המפץ הגדול

המפץ הגדול (באנגלית: The Big Bang) הוא תאוריה פיזיקלית שמתארת את התפתחות היקום, כיצד התפשט מהיחודיות וכיצד נוצרו השדות של החלקיקים היסודיים והכוחות שאנו צופים כיום. על פי תאוריה זו, היקום התפשט במהירות עצומה מהסינגולריות וכש"התקרר" נוצר רצף המרחב-זמן והתקבעו השדות שאנו רואים כיום ביקום הנראה. גיל היקום, שהוא הזמן שחלף מאז המפץ הגדול, מוערך ב-13.819 מיליארד שנה. המרחב עצמו והזמן נוצרו במפץ הגדול, כש"לפניכן" כל ה"דברים" וה"מקומות" הקיימו בו זמנית "אחד על השני" בסינגולריות, ולכן כל מקום הוא המקום שבו התרחש המפץ, ולכן היקום נראה לנו הומוגני ואיזוטרופי (כלומר נצפה כאחיד וחלק מכל נקודת תצפית ובכל כיוון שנבחר).^[1]

ערך זה עוסק בתאוריה פיזיקלית מפורסמת. אם התכוונתם למשמעות אחרת, ראו המפץ הגדול (פירושונים).

כרונולוגית היקום. החל מתחילת ההתפשטות, תנודות קוונטיות, אינפלציה קוסמית, היווצרות הפרוטונים, תחילתו וסיומו של היתוך גרעיני, קרינת הרקע הקוסמית, היווצרות מימן נייטרלי ועד ליקום כיום

במסגרת התאוריה נהוג לכלול את התהליכים שהתרחשו ביקום הצעיר, ואשר עיצבו את מבנה היקום ואת הרכבו. לאחר ההתרחבות הגדולה (מיליונית שנייה 1µs) שבירת הסימטריה והיפרדות השדות, היקום הקדום היה מלא ב"פלזמת קווארקים-גלואונים", והחל להתקרר ולהתפשט במהירות. בעקבות ההתקררות והפחתת הצפיפות, נוצרו התנאים להיווצרות חלקיקים פחות יסודיים, דוגמת פרוטונים ונייטרונים בתהליך הנקרא "באריוגנזה", ועל ידי סינתזה גרעינית נוצרו האטומים של שלושת היסודות הראשוניים שהרכיבו את היקום אז: מימן, הליום וליתיום. התאוריה קובעת שגם החומר האפל נוצר באותו הזמן אבל עדיין לא אוששה אף אחת מההשערות המתארות את תהליך ההתהוות. אין עדיין תאוריה מאוששת לזמן ההיוצרות האנרגיה האפלה.

את "טביעות האצבע" של אירועים מסוימים מאז המפץ הגדול ניתן לזהות 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 בשלב התפיחה של המפץ הגדול; התאמת כמות היסודות הקלים ביקום לתחזית של תהליך הנוקליאוסינתזה ביקום הצעיר; והתאמה בהיתפלגות צפיפות החומר לפי סקר השמיים בדיגיטלי ע"ש סלואן (אנ'), להשערת התנודות האקוסטיות של הבאריונים (אנ') שמתארת הדים של המפץ שנעו בפלאזמה הבאריונית בדומה לבום על-קולי.

מקור השם

את המונח "מפץ גדול" טבע בשנת 1949 דווקא פרד הויל, הוגה תאוריית המצב היציב שעל פיה החומר נוצר לאט ובאופן אחיד וקבוע. הויל טען שתאוריה של היווצרות איטית ואחידה בזמן ובמרחב היא פשוטה יותר ואינטואיטיבית יותר משאר תאוריה שמתארת היווצרות ייחודית מהירה ואלימה של "זבנג אחד גדול" (one big bang).^[2]

כרונולוגיה של התהוות היקום

ערך מורחב – הכרונולוגיה של היקום

סינגולריות

כאשר מבצעים "הילוך אחורנית" מחשבתי להתרחבות מגיעים לנקודת זמן בעבר בה צפיפות החומר והטמפרטורה היו אינסופיות.^[3] סינגולריות זו אינה מאפשרת לתורת היחסות הכללית לתאר באופן מלא את מצב היקום ברגע היווצרותו, ויכולתם של מודלים המבוססים על תאוריה זו לתאר את מצב היקום בפרק הזמן הקצרצר הקרוי "עידן פלאנק", 10^-43 של שנייה מן המפץ הגדול, מוגבלת אף היא.

אותה סינגולריות קדמונית מכונה לעיתים "המפץ הגדול", אך המושג מתייחס לעיתים גם לשלב הראשוני, הצפוף והחם, של היקום. בלשון הדיבור ניתן להתייחס ל"מפץ הגדול" כאל אירוע "לידתו" של היקום, מאחר שהוא מייצג את הרגע בהיסטוריה בו חוקי הפיזיקה כמו שאנו מבינים אותם, כולל הזמן עצמו,^[4] החילו לשחק תפקיד. הזמן שעבר מאז אותו אירוע — מה שנחשב גם כגיל היקום — הוא כ-13.8 מיליארד שנה.^[5] נתון זה מתבסס על מדידות על ידי שימוש בסופרנובה מסוג Ia, ומדידת תנודות בקרינת הרקע הקוסמית.

