המפץ הגדול

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
היסטוריית היקום
התפשטות היקום מתוך הסינגולריות לאחר המפץ הגדול

המפץ הגדולאנגלית: The Big Bang) הוא שמה של תאוריה פיזיקלית המהווה את תמצית הקוסמולוגיה המודרנית. על פי תאוריה זו, תחילתו של היקום בנקודה בודדת, הקרויה "סינגולריות כבידתית" עקב תנודות קוונטיות. 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-13.819 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. מיליונית שנייה לאחר ההתרחבות הגדולה, היקום הקדום היה במצב מיוחד המכונה "פלזמת קווארקים-גלואונים", שהוא תערובת של קווארקים וגלואונים חופשיים, ומאז הוא החל להתקרר ולהתפשט במהירות עצומה. בעקבות ההתקררות והפחתת הצפיפות, התאפשרה היווצרות חלקיקים חדשים דוגמת פרוטונים ונייטרונים בתהליך הנקרא באריוג'נסיס, שעל ידי סינתזה גרעינית התארגנו לאטומים של שלושת היסודות המרכיבים את היקום: מימן, הליום וליתיום.

את "טביעות האצבע" של המפץ הגדול ניתן למדוד כיום, והתאוריה זכתה לארבעה אישושים מרכזיים בדמות מדידת התפשטות היקום, גילוי קרינת הרקע הקוסמית, מידע שנאסף בטלסקופ BICEP ומצביע על אי-סדירות בקרינת הרקע הקוסמית שעשויה הייתה להיגרם מגלי כבידה בזמן שלב התפיחה של המפץ הגדול והתאמת כמות היסודות הקלים ביקום לתחזית של תהליך הנוקליאוסינתזה ביקום הצעיר.

מקור השם[עריכת קוד מקור | עריכה]

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).

ההיסטוריה של רעיון המפץ הגדול[עריכת קוד מקור | עריכה]

מאז ימי אריסטו שהאמין ביקום נצחי ובלתי משתנה הדעה המקובלת, גם בקרב מי שהאמינו בבריאה הייתה שהיקום הוא סטטי ואינסופי.‏[1] בתמונת עולם זו היו מספר בעיות. לא היה הסבר משכנע מדוע המשיכה הגרוויטציונית לא תוביל לקריסת היקום, וגם לא היה הסבר לפרדוקס של אולברס, שהצביע על כך שאם היקום הוא נצחי ואינסופי, שמי הלילה לא יכולים להיות שחורים, כי האור מכל הכוכבים אמור להצטבר לאנרגיה אינסופית. הראשון שהעלה על הכתב את האפשרות שמקור היקום בנקודה בודדת, דווקא לא היה מדען, אלא הסופר אדגר אלן פו, שכתב על כך בשנת 1848 במאמר לא מדעי בשם "יוריקה". אולם למאמר זו לא הייתה השפעה על הקהילה המדעית. תפיסה זו של יקום סטטי השתנתה בעקבות פיתוח תורת היחסות הכללית ומחקרים תאורטיים על השלכותיה, ובעקבות תצפיות אסטרונומיות שהראו שהיקום מתפשט.

ב-1917 ניסה אלברט איינשטיין לבדוק את השלכותיה של תורת היחסות הכללית אותה פיתח על היקום. הוא הניח שהיקום הוא איזוטרופי והומוגני, וגילה שהצבת התפלגות מסה אחידה במשוואות השדה נתנה פתרון בלתי יציב, אלא כזה שבו היקום הולך ומתכווץ. איינשטיין הצליח לקבל בכל זאת מודל סטאטי של היקום כשהוא הוסיף למשוואות עוד איבר, שלא סתר את הנחות היסוד שלו, אבל היה תלוי בקבוע שרירותי, שעבור ערך מסוים שלו קיים פתרון יציב למשוואות, שהתאים להנחה של יקום סטאטי. לקבוע זה הוא קרא הקבוע הקוסמולוגי.

בשנות ה-20, ערערו שני מדענים על קביעתו של איינשטיין לפיה יש לתקן את משוואות השדה בעזרת האיבר התלוי בקבוע הקוסמולוגי, ובדקו מה משמעות הפתרונות הבלתי יציבים שמתקבלים ממשוואות השדה המקוריות. המתמטיקאי הרוסי אלכסנדר פרידמן פרסם ב-1922 וב-1924 מאמרים, בהם הראה את קיומם של שלושה סוגי פתרונות, שבכל אחד מהם היקום בתחילה מתפשט. הפתרונות היו שונים זה מזה במידת ההתפשטות ההתחלתית ובצפיפות המסה ההתחלתית של היקום. עבור צפיפות התחלתית גבוהה, התפשטות היקום נבלמת והוא מתכווץ וקורס. עבור צפיפות התחלתית נמוכה, ההתפשטות נמשכת לנצח, ועבור ערך קריטי של הצפיפות, ההתפשטות נבלמת אולם לא מתהפכת, והיקום שואף לבסוף למצב סטטי. הפיזיקאי הבלגי ז'ורז' למטר, שלא הכיר את עבודתו של פרידמן, מצא גם הוא את הפתרונות בהן היקום מתפשט. אולם הקהילה המדעית לא שמה לב לעבודותיהם, ואילו איינשטיין, שכן היה מודע להן, דחה אותן בתוקף.

