שאלה:האם יש בעיות בתאורית המפץ הגדול?

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש

שאלה: האם יש בעיות בתאורית המפץ הגדול? האם ההסחה לאדום עשויה להיגרם מסיבות אחרות שאינן קשורות בהתפשטות היקום (למשל הסחה לאדום כבידתית)?

שם השואל/ת: עידו סלמן

תאריך: 03-04-2010

הקדמה

המפץ הגדול הוא מודל קוסמולוגי המתאר את התפתחות והיווצרות היקום. על פי מודל זה היקום החל את "חייו" לפני כ 13.7 מיליארד שנה בצפיפות וטמפרטורה גדולות מאד. מאז מתפשט היקום והמרחק האופייני בין גופים חומריים ביקום גדל (ראו גם: חוק האבל). הרעיון למודל המפץ הגדול נולד לאחר התצפיות של האבל שפורסמו בשנות ה-20 של המאה ה-20. תצפיות אלו הראו כי גלקסיות רחוקות מתרחקות מאיתנו ומהירות התרחקותן הינה מתכונתית למרחק העצם מאיתנו. שילוב העובדה התצפיתית הנ"ל יחד עם חוקי הפיזיקה ובפרט תורת היחסות הכללית וכן עם העיקרון הקוסמולוגי הובילו למספר תחזיות שהחשובות שבהן:

  1. קיומה של קרינת הרקע הקוסמית.
  2. תחזיות מפורטות לגבי הפרעות בקרינת הרקע הקוסמית.
  3. שכיחות היסודות הקלים ביקום.
  4. אפלוליות שמי הלילה.

כל התחזיות הללו אומתו בתצפיות מפורטות ועל כן תאורית המפץ הגדול הינה מבוססת על יסודות איתנים. כיום לא קיימות תאוריות חלופיות שעשויות להסביר את העובדות התצפיתיות הללו. בנוסף לתאורית המפץ הגדול קיימות תחזיות נוספות שאולי יהיה ניתן לאמתן תצפיתית בעתיד.

נציין כי העיקרון הקוסמולוגי מהווה בסיס פילוסופי לתאורית המפץ הגדול, אך קיים קושי לבחון תצפיתית רעיון זה. אם זאת, קיימים רעיונות תצפיתיים שאולי יאפשרו בעתיד את בדיקתו של עיקרון זה.

תשובה

קיימות מספר בעיות יסודיות בתאורית המפץ הגדול, אך בעיות אלו הינן ניתנות לפיתרון באמצעות הרחבה של תאורית המפץ הגדול הקרויה אינפלציה. הבעיה העיקרית עם מודל האינפלציה היא הקושי לבחון אותו באופן תצפיתי, אם כי יתכן ובחינה תצפיתית מדוקדקת שלו תהיה אפשרית בעתיד.

ההסחה לאדום כלל וכלל איננה נקודת תורפה של מודל המפץ הגדול. למעשה, כיום, לא קיימים הסברים עקביים אחרים המסבירים את ההסחה לאדום של גלקסיות. למשל, הסחה לאדום כבידתית לא יכולה להסביר את העובדה כי מהירות ההתרחקות הינה מתכונתית ישר למרחק. יתרה מזאת, ניתן למדוד את המסה של עצמים המראים הסחה לאדום, ונמצא כי הסחה לאדום כבידתית איננה הסיבה לתצפיות.

להלן הסברים מפורטים מעט יותר לגבי שתי נקודות אלו:

מקורה של ההסחה לאדום הקוסמולוגית

ההסחה לאדום הינה תופעה בה אורך הגל של גלים אלקטרומגנטיים (למשל אור נראה) מתארך (ובתחום האור הנראה הצבעים מוסטים לאדום). תופעה זו נגרמת בגלל אפקט דופלר הגורם להסחת אורך הגל של גלים באופן כללי וגלים אלקטרומגנטיים בפרט כאשר המקור מתקרב לצופה. מקורו של המושג "ההסחה לאדום" נעוץ בעובדה שעבור אור נראה הצבע הכחול הוא בעל אורך גל קצר יותר מהצבע האדום.

