בפרק זה נתמקד בשני קצוות מנוגדים של חיי היקום: השניות הראשונות של המפץ – ובמיוחד תקופת ה'אינפלציה הקוסמית' – ובאופן שבו יגיע היקום לסופו, תחת השפעתה של ה'אנרגיה האפלה' המסתורית.

• 0430: אלן גות' (Guth) החל את הקריירה האקדמית כמדען מבטיח – אך 'התבזבז' ולא מיצה את הפוטנציאל שבו. עד היום שבו הגה את רעיון 'האינפלציה הקוסמית' – ושום דבר כבר לא יהיה כבעבר..
• 3530: על התעלומה של 'אסימטריית הבריונים': מדוע יש ביקום יותר חומר מאנטי-חומר?
• 4300: הפיסיקאי אדם ריס (Riess) מקבל מהמחשב שלו תוצאה בלתי הגיונית בעליל, ומבין שהיא מעידה על מהפכה מדעית כבירה. הבעיה? קבוצת מדענים נוספת גילתה אף היא את 'האנרגיה האפלה' באותו הזמן ממש – ושתי הקבוצות יוצאות למירוץ קדחתני אחת מול השניה, להיות הראשונה שתפרסם את המאמר המדעי הרשמי.

את העריכה הלשונית של הפרק ביצעה דינה בר-מנחם, וניר סייג ערך את הקול והלחין את פס הקול. את התחקיר לפרק ערך נתן פוזניאק.

תיקון טעות

האסטרופיזיקאים דורון קושניר מפרינסטון ובועז כץ ממכון וויצמן הסבו את ליבי לטעות בהסבר שננתי בפרק לגבי סופרונובות מסוג 1a – טעות שמסתבר שהיא נפוצה למדי. זו ההזדמנות לתקן את המעוות 🙂 דורון, ובועז – רוב תודות!
רן

"הי רן, 

אנחנו אסטרופיסקאים (בועז ממכון וויצמן ודורון מהמכון ללימודים מתקדמים בפרינסטון) ומאזינים אדוקים ומרוצים של עושים היסטוריה. בפרק המפץ הגדול חלק ב׳ אתה מזכיר בקצרה סופרנובות מסוג 1a. ההסבר שתארת לתופעה, ננס לבן שמגיע למסה הקריטית, נתקל לאחרונה בקשיים רבים ורוב העוסקים בתחום לא מאמינים שהוא יכול להסביר את כלל הסופרנובות מסוג זה ואולי אינו תקף בכלל. מהו המקור לפיצוצים אלו הוא שאלה פתוחה. לנו ולחוקרים שעובדים איתנו יש תאוריה חדשה, שהפיצוץ נובע מהתנגשות ישירה של ננסים לבנים, במהירות של אלפי ק״מ לשניה, ללא כל קשר למסה הקריטית. יש לנו סיבות תצפיתיות טובות לחשוב שההסבר החדש הוא ההסבר הנכון.

בכל מקרה, יש אי דיוק חשוב בתאור שנתת שמוסבר ביתר פירוט למטה: עוצמת הקרינה הנפלטת מסופרנובה מסוג 1a איננה קבועה כפי שאמרת. למעשה, היא משתנה בכמעט סדר גודל בין סופרנובות שונות מסוג זה. מעניין ששגיאה זאת לגבי התכונה התצפיתית הפשוטה ביותר – עוצמת הקרינה, מופיעה במקומות רבים, כנראה בהשראת המודל התאוריטי הישן.

בפרק נתת את התיאור הבא,

״סופרנובה מסוג 1a מתרחשת כשכוכב מסוג 'גמד לבן' – כוכב ישן וכבוי – מושך אליו חומר מכוכב פעיל שנמצא סמוך אליו: הגמד הלבן 'שואב' את החומר, בולע ממנו עוד ועוד – עד שהמאסה שלו מגיעה לערך קריטי מסויים שמאפשר להצית מחדש את תהליך ההיתוך הגרעיני … הפרט המעניין בתהליך הזה, הוא שהוא אחיד למדי: הגמד הלבן צריך להגיע לערך קריטי מסוים מאוד של מאסה כדי להתחיל את שרשרת הפיצוץ, ולכן עוצמת הקרינה הנפלטת מסופרנובה מסוג 1a תהיה, כמעט תמיד, אותה עצמת קרינה.״

למעשה עוצמת הקרינה הנפלטת מסופרנובה מסוג 1a איננה קבועה והיא משתנה בכמעט סדר גודל בין סופרנובות שונות. העובדה הזאת הובהרה בפעם הראשונה כבר בשנת 1993, שהוא אחד המאמרים החשובים ביותר בחקר סופרנובות אלו (1113 ציטוטים נכון להיום), ולמעשה מדידת מרחקים מתבססת על תוצאה ממאמר זה (קשר פיליפס).[…] 

לאנשים רבים יש רושם מוטעה שעוצמת ההארה של סופרנובות היא קבועה, וטענה זאת מופיעה בתאורים פופולריים רבים. סביר להניח שהסיבה לטעות היא אמונה במודל התיאורטי שהיה נהוג עד לעשור האחרון. אם הסופרנובות האלו מתפוצצות כשננס לבן מגיע למסה קריטית, אז התחזית הפשוטה ביותר היא שעוצמת ההארה תהיה קבועה. על-פי התצפיות עוצמת ההארה איננה קבועה. עובדה זאת גרמה לעובדים בתחום לשנות את המודל של הננס הלבן המתפוצץ ע״י הוספת שלב בעירה איטית לפני הפיצוץ שמאפשר עוצמות שונות אם משחקים עם משך זמן הבעירה האיטית (משחק זה לא מבוסס על הבנה פיסיקלית). למעשה המצב הוא אפילו חמור יותר עבור מודל המסה הקריטית. הסיבה היא שתצפיות עדכניות מראות שסופרנובות חזקות יותר נוטות להתפוצץ בגלקסיות צעירות בעוד שסופרנובות חלשות יותר נוטות להתפוצץ בגלקסיות זקנות. אם הננס הלבן מתפוצץ תמיד באותה מסה קריטית, איך הננס הלבן יודע באיזו גלקסיה הוא נמצא? גם הסיבוך של הבעירה האיטית שהוסף בכדי להסביר את טווח העוצמות לא מספק שום הסבר לקשר בין העוצמה לסוג הגלקסיה. מדענים רבים מודים שהמודל הישן בעייתי. כפי שציינו למעלה, אנחנו חושבים שהוא פשוט לא נכון.

אז מה קורה כאן? מדוע ננסים לבנים מתפוצצים? זהו בדיוק נושא המחקר שלנו בשנים האחרונות (ביחד עם סובו דונג מאוניברסיטת בייג׳ין). אנחנו מאמינים שגילינו את התשובה לשאלה זאת שהטרידה חוקרים במשך עשרות שנים. התשובה כפי שהזכרנו היא ששני ננסים לבנים מתנגשים אחד בשני במהירויות של אלפי ק״מ בשנייה."

כתובת חדשה ל-RSS

הודעה חשובה למאזינים דרך iTunes, באייפון או במחשב: עקב תקלות טכניות בשירות אחסון הפרקים של התכנית, פתחתי ערוץ חדש לתוכנית ב-iTunes. אנא הרשמו לערוץ החדש כדי להנות מעדכונים שוטפים בעתיד: הערוץ הישן עדיין פעיל, אבל סובל מתקלות רבות ובעתיד הקרוב אפסיק לתמוך בו.

ההודעה תקפה גם למאזינים באמצעות מכשירי אנדרואיד: אנא חפשו את הערוץ החדש באפליקציה שלכם, או הזינו את כתובת ה-RSS ידנית. פרטים נוספים והסבר צעד-אחר-צעד, כאן.

האזנה נעימה,
רן

---

המפץ הגדול, חלק א': יקום מתרחב ויקום סטטי

כתב: רן לוי

יש תקופות מעניינות רבות בהיסטוריה של המדע. לו הייתי יכול, הייתי שמח להיכנס למכונת זמן ולבקר בהן, אבל לא כל התקופות: אינני מוותר בקלות על האינטרנט והמקרר בשביל לצוד ממותות עם חניתות. יש תקופה אחת ספציפית שבשביל להגיע אליה, הייתי מוותר אפילו על מיזוג האוויר לשבוע: הזמן שבין שתי מלחמות העולם, ובייחוד השנים 1915 ו-1930.

בחמש עשרה השנים שבין 1915 ו-1930, עולם המדע – ובפרט הפיסיקה והקוסמולוגיה – עברו טלטלה דרמטית. בפרק זמן קצר זה השתנתה תמונת עולמנו מקצה לקצה, בזכות תאוריות פורצות דרך כדוגמת תורת היחסות ותורת הקוונטים. אחת הטלטלות הגדולות שחוו המדענים הייתה בעניין הבנת היקום שלנו. הנחות יסוד ואקסיומות שהיו מקובלות במשך אלפי שנים קרסו והתמוטטו, ובתוך שנים ספורות הוחלפו בתמונת עולם שונה ומשונה יותר משניתן היה אפילו לדמיין חמש עשרה שנים קודם לכן. הייתי שמח להיות שם כשזה קרה.

אחת השאלות המעניינות היא כיצד הגיבו המדענים לשינויים כל כך דרמטיים בתמונת העולם שלהם. מדענים, מטבע מקצועם, צריכים להיות מסוגלים לקבל ולהפנים עובדות ברורות, גם אם הן סותרות את הדעות שבהן החזיקו קודם לכן. מאידך, אנחנו יודעים עד כמה קשה לנו, בני האדם, לשנות את דעותנו המקובעות גם כשהמציאות סביב טופחת על פנינו. הפיזיקאי מקס פלאנק טבע משפט מפורסם בהקשר זה: "אמת מדעית חדשה אינה מנצחת על-ידי שכנוע המתנגדים לה, אלא כיוון שהמתנגדים לה מתים בסופו של דבר וגדל דור חדש הרגיל כבר אליה." מתח זה בין תמונת עולם ותיקה וממוסדת, ובין עובדות ותיאוריות חדשות שמכריחות את המדענים להיישיר מבט אל מציאות חדשה – בא לידי ביטוי בצורה המובהקת ביותר במושא פרק זה: מבנה היקום, והמפץ הגדול.

חוקרים בני כל התרבויות נשאו עיניהם אל השמים עוד מתקופות פרה-היסטוריות וערכו תצפיות אסטרונומיות מדויקות יותר ומדויקות פחות. היו אלה הפילוסופים היוונים – אריסטו, למשל – שבפעם הראשונה שאלו את עצמם כיצד נראה היקום שבו אנחנו חיים. מהו החלל שבו מרחפות נקודות האור שאנחנו רואים בשמיים כל לילה? ובפרט – האם היקום הזה הוא סופי, או שמא הוא משתרע לכל הכיוונים ללא שום גבול או קצה?…

הדעה הדומיננטית ביותר הייתה דעתו של אריסטו. הוא גרס כי היקום אינסופי וסטטי – דהיינו, קבוע ובלתי משתנה לנצח נצחים. פרט לשמש, לירח ולכוכבי הלכת, כל השאר הכוכבים קבועים במקומם ואינם זזים – ואם הם בכל זאת זזים מעט או משתנים, השינוי מקומי בלבד. דוגמה הולמת לתפיסה זו היא טיסה במטוס מעל הים. במבט מקרוב כל גל וכל אדווה נראים ייחודיים ודינמיים – אבל מגובה של כמה ק"מ, כל נקודה בים נראית פחות או יותר אותו הדבר. הים אינו גדל או קטן, ולא נעשה כחול יותר או ירוק יותר וכמותו, גם היקום שלנו סטטי ובלתי משתנה. למרות שבימי הביניים היו פילוסופים מוסלמיים שדחו את את הרעיון של יקום שאין רגע בריאה, בעיקר על רקע דתי – תאוריית היקום הסטטי תפסה אחיזה בקרב המלומדים באירופה והייתה הדעה השלטת במדע במשך קרוב לאלפיים שנה.

היו מספר סיבות טובות להגמוניה הזו. הסיבה הראשונית הייתה העובדה שלמראית עין, הכוכבים אכן לא זזים. אמנם פה ושם הופיעו גרמי שמיים חדשים למספר ימים או שבועות – בדרך כלל כוכבי שביט או התפרצויות סופר-נובה מרוחקות – אך ככלל, מפת הכוכבים הייתה תמיד קבועה ובלתי משתנה.

סיבה נוספת היא שתמונת העולם של היקום הסטטי והאינסופי התאימה גם להלך הרוח המדעי שצמח בעידן הרנסנס. במאה ה-15 הוכיח קופרניקוס, אסטרונום פולני, שכדור הארץ אינו במרכז היקום וכי הוא זה שמקיף את השמש, ולא השמש מקיפה אותו. חוקרים רבים שבאו אחריו – קפלר, גלילאו ואחרים – הראו לנו שכדור הארץ אינו מיוחד במינו אלא בסך הכל עוד כוכב לכת במערכת השמש, שמציית לחוקי הטבע בדיוק ככל שאר כוכבי הלכת. ההבנה שאיננו נמצאים במרכז היקום, במובן המילולי והמטפורי של הביטוי, הובילה את המדענים לנסח עיקרון מנחה בסיסי בשם 'העקרון הקוסמולוגי'. בצורתו הבסיסית ביותר, העיקרון הקוסמולוגי גורס שבעצם, אין שום מקום ביקום שהוא יחיד ומיוחד מכל השאר. חוקי הטבע פועלים בכל מקום באותו האופן, ולמרות ששמי הלילה אולי נראים מעט שונים כתלות בכוכב הלכת עליו אנו עומדים – באופן כללי, כל מקום ביקום נראה אותו הדבר וחוקי הטבע חלים עליו באותו האופן שבו הם חלים בכל מקום אחר. רעיון היקום הסטטי והאינסופי התאים לגישה זו, שכן בדומה לטיסה מעל הים – גם ביקום קבוע, בלתי משתנה וחסר גבולות, כל נקודה ביקום זהה לנקודה אחרת.

הפתרון של ניוטון

עד לפני כמה מאות שנים לשאלות האם היקום שלנו הוא סטטי או דינמי, והאם יש לו גבולות או שהוא אינסופי היו שאלות פילוסופיות לחלוטין, במובן שלא הייתה למדענים דרך מעשית כלשהי לנסות ולהשיב עליהן. אך בשנת 1687 פרסם אייזיק ניוטון את ספרו המפורסם 'העקרונות המתמטיים של פילוסופיית הטבע', וניסח, בפעם הראשונה, חוקים פיזיקליים אוניברסליים אשר אמורים להיות תקפים בכל מקום ביקום, כמו למשל האופן שבו משפיע כוח המשיכה על גוף כלשהו. כעת, כשהיו בידיהם חוקים אוניברסליים שכאלה, יכלו המדענים לנסות ולהשיב על השאלות הפילוסופיות האלה, שכן על פי העקרון הקוסמולוגי חוקי הטבע התקפים כאן, בכדור הארץ, אמורים להיות תקפים באותה המידה גם בקצוות המרוחקים ביותר של היקום.

