סיכום מאמר – בראשית היקום

(מעובד ממאמר מאת Scientific American Israel ' ראשית היקום' דצ' 09 – ינ' 010 כרך 8 גיליון 2)

מושגי מפתח:

• תחילת היקום לפני 13.7 מיליארד שנה, מאז התפשט והתקרר, התפתח ממרק חלקיקים יסודיים נטול צורה ליקום המורכב העכשווי.
• מיליונית השנייה הראשונה הייתה שיצקה את צורת היקום, נטמנו זרעי הגלקסיות ומבנים אחרי, נוצר חומר אפל וחומר , לא אנטי-חומר, נעשה שליט.
• עתיד היקום נתון בידי האנרגיה האפלה, צורה בלתי ידועה של אנרגיה שגרמה להתפשטות היקום להתחיל להאיץ לפני כמה מיליארדי שנים.

__________________________________________________________________________________

הקדמה

היקום שלנו היה נתון מחוץ להישג היד של המכשירים וההבנה שלנו רוב ההיסטוריה.  את ההתפתחויות הניעו במידה שווה רעיונות כבירים – מתורת היחסות ועד תיאוריות החלקיקים היסודיים המודרניות – ומכשירים רבי עוצמה: מטלסקופים מחזירי אור שלקחו אותנו אל מחוץ לשביל החלב, ועד האבל שהחזיר אותנו לימים שבהם נולדו הגלקסיות. ה-20 שנה האחרונות הואץ קצב ההתקדמות עם ההבנה שהחומר האפל אינו מורכב מאטומים רגילים, עם הבנת האנרגיה האפלה ועם הנצתם של רעיונות כמו התפיחה הקוסמית ויקומים מרובים.

היקום הנצפה כיום מכיל 100 מיליארד גלקסיות אשר כל אחת מכילה כ-100 מיליארד כוכבים. הגלקסיות שומרות על לכידותן בעזרת כוח החומר האפל. היקום מתפשט בקצב גובר בשל האנרגיה האפלה. הנושא המרכזי ביקום הוא ההתפתחות שלו מאז למאפייניו כיום. הקוסמולוגים, במסעם חזר  לבראשית היקום, עוברים עד למיליונית השנייה הראשונה, ואף מלפניה. לגבי תקופה זו יש בינתיים רק השערות.

__________________________________________________________________________________

יקום מתפשט

מבוא: התפשטות המרחב היא המניעה את התפתחות היקום, כשהמרחב נמתח כמו יריעת גומי של בלון מתנפח, הגלקסיות מתרחקות זו מזו וגלי האור מתארכים (ולכן נעשים אדומים יותר).

אדווין האבל הראה ב-1924 שהגלקסיות מתרחקות זו מזו בתבנית סדירה שאפשר לתארה באמצעות קשר מתמטי המוכר היום בשל "חוק האבל". עפ"י חוק זה, ככה שהגלקסיה רחוקה יותר, כי היא מתרחקת מהר יותר. הרצת החוק אחורה בזמן מורה על מפץ גדול שאירע לפני 13.7 מיליארד שנה. לחוק האבל נמצא פירוש נוח באמצעות תורת היחסות הכללית: המרחב עצמו מתפשט, והגלקסיות פשוט נישאות המרחב. גם האור נמתח – תהליך שמקטין את האנרגיה שלו – ולכן ככל שהיקום מתפשט הוא מתקרר. ההתפשטות מספקת את הסיפור המסביר כיצד נוצר היקום של היום.  הדמיות מחשב מראות שהכוכבים והגלקסיות נוצרו כשהיקום היה בן כ-100 מיליון שנה. לפני כן היה היקום בתקופה הקרויה "העידן האפל" שבו היה כמעט חשוך לגמרי. המרחב – דייסה חד גונית של חמישה חלקים של חומר אפל, שהלכה והידלדלה כשהיקום התפשט.

__________________________________________________________________________________

זוהר קלוש של התחלה חמה

מעבר לעידן האפל, מצוי הזוהר של המפץ הגדול החם. היום אנו רואים קיר של גלי מיקרו – קרינת הרקע הקוסמית שהתגלתה ב-1964. הקרינה מאפשרת הצצה ליקום בגיל 380 אלף שנה, בעידן שבו נוצרו אטומים, לפני כן היקום היה מרק אחיד של גרעיני אטומים, אלקטרונים ופוטונים. כשהמרק התקרר נקשרו האלקטרונים זה לזה ויצרו אטומים. ב-1992 גילו הפרשים קלים בעוצמת הרקע, המשקפים גבשושיו ת קלה בפיזור החומר. היה די בגבשושיות אלו ליצור את זרעי הגלקסיות והמבנים הגדולים יותר שיתהוו מאוחר יותר.

