שבוע היחסות שלנו כמעט הגיע לסיומו. אנו גאים להציג את הפוסט המדעי האחרון שלנו לשבוע היחסות, והפעם, קוסמולוגיה – ענף המחקר המדעי שחוקר ומתאר את הדינמיקה של היקום, כאילו היה מקשה אחת.

ככל שאנחנו חוקרים יותר, אנחנו מבינים כמה אנחנו עוד לא יודעים כלום על היקום בו אנו חיים.
הגיע הזמן לצאת למסע הכי ארוך שאפשר – אל גבולות היקום!

דמיינו שאתם ממריאים מכדור הארץ בחללית הנעה במהירות האור בריק (299,792,458 מטרים בשנייה), עם כמות אינסופית של דלק. במהירות הזו, ייקח לנו כארבע שנים רק כדי להגיע אל הכוכב הקרוב ביותר לשמש – פרוקסימה קנטאורי [Proxima Centauri) [1). וזה למעשה כל העניין מאחורי המילה "שנת אור" – המרחק שייקח לאור לעבור במשך שנה אחת. אחרי 20,000 שנות טיסה במהירות האור, אנחנו סוף סוף נגיע אל גבולות הגלקסיה שלנו, "שביל החלב" [2] – מקווים שארזתם מספיק צידה לדרך. רק עכשיו יצאנו מהגלקסיה שלנו, ואנחנו בדרכינו לקצה היקום (יש עוד המון דברים בדרך שעליהם נספר לכם בעתיד). אחרי כ-46 מיליארד שנים [3], הטיסה שלנו בחללית הנעה במהירות האור מגיעה כעת לקיצה. הגענו לקצה היקום הנראה מכדור הארץ וסביבתו. מעבר לגבול זה לא נוכל לספר לכם מה מתרחש. הגבול הנראה מגדיר במרחב כדור בעל רדיוס ממוצע של 46 מיליארד שנות אור [4].

היקום כמכלול – העיקרון הקוסמולוגי
כאשר בוחנים את היקום בסקלות גדולות – סדרי גודל של 250 מיליון שנות אור ומעלה, מגלים משהו מדהים: המסה אינה נראית עוד כמצויה באזור אחד או באזור אחר או כחסרה לחלוטין באזור אחד או אחר; היא מתפלגת באופן רציף על כל המרחב. במילים אחרות, למרות שהמקור למסה מצוי בגופים בדידים כמו כוכבים, גלקסיות, צבירי גלקסיות וחללים (מרווחים בין גלקסיות), התמונה הגדולה של היקום אינה רגישה כבר למבנה הבדיד הזה ובמקום זאת מגלה מרקם רצוף של חומר [5].

ההתפלגות הרציפה של מסה בסקלות גדולות ביקום תקפה לכל אזור שנבחן בשמיים, כלומר קיימות סימטריות בתמונה הכוללת (התלת-מימדית) של היקום:

1. סימטריה להזזות – אם נסיט את התמונה לפי איזשהו וקטור תלת-מימדי, נגלה שהתמונה החדשה דומה לתמונה המקורית. המשמעות הנובעת מסימטריה זו היא שהחומר ביקום מתפלג באופן הומוגני, כלומר אחיד, כאשר הוא נבחן בסקלות מספיק גדולות.
2. סימטריה לסיבובים – אם נסובב את התמונה סביב איזשהו וקטור תלת-מימדי, נגלה שהתמונה החדשה דומה לתמונה המקורית. המשמעות הנובעת מסימטריה זו היא שהחומר ביקום מתפלג באופן איזוטרופי, כלומר זהה בכל כיוון הסתכלות, כאשר הוא נבחן בסקלות מספיק גדולות.

הרציפות בהתפלגות המסה ביקום, בשילוב עם הסימטריות להזזות ולסיבובים, מרכיבים יחדיו את מה שקרוי היום "העיקרון הקוסמולוגי" [6]. עקרון זה מאפשר לנו לבצע חישובים מתמטיים אשר יתארו את הדינמיקה של היקום כמכלול, כמקשה אחת ולשאול את השאלה הבסיסית – מה היא הדינמיקה אותה מבצע היקום – האם הוא מתכווץ עם הזמן? מתפשט? או אולי דווקא נשאר באותו גודל?

חוק האבל
השנה היא 1929. תיאוריית היחסות הכללית כבר נוסחה והוצגה לעולם 14 שנים לפני כן וקיבלה אישוש תצפיתי 10 שנים לפני כן [7]. אסטרונום צעיר בשם אדווין האבל (Edwin Hubble), עורך תצפיותיו על גלקסיות רחוקות משביל החלב ומגלה כי הגלקסיות הללו פולטות את אורן בהסחה לאדום [8], כלומר באורכי גל ארוכים יותר יחסית לאלו שציפה למצוא מהרכב החומר הידוע של אותן גלקסיות. מסקנתו הייתה שגלקסיות אלו חוות אפקט דופלר [9], כלומר, ההסחה לאדום נובעת מהתרחקותן מאתנו.