הראשון שניסה להכליל את חוקי הפיסיקה על היקום כולו היה אייזיק ניוטון. בשנת 1692 ניהל ניוטון חלופת מכתבים עם כומר בשם ריצ'רד בנטלי שביקש למצוא הוכחות מדעיות לקיומו של אלוהים. ניוטון היה מועמד טבעי להשיב על שאלות הכומר שכן היה לא רק המדען החשוב ביותר בדורו, אלא גם אדם דתי ומאמין אדוק. בנטלי שאל את ניוטון כיצד משפיע כוח המשיכה על היקום בקנה מידה גדול, בהינתן ההנחה המקובלת של יקום אינסופי וסטטי שבו הכוכבים מפוזרים פחות-או-יותר באופן אחיד.

התשובה הראשונית שהציע ניוטון לבנטלי הייתה שאם היקום אינסופי וסטטי והכוכבים מפוזרים בתוכו באופן אחיד, אזי כוח המשיכה משפיע על כל הכוכבים באופן סימטרי. דהיינו, כל כוכב מפעיל על כל הכוכבים האחרים מסביבו כוח משיכה, וכיוון שכל כוכב נמשך לכל הכיוונים במידה שווה – הכוחות מבטלים זה את זה והכוכב נותר במקומו ללא תזוזה, כמו בתחרות משיכת חבל גלקטית שבה שתי הקבוצות שוות בכוחן.

פיתרון זה נראה, על פניו, כפיתרון הגיוני וקביל – אך בתוך זמן קצר הבין ניוטון שדרך על מוקש: הפיתרון שלו מחביא סתירה מסוכנת שמערערת את יסודותיה של תורת הכבידה. אם כל הכוכבים נמצאים בשיווי משקל מוחלט, מה יקרה אם לפתע פתאום תופיע הפרעה קטנטנה שתערער את שיווי המשקל הזה? למשל, כוכב שביט חולף. כוכב השביט יחלוף ליד כוכב ויפעיל עליו כוח משיכה שיהיה אמנם זעום, אבל בכל זאת יגרום לכוכב לזוז. תזוזה זו, מינורית ככל שתהיה, תשבור את הסימטריה המושלמת של כוח הכבידה מול שאר הכוכבים – ואז תגרום לתגובת שרשרת איומה: כמו אבני דומינו שמפילות אחת את השנייה, כל הכוכבים יתחילו להימשך זה לזה, עד שיתרסקו אחד לתוך האחר והיקום יגיע לקצו. כיוון שברור שהקטסטרופה הזו לא התרחשה – ישנה סתירה ברורה בין התאוריה של ניוטון למציאות.

ניוטון היה אדם מבריק, בכך אין כל ספק: הוא ראה והבין דברים שאיש לא ראה והבין לפניו. סביר להניח שהבין שאם תאורית הכבידה שלו נכונה אזי הנחת היסוד שלפיה היקום סטטי ואינסופי, היא המקור לסתירה. ועדיין, למרות חכמתו הרבה, ניוטון לא היה מסוגל להשליך מעליו את הנחת היסוד שהייתה קבועה ומקובעת במוח כל המדענים במשך אלפי שנים. הפיתרון שלו לסתירה היה להניח שאלוהים הוא זה שמתערב באופן פעיל ביקום, מרחיק את הכוכבים זה מזה לפי הצורך ומונע את ערעור השלווה הסטטית והאינסופית. תשובה זו סיפקה את ניוטון הדתי, וסיפקה גם את הכומר בנטלי שזכה ב'הוכחה' שחיפש לגבי קיומו של אלוהים.

אך מהסתירה שחשף ניוטון לגבי הנחת היקום הסטטי אי אפשר היה להתעלם לנצח. כמו הבלאגן במחסן שאשתך מבקשת שתסדר, ולא מפסיקה להציק לך למרות שאמרת לה שאתה תטפל בזה, ולא צריך להזכיר לך כל חצי שנה – הבעייתיות של הנחת היקום המשיכה 'לארוב' מתחת לפני השטח ורק חיכתה לרגע המתאים כדי לצוץ ולטרוד את מנוחתם של המדענים… רגע זה הגיע, לבסוף, בתחילת המאה העשרים.

משוואת השדה של איינשטיין

בשנת 1905 פרסם אלברט איינשטיין את תורת היחסות הפרטית. מבלי להיכנס לפרטי התאוריה עצמה, נאמר רק שבשנים הראשונות היא עניינה בעיקר מתמטיקאים ופיזיקאים תאורטיים: לא היו לה השלכות מעשיות במיוחד בתחום הקוסמולוגיה, הוא חקר היקום. עשר שנים מאוחר יותר, ב-1915, הציג איינשטיין את תורת היחסות הכללית ובמסגרתה, משוואה מתמטית בשם 'משוואה השדה של איינשטיין'. מהי אותה משוואת שדה?

כל משוואה מתמטית היא, בעיקרו של דבר, תאור של קשר בין משתנים כלשהם. המשוואה y=2x, לשם הדוגמה, מספרת לנו ש-y גדול פי שניים מ-x: הקשר ביניהם הוא כזה שאם x גדל, y גדל פי שניים.
משוואת השדה מתארת את הקשר שבין המרחב, ובין תכונותיה של מאסה הנמצאת במרחב הזה. אם למסה יש צורה או תכונות כלשהם – אזי למרחב שסביבה יהיה בהכרח צורה כלשהי, באותו האופן שבו אם ל-x, בדוגמה הקודמת שלנו, יש ערך מסוים – אזי הערך של y יהיה בהכרח כפול ממנו. הקשר שבין מאסה למרחב נובע מהעובדה שהמאסה יוצרת כוח משיכה ש'מעקם' ומשנה את צורת המרחב, כמו כדור כבד שמונח על משטח גומי של טרמפולינה וגורם לגומי לשקוע ולהימתח. ברור שאני חוטא כאן בפשטנות יתר: המרחב, למשל, אינו מרחב בלבד אלא גם זמן – והמאסה אינה רק מאסה אלא גם אנרגיה. אבל התיאור הפשטני בכל זאת ממצה את מהות העניין.

כדי לבדוק את משוואת השדה ולהוכיח את תקפותה, ערך איינשטיין ניסוי מחשבתי שאינו שונה באופן מהותי מהניסוי המחשבתי שערך אייזיק ניוטון לפניו. איינשטיין ניסה להחיל את המשוואה שלו על היקום בקנה מידה גדול, ולראות לאן המשוואה תוליך אותו. אם הניסוי המחשבתי יחשוף סתירות פנימיות בתאוריה, ייתכן ויהיה צורך לשנות אותה.
בצד אחד של המשוואה, כאמור, נמצאת המאסה והתכונות שמגדירות אותה. כמו ניוטון לפניו, איינשטיין הניח שכל הכוכבים מפוזרים ביקום בצורה אחידה, פחות או יותר – הנחה סבירה בקנה המידה של היקום כולו – ובדק מה קורה בצד השני של המשוואה, דהיינו איך נראה היקום. ובדיוק כמו ניוטון לפניו, גם איינשטיין גילה שהתוצאה היא יקום לא יציב. המשוואה של איינשטיין חזתה שאם כל הכוכבים מפוזרים בצורה אחידה ביקום, במוקדם או במאוחר כוח המשיכה יגרום להם להתקרב אחד אל השני, ואז היקום כולו יקרוס לתוך עצמו.

אלו היו חדשות רעות מאוד עבור איינשטיין. כולם ידעו שהיקום שלנו סטטי ובלתי משתנה, ואינו נמצא בתהליך של קריסה מתמשכת: זו הייתה אמת ברורה במשך אלפי שנים. בניגוד לניוטון, לאיינשטיין לא הייתה כל כוונה לתת לאלוהים תפקיד בואלס הקוסמי של תנועת הכוכבים: הוא רצה שהתיאוריה שלו תיתן תיאור מושלם של היקום, ללא חורים או דלתות נסתרות.
כדי לתקן את התאוריה ולהתאים אותה להנחת היקום הסטטי, איינשטיין הוסיף קבוע חדש למשוואה – מספר המייצג כוח כלשהו שמתנגד להתכווצות היקום: מעין 'אנטי-גרוויטציה', אם תרצו. הכוח הזה – והקבוע שמייצג אותו במשוואת השדה – חלש דיו כדי שלא נוכל לחוש בהשפעותיו בקנה המידה של כדור הארץ או אפילו מערכת השמש, אבל חזק מספיק כדי להשפיע בקנה המידה של הקוסמוס, היקום – וזה המקור לשמו: 'הקבוע הקוסמולוגי'.

הבעיה הגדולה ביותר עם הקבוע הקוסמולוגי הייתה שהוא היה פיתרון מכוער מאוד לסתירה שנחשפה במשוואת השדה. קשה להסביר כיצד יכול להיות קבוע מתמטי 'מכוער' במשוואה מתמטית – אבל זהו רעיון שרובנו יכולים לתפוס אותו בקלות בתחומים אחרים. דמיינו לעצמכם אופנוע הארלי-דיווידסון יפיפייה, בעל קימורים חלקים ומבריקים – מהסוג שגורם לכל חובב אופנועים להזיל ריר. אבל למעצב האופנוע הייתה בעיה: מושב הנהג מתחמם קצת יותר מדי. מה עשה? לקח מאוורר תעשייתי, כזה שקונים במאה שקל בחנות חשמל, והצמיד אותו לירכתי האופנוע. התוספת הזו פתרה את הבעייה – אבל עכשיו יש לנו אופנוע סקסי ויפיפייה, בעל קימורים חלקים ומבריקים – עם מאוורר ענקי ומכוער שמחובר לו לתחת – פיתרון שבברור אינו אלגנטי.
הקבוע הקוסמולוגי של איינשטיין היה מכוער ולא אלגנטי, ממש כמו מאוורר תעשייתי על אופנוע. הקבוע לא נבע באופן טבעי מהתאוריה כשאר חלקי המשוואה, אלא 'הולבש' עליה באופן מלאכותי כדי לפתור בעיה שנתגלעה בה. כולם בעולם הפיזיקה ראו זאת, וגם איינשטיין עצמו לא אהב את הפיתרון שמצא לסתירה שחשף. במכתב שכתב שנים רבות לאחר מכן אמר –

"הוספת קבוע שכזה למשוואה היוותה ויתור משמעותי על הפשטות הלוגית של התאוריה… מהרגע שהוספתי את הקבוע [הקוסמולוגי] למשוואה, מצפוני תמיד הציק לי… איני מסוגל להאמין שדבר כה מכוער עשוי להתקיים בטבע."

אך למרות שהוספת הקבוע הקוסמולוגי פגעה בחוש האסתטי של איינשטיין בעוד הוא התגאה בפשטות האלגנטית של התאוריות שהגה, פגיעה זו לא הייתה קשה מספיק כדי לגרום לאיינשטיין לפקפק בהנחת היסוד שלו, הנחת היקום הסטטי והאינסופי.

בשנת 1912 – שלוש שנים לפני תורת היחסות הכללית של איינשטיין – בחן אסטרונום אמריקני בשם וסטו שליפר (Slipher) את האור הנפלט מגלקסיות אחרות וחישב את מהירות תנועתן. שליפר גילה שהגלקסיות שבהן צפה נעות מהר יותר מכפי שמישהו שיער קודם לכן: היו כאלה ש'טסו' במהירויות של כאלף ק"מ בשנייה. כוכבים בשביל החלב, לשם השוואה, נעים במהירות של כחמישים ק"מ בשנייה בלבד.
תגלית זו לגבי מהירות הגלקסיות אכן הייתה מסקרנת, אך איינשטיין לא התרשם ממנה במיוחד. ביחס למהירות האור – כשלוש מאות אלף ק"מ בשנייה – אפילו הגלקסיה המהירה ביותר שבחן שליפר נעה לאט כמו חילזון ומכאן, טען איינשטיין, שבקירוב טוב אפשר עדיין להניח שהיקום סטטי וקבוע.

המרחק לאנדרומדה

תצפיותיו של שליפר עוררו את סקרנותו של אסטרונום אחר בשם אדווין האבל (Hubble).
האבל לא התעניין במיוחד בתורת היחסות של איינשטיין. הוא עסק בבעיה אחרת בעולם האסטרונומיה, והיא מדידת המרחק אל הכוכבים. באופן מסורתי, מדידת המרחק בין כדור הארץ וכוכב או ערפילית כלשהי בשמיים הייתה תמיד קשה ובעייתית. דמיינו עצמכם נוסעים בכביש ישר וארוך בלילה חשוך לחלוטין, כשלפתע מופיעה נקודת אור קטנה הרחק מלפנים. האם מדובר בפנסים חזקים של משאית גדולה ורחוקה, או בפנסים חלשים של חיפושית קטנה? קשה לדעת. באותו האופן, כוכבים הם בסך הכל נקודות אור קטנות בשמיים, וללא נקודת ייחוס או סרגל קוסמי כלשהו קשה מאוד לדעת אם כוכב מסוים בהיר ורחוק, או שמא בהיר פחות אבל קרוב יותר.

דוגמא קלאסית להתלבטות שכזו הייתה שאלת המרחק אל אנדרומדה, ערפילית ('נבולה') שניתן להבחין בה גם בעין בלתי מזוינת. בראשית שנות העשרים היו המדענים חלוקים בדיעותיהם. חלק האמינו שאנדרומדה היא ערפילית קטנה וקרובה, ולמעשה אפשר לומר שהיא חלק מהגלקסיה שלנו, שביל החלב. אחרים טענו שאנדרומדה היא גלקסיה ענקית, שכמו שביל החלב מכילה מיליארדי כוכבים – ואם אנחנו רואים אותה כערפילית זעירה בשמי הלילה, זה בגלל שהיא רחוקה מאד מאד.
לויכוח הזה הייתה נגיעה גם לעניין היקום הסטטי. אם אנדרומדה היא ערפילית קטנה וקרובה, אזי סביר להניח שהיקום שלנו לא כל כך גדול וגלקסיית שביל החלב תופסת חלק נכבד ממנו. מכיוון שברור למדי ששביל החלב אינה מתכווצת וקורסת לתוכה, זה מחזק את ההנחה שהיקום שלנו הוא סטטי במהותו. אך אם, להבדיל, אנדרומדה היא גדולה כמו שביל החלב ורחוקה מאיתנו מאד – אזי סימן שהגלקסיה שלנו היא רק חלק קטן מאד מיקום גדול, וזה שהיא אינה משתנה לא אומר שהיקום שלנו לא נמצא בכל זאת בתהליך קריסה ממושך.

מספר שנים קודם לכן, ב-1912, פיתחה אסטרונומית בשם הנרייטה ליוויט (Leavitt) טכניקה חדשנית למדידת מרחק כוכבים מסוג מסוים, בשם 'משתנים קפאידים' (Cephieds). משתנה קפאידים הוא כוכב שבהירותו משתנה באופן מחזורי, מתחזקת ונחלשת ושוב מתחזקת. בבסיס הטכניקה שפיתחה הנרייטה הייתה התובנה שיש קשר מוצק בין בהירותו המוחלטת של הכוכב המשתנה, ומחזוריות שינוי הבהירות שלו. במילים אחרות, אם אנחנו מתבוננים דרך הטלסקופ ורואים שני משתנים קפאידים שהבהירות שהם משתנה באותו הקצב – אנחנו יכולים להניח שמדובר בשני כוכבים דומים יחסית. אם אחד הכוכבים חלש ועמום, והשני בהיר – זה כנראה בגלל שהכוכב הראשון רחוק מאד, כמו פנסים של משאית רחוקה. במילים אחרות, הקפאידים נותנים בידו דרך אמינה יחסית להשוות בין שני כוכבים ולומר, למשל, 'זה רחוק פי שניים מזה'.

