המפץ הגדול

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

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. ניתן לומר על המפץ הגדול שהוא מסמל את תחילת התקדמות הזמן, ולכן גיל היקום סופי. גיל זה מוערך כיום ב-13.7 מיליארד שנה. כן, ניתן לומר שמקורה של כל נקודה ביקום הנוכחי הוא באותה נקודה סינגולרית שבה התרחש המפץ הגדול.

נהוג לכלול בתוך 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.

[עריכה] 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 ההתפוצצות הגדולה, אורו של כדור-האש הקדום נכלא בתוך מצב מיוחד המכונה פלסמת קווארק-גלואון 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.

[עריכה] 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 הנושא את השם "יוריקה". בתחילת המאה ה-20 החלו להתקבל רמזים לגבי האפשרות של התפשטות היקום. וסטו סליפר מדד ב-1912 היסט לאדום בספקטרום של ערפיליות ספירליות, שאז עדיין לא ידעו כי הן גלקסיות 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 הרטמן 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 "מודל המצב היציב". הוא קיווה בכך לשים ללעג את התאוריה המתחרה, ולהציג אותה באור אבסורדי.

[עריכה] אישוש תצפיתי לתאוריה

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 נמצא היסט לאדום בספקטרום הגלקסיות על פי אפקט דופלר המעיד כי הגלקסיות מתרחקות זו מזו וכי מהירות התרחקותן פרופורציונית למרחקן (חוק 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 כמעט מליון שנה לאחר תחילת המפץ. 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.

[עריכה] היחס לתאוריה

מודל זה מהווה שינוי דרמטי לתפיסה המדעית האריסטוטלית בת אלפי השנים שקדמה לו, שחסידיה האמינו שהיקום הוא סטטי ונצחי ללא כל נקודת התחלה.

בספרו "קיצור תולדות הזמן", מתאר סטיבן הוקינג כיצד שמחו על מודל זה גורמים ביהדות ובנצרות שראו בו אישוש לאמונתם בדבר בריאת העולם כ"יש מאין" ביד אלוהים, ואימצו אותו בחום אל חיקם, עד כדי הכרזה רשמית של הכנסייה הנוצרית בשנת 1951 כי מודל המפץ תואם את כתבי הקודש. ענין זה של בריאה אלוהית העולה מרעיון המפץ הגדול, הביא, לדבריו של הוקינג, לכמה ניסיונות מדעיים לסתור את המודל הזה, אך ללא הצלחה יתרה. בין הניסיונות ניתן למנות את תורת המצב היציב של הרמן בונדי, תומס גולד ופרד הויל, ואת נסיונם של יבגני ליפשיץ ואיסק חלטניטוב הסובייטים.

[עריכה] ההרכב הכימי של היקום

מודל המפץ הגדול הסטנדרטי מאפשר חישוב 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 לאחר המפץ הגדול הטמפרטורה והלחץ ששררו ביקום הלכו וקטנו במהירות, 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, וכ10 אחוזים - כחלקיקי אלפא, דהיינו כאטומים של הליום.

בתנאי המפץ הגדול חלקיקים כבדים יותר לא הספיקו להיווצר, שכן ירידת הצפיפות והטמפרטורה היו מהירים מדי להתחוללותן של ריאקציות היצירה של יסודות כאלה. גם ניבוי זה של תורת המפץ הגדול מתאשר 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 במרכזיהם של כוכבים.