אינפלציה ובאריוגנזה

ערכים מורחבים – אינפלציה קוסמית, באריוגנזה

השלבים הראשונים של המפץ הגדול עדיין נתונים להשערות בלתי מאוששות. ברוב המודלים המקובלים, היקום בראשיתו היה מלא הומוגנית ואיזוטרופית בצפיפות אנרגיה גדולה מאוד, טמפרטורות גבוהות ולחץ אדיר, תוך כדי התפשטות מהירה שהובילה להתקררות. בנקודת הזמן 10^-37 שניות, התחילה אינפלציה קוסמית שבה שהיקום גדל בצורה מעריכית, כך שהתנודות הקוונטיות בשדות האלמנטריים הוגברו מאוד והפכו לאבני היסוד של המבנים הגדולים ביקום (גלקסיות, צבירים וכדומה).^[6] לאחר שהאינפלציה נעצרה, שדה האינפלטון (אנ') דעך והעביר את האנרגיה שלו לשדות האחרים והיקום התחמם מחדש עד לטמפרטורה הנחוצה להיווצרות ספונטנית של מילא את היקום בפלזמת קווארקים-גלואונים.^[7] בנקודה מסוימת תהליך שנקרא באריוגנזה הפר את השימור של המספר הבאריוני של היקום ושבירת סימטריית C ו-CP, והשאיר עודף מזערי של אנרגיה בשדות החומר על פני שדות האנטי-חומר. המשמעות של חוסר איזון זה, היא שכיום היקום נצפה מלא בחומר ולא באנטי חומר ואינו בשיווי משקל מוחלט (ריק).^[8]

התקררות

ערכים מורחבים – סינתזה גרעינית קדמונית, קרינת הרקע הקוסמית

תמונה פנורמית תת-אדומה של השמיים חושפת את תפוצת הגלקסיות מחוץ לגלקסיית שביל החלב

צפיפות היקום המשיכה לרדת והטמפרטורות צנחו, מה שגרם לאנרגיה האופיינית של כל חלקיק להיחלש בהתאם. מעבר פאזה נוסף סידר את כוחות היסוד של הפיזיקה והפרמטרים של חלקיקי היסוד בצורתם הידועה כיום.^[9] כ-10^-11 שנייה לאחר המפץ הגדול, התמונה נהפכת לפחות משוערת מאחר שאנרגיית החלקיקים צונחת למידות שכבר ניתן לאמת על ידי שימוש במאיצי חלקיקים. כ-10^-6 שנייה למפץ הגדול, קווארקים וגלואונים התחברו ויצרו באריונים כמו פרוטונים ונייטרונים. היתרון המספרי של הקווארקים על פני האנטי-קווארקים גרם גם ליתרון של הבאריונים על פני האנטי-באריונים. הטמפרטורות באותה העת לא היו גבוהות מספיק כדי ליצור זוגות חדשים של פרוטון ואנטי-פרוטון (אותו הדבר עבור נייטרונים ואנטי-נייטרונים), מה שגרם להשמדת מסה אשר ממנה נשאר רק 10^-10 ממספר הפרוטונים והנייטרונים המקוריים ואף לא אחד מהאנטי חלקיק שלהם. תהליך דומה התרחש עבור האלקטרונים והפוזיטרונים כשנייה לאחר המפץ הגדול. לאחר השמדת המסה, הפרוטונים, הנייטרונים והאלקטרונים הנותרים לא נעו יותר יחסותית וצפיפות האנרגיה ביקום נשלטה על ידי הפוטונים (עם השפעה זניחה של חלקיק הנייטרינו).

דקות ספורות למפץ הגדול, כאשר הטמפרטורה הייתה כמיליארד מעלות קלווין והצפיפות הייתה כזאת של האוויר, נייטרונים ופרוטונים התחברו ויצרו את גרעיני האטום של דאוטריום (איזוטופ של אטום מימן) וההליום בתהליך הסינתזה הגרעינית.^[10] רוב הפרוטונים נשארו חופשיים כגרעיני אטום מימן.^[11]

במשך אותו הזמן, צפיפותו של היקום גברה על קרינת הפוטונים ולא איפשרה לה לחדור מבעדה. Dark Ages - לאחר כ-380,000 שנה של התקררות, האלקטרונים וגרעיני האטום התחברו לכדי אטומים (לרוב אטומי מימן). כתוצאה מכך, צפיפות היקום ירדה ולקרינה לא הייתה עוד אינטראקציה עם החומר, מה שאיפשר לה להמשיך ולהתקדם ברחבי היקום. אותה קרינה מכונה כקרינת הרקע הקוסמית. ייתכן שהביוכימיה החלה זמן קצר יחסית לאחר היווצרות היקום כאשר היקום היה בן 10–17 מיליון שנה.^[12]

