המפץ הגדול

ערך זה עוסק בתאוריה פיזיקלית מפורסמת. אם התכוונתם לסדרת טלוויזיה, ראו המפץ הגדול (סדרת טלוויזיה).

התפשטות היקום מתוך הסינגולריות לאחר המפץ הגדול

המפץ הגדול (באנגלית: The Big Bang) הוא שמה של תאוריה פיזיקלית המהווה את תמצית הקוסמולוגיה המודרנית. על פי תאוריה זו, מקורו של היקום בנקודה בודדת, הקרויה "סינגולריות כבידתית". המפץ הגדול מתאר את האירוע שהתרחש בנקודה זו ובמהלכו נוצר היקום, ממד הזמן, ממדי המרחב, והגדלים הפיזיקליים הידועים לנו כיום. עם הזמן התפשט היקום לכדי היקום המוכר לנו כיום. גיל היקום, שהוא הזמן שחלף מאז המפץ הגדול, מוערך ב-13.7 מיליארד שנה. בראשיתו היה היקום כולו מרוכז באותה נקודה סינגולרית, ולכן כל מקום ביקום של היום הוא המקום שבו התרחש המפץ.

נהוג לכלול במסגרת התאוריה את התהליכים שהתרחשו ביקום הצעיר, ואשר עיצבו את מבנה היקום ואת הרכבו. את "טביעות האצבע" של המפץ הגדול ניתן למדוד כיום, והתאוריה זכתה לשלושה אישושים מרכזיים בדמות מדידת התפשטות היקום, גילוי קרינת הרקע הקוסמית והתאמת כמות היסודות הקלים ביקום לתחזית של תהליך הנוקליאוסינתזה ביקום הצעיר.

מבוא

על פי תורת המפץ הגדול, מקורו של היקום בנקודה בודדת המהווה סינגולריות כבידתית. המפץ הגדול היה אירוע שהתרחש לפני כ-13.7 מיליארד שנה, שבעקבותיו נוצרו הממדים המוכרים לנו - ממד הזמן וממדי המרחב. מיליונית שנייה לאחר ההתרחבות הגדולה, אורו של כדור-האש הקדום נכלא בתוך מצב מיוחד המכונה פלזמת קווארקים-גלואונים שהוא תערובת נדירה של קווארקים וגלואונים חופשיים, ומאז הוא החל להתקרר ולהתפשט במהירות עצומה. בעקבות ההתקררות והפחתת הצפיפות, התאפשרה היווצרות חלקיקים חדשים דוגמת פרוטונים ונייטרונים, שהתארגנו בשלב מסוים לאטומים של שלושת היסודות המרכיבים את היקום: מימן, הליום וליתיום.

ההיסטוריה של רעיון המפץ הגדול

הראשון שהעלה על הכתב את האפשרות שמקור היקום בנקודה בודדת הוא, ככל הידוע לנו, הסופר אדגר אלן פו, שכתב על כך בשנת 1848 במאמר לא מדעי בשם "יוריקה". בתחילת המאה ה-20 החלו להתקבל רמזים לגבי האפשרות של התפשטות היקום. וסטו סליפר מדד ב-1912 הסחה לאדום בספקטרום של ערפיליות ספירליות, שעד אז עדיין לא ידעו כי הן גלקסיות המצויות מחוץ לשביל החלב.

המדידות לגבי התפשטות היקום השפיעו על אלכסנדר פרידמן למצוא ב-1922 פתרון למשוואת איינשטיין בתורת היחסות הכללית שמתאר יקום מתפשט. מאוחר יותר, ב-1927, מצא ז'ורז' למטר באופן בלתי תלוי את אותו פתרון, כלומר את אותה מטריקה המתארת את מבנה המרחב-זמן של היקום. החידוש בתורתו של ז'ורז' למטר הייתה ההשערה שמקורו של היקום בנקודה בודדת, או "אטום" לפי דבריו של למטר עצמו. הוא גילה שבמסגרת תורת היחסות הכללית ניתן להניח כי היקום החל בנקודה בודדת.

