גורל היקום

גלקסיה ביקום

גורל היקום הוא מונח בקוסמולוגיה המתייחס לבחינת האפשרויות של התפתחות היקום וצורתו בעתיד. התפתחות זו מושפעת משינויים במרחב היקום ובתפקידה של האנרגיה האפלה. חוקרים מענפים שונים של המדע משתתפים במחקר המציג תרחישים שונים החוזים תהליכים סופיים וגם אין סופיים. מאז החל לרווח המושג המפץ הגדול שממנו נבעה המסקנה בדבר התפשטות היקום, נשאלה השאלה הבלתי נמנעת: האם היקום ימשיך להתפשט עד אינסוף , כלומר היווצרות הקוסמוס היא חד- פעמית, או שהתפשטותו תיעצר בשלב כלשהו ואם כן, האם הוא יחזור ויתכווץ שוב לנקודה ממנה הוא התחיל ואז ייתכן מחזור חדש של יצירתו. שאלה נוספת היא קצב ההתפשטות או ההתכווצות. התשובה נעוצה במספר גורמים לרבות בתכונות הפיזיקליות של יחסי המסה\אנרגיה, הצפיפות הממוצעת של היקום וקצב התפשטות היקום. לדעת הקוסמולוגים ,אם יש ביקום מספיק חומר,אשר עשוי לעצור את ההתפשטות בכח המשיכה שלו, הרי שבבוא הזמן עשוי היקום לחזור ולהתכווץ לנקודתו ההתחלתית. במקרה השני, אם אין כמות חומר מספקת, הרי שהיקום יתפשט עד אינסוף. על פי הקונצנזוס הקיים כיום, אין ביקום מספיק חומר שיעצור את התפשטותו וגילוי האנרגיה האפלה שגורמת להתפשטות מואצת של היקום מביאות למסקנה הבלתי נמנעת שהיקום יתפשט לנצח. אך עם זאת, השאלה בדבר סופו של היקום עודנה פתוחה.

מודל המציג את היקום כפועל במחזוריות של התפשטות וקריסה הוא מודל יקום מחזורי.

התהוות הבסיס המדעי

תאוריה

הבסיס התאורטי לשאלה התאפשר לאחר פרסום תורת היחסות הכללית על ידי אלברט איינשטיין ב-1916, אשר אפשרה לתאר את היקום בקנה המידה הרחב ביותר. ישנם פתרונות אפשריים רבים למשוואה המוצגת בתאוריית היחסות הכללית וכל פתרון ממחיש מסלול שונה ליקום. מספר אפשרויות הועלו ב-1922 על ידי אלכסנדר פרידמן וב-1927 על ידי ז'ורז' למטר, חלקן גורסות כי היקום התפתח מסינגולריות ראשונית אחת; דהיינו, המפץ הגדול.

תצפיות

כבר בשנות העשרים של המאה הקודמת, צפו אסטרונומים בתופעה של שינוי אורכי הגל של אור הכוכבים. תופעה הנקראת אפקט דופלר. כאשר כוכבים מתקרבים, אורך גלי האור מתקצר- וצבעם נראה בתחום הכחול, וכאשר הם מתרחקים אורם מוסט לטווח האדום. ככל שמהירות ההתרחקות גדולה יותר כך ההסחה גדלה. מתברר שבכל הכיוונים של התצפיות על גלקסיות מרוחקות הייתה הסחה לאדום גדולה. - ומכאן המסקנה שהיקום מתפשט כמו בלון, לכל הכיוונים.

ב-1929 פרסם אדווין האבל את מסקנתו, וקבע את הערך "קבוע האבל" - v=H₀⋅D ( מהירות ההתפשטות (V) שווה למרחק (D)כפול מספר קבוע (H)הנקרא מקדם האבל) המייצג את קצב התפשטות הייקום, בהתבסס על תצפיות שערך על כוכבים בעלי משתנה קפאידי מגלקסיה רחוקה. מסקנותיו איששו את התאוריה על פיה היקום מתפשט. מאז התקדם המחקר של תחילת היקום והונח הבסיס לתיאוריות של קץ היקום.