התגבשות מבנים

ערך מורחב – צפיפות היקום

צביר הגלקסיה "אבל 2744", כפי שנצפה על ידי טלסקופ החלל האבל^[13]

לאחר פרק זמן ארוך, כשהחומר התפזר ביקום בצורה כמעט אחידה, האזורים המעט יותר צפופים משכו, בעזרת הכבידה, את החומר שהיה מצוי בקרבתם. אלו הפכו ליותר ויותר צפופים כאשר הם מתגבשים לבסוף לכדי ענני גז, כוכבים, גלקסיות ולמעשה כל מבנה אסטרונומי שניתן לצפות בו כיום.^[14] פרטי תהליך זה תלויים בכמות וסוג החומר ביקום. ארבעת סוגי החומר האפשריים ידועים כהחומר האפל הקר, החומר האפל החמים (warm dark matter), החומר האפל הלוהט (hot dark matter) והחומר הבאריוני.^[15] המדידות הטובות ביותר שזמינות (מלוויין המחקר WMAP), מראות כי הנתונים תואמים היטב את מודל הלמדא-CDM ‏(ΛCDM) בו משוער כי החומר האפל הוא קר והערכה כי הוא מהווה כ-23% מהחומר-אנרגיה ביקום, כאשר החומר הבאריוני מהווה כ-4.6%.^[16]

התרחבות מואצת

מספר רב של תצפיות סופרנובה מסוג אחד-איי (אנ') והגבשושיות (אנ') של קרינת הרקע הקוסמית רומזות כי היקום כיום נשלט על ידי סוג אנרגיה אפלה (אנרגיה לא מוסברת בתואוריות הקימות) אשר כפי הנראה מיצרת לחץ שלילי ודוחפת את החלל להתרחב בקצב שמאיץ עם הזמן (הנגזרת השנייה של פרמטר הסקלה של היקום חיובית, ${\displaystyle {\ddot {a}}>0}$). התצפיות מתאימות ליחס של כ-73% מצפיפות האנרגיה ביקום כיום נמצאת באנרגיה אפלה. כשהיקום היה צעיר מאוד, ככל הנראה היה חדור אנרגיה אפלה, אך עם פחות מרחב וצפיפות גדולה יותר, לכבידה היה יתרון והתרחבותו נבלמה באיטיות. אך לבסוף, לאחר מיליארדי שנים של התרחבות שכיחותה של האנרגיה האפלה עלתה וגרמה באיטיות להתרחבות להתחיל להאיץ.^[17]

האנרגיה האפלה בהגדרתה הפשוטה ממלאת את מקום המושג הקבוע הקוסמולוגי (הקבוע בערכו בכל מקום ומקום במרחב, אך חופשי להשתנות לאורך ההיסטוריה של הזמן) ממשוואות השדה של תורת היחסות הכללית, אולם ההרכב והמכניזם שלה אינם ידועים והיחסים של עם המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים נחקר הן בדרכים תאורטיות והן על ידי תצפיות.^[17]

שאלות פתוחות

כל הכרונולוגיה הקוסמית מאז עידן האינפלציה מוסברת על ידי הקוסמולוגיה של מודל למדא-CDM (למדא מיצגת את האנרגיה האפלה ו-CDM הן ראשי התיבות של "חומר אפל קר"). מודל שמבוסס גם על מכניקת הקוונטים וגם על תורת היחסות הכללית. אולם אין מודל מגובה בראיות שמסביר את מה שאירע ב-10^-15 השניות הראשונות למפץ הגדול, ולכך נדרשת תאוריה מאוחדת של תורת כבידה קוונטית. כבידה קוונטית מכיוון שבפרק הזמן הזה היקום היה זעיר ולכן פעל על פי מכניקת הקוונטים שמתארת את ההתנהגות של דברים קטנטנים או אנרגטיים מאוד, אך בו בעת מתאים גם לתאורית כבידה שמתארת איך המרחב עצמו משתנה ומגיב לצפיפות אנרגיה גבוהה (הרי ע"פ ${\displaystyle \ E=m_{0}c^{2}}$מסה היא אנרגיה שנמצאת במנוחה מרחב קטן). הבנת התקופות הקדומות של ההיסטוריה של היקום מהווה את אחת הבעיות הגדולות הבלתי פתורות של הפיזיקה. לכן השאלות הפתוחות הגדולות הן:

1. מה קרה ביקום המוקדם מאוד - החל בסינגולריות דרך עידן פלנאק ועד סוף האינפציה (ואפילו מה היה "לפני כן")
2. מה היא הבאריוגנזה - למה אנחנו רואים דווקא חומר ולא אנטי-חומר
3. מה הוא החומר האפל - למה סך כל החומר שאנחנו כן רואים לא מסביר את תנועת הגלקסיות וחלק מהעדשות הכבידתיות
4. מה היא האנרגיה האפלה - למה היקום מאיץ את קצב התפשטותו