אדווין האבל היה חלוץ בתחום מדידת המרחקים אל כוכבים אחרים, ולרשותו עמד אחד הטלסקופים המתקדמים ביותר של תקופתו: טלסקופ בקוטר מאה אינץ', במצפה הכוכבים שבהר וילסון, קליפורניה. באמצעות טלסקופ ענק זה הצליח האבל ב-1925 לאתר משתנים קפאידים גם בערפילית אנדרומדה ולהשוות אותם לקפאידים בתוך הגלקסיה שלנו. המסקנה שנבעה מההשוואה הייתה בלתי ניתנת להכחשה: אנדרומדה היא גלקסיה רחוקה מאד, כשניים וחצי מיליון שנות אור. תגלית זו הוכיחה לאסטרונומים שהיקום שלנו למעשה רחב ידיים ואדיר ממדים מעבר לכל מה שמישהו העז לדמיין, וגלקסיית שביל החלב היא בסך הכל גרגר אבק קטן חסר חשיבות בתוך החלל הגדול הזה.

ארבע שנים מאוחר יותר חולל האבל רעידת אדמה נוספת בעולם האסטרונומיה.
וסטו שליפר, האסטרונום שכזכור מדד את מהירותן של גלקסיות אחרות ב-1912, חשף אנומליה מעניינת נוספת. הוא גילה שרוב הגלקסיות אותן בדק נעות מאיתנו והלאה: מתוך עשרים וחמש ערפיליות שבדק, עשרים ושתיים נעו מאיתנו והלאה ורק שלוש נעו לעברנו. האבל הפנה את הטלסקופ רב-העוצמה שלו אל הגלקסיות האלה, ומדד את המרחק אליהן באמצעות המשתנים הקפאידים. כששרטט את תוצאות המדידה בגרף, הוא מצא קשר ברור בין מהירותן של הגלקסיות ומרחקן מאיתנו – ככל שהגלקסיה רחוקה יותר, כך היא מתרחקת מאיתנו מהר יותר.

תגלית זו אינה מתיישבת בשום אופן עם הנחת היקום הסטטי, שכן היא מרמזת על כך שיש דינמיות מסוימת ביקום – דינמיות שאינה מוגבלת אך ורק לתנועה מקומית בתוך מערכת השמש או אפילו בתוך שביל החלב – אלא מגמת תנועה בקנה המידה של היקום כולו. זאת ועוד, העובדה שכל אותן גלקסיות מתרחקות מאתנו מנוגדת גם לעיקרון הקוסמולוגי שנזכר קודם, לפיו כדור הארץ אינו יחיד ומיוחד, אלא נקודה סתמית נוספת ביקום הגדול. איננו נמצאים במרכז היקום – אז מדוע שכל הגלקסיות יתרחקו דווקא מאיתנו? כפי שנסתבר בדיעבד, התשובות לשאלות אלה נתגלו אפילו בטרם עלו השאלות עצמן.

אלכסנדר פרדימן

אלכסנדר פרידמן נולד ברוסיה ב-1888. הוא היה מתמטיקאי מבריק, אך מלחמת העולם הראשונה והמהפכה הבולשביקית, בשילוב מצבה הכלכלי הקשה של משפחתו, לא אפשרו לו לבטא את מלוא הפוטנציאל הטמון בו. כדי לכלכל את עצמו עבר לעסוק במטאורולגיה, ובמהלך המלחמה היה טייס ומנהל מפעל לבניית מטוסים.
המלחמה והמהפכה הביאו לניתוק מסוים בין המדענים הרוסים ועמיתיהם במערב, ורק בשלהי 1920 שמע פרידמן בפעם הראשונה על תורת היחסות הכללית של איינשטיין שפורסמה חמש שנים קודם לכן. פרידמן התיישב לחקור את משוואת השדה, וכמו כל שאר המדענים הבחין מיד באופן המאולתר והלא-אסטתי שבו 'הולבש' הקבוע הקוסמולוגי על המשוואה המקורית. אך שלא כמו כל שאר המדענים, פרידמן לא הסכים לקבל את הנחת היסוד לגבי יקום סטטי ובלתי משתנה.

ב-1922 שלח פרידמן מאמר בשם 'על עקמומיות המרחב' למגזין מדעי. במאמרו טען שאפשר לסלק את הקבוע הקוסמולוגי המכוער ממשוואת השדה ועדיין להמנע מקריסה ודאית של היקום לתוך עצמו – אם מניחים שהיקום התחיל ממצב של התרחבות, והמומנטום של ההתרחבות הראשונית הזו מונע ממנו לקרוס. לשם ההסבר, נניח שאני מחזיק כדור ביד: ברגע שאעזוב את הכדור, כוח המשיכה לוקח פיקוד על העניינים והכדור נופל לרצפה – זו האנלוגיה ליקום שקורס תחת כוח המשיכה שלו. אבל אם אשליך את הכדור באוויר – דהיינו, אתן לו מומנטום כלפי מעלה – כוח המשיכה עדיין מנסה להוריד אותו אל הרצפה, אבל זה ייקח לו יותר זמן כי הכדור נע כלפי מעלה ועל כוח המשיכה ראשית להאט אותו, לגרום לו לעצור ורק אז להפיל אותו אל הרצפה. באנלוגיה שלנו, הפתרון של פרידמן מתאר יקום שמתרחב, ורק בעתיד הרחוק אולי יפסיק להתרחב ויתחיל לקרוס לתוך עצמו. במילים אחרות – זהו אינו יקום סטטי, אלא יקום מאד דינמי שחלים בו שינויים מהותיים בחלוף הזמן.

המאמר נתקבל ונתפרסם, אך איינשטיין לא אהב את מה שקרא. הוא הגיב בנחרצות, ובמכתב למגזין אמר:

"התוצאות בנוגע ליקום שאינו סטטי, כפי שמוצגות בעבודתו [של פרידמן], נראות בעיניי כחשודות. במציאות, מתברר כי הפיתרונות שהציג אינן תואמות את המשוואה."

לאיינשטיין לא הייתה 'בעלות' על משוואת השדה. זהו אחד הדברים היפים שבמדע, לדעתי: מהרגע שפרסם איינשטיין את תוצאות מחקריו, המשוואה יצאה משליטתו ולאלכסנדר פרידמן הייתה כל זכות לפרש אותה כאוות נפשו. אך מתוך מגוון הפתרונות האפשריים למשוואה, לאיינשטיין היה 'בן מועדף' ברור והוא הפיתרון המייצג יקום סטטי. הוא לא אהב את העובדה שפרידמן הטיל ספק בתמונת העולם שכולם האמינו כי היא הנכונה, ולכן דחה את רעיונותיו של פרידמן כלאחר יד וללא הסברים מנומקים.

אלכסנדר פרידמן, כצפוי, לא אהב את תגובתו הלקונית של איינשטין. הוא שלח אל איינשטיין מכתב מנומס אליו צירף את החישובים המפורטים שעשה, וביקש מאיינשטיין שיסביר לו היכן טעה – או שישלח מכתב נוסף למגזין המדעי ויתקן את תגובתו הקודמת. איינשטיין הבין אז ששגה כשביטל את תוצאותיו של פרידמן בנפנוף יד, ושלח מכתב תיקון אל המגזין:

"במכתבי הקודם הטלתי ספק בעבודתו של פרידמן על עקמומיות המרחב. אך ביקורת זו שלי, כפי שהדגים לי פרידמן במכתבו […] מקורה בשגיאה של חישוביי שלי. אני מסכים כי תוצאותיו של פרדימן נכונות, וכי הן שופכות אור חדש על הנושא."

אך למרות שקיבל את תוצאותיו של פרידמן והסכים להודות שהן תקפות – איינשטיין המשיך להתעלם מהן. ולא רק הוא: כל המדענים התעלמו מפרידמן. הנחת היקום הסטטי הייתה מקובעת עמוק מדי בתודעה המדעית הקולקטיבית והפיתרונות האלטרנטיביים של פרידמן, שלא התאימו להנחת היסוד הזו, הושלכו אל צד הדרך. סביר להניח שאלכסנדר פרידמן היה ממשיך לנסות ולהגן על מחקרו, כפי שעשה כשאיינשטיין נפנף אותו כלאחר יד, אך לרוע המזל הוא חלה בטיפוס המעיים והלך לעולמו ב-1925 כשהוא בן 37 בלבד.

ג'ורג למטר

ג'ורג למטר (Lemaitre) נולד רק שש שנים אחרי אלכסנדר פרידמן, ב-1894, אך מסלול חייו היה שונה לחלוטין. למטר הבלגי היה כומר קתולי שבמקביל ללימודי הקודש עסק גם בפיזיקה ומתמטיקה, למד אסטרונומיה בקמברידג' שבאנגליה ועשה את הדוקטורט שלו במדעים בהארוורד שבארצות הברית.
כשחזר למטר לבלגיה, ב-1925, החל לחקור את משוואת השדה של איינשטיין. על אף שלא הכיר את עבודתו של אלכסנדר פרידמן, למטר הגיע לאותן התוצאות בדיוק – דהיינו, שלמשוואת השדה יש פתרונות קבילים ואפשריים שבהם היקום אינו סטטי. נוסף על כך, למטר הגיע למסקנה שאם היקום אינו סטטי אלא מתרחב – אזי לצופה מכדור הארץ כל הגלקסיות ייראו כאילו הן מתרחקות, וככל שהגלקסיה תהיה רחוקה יותר כך היא תתרחק מהר יותר. במילים אחרות, ג'ורג' למטר חזה במדויק את תצפיותיו של אדווין האבל.

הבעיה הייתה שכמו פרידמן, גם למטר היה מדען אלמוני לחלוטין. את מאמרו פורץ הדרך פרסם במגזין מדעי בלגי עלום שם שאף אחד לא הכיר, והקהילה המדעית התעלמה ממנו כפי שהתעלמה מאלכסנדר פרידמן לפניו. ב-1927 פגש למטר את איינשטיין בכנס מדעי והציג בפניו את מסקנותיו, אך איינשטיין נפנף גם אותו: הוא הסביר לו ש"חישוביך נכונים, אך ההבנה שלך בפיזיקה זוועתית."

מחקרו של למטר היה גם הוא בדרכו אל תהומות השכחה של הפיזיקה, אלמלא פרסום תוצאות מחקריו של אדווין האבל ב-1929, והסערה שחוללו בקהילה המדעית.
אחד הראשונים שהעזו להטיל ספק בהנחת היסוד של היקום הסטטי היה ארתור אדינגטון. אדינגטון היה אסטרונום ותיק ומוערך, שהיה מפורסם מאד כיוון שהיה זה שתצפיותיו על כוכב הלכת מרקורי היו אלה שאיששו את נכונותה של תורת היחסות. בכנס שנערך בלונדון ב-1930 שאל אדינגטון את הקהל אם ייתכן והסתירה בין ממצאיו של האבל והתאוריה של איינשטיין נובעת מהעובדה שכולם מניחים שהפיתרון למשוואת השדה חייב להיות פיתרון שמניח יקום סטטי.

ג'ורג' למטר שמע על השאלה הרטורית של אדינגטון, והבין שזו ההזדמנות שלו. אדינגטון היה המורה שלו לאסטרונומיה בקמברידג', ולמטר ניצל את הקשרים האישיים ביניהם כדי לפנות אל אדינגטון בזריזות, והזכיר לו את המאמר שכתב שנתיים קודם לכן. אדינגטון קרא את המאמר והבין מיד שזו התשובה שכולם מחפשים. אם מניחים שהיקום שלנו נמצא בתהליך של התרחבות, כל חלקי הפזל מתיישבים במקומם באופן מושלם והתצפיות של האבל זוכות להסבר הגיוני. למשל, העובדה שכל הגלקסיות נראות כאילו הן מתרחקות מאיתנו מפסיקה להיות משונה כל כך. קחו בלון ריק וציירו עליו כמה נקודות שחורות. כעת, נפחו את הבלון: כשהבלון גדל מתמלא באוויר, הנקודות מתחילות להתרחק אחת מהשנייה – והחשוב ביותר הוא שכל נקודה על הבלון תראה את כל הנקודות שסביבה מתרחקות ממנה, ותסיק מכך שהיא זו שנמצאת במרכז, כביכול. פרשנות היקום המתרחב שומרת על העיקרון הקוסמולוגי, ומחזירה את כדור הארץ למקומו הטבעי: 'סתם' נקודה נוספת וחסרת חשיבות בגלקסיה חסרת חשיבות, ביקום אדיר ממדים…

איינשטיין קיבל את מאמרו של למטר מארתור אדינגטון.
קשה לנחש מה עובר במוחו של אדם ברגע שהוא מבין שהמציאות מתנגשת עם תמונת העולם הפרטית שלו. איינשטיין היה מסוגל להיות עקשן גדול לפעמים. למשל, הוא מפורסם בכך שלא הסכים לקבל את תורת הקוונטים, ונותר ספקן גם כשכל שאר הפיזיקאים סביבו קיבלו אותה כשרירה ותקפה. אך במקרה הזה, דווקא, הצליח איינשטיין להתעלות מעל לחולשותיו – אולי מכיוון שברגע שזונחים את הנחת היקום הסטטי, אין יותר צורך בקבוע הקוסומולוגי המכוער ומשוואת השדה חוזרת להיות שוב אסטית ואלגנטית, ואיינשטיין היה מדען שהעריך מאד אסטתיקה וסימטריה בתיאוריות פיזיקליות.
ב-1931 הכריז איינשטיין כי שגה כשהתעקש לבטל את מודל היקום המתפשט, וכי אין עוד צורך בקבוע הקוסמולוגי – שכל מטרתו, כזכור, הייתה לתקן את משוואת השדה כדי להתאימה להנחת היקום הסטטי. בשנים מאוחרות יותר אמר איינשטיין שהוספת הקבוע הקוסמולוגי למשוואה הייתה השגיאה הגדולה ביותר שלו. היקום הסטטי מת, יחי היקום המתרחב.

לידתו של המפץ הגדול

אבל הסיפור שלנו – של הייקום שלנו – אינו נגמר כאן אלא רק מתחיל, תרתי משמע. ההיגיון אומר שאם היקום שלנו הולך ומתרחב, אזי הייתה נקודה כלשהי בעבר שבה הוא היה קטן, קטן מאוד אפילו, כמו בלון רגע לפני שניפחו אותו. ג'ורג' למטר היה הראשון שהבין שמודל היקום המתרחב מכתיב, בהכרח, שהייתה ליקום גם התחלה. הוא הציע שהייקום שלנו החל את דרכו כ'אטום קדמוני': גוש צפוף של חומר, מעין ביצה קוסמית דחוסה, שברגע מסוים התפוצצה והחלה להתרחב ולהתפשט.

