איך נוצר היקום? החידה אינה נצחית
האסטרופיסיקאי מייקל טרנר משוכנע שאנו חיים בתור הזהב של הקוסמולוגיה. רעיונות כבירים ומכשירים רבי עוצמה מקרבים קוסמולוגים להבנת התהליכים הבסיסיים שיצרו את היקום ועיצבו אותו. התשובות נמצאות בתוך מרק הקוורקים
מאת: מייקל ס' טרנר
היקום כה גדול, גם במרחב וגם בזמן, עד שלאורך רוב ההיסטוריה של המין האנושי הוא היה מחוץ להישג ידם של המכשירים ושל ההבנה שלנו. הדבר השתנה באופן דרמתי במאה ה-20. את ההתפתחויות הניעו במידה שווה רעיונות כבירים - מתורת היחסות הכללית של איינשטיין ועד תיאוריות החלקיקים היסודיים המודרניות - ומכשירים רבי עוצמה - מן הטלסקופים מחזירי האור בקוטר 100 ו-200 אינץ', שבנה ג'ורג' אלרי הייל, שלקחו אותנו אל מחוץ לגלקסיית שביל החלב ועד טלסקופ החלל האבל שהחזיר אותנו אל הימים שבהם נולדו הגלקסיות.
לפני 100 שנה היה היקום פשוט: נצחי, אין-סופי, לא משתנה, מכיל גלקסיה אחת ובה כמה מיליוני כוכבים נראים לעין. התמונה היום שלמה יותר ועשירה הרבה יותר. הקוסמוס נוצר לפני 13.7 מיליארד שנה במפץ הגדול. שבריר שנייה לאחר ההתחלה, היקום היה מרק חם וחסר צורה של החלקיקים היסודיים ביותר: קוורקים ולפטונים. כשהתרחב היקום והתקרר, נוצרו מבנים, רובד אחר רובד: נויטרונים ופרוטונים, גרעיני אטומים, אטומים, כוכבים, גלקסיות, צבירי גלקסיות ולבסוף צבירי-על.
החלק הנצפה של היקום מכיל כיום 100 מיליארד גלקסיות שכל אחת מהן מכילה 100 מיליארד כוכבים וכנראה מספר דומה של כוכבי לכת. הגלקסיות עצמן שומרות על לכידותן בזכות כוח הכבידה של החומר האפל המסתורי. היקום ממשיך להתפשט ומתברר שהוא עושה זאת בקצב הולך וגובר בשל האנרגיה האפלה, צורה מסתורית אף יותר של אנרגיה, שבה כוח הכבידה הוא כוח דוחה ולא מושך.
הנושא המרכזי בסיפור היקום שלנו הוא התפתחותו מן הפשטות של המרק הקוורקי אל המורכבות שאנו רואים היום בגלקסיות, בכוכבים, בכוכבי הלכת ובחיים. המאפיינים האלה התהוו זה לאחר זה במשך מיליארדי שנים בהנחייתם של חוקי הפיסיקה הבסיסיים. בראשית מסעם בחזרה לבראשית, עוברים הקוסמולוגים דרך ההיסטוריה המבוססת היטב של היקום עד למיליונית השנייה הראשונה. אחר כך, עד לחלק ה-1034 של השנייה הראשונה, הרעיונות אמנם מגובשים אבל העדויות אינן מוצקות.
מעבר לכך, יש בידנו רק השערות לגבי מה שאירע ברגעים הראשונים ממש לאחר היווצרות היקום. אף על פי שהמקור המוחלט של היקום עדיין מצוי מעבר ליכולת התפיסה שלנו, יש לנו כמה ניחושים מרתקים, ובהם רעיון הרב-יקום על פיו היקום מורכב ממספר אין-סופי של תת-יקומים מנותקים זה מזה.
טלסקופ החלל על שם אדווין האבל (צילום: נאס"א)
העידן האפל - חושך על פני תהום
אדווין האבל הראה ב-1924, באמצעות טלסקופ הוקר, הניצב על הר וילסון ושקוטרו 100 אינץ', שערפיליות מטושטשות, שנחקרו ועוררו תהיות במשך כמה מאות שנים, הן למעשה גלקסיות בדיוק כמו הגלקסיות שלנו. האבל הרחיב בכך את היקום המוכר לנו פי 100 מיליארד. כמה שנים לאחר מכן הוא הראה שהגלקסיות מתרחקות זו מזו בתבנית סדירה שאפשר לתארה באמצעות קשר מתמטי המוכר היום בשם "חוק האבל". על פי החוק הזה ככל שהגלקסיה רחוקה יותר, כן היא מתרחקת מהר יותר. "הרצתו" של חוק האבל אחורה בזמן היא המורה על מפץ גדול שאירע לפני 13.7 מיליארד שנה.