באותה תקופה חלו גם התפתחויות באסטרונומיה התצפיתית שהביאו להכרה בכך שהיקום מתפשט. ב-1912 פרסמה האסטרונומית האמריקנית הנרייטה ליוויט את גילויה שיש קשר בין בהירות המוחלטת של כוכבים משתנים מסוג קפאידים לבין זמן המחזור שלהם - דבר שאיפשר למדוד את מרחקם על ידי השוואת הבהירות הנראית לבהירות המוחלטת, ולהשתמש בהם כ"נר תקני". ב-1923 הצליח האסטרונום האמריקני אדווין האבל לזהות לראשונה משתנה קפאידי בערפילית אנדרומדה. מדידת המרחק הראתה שהערפילית היא מחוץ לשביל החלב, ובכך הכריע את הוויכוח ארוך השנים האם קיימות גלקסיות מחוץ לשביל החלב. מדידת המרחקים לגלקסיות נוספות, והשוואת למדידת ההסחה לאדום של האור מהן לפי אפקט דופלר, הראו שהגלקסיות מתרחקות זו מזו במהירות פרופורציונית למרחק ביניהן, דבר שמראה כי היקום עצמו מתפשט. האבל פרסם מסקנה זו, שמכונה היום "חוק האבל", ב-1929.

פרסום חוק האבל הוביל להתעניינות בעבודתם של פרידמן, שנפטר בינתיים, ושל למטר. ב-1930 הסב ארתור אדינגטון את תשומת לב הקהילה המדעית למאמרו של למטר מ-1927 שחזה את התפשטות היקום. למטר חזר לעסוק בנושא, ובהרצאה בלונדון הציג לראשונה את הרעיון שהיקום התפשט מנקודה התחלתית, לה הוא קרא "האטום הקדמוני". ב-1931 קיבל גם איינשטיין את רעיון היקום המתפשט, והכריז על כך בעת ביקור אצל האבל במצפה הכוכבים בהר וילסון. הוא גם חזר בו מרעיון "הקבוע הקוסמולוגי", אותו כינה "הטעות הגדולה בחיי".

למרות התמיכה של איינשטיין, מודל "המפץ הגדול" היה עדיין רחוק מלהתקבל כקונצנזוס בקהילה המדעית. במשך השנים פותחו תאוריות שונות שהסבירו את התפשטות היקום שהוכחה בתצפיות של האבל מבלי להניח שליקום הייתה התחלה. הבולטת ביותר הייתה "תאוריית המצב היציב" של פרד הויל, הרמן בונדי ותומאס גולד, שגרסה שהיקום מתפשט בצורה קבועה תוך כדי שבמרחבי היקום נוצר חומר באופן מתמיד.

בעיה מרכזית שעמדה בפני תומכי "המפץ הגדול" הייתה שגיל היקום כפי שהתקבל מהתצפיות של האבל עמד על פחות משני מיליארד שנה, בעוד ההערכות לגבי גיל כדור הארץ עמדו באותה תקופה על כ-3.4 מיליארד שנה. בעיה זו נפתרה רק בשנות ה-50, כשהאסטרונומים ואלטר באדה ואלן סאנדייג' מצאו פגמים ניכרים בהערכות המרחקים לגלקסיות עליהן התבסס האבל.

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.

אישוש תצפיתי לתאוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

ציוני דרך עיקריים בהתפשטות היקום

אישוש תצפיתי ראשון למודל המפץ הגדול ניתן על ידי האסטרונום האמריקני אדווין האבל בשנת 1929. על פי תגליתם של האבל ועמיתו למחקר מילטון יומאסון, נמצאה הסחה לאדום בספקטרום הגלקסיות על פי אפקט דופלר, המעיד על כך שהגלקסיות 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.

אישוש מדעי נוסף למודל המפץ נתקבל בעקבות הממצאים הקשורים לקרינה שגילה לווין המחקר COBE בשנות ה-90 של המאה ה-20 ולוויין המחקר WMAP ששוגר מאוחר יותר.

מידע שנאסף בטלסקופ BICEP (אנ'), ופורסם במרץ 2014, מצביע על אי-סדירות בקרינת הרקע הקוסמית שעשויה הייתה להגרם מגלי כבידה בזמן שלב התפיחה של המפץ הגדול.

היחס לתאוריה[עריכת קוד מקור | עריכה]

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 המתנגדים 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.

הרכבו הכימי של היקום[עריכת קוד מקור | עריכה]

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[עריכת קוד מקור | עריכה]

קישורים חיצוניים[עריכת קוד מקור | עריכה]

הערות שוליים[עריכת קוד מקור | עריכה]

  1. ^ סטיבן הוקינג, קיצור תולדות הזמן, פרק 1