העובדה שאיינשטיין הגדול סמך את ידיו על רעיונות של למטר, הפכה את הכומר הבלגי האלמוני כמעט בין לילה לסלבריטי בעולם המדע, והוא זכה להכרה ולכבוד רב, כולל גם פרס נובל לפיסיקה. אף על פי כן, כשהציע למטר ב-1931 את השערת 'הביצה הקוסמית' שלו – רוב המדענים סירבו לקבל אותה. אפילו ארתור אדינגטון, האיש ש'גילה' את למטר והכיר אותו לעולם, לא האמין באפשרות זו. הסיבה הראשית לכך הייתה שאם מחשבים את גיל היקום לפי המדידות שביצע אדווין האבל, מקבלים קצת יותר ממיליארד שנה – בעוד שעדויות גאולוגיות הראו באופן ברור שגיל כדור הארץ הוא כארבעה מיליארדי שנים. בדיעבד הסתבר שנפלה טעות בחישוביו של האבל ושהיקום שלנו מבוגר בהרבה – אבל בשנים הראשונות היה נראה שישנה סתירה בין גיל היקום וגיל כדור הארץ.
סיבה נוספת לדחיית רעיונותיו של למטר הייתה קירבתם הלא נוחה לרעיונות הדתיים. למטר, כזכור, היה כומר קתולי ולכן הקונספט של 'בריאה' של יקום ברגע אחד מסוים לא היה זר לו. מדענים חילוניים, לעומת זאת, לא אהבו את מה שראו כחפיפה מסוכנת מדי בין הדת והמדע: היה להם נוח בהרבה להאמין שהיקום היה קיים לנצח. 'בריאה' של היקום מתוך 'ביצה קוסמית' כלשהי מעלה שאלות מטרידות כגון מי או מה חולל את אותה הבריאה, ומה היה לפניה.

כאלטרנטיבה להשערת ה'אטום הקדמוני', העלה האסטרונום פרד הויל (Hoyle) השערה מתחרה שתשמר את הרעיון המוכח של יקום מתרחב – אבל תבטל הצורך בנקודת התחלה. השערת 'המצב היציב' (Steady State) של הויל גרסה שתוך כדי התפשטות הייקום יוצר ללא הרף חומר חדש: כמו קנקן שמוזגים ממנו מים – אך המים לעולם אינם נגמרים. לאזניים מודרניות זו נשמעת, אולי, כהשערה מופרכת – אך לאמתו של דבר, התאוריה של הויל אינה מופרכת יותר מאשר הרעיון העקרוני של ביצה קוסמית דחוסה שהתפוצצה אי שם בעבר. בשני המקרים, קשה להסביר מהיכן מגיע החומר החדש.

השערת האטום הקדמוני ויריבתה, תאוריית המצב היציב, התחרו זו בזו במשך שנות הארבעים והחמישים של המאה העשרים. מעניין לציין שדווקא פרד הויל הוא זה שבראיון רדיו נתן להשערת האטום הקדמוני את השם המזוהה עמה היום – תיאורית 'המפץ הגדול' (Big Bang), כשניסה להסביר את ההבדל שבין התיאוריות המתחרות. יש מי שחושבים שהויל בחר את השם Big Bang, שכאילו לקוח מסרט מצויר לילדים, כדי להגחיך את הצעתו של למטר, אך הויל עצמו הסביר מאוחר יותר שלא הייתה לו כוונה כזו, ושהביטוי 'מפץ גדול' היה בסך הכל דרך נוחה להעביר למאזינים את ההבדל העקרוני בין שתי התאוריות.

במשך שנים לא מעטות נותר ה'מפץ הגדול' כהשערה מעניינת אך לא מוכחת. כדי להוכיח אותה, היה על המדענים לאתר ממצאים או עדויות שתומכים בה – אך אלו עדויות יכולות לשרוד מפיצוץ שהתרחש לפני כל כך הרבה מיליארדי שנים?
הפיזיקאים ראלף אלפר (Alpher) ורוברט הרמן (Herman) התמקדו באור שנפלט בזמן המפץ הגדול. אם אכן היה הייקום כולו מרוכז בתוך אטום קדמוני אחד שהתפוצץ ברגע אחד – אזי כמו בכל פיצוץ רב עוצמה, סביר להניח שגם כאן נפלט אור חזק ועתיר אנרגיה מסוג המכונה 'קרינת גמה'. אלפר והרמן שאלו את עצמם מה קרה לפוטונים של קרינת הגמה שנוצרו במפץ הגדול, והיכן הם היום.
הנחת העבודה של החוקרים הייתה שמיד לאחר הפיצוץ הייתה הטמפרטורה מיליונים רבים של מעלות. בחום עז שכזה, החומר נמצא במצב של פלזמה לוהטת ודחוסה. הפלזמה הדחוסה לא נתנה לאור לברוח ממנה: הפוטונים התנגשו ללא הרף באלקטרונים ששחו בפלזמה, ולא היו מסוגלים לצאת. רק אחרי 380 אלף שנה, לפי חישוביהם, התקרר הייקום במידה כזו שהאלקטרונים היו יכולים להיצמד סוף סוף לגרעיני האטומים, והפלזמה הפכה לשקופה מספיק כדי שהפוטונים יוכלו לעזוב.

התשובה לשאלה 'ומה קרה לאותם פוטונים אחר כך?' – נוגעת באחת המסקנות המפתיעות והמרתקות שנובעות ממודל היקום המתרחב.
הפיתרון של למטר למשוואת השדה של איינשטיין מכתיב כי הייקום שלנו מתפשט ומתרחב, אבל אם מודדים את גודלו של היקום בפועל – רואים שהוא גדול מדי. כדי שהיקום יהיה גדול כפי שהוא היום, על חלק מהגלקסיות לנוע במהירות העולה על מהירות האור, ולפי תורת היחסות זה בלתי אפשרי.
הפיתרון לסתירה הזו הוא שהתרחבות היקום אינה רק תוצאה של התרחקות הגלקסיות אלו מאלו – אלא גם תוצאה של מרחב חדש הנוצר בין הגלקסיות. כמו הרבה רעיונות אחרים בקוסמולוגיה החדשה הזו, קשה לנו לדמיין מרחב חדש שנוצר יש מאין. דמיינו לעצמכם שני אנשים שהולכים כל אחד בכיוון אחר, ומתרחקים זה מזה: אם אנחנו אומרים שהיקום הוא החלל שבין שני האנשים, אז היקום הזה גודל בהתאם למהירות ההליכה שלהם. אבל אם כל אחד מהאנשים נמצא על מסוע, כמו במדרגות נעות, אזי הם יתרחקו אחד מהשני בקצב הרבה יותר מהיר ממהירות הליכתם. המסוע הוא סוג של רצפה חדשה שמופיעה לא הרף מתחת לרגלי ההולכים, ובמקרה הזה היא האנלוגיה למרחב החדש שנוצר ביקום כל העת.

אלפר והרמן הבינו שאם המרחב עצמו מתרחב ונמתח אזי גם הפוטונים, קרני אור שנעות באותו המרחב, חייבות להימתח גם הן – כמו קו קצר שמשורטט על גומי, ומתארך כשמותחים את הגומי. בפוטונים, התארכות שכזו באה לידי ביטוי כשינוי של תדר. הפוטונים של קרינת הגמה שנוצרו במפץ הגדול, שהם בעלי תדר גבוה מאד, הפכו ברבות מיליארדי השנים לפוטונים בעלי תדר בתחום המיקרוגל, קרינה בעלת תדר נמוך יותר. במילים אחרות, אם המפץ הגדול התרחש, אזי אנחנו אמורים להיות מסוגלים לאתר פוטונים בתדרי מיקרוגל שמגיעים אלינו מכל כיוון בחלל.

וזה בדיוק מה שגילו הפיזיקאים ארנו פנזיאס (Penzias) ורוברט ווילסון (Wilson) בשנת 1965, כשהפנו גלאי רגיש מאוד לקרינת מיקרוגל אל שמי הלילה. הגלאי קלט הפרעה משונה שאי אפשר היה להעלים אותה. פנזיאס ווילסון לא ידעו להסביר, בתחילה, מה מקור ההפרעה שגילו – הם חשבו שמדובר אולי בהפרעות רדיו מערים סמוכות, או אולי קרינה שמקורה בשמש – אבל פסלו את האפשרויות הללו שכן הפרעות הגיעו מכל כיוון באותה העוצמה, ולא היו תלויות בשעה או בתאריך. רק כשחברו במקרה לקבוצת פיזיקאים אחרת שהכירה את מחקרם של אלפר והרמן ועמדה לפצוח בעצמה בחיפוש אחרי קרינת המיקרוגל החזויה – הבינו שמצאו, למעשה, את הפוטונים העתיקים אותו אור שנפלט בעקבות המפץ הגדול. גילוי קרינת רקע קוסמית היווה הוכחה ברורה להשערת המפץ הגדול, ותאוריית המצב היציב נשכחה ונעלמה.

לתאוריית המפץ הגדול והיקום המתרחב מקום חשוב בהיסטוריה של המדע. מעבר לכך שההבנה החדשה של מבנה היקום העניקה לנו גם הבנה נכונה ואמיתית יותר לגבי מקומנו שלנו במרחב – דהיינו, שאנחנו והגלקסיה שבה אנחנו חיים הם קצה קצהו של פרור חסר חשיבות ביחס לגודלו של היקום – היא גם אפשרה למדענים לבחון ולאשש תיאוריות ורעיונות פיזיקליים מתקדמים שהיה קשה מאד לבחון אותם אחרת. תורת היחסות, מטבעה, עוסקת בחוקי הטבע בתנאים של מהירויות אדירות, קרובות למהירות האור, במאסות בקנה המידה של כוכבים וגלקסיות – ואלו תנאים שכמעט בלתי אפשרי לשחזר כאן בכדור הארץ. התבוננות בגלקסיות המרוחקות ובפוטונים שהם שאריות של הפיצוץ הגדול ביותר האפשרי, קרוב לודאי, מאפשרת לנו לבחון את התחזיות שעולות מתוך התאוריות המתקדמות האלה כגון שינוי תדר הפוטונים בעקבות התרחבות היקום- ולאשש או לפסול אותן.

כשאני מביט אחורה על אותה תקופה מסקרנת במדע, בין השנים 1915 ו-1930, אינני יכול שלא לשאול את עצמי איך הייתי מתמודד עם השינויים המחשבתיים האדירים שהתחוללו אז לו הייתי מדען. האם הייתי מסוגל לזנוח דרכי חשיבה ישנות והרגלים עתיקים, או שהייתי מתחפר בעמדותי? אין זה סוד שהעולם שלנו כיום משתנה בקצב מסחרר, וכל שנה גוררת מהפכות טכנולוגיות ומדעיות חדשות. יכול להיות שאני, ואולי גם אתם, נמצא עצמנו עומדים בפני מצבים דומים בעתיד הלא רחוק.
כשזה יקרה, אולי אחכה עד רדת הלילה ואז אצא לשדה חשוך, מקום שבו אפשר לראות את הכוכבים במלוא הדרם. עם קצת דימיון, אולי אוכל לראות את אותו זוהר ערטילאי שמציף את כל השמיים החשוכים מאופק ועד אופק – קרינת הרקע הקוסמית בתדרי המיקרוגל. אולי אז, כשיציף אותי אותו הד עמום של הפיצוץ האדיר שהתחיל את הכל, אצליח להשתחרר מכבלי העבר ולהביט אל העתיד.

רגע…רגע…ועוד דבר אחד. לפני קצת יותר מעשרים שנה חשפו האסטרונומים עובדה מפתיעה ובלתי צפויה לחלוטין. הגלקסיות המרוחקות, אותן גלקסיות שנעות מאיתנו והלאה? מסתבר שהן לא סתם מתרחקות – הן מאיצות כל הזמן. מדוע? מה דוחף אותן הלאה מהר ומהר יותר? איש לא יודע. אחת ההשערות היא שיש משהו חסר במשוואת השדה של אלברט איינשטיין…איזו תוספת שאם רק נכניס אותה למשוואה, פתאום הכל יעשה ברור יותר. אתם מנחשים מהי אותה תוספת?…כן, ייתכן וזו נקמתו של הקבוע הקוסמולוגי.

חלק ב': עלייתו ונפילתו של היקום

אחת האמרות הידועות במדע היא שכל תגלית שאנו מגלים, וכל תשובה שאנו מוצאים לשאלה כלשהי, יוצרת כמה וכמה שאלות חדשות. למשל, כשגילו המדענים שחיידקים מחוללים מחלות, הם החלו שואלים את עצמם אילו סוגי חיידקים יש, כיצד הם גורמים לנו לחלות, ואיך אפשר להילחם בהם.

האמרה הוותיקה הזו נכונה במיוחד בתחום הקוסמולוגיה, חקר מבנה הייקום ותולדותיו. למעשה, אפשר לומר שעד שנתקבלה תאוריית המפץ הגדול – דהיינו, שהייקום שלנו החל את דרכו בפיצוץ אדיר לפני כמעט ארבע עשרה מיליארדי שנים – לא היה צורך במדע הקוסמולוגיה. כל עוד האמינו המדענים שהיקום שלנו אינסופי, אינו משתנה, לא הייתה לו התחלה וגם לא יהיה לו סוף – שאלות כדוגמת 'מה נמצא מעבר לייקום?' או 'מה קדם לו?' היו שאלות פילוסופיות, בעלות השלכות דתיות בלבד.

בפרק הקודם, חלקו הראשון של פרק זה, סיפרתי לכם אודות תחילתה של הקוסמולוגיה, וכיצד תגליתם של אלכסנדר פרידמן וג'ורג למטר, ותורת היחסות הכללית של איינשטיין, פתחו בפני הקוסמולוגים יקום שלם של פליאה ושאלות מסקרנות. במאה השנים האחרונות נדמה כאילו בכל פעם שאנחנו מרימים לשמיים עדשה גדולה יותר או משגרים לחלל טלסקופ מתוחכם יותר – אנחנו מגלים עובדה חדשה שמלמדת אותנו עד כמה איננו בעצם מכירים את היקום שסביבנו. בפרק זה אספר על כמה מהתעלומות המפתיעות הללו, וננסה להשיב על שאלות שבמבט ראשון נדמה שכמעט אינןי ניתנות לפתרון, כגון מה היה לפני שנוצר היקום שלנו, ומה יש מחוצה לו…

מונופולים מגנטיים

אלן גות' (Guth) היה ילד מבריק. גות' נולד בארה"ב בשנת 1947, וכבר בבית הספר הפגין כישורים מרשימים במדע. כפי שקורה במקרים רבים, התמזל מזלו של גות' ללמוד אצל מורה לפיזיקה שהצליח לעורר אצלו את הניצוץ הנכון ברגע המתאים.

"מורה טוב באמת יכול להשפיע בצורה אדירה על אדם צעיר, ובמקרה שלי הושפעתי באופן חזק ביותר ממורה צעיר לפיזיקה בבית הספר התיכון. שמו היה רוברט, והוא היה דינמי ונלהב לגבי פיזיקה בצורה שלא תאמן. אם לומר את האמת, היה לי ברור כבר אז שרוברט לא באמת מבין עד כדי כך בפיזיקה – אבל אבל אתה לא בהכרח צריך לדעת כל כך הרבה פיזיקה כדי להצליח לגרום לאחרים להתלהב ממנה."

