבר גם לגבי האטומים שלכם בגוף – אלמלא האטומים היו רוב רובם חלל ריק שנתמך באמצעות הכוח החשמלי (אלקטרונים שליליים מול פרוטונים חיוביים), כל החומר היה קורס אל תוך עצמו.

במצב רגיל, כל גז מקיים יחס כלשהו בין הלחץ, הטמפרטורה והנפח שלו (משוואת הגז האידיאלי). אבל לא תמיד גזים מתנהגים בהתאם למשוואה, ואחד המקרים הללו קשור למצבים של צפיפות גבוהה. כאשר הצפיפות עוברת רף מסוים, הגז מפסיק להתנהג בהתאם למשוואה הזו, ועובר לצורת התנהגות אחרת לחלוטין שנקבעת על ידי “עיקרון האיסור של פאולי” בתורת הקוואנטים.

חומר במצב כזה נקרא גם גז מנוון או חומר מנוון, והוא מציית אך ורק לעיקרון אחד – שני פרמיונים (חלקיקי חומר) לא יכולים להימצא באותו מצב קוונטי בו זמנית. אם שני אלקטרונים נדחסים לצפיפות קיצונית, אחד מהם יהיה חייב להיות עם ספין (סיבוב) לכיוון אחד והשני עם ספין לכיוון שני.

עיקרון פאולי בעצם מחייב את החלקיקים להגיע למצבים של אנרגיה קינטית גבוהה מאוד, ובכך מייצר לחץ הפועל כלפי חוץ ומונע את קריסת החומר לחלוטין. במצב כזה היחס הרגיל בין הלחץ, הטמפרטורה והנפח לא מתקיים – והוא זה שמאפשר לדחוס כמות גדולה של חומר לנפח קטן מאוד.

המכבש ממשיך לדחוס את הפלזמה הרותחת (שהתחילה כבניין שהפך לאפר), והיא ממשיכה להתכווץ בגודל ולרתוח בטמפרטורה. הצפיפות במצב כזה גדלה והולכת, אבל מכיוון שכל החללים הבין אטומיים והתוך-אטומיים נשברו – הכול נדחס פנימה, לשבריר הגודל לעומת גודלו של הבניין המקורי.

היקום המתכווץ
באותו אופן ניתן להראות שהיקום, ששקול לבניין שרוב רובו חלל ריק, עובר תהליך דומה. ההבדל הוא שמדובר בסדרי גודל עצומים בהפרשם. אם נריץ את הסרט של היקום אחורה, נוכל לראות כיצד – ככל שהמרחב מתכווץ – החומר מתפרק.

הגלקסיות, הכוכבים והפלנטות מתפוררים, והכול הופך למרק רדיואקטיבי רותח (פלזמה) בטמפרטורה של 8,000 עד 10,000 מעלות. במצב זה האטומים והמולקולות מתפרקים ולא מצליחים להיאחז לכדי חומר מוצק.

לבסוף גם הפלזמה, בתורה, מתפוררת מחלקיקיה והופכת למרק רותח שבעתיים. ככל שהיקום ממשיך להתכווץ בגודל, הטמפרטורה והצפיפות ממשיכות לעלות, מבטלות את החללים בין חלקיקי החומר ומאפשרות ליקום להתכנס לתוך נקודה קטנה מאוד; כנראה שאף קטנה יותר מפרוטון בודד (שקוטרו עומד על 10 בחזקת 15- מטר).

החומר בלב הכוכבים
החומר בטבע במצבו הרגיל, לא מגיע למצבים קיצוניים כאלה של טמפרטורה, צפיפות וגודל. לכן מסיקים את קיומם של מצבים אלו ממשוואות מצב החומר, כפי שהוא מתקיים בכוכבים מסוגים שונים (גז אידיאלי / מנוון).

לדוגמה, הצפיפות במרכז השמש שלנו היא 150 גרם לסנטימטר מעוקב (בטמפרטורה של 15 מיליון מעלות). זה אולי לא נשמע הרבה, עד שמבינים שצפיפות של מים היא 1 גרם לסמ”ק, ברזל 7.87 גרם לסמ”ק ועופרת 11.3 גרם לסמ”ק. למרות הצפיפות והטמפרטורה הגבוהות, הגז במרכז השמש עדיין מתנהג לפי משוואת הגז האידיאלי.

הצפיפות במרכזם של כוכבים כבדים יותר, גדולה משמעותית מצפיפות השמש; וכאשר מדובר בכוכבים דחוסים – שאריות של כוכבים מתים – המשוואות טוענות לצפיפויות מחרידות: 1 טון לסמ”ק בממוצע בננסים לבנים, ו-100 מיליון טון לסמ”ק בממוצע בכוכבי נייטרונים. כאן כבר מדובר בגז / חומר במצב מנוון, הפועל לפי עיקרון האיסור של פאולי.

פועל יוצא של הצפיפויות המחרידות הללו, הוא שהכוכבים הנושאים אותן קטנים מאוד (בין גודל של פלנטה לגודל של עיר ממוצעת). זהו רמז חזק לאפשרות שאכן ניתן לדחוס את החומר למצבים קיצוניים ביותר, בהם כמות גדולה מאוד של מאסה תופסת נפח קטן.

הצפיפות המשוערת במרכזם של חורים שחורים מגיעה, לפי התיאוריה, לערכים אינסופיים, וזאת לאור ההשערה שמרכזו של חור שחור אינו אלא נקודה חסרת גודל וממדים.

אם ליבת כוכב ששוקלת פי 3 לפחות מהשמש, יכולה להידחס למצב כה קיצוני – עד שהיא למעשה נעלמת מהקיום – לא קשה לדמיין איך יקום שלם נדחס לאותו מצב בדיוק.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר. שדות החובה מסומנים *