אך כיצד ייתכן שכל הגלקסיות מתרחקות מאתנו? האם גלקסיית שביל החלב, או אולי כדור הארץ, מגדירים איזשהו מרכז מיוחד ליקום, יחסית אליו הכל מתרחק? 

לא בהכרח! בתמונה בה החומר היקומי (בסקלה הגדולה) נמצא כולו על קליפה כדורית גמישה, גם שביל החלב וכדור הארץ, וגם כל שאר הגלקסיות, כולם נמצאים על שפת הכדור, בזמן שכדור זה מתנפח. כך כל נקודה גיאומטרית על שפת הכדור, בין אם מיוחסת לגלקסיה או לחלל ריק, מתרחקת מכל נקודה אחרת. בפרט, הגלקסיות הנמצאות מספיק רחוק אחת מהשנייה כדי לא להימשך כבידתית, רוכבות על ההתפשטות הזו ומתרחקות אחת מהשנייה, ובין היתר גם מכדור הארץ הקטנטן והלא משמעותי.

תוצאותיו המפתיעות של האבל לא הסתכמו רק במסקנה שהיקום מתפשט, אלא סיפקו הערכה כמותית למידת ההתפשטות הממוצעת. האבל גילה למעשה שככל שגלקסיות היו רחוקות יותר אחת מהשנייה, כך מהירות בריחתן אחת מהשנייה גבוהה יותר. התלות שהוא מצא בין מהירות ההתרחקות ההדדית בין גלקסיות (אשר תסומן באות V), לבין המרחק ביניהם (אשר יסומן באות D), הסתברה להיות תלות ישרה עולה, הידועה כיום כחוק האבל: V=H*D
קבוע הפרופורציה, H, נקרא קבוע האבל. הוא קבוע בכל היקום, אך משתנה (לאט מאוד) לאורך הזמן. ערכו עומד כיום על כשני סנטימטרים לשנייה (של התרחקות הדדית בין כל שתי גלקסיות ממוצעות) לשנת אור (של מרחק בין שתי הגלקסיות) [10].

המקור להתפשטות – אנרגיה אפלה
לא זאת בלבד שהיקום מתפשט, אלא שקצב ההתפשטות שלו עולה. ערכו של קבוע האבל גדל לאיטו, ואין לאף אחד מושג מדוע – עד היום! בכל זאת, צריך להיות מקור אנרגטי כלשהו לתאוצה הזו של היקום כמכלול, מקור לו קוראים היום "אנרגיה אפלה", אך פרט לשם אין הרבה הבנה לגבי מה היא אותה אנרגיה [9].

לגילוי שהיקום מתפשט בקצב הולך וגובר יש היסטוריה מעניינת. כאשר איינשטיין ניסח לראשונה את תיאוריית היחסות הכללית, הוא חשב על היקום כעל סטטי. כיוון שכוח הכבידה פועל כדי למשוך את המסות ביקום אלה לעבר אלה, כדי לשמור על היקום סטטי איינשטיין הכניס למשוואות שלו גורם שיקזז את השפעת הכבידה. איינשטיין כינה גורם זה בשם הקבוע הקוסמולוגי. כאשר התברר בעקבות התצפיות של האבל שהיקום מתפשט, איינשטיין הבין שאין צורך בקבוע הזה. הוא קרא לו "הטעות הגדולה ביותר שעשיתי בחיי" [11].

כאשר תצפיות מאוחרות יותר על היקום הרחוק הראו כי התפשטותו מואצת החזירו פיזיקאים את הקבוע הקוסמולוגי למשוואות, ונתנו לו את השם שהוזכר למעלה – אנרגיה אפלה. אך מה היא אותה אנרגיה אפלה? איש אינו יודע עד היום . אך מה שבטוח, האדם שיצליח להסביר אותה ואת אופייה – יזכה לתהילת עולם.

אם נסכם את מה שידוע לנו – היקום כמכלול מורכב ממסות רבות אשר התפלגותן בסקלה גדולה הופכת רציפה, הומוגנית ואיזוטרופית, בהתאם לעיקרון הקוסמולוגי. היקום כמכלול מתפשט בקצב מואץ, מה שמעיד על מקור אנרגיה שהוא "אפל", כלומר אינו קשור בחומר או באנרגיה המוכרים לפיזיקה של היום. הקבוע הקוסמולוגי אולי נחשב בעיני איינשטיין לטעות הגדולה ביותר של חייו, אך היא כנראה אחת החידות הגדולות ביותר שהוא "הוריש" לפיזיקאים שבאו אחריו לחקור ולפצח.

#תודהאיינשטיין

<< לפוסט הקודם

מקורות והרחבות:
[1] https://goo.gl/n3BtHq
[2 http://goo.gl/qkI48w
[3] http://goo.gl/lpBD6v
[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Age_of_the_universe
[5] https://goo.gl/UaAemJ
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Cosmological_principle
[7] https://goo.gl/sD5mX0
[8] https://en.wikipedia.org/wiki/Hubble%27s_law
[9] https://en.wikipedia.org/wiki/Dark_energy
[10] https://goo.gl/GJ4dlT
[11] https://goo.gl/R67vzI

עריכה לשונית: לנה קלמיקוב