גות' עזב את בית הספר התיכון בשנה האחרונה, ועבר ללמוד פיזיקה באוניברסיטת MIT היוקרתית וגם בה הצטיין.
אך כשסיים גות' את לימודיו, זכה בדוקטורט הנכסף והחל בקריירה האקדמית – גילה שפוטנציאל לחוד והצלחה מעשית לחוד. בשנות השבעים עבד אלן גות' בכמה מהאוניברסיטאות הנחשבות והטובות בארה"ב – פרינסטון, קולומביה וקורנל – אך לא הצליח להפיק תחת ידיו מחקרים מעניינים ופורצי דרך או מאמרים בעלי חשיבות. חלק מהאשמה נעוץ, קרוב לוודאי, בתחום שבו בחר לעסוק: מתמטיקה של חלקיקים תת-אטומיים. זהו ענף חשוב בפיזיקה, ללא ספק, אך ידוע כענף שקשה מאוד לחדש בו ומן הסתם לפרסם מאמרים פורצי דרך. גות' העדיף תמיד לעסוק בנושאים שמעניינים אותו באופן אישי ולא לשחות עם הזרם האקדמי, אך בשלהי שנות השבעים כבר החל להרגיש את הלחץ. הוא כבר היה כבן שלושים, עדיין ללא משרה קבועה באוניברסיטה כלשהי, ונדמה שכל הפוטנציאל הגדול והמבטיח שניכר בו בתחילת הדרך הולך לאיבוד, דועך ומתבזבז כמו גפרור בוער שמתקרב לקצו.

ב-1978, בעודו באוניברסיטת קורנל, ניגש לגות' אחד מעמיתיו, פיזיקאי בשם הנרי טיי (Tye), שביקש להתייעץ עמו לגבי שאלה מסקרנת. האם תאוריית המפץ הגדול, שאל טיי, מספקת ניבוי כלשהו לגבי חלקיקים המכונים 'מונופולים מגנטיים' (Magnetic Monopoles)?

מונופולים מגנטיים הם חלקיקים בעלי תכונה מוזרה: יש להם מגנטיות, כמו למגנטים שאנחנו תולים על דלת המקרר – אבל יש להם רק קוטב אחד. לכל המגנטים שאנחנו מכירים יש שני קטבים – צפון ודרום, כמו הקוטב הצפוני והדרומי של כדור הארץ. מגנטים בעלי קטבים זהים דוחים זה את זה, ומגנטים בעלי קטבים שונים נמשכים זה לזה. למונופול מגנטי, אם זאת, יש רק קוטב אחד, צפוני או דרומי.
התיאוריות הפיזיקליות הקיימות גורסות שאין שום מניעה עקרונית לקיומם של מונופולים מגנטים: אין שום חוק טבע שמונע מהם להתקיים. יותר מכך: התיאוריות האלה מנבאות שמונופולים מגנטיים צריכים היו להיווצר באופן טבעי בתנאים ששררו בזמן המפץ הגדול. אף על פי כן, איש לא מצא עדיין חלקיקים שכאלה בפועל – כך שעושה רושם שמשהו בתמונת העולם המדעית שלנו לא בסדר. אם מונופולים מגנטיים צריכים להתקיים אבל אינם בנמצא, אז אולי התיאוריות הפיזיקליות אינן נכונות או שאנחנו פשוט לא מחפשים במקום הנכון. הנרי טיי ביקש לבדוק כמה חלקיקים שכאלה עשויים היו להיווצר בזמן המפץ הגדול, וכך אולי לנסות ולחשב את השכיחות הצפוייה שלהם ביקום כיום.

לאלן גות' לא היה רקע בקוסמולוגיה. כל מה שידע לגבי תורת היחסות הכללית של איינשטיין, קרינת הרקע הקוסמית, הסחה לאדום של פוטונים ושאר המונחים והמושגים שנזכרו בפרק הקודם, היה מה שזכר מהקורסים הבסיסיים שלקח באוניברסיטה. אבל תעלומת המונופולים המגנטיים סיקרנה אותו וכפי שציינתי קודם, לגות' הייתה נטיה ללכת בעקבות הסקרנות הטבעית שלו. הוא חבר לטיי, ויחד חקרו השניים את התנאים ששררו במפץ הגדול ואת השלכותיהם על היווצרותם של מונופולים מגנטיים.

התיאוריה המקובלת גורסת שבשברירי השנייה הראשונים לחיי הייקום – וליתר דיוק, בעשר בחזקת מינוס 43 חלקי השנייה הראשונים – הלחץ והחום היו כה גבוהים עד ששכל כוחות הטבע שאנחנו מכירים כיום – כוח המשיכה, הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החזק והחלש – לא התקיימו בנפרד ועמדו כל אחד בפני עצמו, אלא התמזגו לכוח אחד ויחיד, כמו טעמים שונים של גלידה מומסת שמתערבבים זה בזה ליצירת נוזל חסר צבע.
מה בדיוק התרחש באותן עשר בחזקת מינוס 43 שברירי השנייה? אין לדעת. התאוריות הפיזיקליות שלנו אינן מסוגלות לנבא מה יתרחש בתנאים קיצוניים שכאלה, ואנחנו יכולים רק לנחש. אבל כשהתרחב היקום והלחץ והחום פחתו, נפרדו גם כוחות הטבע מזה והחלו מקבלים את הזהות העצמאית והמוכרת שלהם כיום.

גות' וטיי הגיעו למסקנה כי בתנאי המעבר בין נקודת הסינגולריות של המפץ הגדול וההיפרדות ההדרגתית לכוחות נפרדים יכלו, באופן עקרוני, להיווצר המוני מונופולים מגנטיים. מונופולים רבים כל כך, למעשה, עד שהיינו צריכים להיות מסוגלים לגלות אותם בקלות יחסית גם בכדור הארץ. מסקנה זו העמיקה עוד יותר את המיסתורין של המונופולים המגנטיים: אם המפץ הגדול אכן התרחש, כפי שמעידה קרינת הרקע הקוסמית ותצפיות אחרות, היכן מסתתרים המונופולים המגנטיים?

בעיית העקמומיות

רצה הגורל ובאותה השנה הגיע לקורנל פרופסור מוכר ומכובד לקוסמולוגיה בשם רוברט דיק (Dicke), שחקר באוניברסיטת פרינסטון תעלומה מסקרנת נוספת בפיזיקה: בעיית העקמומיות. גות' וטיי הוזמנו להרצאה שהעביר פרופ' דיק, שם סיפר על תעלומת העקמומיות וחשיבותה. גות' הגיע ראשון לאולם והתיישב בשורה הראשונה.

השאלה העקרונית שבבסיס בעיית העקמומיות היא כיצד יבוא הייקום אל קיצו. אנחנו יודעים שהיקום היום מתרחב וגדל, בכך אין כל ספק – אך האם ימשיך להתרחב לנצח? התשובה לשאלה הזו תלויה בכמות המאסה ביקום. מאסה יוצרת כוח משיכה, והמשיכה מתנגדת להתרחבות היקום כמו מסטיק שדבוק לסוליית הנעל ומפריע להרים את הרגל מהרצפה. אם יש המון מאסה ביקום – דהיינו, הרבה גלקסיות, אבק בין כוכבי וכדומה – אזי כוח המשיכה יבלום, בסופו של דבר, את ההתרחבות ואז היקום יתחיל להתכווץ עד שברבות הימים נקבל את ה"קווץ' הגדול", שהוא ההפך מהמפץ הגדול. אם אין מספיק מאסה – כוח המשיכה יהיה חלש והיקום יתרחב לנצח.
המושג 'עקמומיות' מתייחס כאן לתיאור המתמטי של כל הסיפור. יקום שמתרחב לנצח הוא בעל עקמומיות 'פתוחה', ויקום שקורס לתוך עצמו הוא בעל עקמומיות 'סגורה'.

בעיית עקמומיות המרחב מסקרנת מאוד את הפיזיקאים, ולא מפני שהם חרדים לגורלם אם היקום יחליט לקרוס לתוך עצמו. שהרי זה יקרה בעוד שנים רבות מספור – הרבה אחרי ששמש שלנו תפסיק לבעור, הגלקסיה שלנו תיכבה ותיעלם ואולי אחרי שהרכבת הקלה בתל אביב תהיה מוכנה. אולי.
הבעייה הזו מעניינת כיוון שכשמודדים את עקמומיות היקום בעזרת תצפיות אסטרונומיות וכו' – מקבלים שהייקום אינופתוח ואינו סגור, אלא שטוח – בדיוק על הגבול שביניהם. וכשאני אומר 'בדיוק', אני מתכוון לבדיוק. מהתצפיות האסטרונומיות עולה שאילו היה רק מעט יותר חומר ביקום – כוח המשיכה היה חזק מספיק כדי לגרום לקריסת הייקום כבר לפני מיליארדי שנים, והחיים לא היו מספיקים להיווצר על פני כדור הארץ. אילו היה פחות חומר בייקום משקיים בפועל, היקום היה מתרחב מהר כל כך עד שכוכבים לא היו מספיקים להיווצר ושוב לא היו נוצרים חיים. במילים אחרות, אם כמות החומר ביקום הייתה שונה רק במעט מכפי שהיא בפועל – לא הייתי מדבר אליכם באוזניות ברגע זה, ואתם לא הייתם עומדים כרגע בפקקים של תל אביב.

כשהמדענים נתקלים בצירוף מקרים מדהים שכזה, הם מרימים גבה. הדבר דומה לרצף של מאה זכיות ברולטה. אמנם יכול להיות שאנו ברי מזל ושהייקום, במקרה לגמרי, מתאים לנו בדיוק כמו כפפה ליד – אבל אם מישהו זוכה מאה פעמים רצוף ברולטה, סביר יותר להניח שהוא מרמה – או במקרה שלנו, כנראה שאיננו באמת מבינים איך הייקום עובד.

בסוף אותה שנה, 1979, נאלץ אלן גות' לעזוב את קורנל ולעבור לאוניברסיטת סטנפורד. הוא והנרי טיי המשיכו לשוחח בטלפון, ותכננו להשלים את המאמר המשותף שלהם אודות המונופולים המגנטיים. למגינת לבם, הם גילו שחוקרים אחרים הקדימו אותם ופרסו מאמר אחר על מונופולים מגנטיים – ושאם הם רוצים שהמאמר שלהם יהיה שווה משהו, הם צריכים להוסיף לו משהו חדש: רעיון מעניין או השערה חדשנית שתפיח חיים במאמר הכמעט-לא-רלוונטי שלהם.

גות' היה בלחץ. הוא כבר בן 32, בלי עבודה קבועה, עם אישה וילד קטן. הקריירה האקדמית שלו לא התקדמה לשום מקום. כך מצא את עצמו יושב מול שולחן העבודה בביתו, באחת בלילה, שובר את הראש ומנסה למצוא משהו – כל דבר – שיציל את המאמר שלו ושל טיי על המונופולים המגנטיים.

ואז, באחת בלילה, היכתה בו ההשראה. הוא פתח את המחברת בהתרגשות וכתב שם – 'תובנה מדהימה' באותיות גדולות. הוא בקושי נרדם באותו הלילה. כשהגיע הבוקר עלה על אופניו ומיהר למשרד שם הריץ כמה מספרים במחשבון, והגיע למסקנה שהרעיון שהגה אמש עשוי להיות תקף. ההתרגשות גאתה בו כיוון שאם הוא צודק, אזי השערתו פותרת לא רק את תעלומת המונופולים המגנטיים – אלא גם את בעיית העקמומיות שעליה סיפר פרופ' רוברט דיק בהרצאתו.

אינפלציה קוסמית

הרעיון של אלן גות' מכונה 'התנפחות קוסמית', או 'אינפלציה קוסמית'.
ההנחה הראשונית של המדענים הייתה שהמפץ הגדול גרם לייקום להתחיל ולהתרחב, ושהתרחבות זו התרחשה בקצב קבוע – דהיינו, היקום הלך וגדל בצורה הדרגתית, כמו בלון שמנפחים אותו עם זרם אוויר יציב וקבוע. גות' הגיע למסקנה שמודל ההתנפחות ההדרגתית אינו נכון או ליתר דיוק, אינו מדויק. ברגעים הראשונים שלאחר המפץ, הייקום אכן התרחב בקצב קבוע, אך בנקודת הזמן שבה התפצלו כוחות הטבע זה מזה, הפסיקו להיות כוח אחד ויצאו כל אחד לדרכו העצמאית – הייקום החל להתנפח בקצב מואץ, התרחבות פתאומית ומהירה שהביאה את הייקום מגודל של גרעין אטום, פחות או יותר, לגודל של ענב. זה אולי לא נשמע כמו שינוי דרמטי – אך צריך לזכור שמדובר בהתרחבות של כמה וכמה סדרי גודל בפרק זמן של הרבה פחות מטריליונית השנייה… במילים אחרות, במקום שהייקום יתרחב בקצב קבוע או אפילו בקצב הולך ומאט – הוא דווקא האץ את קצב ההתרחבות שלו לפרק זמן קצר. בהמשך לאנלוגיה הבלון הקודמת, כעת החלפנו את זרם האוויר הקבוע והיציב שממלא את הבלון- בזרם אוויר אדיר ופתאומי שגורם לו להתנפח כמעט בבת אחת.

יש פרט נוסף, משונה ובלתי שגרתי בהתרחבות המהירה הזו, על פי מודל האינפלציה הקוסמית. כשמגדילים נפח של מיכל כלשהו, צפיפות החומר שבתוכו יורדת. למשל, נניח שיש לנו קבוצת ילדים בתוך בריכה קטנה, מהסוג שמוצאים בחצר של בית פרטי בדרך כלל. הבריכה הקטנה, והילדים צפופים. עכשיו ניקח אותה קבוצת ילדים ונשים אותה בבריכה אולימפית גדולה: הגדלנו את נפח הבריכה אך מספר הילדים נותר זהה, ולכן הילדים צפופים הרבה פחות.
אך בזמן האינפלציה הקוסמית, כשנפח הייקום גדל – צפיפות החומר שבו נותרה זהה. במילים אחרות – חומר חדש נוצר כדי למלא את הנפח הפנוי החדש. זה כאילו שכשהעברנו את קבוצת הילדים מהבריכה הקטנה לבריכה האולימפית, הוספנו לקבוצה כמה עשרות ילדים כך שהם נותרו צפופים כשהיו.

כיצד ייתכן שחומר חדש נוצר לפתע יש מאין? ובכן, היקום הוא מקום מוזר, ובאותן שברירי שנייה שלאחר המפץ הגדול הוא היה מוזר עוד יותר מוזר. גות' שיער שבשלב שבו נפרדו כוחות הטבע זה מזה, חלה התקררות פתאומית. ה'התקררות' במקרה זה יחסית מאד, כמובן – מטמפרטורה של כמה טריליוני מיליארדי מעלות לטמפרטורה של כמה טריליוני מליארדי מעלות פחות – אבל עדיין מדובר בהתקררות. התקררות זו גרמה להיווצרות אנרגיה בשם 'אנרגיית הוואקום'. קשה להסביר מהי 'אנרגיית ואקום' מבלי להיכנס לפרטי-פרטים של משוואות ונוסחאות, אבל אפשר לדמות את אנרגיית הוואקום לכוח-משיכה שלילי: במקום לגרום לדברים להימשך זה לזה, היא גורמת להם לדחות זה את זה, ולכן היקום החל לפתע להתרחב במהירות.