ההיסטוריה של רעיון המפץ הגדול

עד למאה ה-19 התקיימו 2 תפיסות לגבי ראשית היקום: לפי מיתולוגיות פגניות ודתיות, היקום נוצר בעבר בדרך על טבעית; ולפי חלק מהפילוסופים של יוון העתיקה, ובראשם אריסטו, היקום התקיים מאז ומעולם.^[18]שתי התפיסות דמו זו לזו בראותן את היקום כישות סטטית, שעוברת שנויים מזעריים בלבד עם הזמן - השקפה זו בעייתית משום שאינה מסוגלת להסביר מדוע המשיכה הגרוויטציונית לא מובילה לקריסת היקום. מאפיין משותף נוסף הוא העדרה המוחלט של ידיעה עד כמה גדול הוא היקום בפועל^[19].

הראשון שהעלה על הכתב את האפשרות שמקור היקום הוא בנקודה בודדת לא היה מדען, אלא הסופר אדגר אלן פו, שכתב על כך בשנת 1848 במאמר לא מדעי בשם "יוריקה", אולם למאמר זה לא הייתה השפעה על הקהילה המדעית. תפיסת היקום כסטטי 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, שבו היקום הולך ומתכווץ. איינשטיין הצליח לקבל בכל זאת מודל סטטי 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 סטטי. 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 בהם 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 הבהירות 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.

האנטנה ששימשה לגילוי קרינת הרקע הקוסמית. התגלית היוותה ציון דרך ואישוש מובהק למודל "המפץ הגדול" וגורם מכריע להעדפתו על פני מודל "המצב היציב"

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. במהלך שנות ה-20 וה-30 של המאה ה-20 כמעט כל הקוסמולוגים הבכירים תמכו במודל של מצב יציב נצחי, חלקם בטענה כי מודל של יקום עם התחלה מייבא רעיונות דתיים.^[20] טענה זו הסתמכה גם על העובדה שלמטר עצמו היה כומר קתולי. במשך השנים פותחו תאוריות שונות שהסבירו את התפשטות היקום שהוכחה בתצפיות של האבל מבלי להניח שליקום הייתה התחלה, כולל את מודל מילן,^[21] מודל של יקום מחזורי (במקור הוצע על ידי פרידמן אבל נתמך על ידי איינשטיין וריצ'רד טולמן)^[22] ורעיון האור המתעייף של פריץ צוויקי.^[23]

לאחר מלחמת העולם השנייה צמחו שתי תאוריות אפשריות שונות. האחת הייתה תאוריית המצב היציב של פרד הויל,^[24] ולפיה היקום מתפשט בצורה קבועה תוך כדי שבמרחבי היקום נוצר חומר באופן מתמיד. על פי מודל זה היקום הוא פחות או יותר זהה בכל נקודת זמן. השנייה הייתה תאוריית המפץ הגדול של למטר, שנתמכה ופותחה על ידי ג'ורג' גאמוב שהציג את הסינתזה הגרעינית הקדמונית.^[25] עמיתיו רלף אלפר ורוברט הרמן חזו את קיומה של קרינת הרקע הקוסמית.^[26] באופן אירוני, היה זה הויל שטבע את המושג שהפך לשמה של התאוריה של למטר, בהתייחסו ל"רעיון המפץ הגדול" בזמן שידור תוכנית רדיו של ה-BBC במרץ 1949.^[27] 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. לזמן מה, התמיכה בשתי התאוריות הייתה מפוצלת ובסופו של דבר הראיות התצפיתיות החלו לנטות לטובת מודל המפץ הגדול. הגילוי והאישוש של קרינת הרקע הקוסמית ב-1964 הבטיח את היותו של המפץ הגדול כהסבר הטוב ביותר למוצאו והתפתחותו של היקום.^[28] רוב המחקרים בקוסמולוגיה כיום כוללים את הבנת היווצרות הגלקסיות לפי המפץ הגדול, הבנת הפיזיקה של היקום בתקופות קדומות וישור קו של תצפיות עם התאוריה.

בשנים 1968 ו-1970 פרסמו רוג'ר פנרוז, סטיבן הוקינג וג'ורג' אליס מאמר בו הראו כי סינגולריות מתמטיות היו תנאי מקדים הכרחי עבור מודלים יחסותיים של המפץ הגדול.^[29] מאז, משנות ה-70 ועד שנות ה-90 של המאה ה-20, קוסמולוגים עבדו על אפיון התכונות של היקום על פי המפץ הגדול ופתרון בעיות בולטות. ב-1981 עשה אלן גות' פריצת דרך בפתרון מספר בעיות בולטות בתאוריית המפץ הגדול עם הצגת תקופת התפשטות מהירה ביקום הקדום שנקראת אינפלציה קוסמית.^[30] באותם עשורים התעוררו גם שאלות בנוגע לצפיפות החומר ביקום וערכו המדיוק של קבוע האבל.