________________________    לפני המפץ הגדול ___________________________

הקוסמולוגים אינם יודעים עדיין כיצד החל היקום, אך ישנם מספר תרחישים תיאורטיים.

א.      לא היה עידן קודם – החומר והאנרגיה, המרחב והזמן החלו פתאום להתקיים במפץ.[

ב.      התהוות קוונטית – המרחב והזמן הרגילים התפתחו מתוך מצב בראשיי שאפשר לתארו באמצעות תיאוריה קוונטית של הכבידה.

ג.        רב-יקום – היקום שלנו ויקומים אחרים נבטו מתוך מרחב אינסופי.

ד.      יקום מחזורי – המפץ הגדול הוא השלב האחרון במחזוריות נצחית של התפשטות, קריסה והתפשטות מחדש.

מושג: עידן פלנק: 10 חזקת -43, פרק הזמן הראשון שיש לו משמעות – בו הזמן והמרחב מתעצבים.

קרינת הרקע הקוסמית מכילה את התכונות הבסיסיות של היקום, כגון צפיפותו הכללית והרכבו, ורומזת על רגעיו הראשונים. כשאנו מקרינים לאחור, אנו רואים את הפלזמה הבראשיתית נעשית חמה וצפופה יותר. כשהיקום היה בן 100,000 הקרינה הייתה צפופה מהחומר, והדבר  מנע ממנו להתקבץ. זה מסמל את ההתארגנות הכבידתית של כל המבנים שאנו רואים כיום. לשכיחות הדאוטריום, נתון בעל רגישות גבוהה מאוד לצפיפות האטומים ביקום, יש תפקיד מיוחד – הערך הנמדד שלה מורה על כך שהחומר הרגיל מהווה 4.5 אחוז מכלל צפיפות האנרגיה ביקום, השאר חומר אפל ואנרגיה אפלה. ההערכה מתאימה להרכב שחושב מקרינת הרקע הקוסמית, והיא ניצחון גדול לא רק למודל התפתחות היקום, אלא לפיזיקה המודרנית בכלל.

__________________________________________________________________________________

תשובות במרק הקוורקים

מוקדם יותר ממיקרו שנייה, אפילו פרוטונים ונויטרונים לא יכלו להתקיים, היקום היה מורכב ממרק יחידות בסיסיות: קוורקים, לפטונים ונשאי כוח – פוטונים , בוזונים וגלואונים. מרק הקוורקים אכן התקיים מפני שניסויים במאיצי חלקיקים יצרו תנאים דומים כאן על כדור הארץ.

שאלות מפתח: טבעו של החומר האפל, האי-סימטריה בין חומר לאנטי-חומר ומקורו של מרק הקוורקים עצמו. כעת נראה ששלב מרק הקוורקים היה ערש הולדתו של החומר האפל. זהות החומר האפל עלומה, אך קיומו מבוסס. הגלקסיה שלנו וכל גלקסיה אחרת מחזיקה בכוח הכבידה של החומר האפל. אחד המועמדים לחלקיק שאולי מרכיב את החומר האפל הוא הנויטרינו, הקל ביותר במשפחה משוערת חדשה של חלקיקים. מסתו פי 100-1000 ממסת פרוטון. ב-LHC מנסים לחפש אחר החלקיק הזה או תוצרי לוואי הנוצרים בתגובה אליו. עוד מועמד האקסיון. פיזיקאים  סבורים שהיקום הכיל במקור כמויות שוות של חומר ואנטי-חומר, אבל ברגע מסוים נוצר עודף קל של חומר, הפרת האיזון הזו הבטיחה שישערו מספיק קוורקים לאחר שהאיון שהתרחש כשהקוורקים פגשו אנטי-קוורקים.