התפשטות היקום (ראו המפץ הגדול וחוק האבל), גורמת לכך שהאור מעצמים רחוקים המתרחקים מאיתנו בהתאם לחוק האבל יוסח לאדום, תופעה זו נובעת מהתשפטות המרחב והתוצאה הסופית שלה דומה לזה של אפקט דופלר.


בעיות בתאורית המפץ הגדול

תאורית המפץ הגדול מקובלת על קהילת המדענים והבעיות המיוחסות לתאוריה הן בעיקר בעיות היסטוריות אשר רובן נפתרו ע"י שינויים במודל הסטנרדטי. ראשית נתאר את הבעיות ולאחר מכן נציג את הפיתרונות לבעיות הנ"ל.

בעיית האופק / בעיית הסיבתיות (הקוזאליות)

סירטוט סכמתי שמציג את בעיית האופק. העיגול הגדול מייצג את האופק של צופה כיום. העיגולים הקטנים מייצגים את האופק בעבר (למשל, בעת עידן השיחבור) של שתי נקודות המצויות על האופק של הצופה. ניתן לראות כי שתי הנקודות אינן בקשר סיבתי זו עם זו. קרי, מידע לא יכול לעבור בינהן מאחר ולאור אין מספיק זמן לעבור בין הנקודות. מאחר והטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית על פני כיפת השמיים אחידה (עד ל 1 חלקי 100,000) נשאלת השאלה, כיצד שני חלקים של היקום שמעולם לא היו בקשר סיבתי נמצאים באותה הטמפרטורה?

כיוון שמהירות האור היא סופית קיים מרחק סופי שאור יכול לעבור בזמן השווה לגיל היקום. אזור זה נקרא אופק קוסמולוגי (או אופק חלקיקים), והוא מתאר את המרחק המירבי שאור יכול לעבור בגיל היקום. על פי תורת היחסות הפרטית לא ניתן להעביר גופים חומריים (או מידע) במהירות הגבוהה ממהירות האור. לכן אופק החלקיקים מגדיר את המרחק המירבי שאליו אנו יכולים להעביר מידע. (אם זאת, נציין כי המגבלות על מהירות התנועה הנ"ל לא חלות על המרחב שבו מצוי החומר).

אם נביט על שתי נקודות בכיפת השמיים, למשל שני כיוונים מנוגדים (ראו סירטוט סכמטי משמאל) ונמדוד את התכונות הפיזיקליות של היקום (למשל צפיפות הגלקסיות או הטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית) בשני הכיוונים הללו נגלה שהן מאד דומות. אם נחשב מהו גודלו של האופק של כל אחת מהנקודות הללו בעת עידן השיחבור, כאשר היקום היה בן כ-400,000 שנה, נקבל כי רדיוס האופק שלהן היה קטן יותר מהמרחק ביניהן. במילים אחרות לא היה קשר סיבתי (קוזאלי) בין שתי הנקודות. אם כן, כיצד יתכן שלשני אזורים אלו יש תכונות פיזיקליות זהות (למשל אותה טמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית בדיוק של חלק 1 מ 100,000)?

הבעיה הנ"ל נפתרת באמצעות מודל האינפלציה שיוסבר בהמשך.