לחוק האבל נמצא פירוש נוח באמצעות תורת היחסות הכללית: המרחב עצמו הוא שמתפשט, והגלקסיות פשוט נישאות במרחב. גם האור נמתח, או מוסט לאדום - תהליך שמקטין את האנרגיה שלו ולכן, ככל שהיקום מתפשט הוא מתקרר. ההתפשטות מספקת את הסיפור המסביר כיצד נוצר היקום של היום. כשהקוסמולוגים מדמיינים הקרנה לאחור של הסרט המתאר את התפתחות היקום, הם רואים יקום שנעשה צפוף, חם, קיצוני בתנאיו ופשוט יותר. כשאנו חוקרים את ראשית היקום אנו בוחנים גם את דרכי הפעולה הסמויות של הטבע באמצעות ניצולו של מאיץ חלקיקים חזק יותר מכל מאיץ שנבנה על כדור הארץ - המפץ הגדול בכבודו ובעצמו.
כשאסטרונומים מתבוננים בחלל באמצעות טלסקופים הם מסתכלים אחורה בזמן. וככל שהטלסקופ גדול יותר, כן הם מציצים לזמן קדום יותר. האור המגיע מגלקסיות רחוקות חושף עידנים קדומים, ומידת הסטתו של האור הזה לאדום מורה עד כמה התפשט היקום בשנים שעברו מאז. שיא ההיסט לאדום הוא פי שמונה, והוא מלמד על תקופה שבה גודל היקום היה תשיעית מגודלו היום וגילו לא עלה על כמה מאות מיליוני שנים.
הדמיות מחשב מורות שהכוכבים והגלקסיות הראשונים נוצרו כשהיקום היה בן כ-100 מיליון שנה. לפני כן עבר היקום תקופה הקרויה "העידן האפל" שבה היה כמעט חשוך לגמרי. המרחב היה מלא אז בדייסה חד-גונית שהייתה מורכבת מחמישה חלקים של חומר אפל על כל חלק אחד של מימן והליום, שהלכה והידלדלה ככל שהיקום התפשט.
צפיפות החומר לא הייתה אחידה וכוח הכבידה פעל להגביר את הבדלי הצפיפות האלה: אזורים צפופים יותר התפשטו לאט יותר מאזורים פחות צפופים. כשהיה היקום בן 100 מיליון שנה, האזורים הצפופים ביותר כבר לא התפשטו לאט יותר מאחרים, אלא החלו למעשה לקרוס. מסת החומר בכל אזור כזה הייתה בערך כמסתן של מיליון שמשות. היו אלה הגופים הראשונים ביקום המוחזקים יחדיו בכוח הכבידה.
החומר האפל היה אחראי לרוב המסה של הגופים האלה, אבל, כפי שמרמז שמו, אין הוא מסוגל לפלוט או לקלוט אור, והוא נשאר אפוא בענן רחב ידיים. לעומת זאת, המימן וההליום הגזיים פלטו אור, איבדו אנרגיה והתקבצו במרכז הענן. בסופו של דבר קרס המרכז עוד ועוד עד ליצירת כוכבים.
הכוכבים הראשונים האלה היו מסיביים הרבה יותר מן הכוכבים של היום: מאות מסות שמש כל אחד. הם התקיימו זמן קצר מאוד, התפוצצו והותירו מאחור את היסודות הכבדים הראשונים. במשך כמיליארד השנים שבאו לאחר מכן קיבץ כוח הכבידה את העננים האלה, שמסתם כשל מיליון שמשות, ויצר את הגלקסיות הראשונות.
הקרינה שנפלטה מענני המימן הבראשיתיים, שהוסטה לאדום במידה רבה מאוד בגלל התפשטות היקום, אמורה להיקלט באמצעות מערכים ענקיים של אנטנות רדיו, ששטח האיסוף הכולל שלהם יגיע לקילומטר רבוע, בערך. כשייבנו, יוכלו המערכים האלה לראות את הכוכבים והגלקסיות של הדור הראשון מייננים את המימן ומביאים לקצו של העידן האפל.