תיאוריות חדשות על מבנה הייקום

תיאורית המיתרים (String Theory) הועלתה לראשונה ב1974 על-ידי זואל שרק וג'ון שוארץ, ונוסחה מחדש ב1984. ההשערה היא שיש קשר בין גלקסיות, כוכבים ואף חלקי אטום ברחבי היקום, כעין רשת המורכבת מקווארקים ותנודות של אנרגיה קוסמית. הקשר מבוסס על איפנון התדרים- כלומר חלקיקים המשדרים אנרגיה בתדרים קבועים, שמתחברים לחלקיקים או גלקסיות הפועלים בתהודה באותו התדר.(בדומה לקשר בין משדר טלויזיה למקלט) התיאוריה מסבירה את הקשר ביו גרוויטון (החלקיק היסודי של הכבידה) לבין הכח הנובע מהספין המנוגד שקיים בין חלקיקים תת-אטומיים. מערכת המיתרים, כקורי עכביש בלתי נראים מהווה רשת הנושאת את היקום. תיאורית המיתרים יכולה להסביר יקום מחזורי .

תיאורית "היקום המקביל" : השערה הטוענת שבתהליך היווצרות החומר ברגע ה"המפץ הגדול", החומר לא התפשט בצורה אחידה ונוצרו למעשה "יקומים מקבילים" המתפתחים במקביל ליקום שלנו, שיתכן שבכל אחד מהם מתפתחים חוקי פיסיקה וכימיה השונים משלנו. יתר על כן, ישנה סברה שקיימים " חורי תולעת" בין היקומים, והמעבר ביניהם נעשה באמצעות החורים השחורים.דרכם למעשה עוברים ממרחב- זמן אחד לאחר.

חור שחור במרכז גלקסיה הבולע גלקסיה שכנה. סילוני גז לוהט נפלטים מהחור לשני צידיו.

אנטי- חומר( חלקיק ואנטי חלקיק): אחת ההשערות המרתקות מניחה שביקום קיימים העתקים של חלקיקים המנוגדים זה לזה. הניגוד דומה להבדל בין ספין חיובי ושלילי של אותו פרוטון או אלקטרון. בכימיה ידוע שאלקטרונים בעלי ספין מנוגד נוטים להתחבר בקשר קו- וולנטי. ההשערה מניחה שלכל חלקיק יש" תאום" השונה ממנו במימד הספין. ניסויים בפרוטון ואנטי פרוטון המתנגשים מתמזגים לזוג קווארקים. כלומר ייתכן מצב שגלקסיה אחת תהייה מורכבת מ"חומר" ואחרת , הזהה לה אבל מורכבת מ" אנטי חומר"

קרינת הרקע של החלל, כפי שנקלטה עלידי פרוב שנשלח לפני 7 שנים. .התמונה מראה הבדלים בטמפרטורת הרקע באזור היקום הנצפה. הטמפרטורה הנמדדת היא בסביבות 273.3-5 - בסולם קלווין.

המפץ הגדול והמצב היציב

ב-1927 יסד ז'ורז' למטר את תאוריית המפץ הגדול (התאוריה קיבלה למעשה את שמה ממתנגדיה). ב-1948 יסד פרד הויל תאוריית נגד, תאוריית המצב היציב, על פיה היקום אומנם מתפשט, אך בו זמנית מצבו הסטטי נותר ללא שינוי עקב היווצרות של חומר חדש. עד ל-1965 היוו שתי התאוריות אתגר שקול זו לזו עד גילוי קרינת הרקע הקוסמית על ידי ארנו פנזיאס ורוברט וילסון. גילוי זה תאם במלאו את התחזיות המבוססות על המפץ הגדול וסתר לחלוטין את תאוריית המצב היציב. כיום התייצבה תאוריית המפץ הגדול כתאוריה המובילה בקרב החוקרים.

הקבוע הקוסמולוגי

כאשר פרסם איינשטיין את תורת היחסות, הוא האמין, ברוח התקופה, ביקום סטטי. כאשר התחוור לאיינשטיין כי התאוריה שלו יכולה להיפתר בקלות בצורה בה היקום מתרחב כעת ויתכווץ בעתיד, הוא הוסיף למשוואה את הקבוע הקוסמולוגי, בהנחה שצפיפות אנרגיה קבועה אשר אינה מושפעת מהתרחבות או התכווצות של היקום מהווה מעין משקל נגד להשפעות כוח המשיכה על היקום בצורה כזו, שהיקום יוכל להישאר סטטי. רעיון הקבוע הקוסמולוגי נזנח (אם כי עלה שוב לאחר מכן על מנת להסביר את קצב התפשטות היקום) לאחר תגליותיו של האבל. בדיעבד אמר איינשטיין, כי הקבוע הקוסמולוגי הוא: "השטות הגדולה ביותר בחיי" ("biggest blunder of my life"). הקשר בין תורת היחסות של איינשטיין ובין תגליתו של האבר נוסח על-ידי אלכסנדר פרידמן במערכת משוואות הנקראות משוואות פרידמן.