השאלה המתבקשת היא כיצד פותרת תאוריית האינפלציה הקוסמית של גות' את תעלומת המונופולים המגנטיים ובעיית העקמומיות.
בשני המקרים, הפתרון טמון בעובדה שהייקום תפח בכמה וכמה סדרי גודל בזמן קצר מאוד – כך שהוא היום גדול בהרבה מכפי שצריך היה להיות אלמלא התרחשה האינפלציה. למשל, סביר להניח שמונופולים מגנטיים אכן נוצרו בעקבות המפץ הגדול – אך הייקום רחב ידיים כל כך עד שהסיכוי להיתקל במונופול שכזה בפועל קלוש מאוד. בהמשך לאנלוגיה הקודמת, זה כאילו שמישהו זרק לתוך הבריכה הקטנה שלנו שק מלא במטבעות זהב – ולפתע הבריכה הקטנה הפכה לאוקיינוס. גם אם נפזר מיליון מטבעות זהב באוקיינוס, עדיין הסיכוי שלנו למצוא מטבע זהב במקרה זעום מאד, כמו מחט בערימת שחת. במילים אחרות, הסיבה שאיננו רואים סביבנו מונופולים מגנטיים היא שהסיכוי למצוא אותם קלוש מאד, ונצטרך אולי לסרוק את היקום שלנו גלקסיה אחר גלקסיה, כדי להצליח לאתר בסופו של דבר חלקיק שכזה.

האינפלציה המהירה מספקת תשובה משכנעת גם לבעיית העקמומיות. השאלה העקרונית, נזכיר, היא מדוע היקום שלנו מכיל את כמות החומר המתאימה בדיוק כדי שיהיה 'שטוח', דהיינו שלא יקרוס תחת כוח המשיכה שלא או יתרחב מהר מדי מכדי שגלקסיות וכוכבים יספיקו להיווצר. על פי חישוביו של גות', תהליך היווצרות החומר במהלך ההתרחבות המהירה היה כזה שהכמות הסופית של החומר מתאימה בדיוק ליקום שטוח – ולא משנה כמה חומר הכיר היקום לפני האינפלציה. במילים אחרות, זה לא שיש כמות חומר מתאימה "בדיוק" – אלא שתחת השערת האינפלציה הקוסמית, כל כמות של חומר שאיתה התחלנו תביא, בסופו של דבר, למצב שאותו אנחנו רואים כיום. זו תשובה שהקוסמולוגים אוהבים, כיוון שהיא מבטלת את הצורך ב'צירוף מקרים' מדהים כמו מאה זכיות רצופות ברולטה.

אלן גות' הנלהב הרים את הטלפון, חייג להנרי טיי שהיה עדיין בקורנל, וסיפר לו על הרעיון המדהים שעולה במוחו. טיי, להפתעתו, לא התלהב במיוחד. הוא לא רצה להכניס שינוי דרמטי כל כך במאמר המשותף שלהם על המונופולים המגנטיים, והעדיף שגות' יפרסם את תיאוריית האינפלציה הקוסמית במאמר נפרד. גות' התבאס קצת, אבל נאלץ להסכים. בדיעבד התברר שהנרי טיי לא תפס, באותה שיחת טלפון, את חשיבות התאוריה של גות'. אמנם שניהם נכחו בהרצאתו של פרופ' רוברט דיק אודות בעיית העקמומיות – אבל טיי איחר להרצאה, התיישב בספסל האחורי ולא שמע כמעט מילה מהסבריו של הפרופסור. זו הסיבה שכשאמר לו גות' שהאינפלציה הקוסמית פותרת גם את בעיית העקמומיות – להנרי טיי לא היה מושג על מה הוא מדבר. מוסר ההשכל? תגיעו בזמן להרצאה…

למרות – ואולי בגלל – ההתלהבות הגדולה שחש בעקבות התיאוריה שלו, גות' היה מודאג.

"חששתי מאד, מכיוון שמדובר ברעיון דרמטי מאד – ורוב הרעיונות הדרמטיים מתבררים בסופו של דבר כשגויים, אחרת מישהו כנראה כבר היה מגלה אותם קודם. לא הבנתי איך, אם האינפלציה הקוסמית נכונה, אף אחד לא חשב עליה קודם."

הבטחון של גות' בנכונותה של התיאוריה שלו גבר כשזמן מה לאחר מכן, כשישב לאכול ארוחת צהריים בסטנפורד, הזדמן לו להאזין לשיחה של כמה קוסמולוגים. הקוסמולוגים דיברו על משהו בשם 'בעיית האופק'. גות', נזכור, לא היה קוסמולוג. למרות שאך לא מכבר הגה את אחת התאוריות החשובות בדברי ימי הקוסמולוגיה, הוא עדיין לא הבין כמעט מילה מהז'רגון המקצועי של האנשים מסביב לשולחן. עם זאת, מה שבכל זאת הצליח להבין מהשיחה גרם לו להתרגשות גדולה. 'בעיית האופק' קשורה בפיזור קרינת הרקע הקוסמית על פני הרקיע. כן, זה כנראה מה שקוסמולוגים אוהבים לדבר עליו בארוחת צהריים. אולי זה הולך טוב עם פירה, אני לא יודע.

קרינת הרקע הקוסמית (Cosmic Microwave Background Radiation) היא ההד האלקטרומגנטי שנותר מהמפץ הגדול: פוטונים בתדרי מיקרוגל – תדרים שאיננו מסוגלים לראות בעין שנפלטו במהלך המפץ הגדול ושאנו מסוגלים למדוד אותם באמצעות טלסקופים מתאימים.
כשאנו מפנים את הטלסקופים אל השמיים ומודדים את קרינת הרקע, אנחנו רואים שמכל כיוון הקרינה זהה: אם נמדוד את קרינת הרקע משמי הקוטב הצפוני, לפוטונים המתקבלים יהיה כמעט את אותו התדר כמו לפוטונים שנמדוד בשמי הקוטב הדרומי. אין זו עובדה מובנת מאליה. הקרינה בקוטב הצפוני והקרינה בקוטב הדרומי מגיעות משני קצוות מנוגדים של הייקום. איך 'יודעים' הפוטונים בשני הקצוות שהם צריכים להיות בעלי תדר זהה? מה גורם להם להיות דומים זה לזה?

יש לכך, עקרונית, הסבר פשוט. נניח, לצורך הדוגמא, שאנחנו שופכים כוס מים רותחים לתוך אמבטיה של מים פושרים. בשנייה הראשונה, המים הרותחים יהיו מרוכזים באותה הנקודה הסצפיפית, באותו הצד של האמבטיה שבו שפכנו אותם – כך שאם נמדוד את הטמפרטורה בצד אחד של האמבטיה ואת הטמפרטורה בצדה האחר, לא נקבל מדידה זהה. אל אם נחכה מספיק זמן יצליחו מולקולות המים הרותחים להתפזר ולהתפשט ברחבי האמבטיה הגדולה, ואז תשוב הטמפרטורה להיות זהה בכל נקודה באמבטיה.
האנלוגיה הזו יכולה להסביר, באופן עקרוני, גם את הדימיון שבין הפוטונים של קרינת הרקע הקוסמית: בזמן שחלף מאז המפץ הגדול התפזרו הפוטונים בכל רחבי הייקום וכעת אנו מודדים אותם הפוטונים מכל כיוון, כמו מדידת טמפרטורה של אמבטיה של מים פושרים.
הבעיה היא שאנו יודעים מתי התרחש המפץ הגדול – לפני קצת פחות מארבע עשרה מליארדי שנים – ואין זה מספיק זמן כדי שהפוטונים שחייבים לנוע במהירות האור, יצליחו להתפשט לכל מקום בייקום. במילים אחרות, המים הרותחים עדיין לא הספיקו להתפזר בכל רחבי האמבטיה הגדולה. המדידות מקרינת הרקע הקוסמית סותרות, אם כן, את מה שאנחנו יודעים על המפץ הגדול.

אלן גות' הבין מיד שהאינפלציה הקוסמית שלו פותרת גם את הדילמה הזו. באותן שברירי שנייה של התרחבות פתאומית, גדל הייקום בקצב מהיר בהרבה ממהירות האור. אני יודע, אני יודע, אתם צודקים – שום דבר לא יכול לנוע יותר מהר ממהירות האור, זה ברור! אל תדאגו, הפוטונים אינם מפרים את העיקרון הזה. הם עדיין המשיכו לנוע במהירות האור, אבל המרחב שסביבם הוא זה שנוצר וגדל בקצב כה מסחרר. הפוטונים, במקרה הזה, הם כמו אנשים שרצים על מסוע מסתובב: המסוע נותן להם 'תוספת מהירות', למרות שרגליהם ממשיכות לעלות ולרדת באותו הקצב. אם הפוטונים הצליחו לנוע מהר יותר ממהירות האור בפרק הזמן הקצר שבמהלך האינפלציה, תוספת המהירות הזו עשויה הייתה לאפשר להם להתפשט לכל קצוות היקום – וזו הסיבה שקרינת הרקע הקוסמית שאנו מודדים היום זהה לחלוטין בכל כיוון שבו נתבונן.

העובדה שרעיון האינפלציה הקוסמית מצליח לפתור תעלומות שגות' אפילו לא שמע עליהן קודם לכן העניקה לו ביטחון רב בכך שהוא נמצא בכיוון הנכון. חודש לאחר אותה הברקה בשעת לילה מאוחרת, סיפר על התאוריה שלו בהרצאה מול קהל שהיה באקסטזה – אצל פיזיקאים זה אומר שהם כנראה הנהנו בראש. אמנם היו עדיין אתגרים גדולים בתקשורת, ולא תמיד הצליחו הקוסמולוגים להבין את רעיונותיו של גות' – שהרי עד אז קוסמולוגיה ופיזיקה של חלקיקים תת-אטומיים היו שני תחומים שונים במדע שלא היה ביניהם בהכרח קשר הדוק. אבל גות' הצליח להתגבר על הקשיים, ותאוריית האינפלציה הקוסמית תפסה אחיזה עמוקה בקרב החוקרים. כבר למחרת ההרצאה קיבל שתי הצעות עבודה, ובשבועות הבאים קיבל הצעות מכל אוניברסיטה מובילה ונחשבת בארה"ב. כמעט בין לילה התהפכה הקריירה של אלן גות', ומדוקטור אלמוני הפך לאחד המדענים החשובים של דורו. הפוטנציאל שהראה בצעירותו התממש סוף סוף, וגות' זכה באינספור פרסים ואותות הוקרה.

בעיית היציאה החיננית

למרות שתאוריית האינפלציה הקוסמית מציעה פתרונות נאים ואלגנטיים לכמה מהבעיות הטורדניות ביותר בעולם הקוסמולוגיה, היא רחוקה מלהיות תאוריה מושלמת. כבר בתחילת שנות השמונים זיהה אלן גות' עצמו נקודת תורפה מהותית במודל האינפלציה הקוסמית, חולשה שהייתה עשויה למוטט את כל מגדל הקלפים שבנה. הבעיה כונתה 'בעיית היציאה החיננית' (Graceful Exit): מהרגע שהחלה ההתרחבות המהירה של האינפלציה הקוסמית, מה גרם לה להפסיק? במילים אחרות, מדוע הפסיק היקום להתרחב בקצב מהיר מאוד – וחזר להתרחבות המתונה שאנחנו רואים כיום?
גות' תיאר את הבעיה בכנות ראויה לציון במאמר שפרסם ב-1983, והודה שלמרות שהוא עדיין מאמין שמודל האינפלציה הוא ההסבר הנכון למה שהתרחש במפץ הגדול – חולשת היציאה החיננית מטילה צל כבד על תקפותה של התאוריה כולה.

למזלו של גות', פיסיקאי סובייטי בשם אנדי לינדה (Linde), חלק מקבוצת חוקרים בבריה"מ שעבדו בשנות השבעים על רעיונות דומים לאלה של אלן גות', הציע שינויים ותוספות לתאוריה הראשונית ואלו פותרים את בעיית היציאה החיננית וחולשות נוספות שנתגלו בתאוריה. אחד ההצעות המעניינות של לינדה הייתה שהאינפלציה הקוסמית היא תופעה אקראית שמתרחשת מדי פעם בתוך יקום-על גדול בהרבה מהייקום שלנו. על פי הצעה זו, המפץ הגדול הוא מעין ניצוץ פתאומי ואקראי, מעין הבזק כמו של חשמל סטטי, שגורם להיווצרותן של בועות חומר שמתפשטות בתוך יקום-העל והופכות לייקומים קטנים. במילים אחרות, הייקום שלנו הוא רק יקום אחד מתוך אינסוף יקומים מקבילים שנוצרים בתוך 'מולטי-ורס' (Multiverse) – כמו בועות סבון בתוך אמבטיה גדולה. לכל יקום שכזה יש חוקי טבע משלו, שאינם בהכרח זהים לחוקי הטבע בייקומים האחרים. אנחנו חיים בייקום שבו חוקי הטבע – במקרה לגמרי – מתאימים להיווצרותם של כוכבים, גלקסיות וכדומה.

תאוריית האינפלציה הקוסמית נמצאת במצב משונה של הסכמה-למחצה בקרב קהילת המדענים. מצד אחד, ההתרחבות המהירה פותרת כמה בעיות קשות בקוסמולוגיה, כדוגמת בעיית המונופולים המגנטיים. ולא פחות חשוב, כל התצפיות האסטרונומיות שנערכו מאז שהציע אלן גות' את מודל האינפלציה, כולל תצפיות שנעשו בעזרת טלסקופים ששוגרו לחלל, תואמות במדויק את ניבויי התאוריה.
אך מצד אחר, יש בתאוריית האינפלציה הקוסמית כמה חולשות מהותיות ומעיקות. למשל, קשה להסביר מדוע בכלל החלה התרחבות מואצת זו. בשביל שתיווצר אינפלציה מהירה צריכים היו להתקיים תנאים ספציפיים מאוד בזמן המפץ הגדול – ואין סיבה אמתית או מהותית שדווקא תנאים אלה יתקיימו, ולא תנאים אחרים. במילים אחרות, 'בעיית הרולטה' – היינו מציאת הסבר הגיוני להתרחשות אירוע בלתי סביר כמו מאה זכיות רצופות ברולטה – עדיין שרירה וקיימת גם במודל של אלן גות'.
למרות הוויכוחים וחילוקי הדיעות בקרב המדענים, תאוריית האינפלציה היא עדיין 'סוס העבודה' של הקוסמולוגיה, ונחשבת כחלק מהותי מה'מודל הסטנדרטי של הייקום' על פי הפיזיקה המודרנית. שיפורים ושיכלולים שלה ממשיכים להופיע כל העת.

חומר ואנטי-חומר

מפץ גדול, אינפלציה, אנרגיית ואקום… יש כאן לא מעט רעיונות ומושגים חדשים – אז הבה נעשה סדר בדברים, וננסה לשרטט בקווים כלליים את השתלשלות האירועים במהלך המפץ הגדול, כפי שאנו מביאים אותם כיום.

