שאלה:האם יש בעיות בתאורית המפץ הגדול?

מתוך אסטרופדיה
גרסה מ־17:20, 11 באפריל 2010 מאת Smadar (שיחה | תרומות) (פתרון לבעיות)
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: 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.

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 הפיתרונות לבעיות הנ"ל.

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" ולסנכרן את הטמפרטורה שלהן 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), 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 נביט על שתי נקדות בכיפת השמיים, למשל מזרח ומערב (ראו סירטוט סכמטי משמאל), ונחשב את אופק היקום שהיה לכל נקודה בעת עידן השיחבור (כשהיקום היה כבן 400,000 שנה) נקבל כי האופק שלהם היה קטן יותר מהמרחק ביניהן. במילים אחרות לא היה קשר סיבתי (קוזאלי) בניהן. אם כן, כיצד יתכן שלשני אזורים אלו כל כיפת השמיים 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.

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 של 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.

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. הבעיתיות בכך היא שנשאלת השאלה, למה? מה המנגנון שגרם לכך ומדוע היתה העדפה לערך כזה?

גם הבעיה הזאת נפתרת ע"י 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 יהיו 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

לכל סוג של חלקיק בטבע (למשל אלקטרון) קיים חלקיק בעל אותן תכונות, אך מטען הפוך. לדוגמא האנטי-חלקיק של האלקטרון נקרא פוזיטרון ולו אותה מסה וספין, רק מטען 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. לדוגמא, עם במפץ הגדול נוצר אנטי חומר כמעט שווה בשווה אך עם העדפה קלה לחומר אזי רוב חלקיקי החומר והאנטי חומר יתאיינו ויותירו אחריהם פוטונים. אך במידה ולחקיקי החומר היתה העדפה מספרית קלה (על כל 100 מיליון חלקיקי אנטי חומר היו 100 מיליון ואחד חלקיק חומר) אזי ביקום יוותרו גם חלקיקי 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 דורש 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.

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

על כן האינפליה עונה על השאלות למה היקום הומוגני, איזוטרופי ושטוח, והיא עיקבית עם העיקרון הקוסמולוגי. בנוסף האינפלציה חוזה כי המונופוליפ המגנטיים (שעל פי התאוריות הנוכחיות נוצרו לפני עידן האינפלציה) הופרדו (צפיפותם ירדה) כתוצאה מההתפשטות האקספוננציאלית של היקום, כך שמונופולים מגנטיים הינם פשוט נדירים מאד בטבע.

ראו גם

הרצאות וידאו

מחברים


סמדר נאוז, ערן אופק