פרמטר הצפיפות

גורם חשוב נוסף, המשפיע על גורל היקום, הוא פרמטר הצפיפות. פרמטר זה, המיוצג על ידי אומגה (Ω), הוא היחס בין צפיפות החומר הממוצעת ביקום לצפיפות הקריטית (Critical density), גודל הניתן לחישוב. פרמטר הצפיפות מאפשר שלוש צורות אפשריות של היקום בהתאם לערך של אומגה, דהיינו, שווה ל-1, נמוך מ-1 או גדול מ-1. ערכים אלו ייצרו, בהתאמה, יקום שטוח, פתוח או סגור. אפשרויות אלו מתייחסות לגאומטריה הכללית של היקום ולא לעקומות מקומיות במרחב-זמן הנגרמות תלכידים קטנים יחסית של חומר, כגון גלקסיות או צבירי גלקסיות. באם תוכנו העיקרי של היקום הוא חומר אינרטי, הרי שיש מתווה ספציפי המתקשר לכל אחת מהגאומטריות. על כן מנסים הקוסמולוגים לקבוע את עתיד היקום על ידי קביעת ערך ה-Ω, או לחלופין, את קצב ההאטה של ההתפשטות ( אם אכן הוא מאט). גילויים של חורים שחורים, שבמרכזם קיימת כבידה אין-סופית של מסה מזערית המושכת אליה כל עצם או קרינה הנמצא בטווח כח המשיכה שלה מעלה את ההשערה שכאשר כמות החורים השחורים והצטברותם תגבר על קצב ההתפשטות היא תגרום למעשה להתכווצות היקום

ההתפשטות המואצת

החל מ-1998, תצפיות של סופרנובות החלו להיות מפורשות כהתאמה ליקום אשר התפשטותו מואצת. הסבר להתפשטות זו לא יכול להתבסס על המשך המפץ הגדול, כיוון שהתאוצה גוברת ולא נחלשת עם הזמן. כתוצאה מכך, תאוריות קוסמולוגיות חייבות להסביר תאוצה אפשרית זו. הסבר מקובל אחד קשור לפעולה של אנרגיה אפלה שהיא אנרגיה היפותטית ( קיומה הוכח בדרך אינדוקטיבית מתימטית ולא בתצפית ישירה) שעל פי ההערכה המקובלת מהווה כ-68% מכלל המסה-אנרגיה של היקום והיא מונח רב-תכליתי לכל שדה היפותטי בעל לחץ שלילי, לרוב בעל צפיפות המשתנה ככל שהיקום מתרחב.

חוקי תצורת היקום

תחזיות להתפשטות היקום

הקונצנזוס כיום בקרב הקוסמולוגים גורס כי גורל היקום תלוי בצורת היקום, בכמות האנרגיה האפלה ובמשוואת המצב הקובעת את השינויים בצפיפות האנרגיה האפלה בהתאם להתפשטות היקום. תצפיות עדכניות מסיקות, כי קצב התפשטות היקום ככל הנראה הואץ ב-7.5 מיליארד השנים הראשונות לאחר המפץ הגדול, ברם, מדידות עדכניות נוספות, אשר נאספו על ידי לוויין המחקר WMAP,וכן מדידת קרינת הרקע הקוסמי ( CMB) מעלות את האפשרות כי היקום שטוח או דיסקואידי.

יקום סגור

אם ערכו של אומגה (פרמטר הצפיפות) גבוהה מ-1 (Ω > 1), הרי שגאומטריית החלל היא סגורה כמשטח של כדור. כלומר, גאומטריית היקום, בקנה מידה רחב מאוד, תהייה אליפטית.

ביקום סגור כוח המשיכה יעצור לבסוף את ההתפשטות ואז יחל תהליך הפוך, הייקום יתכווץ לנקודה אחת, נקודה סינגולרית סופית בשם ההתכווצות הגדולה (או הקריסה הגדולה). מספר תאוריות מודרניות משערות כי ליקום יש כמות משמעותית מאוד של אנרגיה אפלה אשר תאפשר לו להמשיך ולהתרחב לנצח, אף במצב של Ω > 1.

יקום פתוח

אם ערכו של אומגה קטן מ-1 (Ω < 1), הרי שגאומטריית היקום פתוחה, כצורתו של אוכף. גאומטריה כזו היא היפרבולית.

גם ללא אנרגיה אפלה, יקום בעל עקומה שלילית יתפשט לנצח, כאשר הכבידה מאיטה את התהליך בצורה שולית. עם האנרגיה האפלה, לא רק שההתפשטות אינה נעצרת, היא אף מואצת.