בעיית היקום השטוח

על פי תורת היחסות הכללית תכולת החומר והאנרגיה של היקום משפיעות על הגאומטריה של היקום ותנועת הגופים מושפעת כתוצאה מעקמומיות (הגאומטריה של) המרחב. הגאומטריה של היקום ניתנת לתאור למשל ע"י המסלולים של גופים חסרי מסה (למשל פוטונים - החלקיקים הנושאים את הקרינה האלקטרומגנטית). במידה ושני פוטונים הנעים במסלולים מקבילים ימשיכו לנוע בקווים מקבילים אזי נאמר כי הגאומטריה של היקום הינה שטוחה. במידה ומסלולי הפוטונים יתבדרו אזי נאמר כי הגאומטריה של היקום הינה פתוחה (או היפרבולית) ובמידה ומסלולי הפוטונים יחתכו אזי הגאומטריה היא סגורה (כדורית). חוקי הגאומטריה במקרים השונים מוכתבים על ידי חוקי הגאומטריה על הצורות שהוזכרו להלן (למשל ראו: טריגונומטריה כדורית).

הגאומטריה של היקום קשורה קשר הדוק לתכולת החומר והאנרגיה של היקום. במידה וצפיפות החומר והאנרגיה ביקום שווים בדיוק לערך סף הקרוי הצפיפות הקריטית של היקום אזי הגאומטריה של היקום, כפי שתוארה בפיסקה הקודמת תהיה שטוחה. מדידות מודרניות (בעיקר באמצעות ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית) מראות כי הגאומטריה של היקום מאד קרובה לגאומטריה שטוחה.

ניתן להראות כי כאשר היקום מתפשט ערכה של הצפיפות ביקום ביחס לצפיפות הקריטית מתרחק מ 1. העובדה כי צפיפות היקום כיום, ביחידות של הצפיפות הקריטית, קרובה מאד ל 1 משמעותה כי בעבר הצפיפות הקריטית היתה עוד יותר קרובה ל 1 וכאשר היקום נולד צפיפותו היתה שונה מ 1 בשיעור קטן ביותר. נשאלת השאלה מהו המנגנון שגרם לכך ומדוע היתה העדפה לערך כזה?

גם בעיה זו נפתרה ע"י מודל האינפלציה המוסבר למטה.

בעיית המונופולים המגנטים

בטבע ניתן למצוא חלקיקים בעלי מטען חשמלי חיובי או שלילי, אך עד היום לא נמצאו חלקיקים בעלי מטען מגנטי - חלקיקים כאלו קרויים מונופולים מגנטיים מאחר והם משולים למגנט שיש לו רק קוטב אחד. אין שום מניעה עקרונית שחלקיקים כאלו יהיו קיימים בטבע ולמעשה תורות איחוד של הכוחות בטבע חוזות את קיומם של חלקיקים כאלו.

למראית עין, הבעיה הנ"ל איננה קשורה למודל המפץ הגדול. אך מודל האינפלציה שפותר את רוב הבעיות המוצגות כאן פותר גם בעיה זו ועונה על השאלה מדוע אנו לא רואים בטבע מונופולים מגנטיים.

בעיית החומר והאנטי חומר

לכל סוג של חלקיק בטבע (למשל אלקטרון) קיים חלקיק בעל אותן תכונות, אך מטען הפוך. לדוגמא האנטי-חלקיק של האלקטרון (בעל המטען החשמלי השלילי) נקרא פוזיטרון ולו אותה מסה וספין, ורק מטענו החשמלי חיובי.

ביקום שלנו כמעט ולא קיים אנטי חומר. כאשר אנטי חומר נוצר ביקום שלנו (הדבר קורה כל העת) הוא מתאיין (עובר אינטראקציה עם חומר רגיל והופך לקרינה אלקטרומגנטית).

כיום ביקום, על כל חלקיק חומר רגיל יש כ 108 פוטונים (החלקיקים הנושאים את הקרינה האלקטרומגנטית). יתכן כי ריבוי הפוטונים ביקום קשור קשר הדוק לכך שאנו לא רואים אנטי חומר ביקום. ע"פ ההבנה שלנו כיום, במפץ הגדול נוצר חומר ואנטי חומר, כמעט שווה בשווה, אך עם העדפה קלה לחומר. במצב זה רוב חלקיקי החומר והאנטי חומר יתאיינו ויותירו אחריהם פוטונים. אך במידה ולחלקיקי החומר היתה העדפה מספרית קלה (על כל 100 מיליון חלקיקי אנטי חומר היו 100 מיליון ואחד חלקיקי חומר) אזי ביקום יוותרו חלקיקי חומר ופוטונים, אך לא חלקיקי אנטי חומר.

