הבדלים בין גרסאות בדף "שאלה:האם יש בעיות בתאורית המפץ הגדול?"

מתוך אסטרופדיה
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
(פתרון לבעיות)
(פתרון בעית הסיבתיות)
שורה 112: שורה 112:
 
====פתרון בעית הסיבתיות====
 
====פתרון בעית הסיבתיות====
  
בזמן האינפלציה הפרעות באורכי גל שונים יצאו מתחום הקוזאליות של היקום. במילים אחרות, היקום התפשט כל כך מהר שזמן שלקח לאור לנוע במהירות האור משני צידי כדור (שנתאר כהפרעה בצפיפות) היתה גדולה מגיל היקום. כלומר שני צידי הכדור לא יכלו לדעת אחד על השני. נהוג לומר כי הם יצאו מהאופק של היקום. כלומר בזמנים מוקדמים לזמן אינפלציה הנקודות בסירטוט היו בקשר סיבתי אחד עם השני, ואניפלציה הוציאה אותן מהאופק. כלומר הפתרון הוא כי למעשה לא היתה בעיה כלל כיוון שהיה קשר סיבתי בין באיזורים על כיפת השמים בזמנים מוקדמים לאנפלציה. ברגע שהם יצאו מהאופק, לא יכלו להווצר בהם שינויים, למעשה אינפליצה "הקפיאה" את ההפרעות אשר יצאו מהאופק.
+
בזמן האינפלציה הפרעות באורכי גל שונים יצאו מתחום הקוזאליות של היקום. במילים אחרות, היקום התפשט כל כך מהר שזמן שלקח לאור לנוע במהירות האור משני צידי כדור (שנתאר כהפרעה בצפיפות) היתה גדולה מגיל היקום. כלומר שני צידי הכדור לא יכלו לדעת אחד על השני. נהוג לומר כי הם יצאו מהאופק של היקום. כלומר בזמנים מוקדמים לזמן אינפלציה הנקודות בסירטוט היו בקשר סיבתי אחד עם השני, ואניפלציה הוציאה אותן מהאופק. כלומר הפתרון הוא כי למעשה לא היתה בעיה כלל כיוון שהיה קשר סיבתי בין באיזורים על כיפת השמים בזמנים מוקדמים לאנפלציה. ברגע שהם יצאו מהאופק, לא יכלו להווצר בהם שינויים, למעשה אינפליצה "הקפיאה" את ההפרעות ואת התכונות שאנו מודדים עבור נקודות אשר יצאו מקשר סיבתי.
 +
 
 +
 
 +
====פתרון בעית השטיחות====
  
 
===ראו גם===
 
===ראו גם===

גרסה מ־23:43, 10 באפריל 2010

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

שם השואל: 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 שעשיות להסביר את העובדות התצפיתיות הללו. בנוסף לתאורית המפץ הגדול קימות תחזיות שאולי יהיה ניתן לאמתן תצפיתית בעתיד.

נציין כי העיקרון הקוסמולוגי מהווה בסיס פילוסופי לתאורית המפץ הגדול, אך קיים קושי לבחון תצפית רעיון זה. אם כי, קיימים רעיונות תצפיתיים שאולי יאפשרו בעתיד בדיקת עיקרון זה.

תשובה

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

ההסחה לאדום כלל וכלל איננה נקודת תורפה של מודל המפץ הגדול. למעשה, כיום, לא קיימים הסברים קונסיסטנטים אחרים שמסבירים את ההסחה לאדום של גלקסיות. למשל הסחה לאדום כבידתית לא יכולה להסביר את העובדה כי מהירות ההתרחקות מתכונתית ישר למרחק.

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 ניראה) מתארך (ובאור ניראה 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 ניראה 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.

חוק האבל

חוק האבל הוא חוק אמפירי (המבוסס על תצפיות) הקובע כי עצמים ביקום מתרחקים מאיתנו ומהירות ההתרחקות שלהם מאיתנו מתכונתית למרחקם מאיתנו. מאחר ואין שום סיבה להניח כי אנו נמצאים בנקודה מיוחדת ביקום (ראו גם: העיקרון הקופרניקאי והעיקרון הקוסמולוגי), הכללתו של קבוע האבל לכל נקודה ביקום משמעה כי כל העצמים ביקום מתרחקים זה מזה במהירות המתכונתית ישר למרחקם זה מזה. רעיון זה, המבוסס כאמור על ההתפשטות הנצפית של היקום, הוא העומד בבסיסו של מודל המפץ הגדול.