ויהי אור: זוהר קלוש של התחלה חמה
מעבר לעידן האפל מצוי הזוהר של המפץ הגדול החם שהוסט לאדום פי 1,100. הקרינה הזאת, שהייתה במקור באור הנראה (זוהר אדום-כתום) עברה הסטה מעבר לאינפרה-אדום אל תחום גלי המיקרו. היום אנו רואים חומה של גלי מיקרו הממלאת את השמיים: קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו (CMB) שהתגלתה ב-1964 בידי ארנו פנזיאס ורוברט וילסון.
הקרינה הזאת מאפשרת הצצה ליקום הרך בגיל 380,000 שנה, בעידן שבו נוצרו אטומים. לפני כן, היקום היה מרק כמעט אחיד של גרעיני אטומים, אלקטרונים ופוטונים. כשהמרק הזה התקרר לטמפרטורה של כ-3,000 מעלות קלווין, נקשרו הגרעינים והאלקטרונים זה לזה ויצרו אטומים. אלקטרונים לא גרמו עוד לפיזור הפוטונים והם יכלו לחצות את המרחב ללא הפרעה. הפוטונים האלה חושפים יקום פשוט יותר, בתקופה שקדמה לכוכבים ולגלקסיות.
לוויין סוכנות החלל האמריקנית לחקר קרינת הרקע (COBE) גילה ב-1992 הפרשים קלים של כ-0.001% בעוצמת קרינת הרקע, המשקפים גבשושיוּת קלה בפיזור החומר. היה די בגבשושיות הבראשיתית הזאת כדי ליצור את זרעי הגלקסיות והמבנים הגדולים יותר שיתהוו מאוחר יותר בהשפעת הכבידה. המפה המרחבית של ההפרשים בקרינת הרקע, הפרוסה על פני השמים, מצפינה את התכונות הבסיסיות של היקום, כגון צפיפותו הכללית והרכבו, וגם רומזת על הרגעים הראשונים שלו. חקר מדוקדק של ההפרשים חשף מידע רב על היקום.
מנקודה זו, כשאנו מקרינים הלאה לאחור את סרט התפתחות היקום, אנו רואים את הפלזמה הבראשיתית נעשית חמה וצפופה יותר. לפני שהיקום היה בן 100,000 שנה הייתה צפיפות האנרגיה של הקרינה גבוהה מצפיפות החומר, והדבר מנע מן החומר להתקבץ. נקודת הזמן הזאת מסמנת אפוא את תחילת ההתארגנות הכבידתית של כל המבנים שאנו רואים היום ביקום.
מאיץ ההדרונים הגדול שבשווייץ (צילום: גטי אימאג'בנק)
תשובות במרק הקוורקים
מוקדם יותר ממיקרו-שנייה, אפילו פרוטונים ונויטרונים לא היו יכולים להתקיים והיקום היה מורכב ממרק של יחידות הבניין הבסיסיות ביותר של הטבע: קוורקים, לפטונים ונשאי כוח (פוטונים, בוזוני W, בוזוני Z וגלואונים). אנו יכולים להיות בטוחים שמרק הקוורקים אכן התקיים מפני שניסויים במאיצי חלקיקים יצרו תנאים דומים כאן על כדור הארץ היום.
כדי לחקור את העידן הזה, הקוסמולוגים אינם מסתמכים על טלסקופים גדולים וחזקים יותר, אלא על רעיונות רבי עוצמה בפיסיקה של החלקיקים. פיתוח המודל הסטנדרטי של פיסיקת החלקיקים לפני 30 שנה הביא להשערות נועזות, ובהן תורת המיתרים, המנסות לענות על השאלה כיצד מתאחדים חלקיקים יסודיים וכוחות הנראים שונים לגמרי זה מזה.
כפי שהתברר, לרעיונות החדשים האלה יש השלכות קוסמולוגיות חשובות לא פחות מן הרעיון המקורי של מפץ גדול וחם. הם רומזים על קשרים בלתי צפויים בין העולם של הדברים הגדולים ביותר לעולם של הקטנים ביותר. תשובות לשלוש שאלות מפתח: טבעו של החומר האפל, האי-סימטריה בין חומר לאנטי-חומר ומקורו של מרק הקוורקים הגבשושי עצמו, מתחילות להתבהר.