הבעיה היא שכיום לא מוכר מנגנון המספק את חוסר הסימטריה הנ"ל (בשיעור קטן של 1 ל 100 מיליון) בין חלקיקי החומר והאנטי חומר. למעשה, לבעיה זו לא נמצא פתרון במסגרת תאורית המפץ הגדול.

נציין כי בעיה זו איננה בעיה מהותית למודל המפץ הגדול ויתכן והיא קשורה לחוסר הבנתנו את פיזיקת החלקיקים. יתכן מאד כי בעתיד הפיתרון לבעיה זו יתגלה כתוצאה מהבנה טובה יותר של הפיזיקה של אנרגיות גבוהות.

פתרון לבעיות

פיתרון בעיות השטיחות והסיבתיות הוצג בשנת 1980 ע"י פרופ' אלן גות' (Alan Guth). פתרון זה למעשה מוסיף שלב למודל התפתחות היקום הנקרא אינפלציה (באנגלית inflation). האינפלציה היתה שלב ביקום המוקדם. ע"פ המודלים הקיימים האינפלציה התרחשה כאשר היקום היה בן כ 10-36 עד 10-32 שניות. בפרק זמן זה היקום התפשט באופן אקספוננציאלי ופקטור הסקלה של היקום גדל בכ 60 סדרי גודל! ההסבר לתופעת האינפלציה מצוי בהוספת שדה שבד"כ נהוג לקרוא לו אינפלטון והסבר מפורט של הנושא מצריך הבנה של תורת שדות קוונטיים. ההתפשטות האקספוננציאלית גרמה לכך שחלקים של היקום התפשטו במהירות העולה על מהירות האור (ע"פ תורת היחסות הכללית המרחב יכול להתפשט או להתכווץ בכל מהירות). ההתפשטות האקספוננציאלית של היקום גרמה לכך שאזורים שהיו בתוך האופק של נקודה מסוימת ביקום, וחוו את אותם תנאי התחלה, יצאו מהאופק של אותה נקודה. כך שלמעשה אזורים שהיום נמצאים מחוץ לאופק שלנו היו בעבר (לפני תקופת האינפלציה) בקשר סיבתי עם האזור שלנו ביקום. על כן כאשר אנו צופים כיום על קרינת הרקע הקוסמית בכיוונים שונים בשמיים, לאזורים אלו יש אותם תכונות (למשל טמפרטורה) מאחר ולפני תקופת האינפלציה הם היו בקשר סיבתי זה עם זה ומידע יכל לעבור ביניהם.

בנוסף לכך, אותה התפשטות אקספוננציאלית גרמה לכך שהיקום יתנפח בשיעור כה גדול עד כי יראה לנו כאילו הוא שטוח. הדבר דומה לצופה העומד על כדור קטן - כל עוד הכדור קטן, הצופה יכול להבחין בעקמומיות הכדור, אבל אם הכדור גדול, אזי לצופה קשה לדעת אם הוא עומד על משטח ישר או כדור.

על כן, מודל האינפלציה עונה על השאלות למה היקום הומוגני, איזוטרופי ושטוח, והיא עיקבית עם העיקרון הקוסמולוגי. בנוסף לכך, רעיון האינפלציה חוזה כי המונופולים המגנטיים (שעל פי התאוריות הנוכחיות נוצרו לפני עידן האינפלציה) הופרדו, וצפיפותם ירדה כתוצאה מההתפשטות האקספוננציאלית של היקום. כך שמונופולים מגנטיים הינם פשוט נדירים מאד בטבע ועל כן אנו לא מוצאים אותם.

ראו גם

הרצאות וידאו

מחברים


סמדר נאוז, ערן אופק