חוק האבל ניתן לתיאור פשוט, במרחקים נמוכים (ראו פרק בנושא חוק האבל במרחקים גדולים) ע"י הנוסחא:

v=\,H_{0}d

כאשר v היא מהירות ההתרחקות של עצם הנמצא במרחק d מאיתנו ו H0 הוא קבוע האבל עבור הזמן הנוכחי (שבו מתבצעות המדידות). במידה והמהירות נמדדת בק"מ לשנייה והמרחק במגה-פרסק אזי היחידות של קבוע האבל הן: ק"מ לשנייה למגה-פרסק.

ההערכות הטובות ביותר כיום, המבוססות על מגוון שיטות מדידה, לגבי ערכן של קבוע האבל הן כ 72 ק"מ לשנייה למגה-פרסק והאי-ודאות בערכו היא בסביבות ה-10%. נציין כי קרינה אלקטרומגנטית המגיעה אלינו ממעמקי באר כבידה תיראה לצופה רחוק כמוסחת לאדום, אך התפשטות היקום אינה חלה על עצמים הקשורים כבידתית. לדוגמא: השפעת חוק האבל על מסלולו של כוכב הלכת מאדים נקבל כי מאדים היה אמור להתרחק מהשמש בשיעור של כ-16 מטר בשנה. השינוי של מרחקו של מאדים מכדור הארץ (ומהשמש) נמדד במהלך משימת ויקינג בדיוק טוב הרבה יותר וכצפוי ממדידות אלו אנו יודעים שחוק האבל איננו משפיע על מסלול כוכבי הלכת ולמעשה כל השינויים שנמדדו במסלולו של מאדים מוסברים היטב על ידי תורת היחסות הכללית.

מדידת התפשטות היקם והפרמטר של האבל

בפועל, על מנת למדוד את פרמטר האבל, אנו מודדים את מהירות ההתרחקות של גלקסיות מאיתנו ע"י הסחתן לאדום (ראו: אפקט דופלר). את מרחקן אנו מודדים באמצעים שונים, הכוללים בד"כ עצמים בהירים שאת בהירותם המוחלטת או את התפלגות בהירותם המוחלטת אנו יודעים, כגון: קפאידים, סופרנובות מטיפוס Ia, סופרנובות מטיפוס IIp, ערפיליות פלנטריות, צבירים כדוריים, או בשיטות סטטיסטיות כגון פלקטואציות בבהירות המשטחית (Surface Brightness Fluctuations). אם נשרטט את מהירות התרחקות הגלקסיות מאיתנו כתלות במרחקן אזי השיפוע של הגרף שיתקבל יהיה קבוע האבל. כיוון שניתן להעריך את מסת האוביקט (וכך את באר כבידה) ניתן לשלול הסחה לאדום כבידתית.

קיימות גם שיטות מורכבות יותר שאינן כוללות שימוש בנרות סטנדרטים (קרי עצמים שבהירותם המוחלטת ידועה). שיטות אלו כוללות את אפקט סונייב-זלדוביץ', קרינת הרקע הקוסמית, ומדידת עיכוב זמן של קוואזרים מעודשים כבידתית.

בעיות בתאורית המפץ הגדול

קיום תאורית המפץ הגדול מקובלת ע"י קהילת המדענים, והבעיות המיוחסות לתאוריה הן בעיקר בעיות היסטוריות אשר נפתרו ע"י שינויים במודל הסטנרדטי. ראשית נתאר את הבעיות ולאחר מכן נציג את הפיתרון.

בעית האופק / בעית הסיבתיות (הקוזאליות)

סירטוט סכמתי שמציג את בעית האופק. הטמפרטורה של קרינת הרקע הקוסמית על פני כיםת השמים אחידה (עד ל 1 חלקי 100,000) אך האופק בין נקודות שונות זמן השחבור היה קטן מהמרחק בניהן. הבעיה היא כיצד נקודות אילו יכלו "לדעת אחת על השניה" אם זמן העברת המידה היה גדול מגיל היקום?

כיוון שמהירות האור היא סופית קיים מרחק סופי שאור יכול לעבור בגיל היקום. איזור זה נקרא אופק קוסמולוגי (או אופק חלקיקים, והכוונה לאופק אירועים קוזאלי), הוא ניקרא גם אופק האבל והוא מתאר את הגודל המקסימלי שאור יכול לעבור בגיל היקום. אחד מחוקי הפיזיקה הוא כי לא תתכן מהירות גבוה ממהירות האור. על כן מידע לא יכול לעבור בין שתי נקודות במהירות גבוה ממהירות האור. לכן אופק החלקיקים מגדיר את הנפח המקסימלי שמידע יכול לעבור בו.