מרגע המפץ עצמו ועד עשר בחזקת מינוס 43 שניות, הלחצים והטמפרטורות בייקום הצעיר היו כה גדולים עד שאין לנו כלים לתאר מה התרחש באותה נקודת זמן. הסברה המקובלת היא שכל כוחות הטבע – משיכה, אלקטרומגנטיות וכדומה – היו מאוחדים לכוח אחד משותף.
עשר בחזקת מינוס 43 שניות לאחר ההתפוצצות הראשונית החלו הכוחות להיפרד זה מזה, והייקום נכנס לתקופה של התרחבות מואצת שכינינו אותה 'אינפלציה קוסמית'. בשלב זה אין עדיין ביקום אטומים או אפילו חומר כפי שאנחנו מכירים אותו כיום.
בעשר בחזקת מינוס 32 שניות שניות מסתיימת האינפלציה. היקום ממשיך להתרחב, אבל בקצב מתון יותר. הטמפרטורה ממשיכה לרדת, אך היא עדיין גבוהה מאוד והייקום הקטן עדיין מלא בפלזמה של חלקיקים תת-אטומיים. רק כעבור שנייה מרגע המפץ הגדול, התקרר הייקום מספיק כדי לאפשר לפרוטונים ולניוטורונים להיווצר. קרינת הרקע הקוסמית, אותה קרינה בתדרי מיקרוגל שמגיעה מכל כיוון בשמיים, היא תוצר של ההתרחשויות באותה שנייה ראשונה של אינפלציה קוסמית והתקררות.

את התנאים ששררו בסביבות השנייה הראשונה לקיומו של היום אנחנו מסוגלים, כבר היום, לשחזר במאיצי החלקיקים שלנו, וכתוצאה מכך יש לנו תאוריות פיזיקליות מבוססות למדי שמסוגלות לתאר את האינרקציות שבין חלקיקי חומר. ועדיין, קיימת תעלומה גדולה שמקורה באותה נקודת הזמן שהמדענים מנסים לפצח מזה שנים.

על פי הפיזיקה המוכרת לנו, לכל חלקיק בטבע – למשל, אלקטרונים ופרוטונים – ישנו גם 'אנטי-חלקיק': חלקיק בעל אותה המאסה כמו החלקיק הרגיל – אבל תכונותיו הפוכות. אנטי-פרוטון, למשל, הוא החלקיק ההופכי לפרוטון: יש לו את אותה המאסה כמו הפרוטון, אבל המטען החשמלי שלו שלילי במקום חיובי. במילים אחרות, אלה הם חלקיקים-תאומים, מעין 'תמונת מראה' של החומר המוכר לנו. חוקי הטבע מכתיבים גם שכשחלקיק חומר ואנטי-חומר נוגעים זה בזה – הם מתאיידים בהבזק אדיר של חום וקרינה, נעלמים והופכים לאנרגיה טהורה.

ככל הידוע לנו, היקום – או נכון יותר לומר, חוקי הטבע השולטים בו – אינם מעדיפים חומר על פני אנטי-חומר, ובשניה הראשונה נוצרו פרוטונים ואנטי-פרוטונים, וניוטרונים ואנטי-ניוטרונים, בכמות זהה. מיד לאחר שנוצרו, החלו חלקיקי החומר והאנטי-חומר להתנגש זה בזה, התאיידו ונעלמו.
כאן טמונה הבעיה. תסתכלו על עצמכם. תסתכלו על העולם שמסביב. כל זה – לא אמור להתקיים. אם בשנייה הראשונה לחייו של הייקום נוצרו בדיוק אותו מספר של חלקיקי חומר ואנטי-חומר, הם היו צריכים להשמיד זה את זה וכתוצאה, הייקום שלנו היה מכיל רק אנרגיה טהורה. העובדה שאנחנו והאדמה שעליה אנו דורכים קיימים, מלמדת אותנו שמסיבה כלשהי נוצרו במפץ הגדול חלקיקי חומר רבים יותר מאשר אנטי-חומר. אך לא הרבה יותר: על פי ההערכות, על כל שלושים מיליון חלקיקי אנטי-חומר, נוצרו במפץ הגדול שלושים מיליון ואחד חלקיקי חומר. על כל שלושים מיליון חלקיקים שהתאיידו במהלך ההכחדה הגדולה שלאחר השנייה הראשונה, כשחומר פגש אנטי-חומר – חלקיק אחד של חומר שרד, ומספר זעום של חלקיקי חומר ממלא את כל הייקום שאנחנו יכולים לראות סביבנו כיום.

התעלומה הגדולה, אם כן, היא מדוע נוצרו יותר חלקיקי חומר מאנטי-חומר? אם חוקי הטבע המוכרים לנו אינם נוטים להעדיף חלקיק על פני אנטי-חלקיק, מדוע אנחנו קיימים? התעלומה הזו מכונה 'בעיית האסימטריה של הבריונים', או 'בריוגנסיס' (Baryogenesis). ה'בריונים' הם סוג של חלקיקים שאליה משתייכים גם פרוטונים וניוטרונים.

לתעלומה זו יכולים להיות שני פתרונות עקרוניים. האחד – משהו בתאוריות הפיזיקיליות שלנו אינו נכון, ועלינו לתקן אותן כך שיסבירו מדוע היקום בכל זאת מעדיף חומר על פני אנטי-חומר. הפתרון האחר גורס שאכן אין העדפה מיוחדת שכזו, ואם יש ביקום חומר – הרי שצריכה להיות בו כמות זהה של אנטי-חומר, אבל פשוט לא מצאנו אותה עדיין.
האפשרות השנייה מסקרנת מאוד. שלחנו חלליות אל כוכבי הלכת האחרים במערכת השמש והן לא התאיידו בהבזק אדיר של אנרגיה, לכן אנחנו יכולים להיות בטוחים למדי שגם שאר כוכבי הלכת שלנו עשויים מחומר. השמש מפזרת כל הזמן חלקיקי חומר שפוגעים בכל האסטרואידים והסלעים שבאזור: שוב, אין הבזקי אנרגיה ומכאן שגם האסטרואידים עשויים מחומר. חלק מהתושבים של אילת מוזרים מאד – אבל אני די בטוח שגם הם לא עשויים מאנטי-חומר.
אבל מי מבטיח לנו ששאר כוכבי השבת מסביב והגלקסיות שאנחנו רואים בטלסקופים, אינם עשויים מאנטי-חומר? התשובה הקצרה היא שאין ודאות מוחלטת: יכול להיות, באופן עקרוני, שיש 'איים' של אנטי-חומר בייקום, ואם נפגוש בהם יום אחד – זה יהיה גם, כנראה, היום האחרון שלנו. אבל במציאות, הסבירות שהגלקסיות האחרות עשויות מאנטי-חומר נמוכה מאוד. אם היה זה המצב, אזי בנקודות הגבול שבין איי החומר והאנטי-חומר היינו אמורים לזהות פליטה חריגה מאוד של אנרגיה כתוצאה מההשמדה ההדדית של החלקיקים – ואיננו רואים פליטה חריגה שכזו. מכאן שהאפשרות הראשונה – שאנחנו צריכים עדיין לתקן את התאוריות שלנו – היא כנראה זו הנכונה.

בחזרה אל קו הזמן של המפץ הגדול. שלוש דקות לאחר המפץ הגדול התקרר היקום מספיק בכדי לאפשר לגרעיני אטומים כדוגמת הליום להיווצר. במשך שבע עשרה הדקות הבאות נוצרו גרעיני הליום בתהליך של היתוך גרעיני – אך כשהיה היקום בן עשרים דקות כבר לא היו בו את הלחץ והחום המתאימים לקיום היתוך גרעיני, וגרעיני הליום הפסיקו להווצר.
עשרים דקות לאחר המפץ, החלה תקופה שאנו מכנים אותה 'העידן החשוך' (The Dark Ages). היא מכונה 'העידן החשוך' כיוון שגם אחרי 380 אלף שנה לערך, כשהיו התנאים מתאימים להיווצרות אטומי מימן, למשל, האטומים האלה לא התגבשו לכדי כוכבים, ולכן לא היה, למעשה, שום דבר בייקום הצעיר שהיה מסוגל לפלוט אור. העידן החשוך נמשך כארבע מאות מיליון שנים, שבמהלכן הפוטונים היחידים ביקום היו פוטונים שנוצרו בזמן המפץ הגדול עצמו.
בתום העידן החשוך החלו להתקבץ האטומים לכדי כוכבי שבת, ותהליכי ההיתוך שניצתו בלבות הכוכבים הצעירים גירשו את החשיכה והאירו את שמי הלילה. הכוכבים הראשונים הללו היו מאסיבים מאוד, גדולים פי כמה וכמה מהשמש שלנו, ובערו בעצמה אדירה. הם כילו את הדלק שלהם במספר מיליוני שנים בלבד, ואז התפוצצו. החורים השחורים שהותירו אחריהם כוכבים ראשוניים אלה הם, אולי, החורים השחורים האימתניים שאנחנו מזהים כיום במרכזן של כמעט כל הגלקסיות. במרכז גלקסיית שביל החלב שלנו, למשל, ישחור שחור ענק שמאסתו פי ארבעה מיליון מזו של השמש. מכאן ואילך שררו ביקום תנאים כמו אלה המוכרים לנו כיום, ונוצרו הגלקסיות והכוכבים שאנחנו רואים מסביבנו.

סופרנובה

דיברנו, אם כן, על ההתחלה של היקום. אי אפשר להשלים את התמונה בלי לצייר את צדה האחר: סופו של היקום.

המודל הראשוני של המפץ הגדול, זה שהגו ג'ורג' למטר ועמיתיו בשנות השלושים של המאה העשרים, עסק בשני תסריטים אפשריים לקצו של היקום. הראשון הוא שברבות הימים יגבר כוח המשיכה על האינרציה הראשונית של המפץ הגדול, היקום יפסיק להתרחב, הוא ייעצר, ויחל לקרוס לתוך עצמו – כאילו שהמפץ הגדול מוקרן על מסך, אבל בהילוך לאחור. הגלקסיות יתקרבו זו לזו, יתנגשו, הכוכבים יימעכו זה לתוך זה, עד שהכל יהפוך לקווץ' אחד גדול ומרשים.
התסריט השני גרס שההתרחבות תימשך לנצח, אם כי במהירות הולכת וקטנה. היקום יגדל, ויגדל ויגדל, הכוכבים יזדקנו, ידעכו, וייעלמו וגם הגלקסיות יפסיקו להאיר. חשכה גדולה תשתרר בייקום הזקן, ורק מדי פעם יהיה הבזק של אור כאשר חור שחור קשיש יתנגש בחור שחור אחר ויבלע אותו. ואז שוב, חושך… בסופו של דבר לא יישאר בייקום דבר פרט לחורים שחורים, וגם הם יתאדו וייעלמו ברבות טריליונים אינספור של שנים. וזהו. היקום יגיע לסופו ב'קיפאון גדול' ולא מרשים בכלל.

אלו היו שני התסריטים המקובלים בשנות השמונים והתשעים של המאה העשרים, כשדוקטורנט צעיר בשם אדם ריס (Riess) החל את הקריירה המדעית שלו בתחום האסטרופיזיקה. המומחיות העיקרית שלו הייתה בתחום מדידת הקרינה הנפלטת מהתפוצצויות סופרנובה, ובעיקר סופרנובה מסוג מסוים מאוד המכונות 'סופרנובה 1a'. סופרנובות מסוג 1a מעניינות מאו את המדענים, מכיוון שבדומה לכוכבים הקפאידים שנזכרו בחלקו הקודם של הפרק – גם הן עשויות לשמש מעין 'סרגלי מדידה' קוסמיים, שעוזרים לנו להעריך את המרחק אל גרמי שמיים מרוחקים. סופרנובה מסוג 1a מתרחשת כשכוכב מסוג 'גמד לבן' – כוכב ישן וכבוי – מושך אליו חומר מכוכב פעיל שנמצא סמוך אליו: הגמד הלבן 'שואב' את החומר, בולע ממנו עוד ועוד – עד שהמאסה שלו מגיעה לערך קריטי מסויים שמאפשר להצית מחדש את תהליך ההיתוך הגרעיני. כשזה קורה, מתרחשת בגמד הלבן תגובת שרשרת אימתנית שקורעת אותו לגזרים בפיצוץ אדיר, והאור שנפלט ממנה עשוי להיות חזק יותר מהאור הנפלט מגלקסיה שלמה.
הפרט המעניין בתהליך הזה, הוא שהוא אחיד למדי: הגמד הלבן צריך להגיע לערך קריטי מסוים מאוד של מאסה כדי להתחיל את שרשרת הפיצוץ, ולכן עוצמת הקרינה הנפלטת מסופרנובה מסוג 1a תהיה, כמעט תמיד, אותה עצמת קרינה. כיוון שעצמת הקרינה האבסולוטית הנפלטת ידועה מראש, אפשר לחשב את המרחק אל הסופרנובה לפי עצמת הקרינה שאנחנו מודדים בפועל.

בפועל, עם זאת, חישוב שכזה אינו כה פשוט, ולפעמים קשה להיות בטוחים אם סופרנובה מסוימת נראית לנו חלשה כיוון שהיא רחוקה מאוד או אולי כיוון שיש בדרך ענני אבק, למשל, שבולעים חלק מהאור, כמו ערפל שבולע פנסי המכונית על כביש. אלן ריס פיתח מספר טכניקות חדשניות ופורצות דרך שאיפשרו לזהות ענני אבק והפרעות דומות, ולחשב בדיוק רב את המרחק אל אותן סופרנובות. בשלהי שנות התשעים הצטרף ריס אל קבוצת חוקרים בשם High-Z Supernova Search Team: התארגנות מדעית בינ"ל שמטרתה הייתה למדוד את המרחק אל מספר רב ככל האפשר של גלקסיות מרוחקות באמצעות איתור סופרנובות מסוג 1a שצילם טלסקופ החלל ע"ש האבל, במסלול סביב כדור הארץ.

באחד הימים, ב-1998, ישב ריס מול המחשב ובחן את תוצאות התצפיות שהתקבלו מטלקסופ החלל. הוא הזין את עצמת הקרינה שהתקבלה מסופרנובה מרוחקת כלשהי לתכנת מחשב. התכנה אמורה לקחת את הקרינה, להעריך ממנה את המרחק אל הסופרנובה – ולגזור ממנה את המאסה המשוערת של כל החומר בייקום. החיבור בין מרחק אל סופרנובה בודדת ומאסה משוערת של הייקום כולו נשמע אולי כמו קפיצה גדולה מדי בשביל חישוב אחד – אבל הוא אפשרי בהחלט. אם הסופרנובה קרובה באופן יחסי, זה סימן שהייקום מתרחב לאט – ואם הוא מתרחב לאט, זה בגלל שהמאסה שלו גדולה מאוד. דהיינו, מדידת המרחק לסופרנובה היא כמו חלק בפאזל שמכתיב באופן מוחלט את צורתו של החלק הבא בפאזל.