באמצע שנות ה-90 של המאה ה-20, תצפיות על צבירים כדוריים מסוימים הצביעו כי גילם הוא כ-15 מיליארד שנה, בניגוד לרוב הערכות גיל היקום. בעיה זו נפתרה מאוחר יותר כאשר סימולציות מחשב חדשות, אשר לקחו בחשבון את אפקט אובדן המסה כתוצאה מרוח כוכבים (Stellar wind), הצביעה כי גיל הצבירים הכדוריים הוא צעיר הרבה יותר. ^[31]

מאז שנות ה-90 נעשתה התקדמות ניכרת בקוסמלוגיה של המפץ הגדול כתוצאה מהתקדמות טכנולוגיית הטלסקופ יחד עם ניתוח מידע שנאסף על ידי לוויני מחקר שונים כגון COBE,^[32] טלסקופ החלל האבל ו-WMAP.^[33] מאז יש לקוסמולוגים מדידות די מדויקות של פרמטרים רבים של מודל המפץ הגדול והגיעו לתגלית בלתי צפויה שלפיה התרחבות היקום מאיצה.^[34]

אישוש תצפיתי לתאוריה

התפשטות היקום

ציוני דרך עיקריים בהתפשטות היקום

ערך מורחב – התפשטות היקום

ניתן להבחין בשינויים במרחק בין גלקסיות ביקום על ידי הקרינה האלקטרו-מגנטית, שכוללת גם את האור הנראה, אותה הן פולטות. שינוי בתכונות גל האור יכול להעיד על השינוי במרחק אותו עבר; כאשר גל האור מתרחק מנקודה מסוימת, אורך הגל עולה, התדירות יורדת ומתרחשת הסחה לאדום. מקרה הפוך, בו גל האור מתקרב אל נקודה מסוימת, גורם להסחה לכחול. תופעה פיזיקלית זו מוסברת על ידי אפקט דופלר. לפי תצפיות וניתוחן על ידי האסטרונום האמריקני אדווין האבל ועמיתו למחקר מילטון יומאסון בשנת 1929, נמצאה הסחה לאדום בספקטרום הגלקסיות, המעיד על כך שהגלקסיות מתרחקות זו מזו וכי מהירות התרחקותן פרופורציונית למרחקן, במה שידוע כקבוע האבל.

התגלית ניתנת להסבר על ידי שתי אפשרויות; האחת היא שכדור הארץ נמצא במרכז ההתפשטות, כלומר בנקודה אשר ממנה מתרחקות כל הגלקסיות והשנייה היא שהיקום מתפשט בצורה אחידה לכל עבר. האפשרות הראשונה לא תיתכן על פי העיקרון הקופרניקני, אך האפשרות השנייה נחזתה על ידי אלכסנדר פרידמן וז'ורז' למטר, עוד לפני התגלית של האבל.

את קצב התפשטות היקום והתרחקות הגלקסיות זו מזו ניתן להסביר בעזרת חוק האבל. כמו כן ניתן גם לחשב לאחור את גיל היקום שמוערך בכ-13.819 מיליארד שנים.

החוק מוגדר כך:

${\displaystyle v=H_{0}\,D}$

כאשר,

• v הוא מהירות ההתרחקות של הגלקסיה.
• D הוא המרחק מן הגלקסיה.
• H₀ הוא קבוע האבל, שערכו 0.8 ± 69.32 ק"מ לשנייה, למיליון פרסק.

קרינת הרקע הקוסמית

קרינת הרקע הקוסמית כפי שנמדדה על ידי לוויין המחקר WMAP, שנשלח לחלל ביוני 2001

ערך מורחב – קרינת הרקע הקוסמית

בסביבות שנת 1950 העריכו הקוסמולוגים ג'ורג' גאמוב, רלף אלפר ורוברט הרמן כי היקום, בראשיתו, היה צפוף ולוהט עד כדי כך שקרינה לא יכלה לחדור מבעד לאלקטרונים החופשיים. רק לאחר תקופה של כ-380,000 שנה בה היקום התפשט, צנחה הטמפרטורה מספיק כך שהאלקטרונים והפרוטונים יכלו להתחבר וליצור את האטומים הראשונים.^[35] כתוצאה מכך, צפיפות היקום ירדה והקרינה יכלה להמשיך הלאה ולהתפשט בחופשיות ברחבי היקום. לפיכך, ההנחה הייתה כי שרידים של הקרינה מראשיתו של היקום עדיין מתקדמת ביקום וניתן לראותה גם במאה ה-21.

ארנו פנזיאס ורוברט וילסון ממעבדות בל גילו באקראי ב-1965 רעש שלא ידעו מה מקורו, באמצעות גלאי קרינה אלקטרומגנטית רגישים. לאחר שפסלו כל מקור רעש אחר הבינו כי מדובר בקרינת הרקע הקוסמית. הקרינה הקוסמית היא אחידה בכל כיוון ומעידה על קיום מצב של שיווי משקל תרמי ביקום הקדום - הקרינה הקוסמית "נפרדה" משאר החומר ביקום כ-380 אלף שנה לאחר המפץ הגדול. הגילוי היווה אישוש לתחזיתם של גאמוב, אלפר והרמן. על גילוי זה זכו ארנו פנזיאס ורוברט וילסון בפרס נובל לפיזיקה. למטר שמע על התגלית כשהיה על ערש דווי. אחריהם הציעו ווקר ורוברטסון דגמים דומים לדגם של למטר.