גורל היקום במקרה הזה יהיה או במות החום של היקום, הקיפאון הגדול (במצב טמפרטורה של האפס המוחלט כמות האנרגיה הסופית ביקום שמתפשט לאינסוף לא תאפשר עוד קיום חומר) או הקריעה הגדולה שבה החומר, שהוא בכמות סופית, יתפשט לאינסוף עד שכל חלקיק תת-אטומי (ואף רצף הזמן-חלל עצמו) יתפרק לחלוטין. התאוצה שתיווצר בזכות האנרגיה האפלה תהיה כה חזקה, עד שהיא תתגבר לחלוטין על שילוב כוח המשיכה, הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החזק.

באופן הפוך, קבוע קוסמולוגי הפוך, אשר יתקשר לדחיסות שלילית של אנרגיה ולחץ חיובי, יאפשר את המצב של ההתכווצות הגדולה אף ביקום פתוח. אפשרות זו נשללה עקב תצפיות.

יקום שטוח

באם הצפיפות הממוצעת של היקום שווה בדיוק לערך הקריטי של הצפיפות, כך ש אומגה שווה ל-1 (Ω = 1) הרי שגאומטריית היקום היא שטוחה כגאומטריה אוקלידית. תצפיות של לוויין המחקר WMAP מאששות (עם מרווח טעות של 0.4%) שגאומטריית היקום היא שטוחה (דיסקואידית).

בהיעדר אנרגיה אפלה, יקום שטוח יתפשט לנצח אך בקצב שיאט בהדרגה. עם אנרגיה אפלה, קצב ההתפשטות יאט תחילה, עקב פעולתו של כוח המשיכה, אך יצבור תאוצה בהמשך. גורל היקום השטוח זהה למעשה ליקום פתוח.

שאלת קץ היקום

גורל היקום תלוי בצפיפות היקום. מיטב העדויות כיום, בהסתמך על מדידות של קצב ההתפשטות וצפיפות החומר, תומכות במודל של יקום אשר יתפשט ללא קץ, אשר יסתכם בתרחיש "הקיפאון הגדול". אולם, התצפיות אינן חד-משמעיות ומודלים אלטרנטיביים עדיין אפשריים.

הקיפאון הגדול ומות החום

הקיפאון הגדול הוא תרחיש שבו המשך ההתפשטות יוביל ליקום אשר מתקדם בצורה אסימפטוטית לעבר האפס המוחלט. תרחיש זה בשילוב תרחיש הקריעה הגדולה מסתמן כיום כהיפותזה המובילה. תרחיש זה, בהיעדר אנרגיה אפלה, אפשרי רק ביקום בעל גאומטריה שטוחה או היפרבולית. בהינתן קבוע קוסמולוגי חיובי, תרחיש זה אפשרי גם ליקום סגור. בתרחיש זה כוכבים צפויים להמשיך להיווצר ב-10¹² עד-10¹⁴ השנים הבאות, לאחר מכן מלאי הגז הנחוץ להתהוות כוכבים יאזל. בעוד הדלק עבור הכוכבים קיימים הולך ואוזל, היקום יהפך בהדרגה לחשוך יותר ויותר. לבסוף חורים שחורים יהוו את רוב העצמים בחלל, אך גם הם, עקב פליטה של קרינת הוקינג, יעלמו לבסוף. תרחיש נוסף המתקשר לכך הוא מות החום של היקום, שבו היקום יגיע למצב של אנטרופיה מקסימלית שבה הכל מבוזר ואין גרדיאנט, אשר נחוצים לתהליכי עיבוד מידע אשר צורה אחת שלהם היא חיים. תרחיש זה אפשרי בכל אחד משלושת המודלים אבל מחייב שהיקום יגיע לטמפרטורה מינימלית סופית. תנודות קוונטיות אקראיות או מנהור קוונטי יכולות לייצר מפץ גדול נוסף תוך $10^{10^{56}}$ שנים. לאורך כמות לא מוגבלת של זמן, תתרחש הפחתה ספונטנית של האנטרופיה על ידי משפט ההישנות של פואנקרה ותנודות טרמיות.

הקריעה הגדולה

ערך מורחב – הקריעה הגדולה

במקרה הספציפי של אנרגיה אפלה, אשר נושאת יותר לחץ שלילי אף מהקבוע הקוסמולוגי, צפיפות האנרגיה האפלה עולה עם הזמן וגורמת לתאוצה של התרחבות היקום שגורמת בתורה לעלייה קבועה בקבוע האבל. כתוצאה, כל החומר ביקום, החל מגלקסיות וכלה, בהינתן מספיק זמן, בכל הגופים, ללא קשר לגודלם, יתפוררו לחלקיקי יסוד וקרינה. נקרעים זה מזה על ידי קרינת פנטום אפלה ומשולחים בנפרד למעמקי החלל. השלב הסופי של היקום היא נקודה סינגולרית המתרחשת בעוד צפיפות האנרגיה האפלה וקצב ההתפשטות נעים לאינסוף.