__________________________________________________________________________________

לידתו של היקום

כשקוסמולוגים מנסים ללכת עוד אחורה ולהבין את ראשית היקום עצמו, הרעיונות נעשים פחות מוצקים. תורת היחסות הכללית של איינשטיין סיפקה לנו בסיס תיאורטי במשך מאה שנה של התקדמות בהבנת התפתחות היקום, אבל היא אינה עולה בקנה מידה עם עמוד התווך השני של הפיזיקה בת ימינו: תורת הקוונטים. בעזרת תיאוריה מאוחדת נוכל לגשת לטפל ברגעיו הראשוניים של היקום, כשהיקום היה בן פחות מ-10 חזקת -43 שניות, והמרחב-זמן קיבל צורה. ניסיונות זמניים לאיחוד התורות הביאו להשערות מרתקות על אודות הראשית עצמה של קיומנו. תורת המיתרים, למשל, חוזה את קיומם של ממדים נוספים בחלל ואת האפשרות שיקומים אחרים מרחפים בחלל הזה. האירוע שאנו מכנים המפץ הגדול היה אולי התנגשות של היקום שלנו באחר. רעיון הרב יקום עוד בחיתוליו. הוא מספק תשובות חדשות לשתיים מן השאלות הגדולות במדע: מה אירע לפני המפץ הגדול ומדוע חוקי הפיזיקה נראים כפי שהם, או כפי שנוסח "האם לאלוהים הייתה ברירה בבחירת החוקים." מפי איינשטיין. הרב-יקום מבטל את השאלה על מה שאירע לפני המפץ מפני שהיו אין סוף התחלות במפצים גדולים. בדומה, גם תהייתו של איינשטיין נדחקת הצדה – באינסוף יקומים, כל נוסו כל האפשרויות של חוקי הפיזיקה, ולכן אין סיבה מיוחדת לחוקים השולטים על היקום שלנו. לקוסמולוגים רגשות מעורבים לגבי הרב-יקום. אם אין שום דרך לתקשר עם התת-יקומים, הם מחוץ לתחומי המדע.

__________________________________________________________________________________

מאורעות עתידיים שניתן לחזות

א.      ההאצה מסתיימת והיקום ממשיך להתפשט לנצח (100 טריליון שנה, נכבים הכוכבים האחרונים)

ב.      ההאצה נמשכת, בעוד 30 מיליארד שנה ההאצה הקוסמית דוחפת את הגלקסיות האחרות אל מחוץ לשדה הראייה שלנו – אובדות העדויות למפץ.

ג.        ההאצה גוברת, הקריעה הגדולה – האנרגיה האפלה פורמת את כל המבנים מצבירי על ועד אטומים, בעוד 50 מיליארד שנה.

ד.      ההאצה משנה את כיוונה להאטה מהירה ולקריסה – הקריסה הגדולה, לאחריה מתרחש אולי שוב מפץ גדול במחזוריות אינסופית, בעוד 30 מיליארד שנה.

______________________________________________________________________________

סיכומו של דבר

אירועים שכוונו בידי החוקים של הפיזיקה אפשרו לחומר להתגבר על האנטי-חומר, יצרו את הגבשושיות שזרעו את הגלקסיות, מילאו את המרחב בחלקיקי חומר אפל המספק תשתית כבידתית ווידאו שהחומר האפל יבנה את הגלקסיות לפני שהאנרגיה האפלה תשפיע במידה ניכרת והתפשטות היקום תחל להאיץ. הרעיון שאנו יכולים להבין משהו כה גדול הוא רעיון מגוחך ויהיר. במאה השנים האחרונות התקדמנו בהבנתנו של היקום כפי שהוא ואת מקורות, אני סמוך ובטוח בהתקדמות נוספת בשנים הבאות ונחוש בדעתי שאנו חיים בתור הזהב של הקוסמולוגיה.

חוות דעת אישית

נהניתי מהמאמר, כמו תמיד מאמרי של SA כתובים נפלא. המאמר חידש לי אך לא רבות, אם כי הרשים בכך שהיה מקיף מאוד ומפורט על הדברים שכבר היו יחסית ידועים. נדמה כי הדרך עוד ארוכה עד למאמר אשר יתמקד בדברים היותר רגישים, כגון התיאוריות של מה היה לפני תחילת היקום (אשר אמנם התמקדו קצת ברב-יקום במאמר, אך ה-'קצת' הוא בלשון המעטה) ומה באשר להבנה של החומר האפל והחלקיקים שלו. ה-LHC, ככל הנראה נצטרך לחכות לתוצאות שתנפיק לנו. הדבר יקח זמן, אך נקווה שנופתע והדבר יקדים ויאיר את פנינו לתגלית מהפכנית שנקרא עליה בשקיקה במאמר חדש. השתדלתי לסכם את תמצית הדברים העיקריים והרלוונטים ביותר בעיניי, אני ממליץ בחום לב על מנוי ל-Scientific American Israel.

המאמר הבא – תחילת החיים. בתקווה שבמאמר הזה אוכל למצוא חומר על אביוגנזה, הבטחתי פוסט מורחב יותר, אשתדל לעמוד בהבטחה בין כו וכו.