אבל כאן נכונה לריס הפתעה: הערך שהחזירה תכנת המחשב היה ערך שלילי – דהיינו, לייקום יש מאסה שלילית. מאסה שלילית? אין דבר כזה, כמובן, וריס הבין שמשהו לא בסדר. במשך שבועות ארוכים הוא חזר ובדק את כל החישובים, אבל התוצאה לא השתנתה. אם אין שום טעות בחישובים ובמדידות, האפשרות היחידה שנותרה היא שהמודל המתמטי שאותו יישמה התכנה אינו נכון. המודל הזה הניח שהייקום מתרחב בקצב הולך וקטן בגלל כוח המשיכה – שהרי כפי שהסברתי קודם, זו הייתה התולדה הצפויה של תאוריית המפץ הגדול כפי שהבינו אותה המדענים עוד מאז שנות השלושים. ואם הייקום אינו הולך ומאט את מהלכו, סימן שהוא דווקא הולך ומתרחב בקצב מואץ… וזה ממש מוזר. מדוע שהיקום יתרחב בקצב מואץ? האם יש כוח כלשהו שמתנגד לכוח המשיכה, דוחף ומנפח את הייקום ללא הרף? אם ישנו כוח כזה, איננו רואים אותו כאן בכדור הארץ.

אלן ריס ידע שההשלכות של תגלית זו, אם היא נכונה, יהיו לא פחות ממהפכניות. אם ישנו כוח חדש ובלתי מוכר בייקום, הרי שיש צורך בתאוריה פיזיקלית חדשה ומעודכנת כדי להסביר אותו – וכל תאוריה חדשה בפיזיקה היא חדשות גדולות.
ריס ידע דבר נוסף. קבוצת מדענים נוספת בשם Supernova Cosmology Project, עבדה על אותו תחום מחקר. בדומה לקבוצה של ריס, גם הקבוצה השנייה ניתחה תצפיות של סופרנובות 1a מרוחקות ונעזרה בהן כדי לחשב את מאסת הייקום. לריס לא היה ספק שאם התוצאות שקיבל נכונות – חברי ה- Supernova Cosmology Project יגלו אותן בעצמם בקרוב מאוד. למעשה, הוא חשד שהם כבר קיבלו אותן. שבועות מספר קודם לכן הצהיר ראש הפרוייקט המתחרה, הפיסיקאי סול פרלמוטר (Perlmutter), שהוא יכול לומר בודאות גמורה שהייקום שלנו לא יקרוס לתוך עצמו ב'קווץ' גדול', אלא יתרחב לנצח. פרלמוטר לא אמר שום דבר לגבי התרחבות מואצת של הייקום – אבל ריס ועמיתיו חשדו שהסיבה לכך היא אותה הסיבה שהם בעצמם אינם מספרים על שום דבר לאף אחד: הם לא בטוחים בתוצאות, וחוששים שאולי מדובר בשגיאת מדידה.

והם צדקו. שתי הקבוצות נכנסו למירוץ נגד הזמן ואחת נגד האחרת: מי תהיה הראשונה שתפרסם מאמר מדעי מפורט על התצפיות שמראות שהיקום שלנו מתרחב בקצב מואץ, והמסקנות המהפכניות שעולות מכך. איש לא רצה לקחת את הסיכון של טעות מביכה בעקבות עבודה מהירה ומרושלת – ולכן שתי הקבוצות עמלו במשך זמן ארוך על המאמרים. בסופו של דבר, קבוצתו של אלן ריס הייתה זו שפרסמה את המאמר ראשונה, וחוללה סנסציה בעולם המדע.

אנרגיה אפלה

התצפיות הראו שעד לפני כשישה מיליארדי שנים היקום שלנו 'היה ילד טוב': הוא התרחב בקצב הולך ומאט, בדיוק כפי שחזו התאוריות הראשונות של המפץ הגדול. אבל אז, לפני כשישה מליארדי שנים, משהו השתנה והביא לכך שקצב ההתרחבותו של היקום הלך וגבר בהתמדה. ההתרחבות המואצת של היקום פירושה שיש כוח מסתורי שדוחף את היקום וגורם לו להתרחב, וכוח מסתורי זה זכה לשם 'אנרגיה אפלה'.

נכון לעכשיו, אין אינו יודע לומר מהו אותו כוח מסתורי. אחת ההשערות המובילות מחזירה אותנו אל שנות העשרים של המאה הקודמת – אל אלברט איינשטיין ומשוואת השדה שלו. איינשטיין, כפי שסיפרתי בפרק הקודם, הוסיף למשוואת השדה קבוע מתמטי, בשם 'הקבוע הקוסמולוגי', שייצג כוח בלתי ידוע שפועל בתוך היקום. איינשטיין הוסיף את הכוח ההיפותטי הזה כדי לפתור בעיה אחרת לגמרי: הוא היה משוכנע שהיקום שלנו סטטי, והקבוע החדש נועד כדי למנוע מהמשוואה להפיק תוצאה המתאימה ליקום דינמי – דהיינו, מתרחב או מתכווץ. אם היקום מתכווץ, למשל, הקבוע הקוסמולוגי מייצג כוח שדוחף אותו מבפנים ושומר עליו שלא ייקטן, כמו קורות תמיכה שמונעים מבית גדול לקרוס ולהתמוטט. ברגע שהסתבר שהיקום שלנו בעצם מתרחב, הבין איינשטיין שאין צורך בקבוע הקוסמולוגי – סילק אותו מהמשוואה והתייחס אליו כאל טעות מצערת.

אך כעת, כשמתברר שהיקום שלנו מתרחב בקצב מואץ – הקבוע הקוסמולוגי הזנוח חזר אל הפיסיקה, ובגדול. הקבוע מייצג כוח בלתי-ידוע שפועל על היקום – וזהו אולי אותו הכוח שאנחנו מכנים כיום 'האנרגיה האפלה'. נכון להיום, המדענים אינם יודעים להסביר מהו אותו כוח מסתורי. ייתכן ומדובר באותה אנרגיית ואקום שגרמה להתנפחות המהירה והדרמטית של היקום בשברירי השנייה הראשונים שלאחר המפץ הגדול, כפי שהסביר אותה אלן גות'. בשני המקרים התוצאה המתקבלת היא כמן כוח 'אנטי-משיכה' שגורם לחומר להידחות זה מזה, וגורם ליקום להתנפח במהירות. מצד שני, התנאים בזמן מפץ הגדול והתנאים ביקום כיום – שונים לחלוטין, כך שלא בטוח שאכן מדובר באותה התופעה. במילים אחרות, אנחנו פשוט לא יודעים.

כפי שקורה לא אחת במדע, העובדה ששתי קבוצות חוקרים הגיעו לאותה המסקנה בדיוק בטווח של ימים או שבועות ספורים זו מזו הביאה לקרבות שקטים לגבי השאלה – למי מגיע הקרדיט על הגילוי? כלפי חוץ, כולם שומרים על ארשת ייצוגית, ומצהירים שלא משנה מי הקדים את מי: הכי חשוב שהמדע ממשיך להתקדם והאנושות כולה מרוויחה מהידע החדש. מאחורי הקלעים, עם זאת, הויכוח שריר וקיים. אין ספק ששקבוצתו של אלן ריס הקדימה את קבוצתו של סול פרלמוטר בפרסום המאמר המדעי – אך פרלמוטר הוא זה שרמז ראשון לעיתונאים על דבר הגילוי, בעוד שריס שמר על שתיקה. האם זכות הראשונים שמורה אך ורק למי שפרסם מאמר מדעי, או שאולי גם חצי-הצהרה במסיבת עיתונאים נחשבת?… הוויכוח אינו רק סביב שאלות של אגו, אלא גם כסף – והרבה ממנו: פרסים ואותות הצטיינות מלווים, בדרך כלל, בפרסים בגובה של מיליוני דולרים.
בשנת 2011 סתמה ועדת פרס נובל את הגולל על הויכוח הזה, כשהעניקה את הפרס בפיזיקה לאלן ריס, לבריאן שמידט – עמיתו של ריס בקבוצת High Z – וגם לסול פרלמוטר מה- Supernova Cosmology Project. ההחלטה הזו שיקפה את מה שרוב הקהילה המדעית מאמינה בו, והוא שעצם העובדה ששתי הקבוצות גילו אותה התגלית כמעט באותו הזמן היא היא הפרט החשוב ביותר בכל הסיפור. סול פרלמוטר עצמו ניסח זאת באופן הטוב ביותר בראיון שערכו השלושה זה לצד זה לאחר טקס קבלת הפרס:

"[מדוע קיבלה הקהילה המדעית בכזו קלות את ההשערה שהיקום שלנו מתרחב בקצב מואץ?] אני חושב שאחת הסיבות לכך היא שהיו שתי קבוצות. העובדה שהקבוצה של בריאן ושל אדם והקבוצה שלי אמרו את אותו הדבר בדיוק, וכולם ידעו באיזו תחרות קשה אנחנו נמצאים אחד עם השני, ושכל אחד מאיתנו היה יותר משמח למצוא שגיאה אצל הקבוצה השניה ולספר לכולם עליה! הקהילה המדעית קיבלה אישרור מיידי לתגלית הזו, במקום שתצטרך לחכות עוד מספר שנים כדי שקבוצה שניה ובלתי תלויה תוכל לאשר אותה."

התגלית לגבי התרחבותו המואצת של היקום וקיומה של האנרגיה האפלה מסמנים, אולי, קץ אחר לגמרי ליקום שלנו: לא 'קווץ גדול' ולא 'קיפאון גדול', אלא 'קריעה גדולה' (Big Rip). אם היקום ימשיך להתרחב באופן הולך ומואץ כפי שאנו רואים היום, אזי בעתיד הרחוק הגלקסיות יהיו רחוקות כל כך זו מזו עד שאפילו אור לא יצליח לעבור את המרחק שביניהן. בסופו של דבר יתחילו אפילו הגלקסיות עצמן להיפרם ולהיקרע תחת עצמת האנרגיה האפלה. הכוכבים יתרחקו זה מזה עד שהשמיים יהיו שחורים לגמרי ולא נראה עוד נקודת אור בודדה אחת לרפואה. ואז גם יתחיל המרחב שבין האטומים עצמם להיפרם, והחומר כולו יתפורר לאבק אטומי. אתם מודאגים? חשבתי שלא.

משחק של סודוקו

וזה שאנחנו לא מודאגים ממשהו שיקרה בעוד מיליארדי שנים רבות מתחבר אצלי למשהו שאמרה לי דינה בר-מנחם, העורכת הלשונית שלנו, כשסיימה לעבור על הפרק הזה. היא אמרה שהיא לא מצליחה להבין מדוע הקוסמולוגים עושים את מה שהם עושים. מדוע הם חוקרים ומעלים השערות לגבי דברים כמו קיצו של היקום או מה התרחש בשברירי השנייה הראשונים של המפץ הגדול? את מי זה מעניין? הרי סביר להניח שבני האדם כבר לא יהיו בסביבה כשהיקום יקפא או ייקרע למוות, ואף אחד מאיתנו לא יצליח, כנראה, לבקר בגלקסיה אחרת. מה הטעם?

אני לא קוסמולוג, אבל אני חושב שאני יכול להכנס לנעליהם של חלק, לפחות, מאותם מדענים.
הקוסמולוגיה היא כמו משחק גדול של 'סודוקו'. יש המון משבצות ריקות והמון מספרים שצריך למלא – וכיוון שאנחנו איננו יכולים לטוס בחללית אל קצה היקום או לשחזר במאיץ חלקיקים את התנאים שהתקיימו כשהיקום היה רק בן עשר בחזקת מינוס 43 שניות, הדרך היחידה שלנו לנסות ולנחש איזה מספר מכילה כל משבצת – דהיינו, לפתור את השאלות המורכבות לגבי מבנה היקום – היא להפעיל את הראש שלנו. עבורי, החלק המעניין והיפה ביותר בכל הסיפור של המפץ הגדול היא העובדה שהוא מדגים לנו את עצמת החשיבה המדעית. בעזרת המתמטיקה, החשיבה ההגיונית וקצת תצפיות אסטרונומיות אפשר לנסות לנחש, במידה מסוימת של אמינות, אפילו מה מתחולל מחוץ ליקום שלנו.

נכון, מדי פעם פעם אנחנו מגלים שהמספר שרשמנו במשבצת לא יכול להיות נכון ושאנחנו חייבים למחוק את כל מה שכתבנו באלפיים השנות האחרונות. לא נעים – אבל מצד שני… מי יודע מה נגלה כשנצליח לנחש את כל המספרים? הסופר דאגאלס אדאמס כתב פעם משהו חכם בהקשר הזה. הוא אמר –

'ישנה תיאוריה שאומרת שאם אי-פעם מישהו יגלה לשם מה בדיוק קיים היקום ולמה הוא כאן, היקום ייעלם מיד ויתחלף במשהו עוד יותר מוזר ובלתי מובן. ישנה תיאוריה שאומרת שכל זה, כבר קרה.'

ביבליוגרפיה:

http://www.astronomynotes.com/cosmolgy/s10.htm

https://mukto-mona.com/science/physics/Inflation_lself_prod_inde.pdf

https://www.bostonglobe.com/magazine/2014/05/02/alan-guth-what-made-big-bang-bang/RmI4s9yCI56jKF6ddMiF4L/story.html#

http://www.symmetrymagazine.org/article/december-2004january-2005/the-growth-of-inflation

http://www.physicsoftheuniverse.com/scientists_guth.html

http://blogs.scientificamerican.com/degrees-of-freedom/alan-guth-interview/

http://discovermagazine.com/2002/apr/cover/?searchterm=Guth%27s%20Grand%20Guess

http://www.physicsoftheuniverse.com/topics_bigbang_inflation.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Inflation_(cosmology)

http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/inflation.html

http://www.astronomynotes.com/cosmolgy/s12.htm

http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/baryogenesis.html

http://jwst.nasa.gov/firstlight.html

http://www.space.com/13368-universe-dark-ages-survival-cosmos-evolution.html

http://hetdex.org/dark_energy/discovery.php

http://pages.jh.edu/~jhumag/0208web/riess.html

https://www.aip.org/history/cosmology/ideas/journey.htm

http://www.astronomynotes.com/cosmolgy/s12.htm

http://www.astronomynotes.com/cosmolgy/s10.htm

https://mukto-mona.com/science/physics/Inflation_lself_prod_inde.pdf

https://www.bostonglobe.com/magazine/2014/05/02/alan-guth-what-made-big-bang-bang/RmI4s9yCI56jKF6ddMiF4L/story.html#

http://www.symmetrymagazine.org/article/december-2004january-2005/the-growth-of-inflation

http://www.physicsoftheuniverse.com/scientists_guth.html

http://blogs.scientificamerican.com/degrees-of-freedom/alan-guth-interview/

http://discovermagazine.com/2002/apr/cover/?searchterm=Guth%27s%20Grand%20Guess

http://www.physicsoftheuniverse.com/topics_bigbang_inflation.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Inflation_(cosmology)

http://csep10.phys.utk.edu/astr162/lect/cosmology/inflation.html

http://www.astronomynotes.com/cosmolgy/s12.htm

http://math.ucr.edu/home/baez/physics/ParticleAndNuclear/baryogenesis.html

http://jwst.nasa.gov/firstlight.html

http://www.space.com/13368-universe-dark-ages-survival-cosmos-evolution.html

http://hetdex.org/dark_energy/discovery.php

http://pages.jh.edu/~jhumag/0208web/riess.html

https://www.aip.org/history/cosmology/ideas/journey.htm

http://www.astronomynotes.com/cosmolgy/s12.htm