מידע שנאסף בטלסקופ BICEP (אנ'), ופורסם במרץ 2014, הצביע על אי-סדירות בקרינת הרקע הקוסמית שעשויה הייתה להיגרם מגלי כבידה בשלב התפיחה של המפץ הגדול. אחר בדיקה מחודשת של התוצאות פורסם באוקטובר 2014 כי ככל הנראה נפלו טעויות בהערכת הממצאים, וכי לא ניתן לייחס למדידות אלו את קיומם של גלי כבידה בשלב התפיחה של המפץ הגדול. הבהרה של מהות הממצאים התפרסמה על ידי צוות לוויין החלל האירופאי Planck באוקטובר 2014.^[36] אישוש מדעי נוסף למודל המפץ נתקבל בעקבות הממצאים הקשורים לקרינה שגילה לוויין המחקר COBE בשנות ה-90 של המאה ה-20 ולוויין המחקר WMAP ששוגר מאוחר יותר.

שכיחות יסודות קדמונים

ערך מורחב – סינתזה גרעינית קדמונית

לאחר שהיקום התקרר דיו נוצרו היסודות הראשונים בתהליך הסינתזה הגרעינית. ניתן לצפות שהתפלגות החומר ביקום תהיה 75% מימן, 25% הליום-4, כמה אלפיות האחוז של דאוטריום והליום 3, ועשר מיליארדיות האחוז ליתיום. כמו כן ניתן לחשב את ריכוז הליום-4, הליום-3, דאוטריום וליתיום-7 ביקום ביחס לכמות אטומי מימן רגיל (כלומר שאיננו איזוטופ). היחס, במסה, שנחזה הוא כ-0.25 עבור הליום-4/מימן, כ-10⁻³ עבור דאוטריום/מימן, כ-10⁻⁴ עבור הליום-3/מימן וכ-10⁻⁹ עבור ליתיום-7/מימן.^[37]

התצפיות אינן חד משמעיות. על חלק מהתחזיות יש הסכמה רחבה (כדוגמת דאוטריום) ועל חלק אי ודאות (כדוגמת ליתיום). למרות זאת, העקביות בכמות שנחזית על ידי הסינתזה הגרעינית מהווה ראייה למפץ הגדול מאחר שהתאוריה היא היחידה שיכולה להסביר את היחס בין היסודות וכי לא ייתכן שהמפץ הגדול יצור כמות גדולה או נמוכה מ-20–30% של הליום.^[38]

היווצרות הגלקסיות

ערך מורחב – היווצרות גלקסיות והתפתחותן

תצפיות על המבנה והתפוצה של גלקסיות וקוואזרים מאמתות את התחזית של תאוריית המפץ הגדול כי הגלקסיות והקוואזרים הראשונים נוצרו כמיליארד שנה לאחר המפץ הגדול וכי מאז עוד מבנים גדולים נוצרו והתהוו, כגון צבירי גלקסיות וצבירי-על.^[39]

בנוסף, תצפיות מעידות כי גלקסיות מרוחקות (שנצפו כפי שהיו ביקום הקדום) נראות שונה מאוד מגלקסיות אחרות בסביבתן הקרובה (נצפות במצב מאוחר יותר). יתרה מזאת, גלקסיות שהתהוו יחסית לאחרונה שונות בצורה בולטת מגלקסיות שנוצרו במרחקים דומים אך זמן קצר לאחר המפץ הגדול. כל זה מהווה טיעון חזק כנגד מודל המצב היציב ומתיישב עם התיאור של מודל המפץ הגדול את צפיפות היקום.^[40][39]

ענני גז קדמונים

מישור מוקד של טלסקופ BICEP2, משמש לחיפוש קיטוב בקרינת הרקע הקוסמית^[41]

בשנת 2011 מצאו אסטרונומים ענני גז, וסיווגו אותם כעננים קדומים של גז קדמוני, על ידי ניתוח ספקטרום הבליעה של קוואזרים מרוחקים. טרם תגלית זו, כל גרמי השמיים נצפו כמכילים את היסודות הכבדים אשר נוצרים בליבת הכוכבים. אולם ענני הגז שהתגלו לא הכילו שום יסוד כבד ממימן נייטרלי ודאוטוריום.^[42][43] מאחר שלענני הגז אין יסודות כבדים, הם ככל הנראה נוצרו דקות ספורות לאחר המפץ הגדול במהלך הסינתזה הגרעינית הקדמונית.