מאוחר יותר, ב-1948, פרסמו ג'ורג' גאמוב, רלף אלפר ורוברט הרמן תאוריה על הפיזיקה של ראשית היקום בה העלו הנחה שהיקום היה דחוס ולוהט בראשיתו, ואף ניבאו את קיומה של קרינת הרקע הקוסמית. את השם "המפץ הגדול" טבע בשנת 1949 דווקא פרד הויל, מתנגד חריף לתאוריה זו ומפתח מודל אלטרנטיבי הקרוי "תאוריית המצב היציב". המונח באנגלית הינו משחק מילים על משמעות המילה Bang (דפיקה).

אישוש תצפיתי לתאוריה

ציוני דרך עיקריים בהתפשטות היקום

בראשית המאה ה-19 העלה היינריך וילהלם אולברס את הפרדוקס הקרוי על-שמו: אם היקום נצחי ואינסופי, כיצד ייתכן ששמי הלילה שחורים? האור שמפזרים הכוכבים אמור, תחת הנחות אלה, להצטבר לאנרגיה אינסופית. מהבחנה זו אפשר להסיק שהיקום החל לפני פרק זמן סופי, או שהוא תופס חלל סופי, אך באותה עת לא נמצא תהליך שיוכל להסביר איזו אפשרות היא הנכונה, ובאיזה אופן.

אישוש תצפיתי ראשון למודל המפץ הגדול ניתן על ידי האסטרונום האמריקני אדווין האבל בשנת 1929. על פי תגליתו של האבל נמצאה הסחה לאדום בספקטרום הגלקסיות על פי אפקט דופלר המעיד כי הגלקסיות מתרחקות זו מזו וכי מהירות התרחקותן פרופורציונית למרחקן, במה שידוע כקבוע האבל.

אישוש תצפיתי נוסף ומכריע לתורתו של למטר ניתן בשנת 1965 על ידי ארנו פנזיאס ורוברט וילסון ממעבדות בל, כאשר גילו באמצעות גלאי קרינה אלקטרומגנטית רגישים את קרינת הרקע הקוסמית שהיא שריד לאירוע המפץ הגדול והמעידה על קיום מצב של שיווי משקל תרמי ביקום הקדום - הקרינה הקוסמית "נפרדה" משאר החומר ביקום כ-380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול. הקרינה הקוסמית הינה אחידה בכל כיוון, על גילוי זה זכו בפרס נובל לפיזיקה. למטר שמע על התגלית כשהיה על ערש דווי. אחריהם הציעו ווקר ורוברטסון דגמים דומים לדגם של למטר.

המודל התקבע בקהילה המדעית בעיקר בשל מאמר שהתפרסם בידי רוג'ר פנרוז וסטיבן הוקינג בשנת 1970.

אישוש מדעי נוסף למודל המפץ נתקבל בעקבות הממצאים הקשורים לקרינה שגילה לווין המחקר COBE בשנות התשעים ולוויין המחקר WMAP ששוגר מאוחר יותר.

היחס לתאוריה

מודל זה סותר באופן חד משמעי את התפיסה האריסטוטלית בת אלפי השנים שקדמה לו, על פיה היקום הוא סטטי ונצחי ללא כל נקודת התחלה.

ישנם זרמים בקרב הדתות המונותאיסטיות שמתנגדים לתאוריה בתוקף, בין היתר בשל הטענות העולות ממנה לגבי גיל העולם. זרמים אחרים רואים בתאוריה אישור לאמונתם בדבר בריאת העולם יש מאין על ידי אלוהים; בשנת 1951 הכריז האפיפיור פיוס השנים עשר כי מודל המפץ תואם את כתבי הקודש.