אם נביט על שתי נקדות בכיפת השמים, למשל מזרח ומערב (ראו סירטוט סכמטי משמאל), ונחשב את אופק היקום שהיה לכל נקודה בזמן השחבור (כשהיקום היה כבן 400,000 שנה) נקבל כי האופק שלהם היה קטן יותר מהמרחק בניהן. במילים אחרות לא היה קשר סיבתי (קוזאלי) בניהן. עם זאת מקבלים (מתוך תצפיות בקרינת הרקע הקוסמית, אשר הגיעה אלינו מזמן השחיבור) כי הטמפרטורה שלהם זהה (עד ל- 1 חלקי 100,000).

הבעיה היא כיצד איזורים אשר לא היו בקשר סיבתי אחד עם השני (כלומר לא היתה העברת מידע בין איזור אחד לשני) היוי עם אותה טמפרטורה.

בעית 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 ימישיכו לנוע בקוים מקבילים אזי נאמר כי הגאומטריה לש היקום הינה שטוחה. במידה ומסלולי הפוטונים יתבדרו אזי נאמר כי הגאומטריה של היקום הינה פתוחה (או היפרבולית) ובמידה ומסלולי הפוטונים יחתכו אזי הגאומטריה היה 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 תיהיה שטוחה.

מדידות מודרניות (בעיקר באמצעות ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית) מראות כי הגאומטריה של היקום מאד קרובה לגאומטריה שטוחה. בשטיחות הנ"ל קיימת בעיתיות.

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, שווה ל 1 משמעותה כי בעבר הצפיפות הקריטית היתה עוד יותר קרובה ל 1 וכאשר היקום נולד צפיפותו היתה שונה מ 1 בשיעור קטן ביותר. הבעיתיות בכך היא שמיד נשאלת השאלה, למה? מה המנגנון שגרם לכך ומדוע היתה העדפה לערך כזה?

הבעיה הנ"ל נפתרת באמצעות מודל האינפלציה שיוסבר בהמשך.

בעית 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 לא יהיהו קיימים בטבע.

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.

בעית החומר והאנטי חומר

אנטי חומר מורכב מאנטי חלקיקים אשר הינם חלקיקים בעלי אותם תכונות, ועונים לאותם חוקי טבע, רק בעלי מטען הפוך. לדוגמא האנטי-חלקיקי של אלקטרון ניקרא פוזיטרון ולו אותה מסה וספין, רק מטען חיובי.

נכון להיום עדין לא ברור מדוע ביקום שלנו יש יותר חומר מאנטי חומר. תאורית המפץ הגדול מתארת את היקום המוקדם כמעין "מרק" חם של חומר וקרינה הנמצא בשיווי משקל, על כן הינו מצפים כי תהיה סמטריה בין חומר לאנטי חומר. אך תצפיות מלמדות אותנו כי רוב החומר ביקום הינו "חומר" ולא אנטי 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

פתרון הבעיה הוצג בשנות השמונים ע:י פרופ' אלן גות'. פתרון זה למעשה מוסיף שלב למודל התפתחות היקום הנקרא אינפלציה (באנגלית inflation). האינפלציה היתה שלב ביקום המוקדם (לפני מודלים קיימים כיום בין 10^{-36} שניות לבין 10^{-32} ) בו היקום התפשט באופן אקספונציאלי ולמעשה מחק את תנאי ההתחלה איתם התחיל היקום.

למעשה אינפליה עונה על השאלות למה היקום הומוגני, איזוטרופי ושטוח, והיא עיקבית עם העיקרון הקוסמולוגי.

פתרון בעית הסיבתיות

בזמן האינפלציה הפרעות באורכי גל שונים יצאו מתחום הקוזאליות של היקום. במילים אחרות, היקום התפשט כל כך מהר שזמן שלקח לאור לנוע במהירות האור משני צידי כדור (שנתאר כהפרעה בצפיפות) היתה גדולה מגיל היקום. כלומר שני צידי הכדור לא יכלו לדעת אחד על השני. נהוג לומר כי הם יצאו מהאופק של היקום. כלומר בזמנים מוקדמים לזמן אינפלציה הנקודות בסירטוט היו בקשר סיבתי אחד עם השני, ואניפלציה הוציאה אותן מהאופק. כלומר הפתרון הוא כי למעשה לא היתה בעיה כלל כיוון שהיה קשר סיבתי בין באיזורים על כיפת השמים בזמנים מוקדמים לאנפלציה. ברגע שהם יצאו מהאופק, לא יכלו להווצר בהם שינויים, למעשה אינפליצה "הקפיאה" את ההפרעות ואת התכונות שאנו מודדים עבור נקודות אשר יצאו מקשר סיבתי.


פתרון בעית השטיחות

ראו גם

הרצאות וידאו

מחברים


סמדר נאוז, ערן אופק