ההתכווצות הגדולה

ערך מורחב – ההתכווצות הגדולה

ההתכווצות הגדולה. הצירים האנכיים יכולים להיחשב כעבר או כעתיד.

היפותזת ההתכווצות הגדולה היא תפיסה סמטרית לגורל היקום. כמו שהמפץ הגדול החל את ההתפשטות הקוסמית התאוריה הזו מניחה כי הדחיסות הממוצעת של היקום מספיקה על מנת שההתפשטות תעצר בשלב כלשהו ואת תתחיל התכווצות. התוצאה הסופית של זה אינה ידועה, אך ההשערה הפשוטה היא שכל החומר ביקום ומרחב הזמן חלל יתרסקו לתוך נקודה סינגולרית חסרת ממדים אחת, אם כי צריך להתחשב ברמה הלא ידועה של ההשפעה הקוונטית. עדויות עדכניות מעניקות סבירות נמוכה לתרחיש זה, אך מאחר שהמדידות מבוצעות לאורך זמן קצר מאוד (במונחים קוסמים), לא מן הנמנע כי הן ישתנו בעתיד.

תרחיש זה מאפשר למפץ הגדול להתרחש מיד לאחר ההתכווצות הגדולה. אם זה קורה ללא הרף, נוצר יקום מחזורי, או יקום מתנדנד. היקום יכול במצב הזה להיות רצף אינסופי של יקומים סופיים, כשכל יקום סופי מסתיים בהתכווצות גדולה שהיא גם המפץ הגדול של היקום הבא. תאורטית, הרעיון של יקום מחזורי מתנגש עם החוק השני של התרמודינמיקה, מאחר שאנו מצפים שהאנתרופיה תגדל עם כל מחזור. בנוסף תצפיות עדכניות קובעות כי היקום אינו סגור. כל זאת גרם לקוסמולוגים לזנוח את מודל היקום המחזורי.

הניתור הגדול

המודל התאורטי של הניתור הגדול בנוי על היסודות של היקום המחזורי, שבו כל התכווצות גדולה מלווה במפץ גדול וחוזר חלילה. מודל היקום המחזורי סותר חוקי פיזיקה בסיסיים ואף יותר מכך, חוקים מעולם מכניקת הקוונטים. על כן הועלתה תאוריה חלופית המשלבת את הבסיס של המפץ הגדול עם התאוריה של כבידה קוונטית לולאתית באופן שאינו מחייב את יצירת המחזוריות.

ואקום כוזב

שדה היגס קיים לכל אורכו ורוחבו של היקום. כמו השדה האלקטרומגנטי, הוא משתנה בעוצמתו על בסיס הפוטנציאל שלו. ואקום רגיל קיים כל עוד היקום נמצא ברמה האנרגיה הנמוכה ביותר שלו, מה שהופך את הוואקום הכוזב להיות לא רלוונטי, אולם, אם הוואקום לא נמצא ברמת האנרגיה הנמוכה ביותר שלו (ואקום כוזב), הוא יכול לבצע מנהור לרמה נמוכה של אנרגיה. דבר כזה נקרא האירוע מטסטבילי של הוואקום. מצב כזה נושא את הפוטנציאל לשנות בצורה קיצונית את היקום, בתרחישים נועזים יותר אף הקבועים הפיזיקליים עלולים להשתנות מה שישנה את יסודות החומר, האנרגיה ורצף הזמן-חלל. ייתכן כי כל המבנים הפיזיקליים ביקום יהרסו באופן מיידי וללא אזהרה. מחקרים שנערכו על חלקיק דומה לבוזון היגס תומכים בתאוריה כי ואקום כוזב יתרסק מיליארדי שנים מהיום.

ראו גם

• מות החום של היקום
• צורת היקום

לקריאה נוספת

• סטיבן הוקינג, קיצור תולדות הזמן, מן המפץ הגדול עד חורים שחורים ספרית מעריב 1991.
• אבישי דקל, "חידת המסה הנעלמה", מדע כ"ג-6, עמ' 260 (1979)
• צבי פלטיאל, "החומר האפל", פי האטום ד'-3, עמ' 5 (1989)

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא גורל היקום בוויקישיתוף

• פרופ' יוסף ורבין: על קיצו של היקום בקוסמולוגיה המודרנית, סרטון בערוץ "האוניברסיטה הפתוחה", באתר יוטיוב, 23 בדצמבר 2012