נעשו מספר ניסיונות מדעיים לסתור את המודל הזה, אך ללא הצלחה יתרה. בין הניסיונות ניתן למנות את תורת המצב היציב של הרמן בונדי, תומאס גולד ופרד הויל, ואת נסיונם של יבגני ליפשיץ ואיסק חלטניטוב הסובייטים.

ההרכב הכימי של היקום

מודל המפץ הגדול הסטנדרטי מאפשר חישוב של התנאים הפיזיקליים ששררו ביקום בכל רגע, החל בשבריר-זמן קצר ביותר לאחר המפץ הגדול עצמו. על פי תורת הגרעין ותורת החלקיקים האלמנטריים, אנו יודעים לחשב, בתנאי צפיפות וטמפרטורה שונים, את מצבי הקיום של החומר, אילו חלקיקים יכולים להתקיים, אילו אינטראקציות אפשריות בין חלקיקים שונים ובין חלקיקים לשדות קרינה. בשניות ובדקות הראשונות שלאחר המפץ הגדול, הטמפרטורה והלחץ ששררו ביקום הלכו וקטנו במהירות רבה, בגלל ההתפשטות המהירה של היקום. חישובים מראים שמהלך הצפיפות והטמפרטורה היו כאלה שעם ההתפשטות וההתקררות, 90 אחוזים מחלקיקי החומר ביקום נשארו בצורת אטומים של מימן, דהיינו כפרוטונים, וכ-10 אחוזים - כחלקיקי אלפא, דהיינו כאטומים של הליום.

בתנאי המפץ הגדול לא הספיקו להיווצר חלקיקים כבדים יותר, שכן ירידת הצפיפות והטמפרטורה היו מהירים מדי להתחוללותן של ריאקציות היצירה של יסודות כאלה. גם ניבוי זה של תורת המפץ הגדול אושש בתצפיות. אלה מגלות בכל מקום ביקום את הרכב החומר המתבקש מן המודל. כל הסטיות המתגלות, כגון קיומם של יסודות כבדים אחרים, כמו בשמש ובמערכת השמש, ניתנות להסבר כתופעות וכשינויים מאוחרים יותר בהרכב החומר הקוסמי, שנבעו מתהליכים תרמו-גרעיניים שמתחוללים בליבתם של כוכבים.

לקריאה נוספת

עיינו גם בפורטלים:
	פורטל פיזיקה
	פורטל מדעי החלל

• סיימון סינג, המפץ הגדול, ידיעות אחרונות, 2007.
• צבי פירן, ‏תורת המפץ הגדול, סדרת אוניברסיטה משודרת, בהוצאת משרד הביטחון - ההוצאה לאור, 1996
• סטיבן הוקינג, קיצור תולדות הזמן, פרק 3 - היקום המתפשט, בהוצאת מעריב.
• סטיבן ויינברג, שלוש הדקות הראשונות, 1977.

קישורים חיצוניים

• צ'ארלס ק' צ'וי, ‏קוסמולוגיה – התחלות חדשות, באתר סיינטיפיק אמריקן ישראל, דצמבר 2007-ינואר 2008
• יהודה בלו, המפץ הגדול והתפשטותו של היקום, באתר "רשימות מן התיבה הלבנה", 2 בפברואר 2007
• המפץ הגדול, באתר הספרייה הווירטואלית של מט"ח
• המפץ הגדול, באנציקלופדיה ynet
• תפיסות מוטעות לגבי המפץ הגדול, מתורגם מ־Scientific American
• אשכול ידיעות על ראשית היקום, באתר הידען
• ו' זייק ומ' ריורדן , כיצד נראו המיקרו-שניות הראשונות של היקום?, אתר ynet
• אבני דרך, עשר התגליות הגדולות בפיזיקה ובאסטרונומיה, באתר ifeel
• דוידסון אונליין - מאגר מדע: קיצור תולדות היקום - מהמפץ הגדול ועד למערכת השמש סרטון עם הסברים.
• המפץ הגדול- התגלית המדעית החשובה ביותר בכל הזמנים, באתר הערוץ האקדמי