קווי ראיות נוספים

הערכת גיל היקום בעזרת חוק האבל וקרינת הרקע הקוסמית מיישרת קו עם הערכות אחרות המתבססות על גיל הכוכבים הקדומים ביותר, הנעזרות באבולוציית כוכבים, צבירים כדוריים ותיארוך רדיומטרי של כוכבים מסוימים בעלי כמות מתכת נמוכה יחסית.^[44]

ניסויים שנעשו על ידי תצפיות בספקטרום הבליעה של ענני גז עם הסחה לאדום מאוד גבוהה (כלומר מתרחקים) מאמתות את התחזית כי טמפרטורת קרינת הרקע הקוסמית הייתה גבוהה בעבר. תחזית זאת גם מרמזת כי משרעת אפקט זלדוביץ'-סודייב (עיוות של קרינת הרקע על ידי אפקט קומפטון) בצבירי גלקסיות אינה תלויה ישירות בהסחה לאדום.^[45] תצפיות מגלות כי הדבר פחות או יותר נכון אך אפקט זה תלוי במאפייני צבירים שלא משתנים עם הזמן הקוסמי, מה שהופך את דיוק המדידות לקשה.^[46][47]

תצפיות עתידיות

תצפיות עתידיות של גלי כבידה עשויות לזהות גלים קדמונים ושרידים של היקום הקדום עד פחות משנייה מהמפץ הגדול.^[48][49]

גורלו הסופי של היקום

ערך מורחב – גורל היקום

לפני התצפיות של האנרגיה האפלה, קוסמולוגים שקלו שני תרחישים לעתיד היקום. אם צפיפות המסה של היקום תהיה גדולה מהצפיפות הקריטית, היקום יגיע לגודל מרבי ואז יתחיל לקרוס. הוא יהפוך שוב לצפוף וחם יותר, ויסתיים במצב דומה (אך הפוך) לזה שבו הוא התחיל - התכווצות גדולה.^[50]

לחלופין, אם הצפיפות ביקום הייתה שווה לצפיפות הקריטית או מתחתיה, התרחבות היקום הייתה מאטה אך לא עוצרת. היווצרות כוכבים תפסיק עם צריכת גז בין-כוכבי בכל גלקסיה; כוכבים יתפוצצו ויסיימו את מחזור חייהם, כאשר הם משאירים אחריהם ננסים לבנים, כוכבי נייטרונים וחורים שחורים. בהדרגה, התנגשויות בין אלה יגרמו להצטברות המונית של חורים שחורים יותר ויותר גדולים. הטמפרטורה הממוצעת של היקום תתקרב אסימפטוטית לאפס המוחלט - כלומר, קפאון גדול.^[51] יתרה מזאת, אם הפרוטונים יהיו בלתי יציבים, החומר הבאריוני יעלם וישאיר רק קרינה וחורים שחורים. לבסוף החורים השחורים יתנדפו על ידי פליטת קרינת הוקינג. האנטרופיה של היקום תתעצם עד לנקודה שבה שום צורה של אנרגיה לא תוכל להיחלץ ממנה. תרחיש זה מכונה "מות החום".^[52]

תצפיות מודרניות על ההתרחבות המואצת של היקום מרמזות כי יותר ויותר מהיקום הנצפה יעבור את אופק האירועים ויאבד כל קשר איתנו. התוצאה הסופית איננה ידועה. מודל ה-ΛCDM כולל את האנרגיה האפלה בדמות הקבוע הקוסמולוגי. תרחיש זה גורס כי רק מערכות הקשורות כבידתית, כגון גלקסיות, יישארו מחוברות וגם הן יהיו נתונות למות החום של היקום בזמן שהיקום מתרחב ומתקרר. הסברים אחרים של אנרגיה אפלה, הנקראים תאוריות "אנרגיית פנטום", גורסים כי בסופו של דבר כל צבירי הגלקסיות, כוכבים, כוכבי לכת, אטומים, גרעיני אטום ולמעשה כל החומר ביקום, יקרעו לגזרים בתוך היקום המתרחב לנצח, בתרחיש שנקרא הקריעה הגדולה.^[53]

הרכבו 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 גרעינים של אטומי מימן, דהיינו כפרוטונים, וכ-10 אחוזים - כחלקיקי אלפא, דהיינו כגרעינים של אטומי 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.

היחס לתאוריה

מודל המפץ הגדול והתפשטות היקום סותר את התפיסה האריסטוטלית, על פיה היקום הוא סטטי ונצחי ללא כל נקודת התחלה בזמן.

תאוריות מדעיות חלופיות

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

ישנם מדענים רבים שניסו למצוא תיאוריות חלופיות. אחד מהם הוא הפיזיקאי ג'וליאנו סזאר סילבה נבס מאוניברסיטת קמפינס שבברזיל. לפי המחקר של נבס והמנחה שלו, פרופ' וסקז סהא, שהתפרסם בכתב העת General Relativity and Gravitation, היה יקום קדום שהגיע לשלב של התכווצות ולאחריו התרחשה התפשטות שככל הנראה לא העלימה את כל העקבות של השלב המוקדם. לטענתו, חורים שחורים יכולים לספק עדויות לשלב הקודם.