כעת נראה ששלב מרק הקוורקים המוקדם היה ערש הולדתו של החומר האפל. זהות החומר האפל נותרה עלומה, אבל קיומו מבוסס היטב. הגלקסיה שלנו וכל גלקסיה אחרת, כמו גם צבירי גלקסיות, מוחזקים בכוח הכבידה של החומר האפל הבלתי נראה. יהיה החומר האפל מה שיהיה, התגובה שלו עם החומר הרגיל חייבת להיות חלשה. אלמלא כן, הוא היה מפגין את קיומו בדרכים אחרות.
ניסיונות למצוא מסגרת מאחדת לכוחות ולחלקיקים של הטבע הביאו לתחזית על קיומם של חלקיקים יציבים, או ארוכי חיים, שאולי מרכיבים את החומר האפל. החלקיקים האלה אמורים להימצא היום בשאריות מרק הקוורקים ולקיים תגובות חלשות עם אטומים.
שלב מרק הקוורקים המוקדם אוצר בחובו גם את הסיבה לכך שהיקום של היום מורכב בעיקר מחומר ולא מתערובת של חומר ואנטי-חומר. פיסיקאים סבורים שהיקום הכיל במקור כמויות שוות של שניהם, אבל ברגע מסוים נוצר עודף קל של חומר: בערך קוורק אחד נוסף על כל מיליארד אנטי-קוורקים. הפרת האיזון הזאת הבטיחה שישרדו די קוורקים לאחר האיון (אניהילציה) שהתרחש כשקוורקים פגשו אנטי-קוורקים בעת שהיקום התפשט והתקרר.
לפני יותר מ-40 שנה חשפו ניסויים שנערכו במאיצי חלקיקים שחוקי הפיסיקה מעדיפים במידה קלה את החומר, ושבסדרה של תגובות בין חלקיקים שהתרחשה בשלבים המוקדמים מאוד של היקום, ושעדיין איננו מבינים אותה, הביאה ההטיה הקלה הזאת לעודף של קוורקים.
סבורים שמרק הקוורקים עצמו הופיע בזמן קדום במידה קיצונית, בפרץ של התפשטות קוסמית המוכר בשם תפיחה, או אינפלציה. התפיחה הזאת, שנגרמה בשל האנרגיה של שדה חדש (המקביל באופן גס לשדה האלקטרו-מגנטי) הקרוי שדה התפיחה, עשויה להסביר תכונות בסיסיות של הקוסמוס, כגון האחידות הכללית שלו והגבשושיות שזרעה את הגלקסיות ואת שאר המבנים ביקום. כששדה התפיחה דעך, הוא שחרר את שארית האנרגיה שלו אל הקוורקים ואל שאר החלקיקים, וכך יצר את החום של המפץ הגדול ואת מרק הקוורקים עצמו.
התפיחה מוליכה לקשר עמוק בין הקוורקים לקוסמוס: תנודות קוונטיות בשדה התפיחה בקנה מידה תת-אטומי התנפחו בהתפשטות המהירה הזאת לגדלים אסטרופיזיקליים ונעשו לזרעיהם של כל המבנים שאנו רואים היום. במילים אחרות, התבנית שאנו רואים בקרינת הרקע היא תמונת ענק של העולם התת-אטומי הזה. תצפיות בקרינת הרקע מאששות את התחזית הזאת, והדבר משמש כראיה החזקה ביותר לכך שתפיחה, או משהו דומה לה, אכן התרחשה מוקדם מאוד בתולדות היקום.
לידתו של היקום
כשקוסמולוגים מנסים ללכת עוד אחורה ולהבין את ראשית היקום עצמו, הרעיונות נעשים פחות מוצקים. היחסות הכללית של איינשטיין סיפקה לנו בסיס תיאורטי במשך מאה שנה של התקדמות בהבנת התפתחות היקום. אבל היא אינה עולה בקנה אחד עם עמוד התווך השני של הפיסיקה בת ימינו: תורת הקוונטים.
האתגר הגדול ביותר של התחום הוא לאחד בין שתי התורות. רק באמצעות תיאוריה מאוחדת נוכל לגשת ולטפל ברגעים הכי ראשונים של היקום, העידן הקרוי עידן פלנק, שהתרחש כשהיקום היה בן פחות מ-10-43 שניות והמרחב-זמן עצמו קיבל צורה.