תאוריית המפץ הגדול והתנ"ך

תאוריית המפץ הגדול נראית כסותרת את האמונה הנפוצה בדתות האברהמיות לגבי בריאת העולם, בשלוש נקודות עיקריות:

1. לפי לוח הזמנים המבוסס על המקרא מקובל שראשית היקום הייתה בשנת 3760 לפנה"ס.
2. סדר היווצרות היקום לפי ספר בראשית, פרק א' הוא: ארץ ומים, אור, שמיים, מקווי מים, עולם הצומח, גרמי השמיים, בעלי חיים ימיים ומעופפים, בעלי חיים יבשתיים, אדם.
3. היקום מתואר בכתבי הקודש כמסודר ומתוכנן, בעוד המפץ הגדול נתפש בטעות כ"פיצוץ" ומתאר תהליכים כאוטיים שהתרחשו ללא יד מכוונת.

ישנם אנשי דת ומדענים דתיים אשר מודעים לחוזק תקפותה של התאוריה, ויש ביניהם המקבלים את נכונותה^[54], אך רואים אותה כתואמת את כתבי הקודש, בין השאר בכך שהיא מתארת בריאת יש מאין (אך זה לא נכון, ותאוריית המפץ הגדול אינה עוסקת במה שקדם לנקודה הסינגולרית ולתחילת התרחבות היקום לצורתו המודרנית). לדוגמה, הפיזיקאי נתן אביעזר טען בספרו בראשית ברא ש"האור הראשוני" המתואר בספר בראשית וממנו נוצר היקום הוא-הוא המפץ הגדול, ולאחריו הוא מסביר את השלבים המאוחרים יותר לפי התאוריה כשלבים המתוארים בבריאה. את השאלה בדבר גיל העולם הוא מסביר כך שכל יום, עד בריאת האדם, הוא תקופה ולא יום ממש, שכן תקופות הזמן הנקבעות על ידי גרמי השמים (ימים, חודשים, שנים) החלו לקבל משמעות עבור כדור הארץ בשלב הרבה יותר מאוחר, בפרק הזמן המכונה "היום הרביעי".^[55] בנצרות הקתולית, האפיפיור פיוס השנים עשר הכריז בשנת 1951 כי תאוריית המפץ הגדול תואמת את כתבי הקודש.^[56]

ראו גם

• אינפלציה קוסמית
• בעיית האופק

לקריאה נוספת

• 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.
• ויליאם ביינום, היסטוריה של המדע לצעירים מכל הגילים, עמ' 329–340.
• סיימון סינג, המפץ הגדול - התגלית המדעית החשובה ביותר בכל הזמנים, בהוצאת ידיעות ספרים, 2004.

קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: המפץ הגדול
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: המפץ הגדול

• צ'ארלס ק' צ'וי, התחלות חדשות – רעיונות לגבי הזמן שקדם למפץ הגדול – האם הם ניתנים לבדיקה?, סיינטיפיק אמריקן, דצמבר 2007-ינואר 2008
• המפץ הגדול, באתר הספרייה הווירטואלית של מטח
• סיינטיפיק אמריקן, תפיסות מוטעות לגבי המפץ הגדול, באתר ynet, 18 ביולי 2005
• אשכול ידיעות על ראשית היקום, באתר "הידען"
• ו' זייק ומ' ריורדן, כיצד נראו המיקרו-שניות הראשונות של היקום?, באתר ynet, 10 באוקטובר 2006
• אבני דרך, עשר התגליות הגדולות בפיזיקה ובאסטרונומיה, באתר ifeel
• ארז גרטי, נושא חודש פברואר 2014 – המפץ הגדול ומבנה היקום, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 30 ינואר 2014
• המפץ הגדול - התגלית המדעית החשובה ביותר בכל הזמנים, באתר הערוץ האקדמי
• אבי בליזובסקי, ‏עדות ישירה ראשונה לקיומם של גלי כבידה שגרמו ליקום להתנפח מיד לאחר המפץ הגדול, באתר "הידען", 18 במרץ 2014
• דר. גלי ויינשטיין, ‏אינפלציה, גלי כבידה וקרינת הרקע הקוסמית: תיאוריה ואימות ניסויי, באתר "הידען", 20 במרץ 2014
• רוס ד' אנדרסן, ‏אוזן קשבת למפץ הגדול, במדור סיינטיפיק אמריקן של מכון דוידסון, 5 בפברואר 2014
• טל קוולר, האם היה זמן לפני המפץ הגדול?, באתר ynet, 11 במאי 2018
• רן לוי, המפץ הגדול (אורכב 27.03.2019 בארכיון Wayback Machine), בפודקאסט "עושים היסטוריה", 2018
• המפץ הגדול, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• המפץ הגדול, תיאוריה, דף שער בספרייה הלאומית
• גדעון לב, המפץ הגדול - ייתכן שהוא מעולם לא התרחש, באתר הארץ, 3 באוגוסט 2022