ניסיונות זמניים ליצור תורה מאוחדת הביאו לכמה השערות מרתקות על אודות הראשית עצמה של קיומנו. תורת המיתרים, למשל, חוזה את קיומם של ממדים נוספים בחלל ואת האפשרות שיקומים אחרים מרחפים בחלל הגדול הזה. האירוע שאנו מכנים המפץ הגדול היה אולי התנגשות של היקום שלנו עם יקום אחר. שילוב של תורת המיתרים עם רעיון התפיחה הביא אולי לרעיון הנועז ביותר עד כה, רעיון הרב-יקום. על פי רעיון זה, היקום מורכב מאינסוף יחידות, המנותקות זו מזו, ובכל אחת מהן שוררים חוקי פיסיקה מקומיים.
רעיון הרב-יקום, המצוי עדיין בחיתוליו, מביא עמו שני ממצאים תיאורטיים. ראשית, המשוואות המתארות את התפיחה מורות בבירור רב שאם התפיחה התרחשה פעם אחת, היא אמורה להתרחש שוב ושוב וליצור לאורך זמן אינסוף אזורי תפיחה. שום דבר אינו יכול לנוע בין האזורים האלה, ולכן הם אינם משפיעים זה על זה. שנית, תורת המיתרים מציעה שבכל אזור כזה חלים פרמטרים פיסיקליים אחרים, כגון, מספר הממדים המרחביים וסוג החלקיקים היציבים.
רעיון הרב-יקום מספק תשובות חדשות לשתיים מן השאלות הגדולות ביותר במדע: מה אירע לפני המפץ הגדול ומדוע חוקי הפיסיקה הם כפי שהם (או כפי שניסח זאת איינשטיין באמרתו המפורסמת "האם לאלוהים הייתה ברירה" בבחירת החוקים). הרב-יקום מבטל את השאלה על מה שאירע לפני המפץ הגדול מפני שהיו אין סוף התחלות במפצים גדולים, וכל מפץ יצר פרץ תפיחה משלו. בדומה, גם תהייתו של איינשטיין נדחקת הצידה: באינסוף היקומים, כבר נוסו כל האפשרויות של חוקי פיסיקה, ולכן אין סיבה מיוחדת לחוקים השולטים על היקום שלנו.
לקוסמולוגים רגשות מעורבים לגבי הרב-יקום. אם באמת אין שום דרך לתקשר בין התת-יקומים המנותקים אז איננו יכולים לקוות לבחון את קיומם - נראה שהם שוכנים מחוץ לתחומי המדע. חלק בתוכי רוצה לזעוק: יקום אחד בכל פעם, בבקשה! אבל מצד אחר, הרב-יקום פותר בעיות רעיוניות רבות. אם הרעיון נכון, אז הישגו של האבל, שהגדיל את היקום רק פי 100 מיליארד, וסילוקו של כדור הארץ ממרכז היקום במאה ה-16 בידי קופרניקוס, נראים כצעדים קטנים בלבד בהבנת מקומנו בקוסמוס.
הקוסמולוגיה המודרנית לימדה אותנו פרק בענווה. אנו מורכבים מפרוטונים, מנויטרונים ומאלקטרונים, שביחד מרכיבים רק 4.5% מן היקום, ואנו מתקיימים רק בזכות קשרים חלשים בין הגדול ביותר לקטן ביותר. באותה מידה, הקוסמולוגיה יהירה מעצם טבעה. לכאורה, הרעיון שאנו יכולים להבין משהו כה גדול במרחב ובזמן כמו היקום שלנו הוא רעיון מגוחך. התערובת המוזרה הזאת של ענווה ויהירות קידמה אותנו מאוד במאה האחרונה בהבנתנו את היקום כפי שהוא היום ואת מקורו. אני סמוך ובטוח בהתקדמות נוספת בשנים הבאות, ונחוש בדעתי שאנו חיים בתור הזהב של הקוסמולוגיה.
מייקל ס' טרנר (Turner) היה חלוץ האיחוד הבין-תחומי של פיסיקת החלקיקים, אסטרופיסיקה וקוסמולוגיה ועמד בראש המחקר של האקדמיה הלאומית האמריקנית שהניח את הבסיס לחזון התחום החדש בראשית העשור הזה. המאמר המלא הופיע בגיליון האחרון של המגזין "סיינטיפיק אמריקן - ישראל " בהוצאת אורט
לפנייה לכתב/ת 
