מהו המפץ הגדול וכיצד אנחנו יודעים מתי הוא אירע? כיצד אנו יודעים שגיל היקום הוא כ-13.8 מליארד שנה?

מאת פרופסור עדי ארמוני

תצפיות שעורכים אסטרופיזיקאים מצביעות על כך שככל שגלקסיות מרוחקות מאיתנו הן נעות במהירות גבוהה יותר ביחס אלינו. חוק זה, שהתגלה על-ידי אדווין האבל בשנת 1924, נקרא ״חוק האבל״ [1]. המהירות שבה גלקסיות מתרחקות מאיתנו כיום הנה 68 ק״מ לשניה לכל מליון פארסק [2]. גודל זה נקרא קבוע האבל.

מהי הסיבה שנראה לנו שעצמים מרוחקים מתרחקים מאיתנו? מדוע ככל שהם מרוחקים יותר מהירותם גבוהה יותר?
היקום בקנה מידה גדול מתואר על-ידי תאוריה פיזיקלית שנקראת ״תורת היחסות הכללית״. היא נכתבה בידי אלברט איינשטיין בשנת 1915. אם מניחים הנחה סבירה, שמאוששת בידי תצפיות, שהיקום הוא איזוטרופי והומוגני, קרי שבקנה מידה גדול צפיפותו זהה בכל מרחק ובכל כיוון שנביט, מקבלים פתרון של משוואות איינשטיין [3] שמנבא יקום ״מתפשט״.
כאן יש לציין שהדבר שמתפשט זה המרחב עצמו – אם נדמה לעצמינו סרגל שמודד מרחקים בין עצמים ביקום, הרי שהדבר שמתפשט, או מתרחב, זהו הסרגל עצמו. סרגל זה נקרא ״סקלת המרחב״.

למה דומה הדבר? נניח שנצייר על גבי בלון מספר נקודות. כעת ננפח את הבלון [4]. תוך כדי ניפוח הבלון נשים לב שהמרחק בין הנקודות על הבלון גדל וזאת מאחר ומעטפת הבלון מתרחבת.
הבלון בדוגמא זאת מסמל את היקום והנקודות את הגלקסיות. כאשר היקום מתרחב נראה לנו שהגלקסיות מתרחקות זו מזו וזאת מאחר ו״סקלת המרחב״ של היקום מתרחבת. למעטפת הבלון בדוגמה שלנו אין נקודה שניתן להתייחס אליה כמרכז, וכך גם ליקום שלנו.

ניתן בעזרת תורת היחסות לחשב את ״סקלת המרחב״ בכל רגע ורגע ולמצוא כיצד ״סקלת המרחב״ תלויה בזמן. ניתן גם להשוות את החישוב לתצפית ולאששו. התנהגות סקלת המרחב כפונקציה של הזמן קשורה קשר הדוק לקבוע האבל שהוזכר בתחילה (סקלת המרחב נתונה על-ידי האקספוננט של קבוע האבל).
תורת היחסות הכללית חוזה שסקלת המרחב הייתה קטנה בעבר הרחוק, ממש אפסית. רגע זה נקרא ה״מפץ הגדול״. נשים לב שהמפץ הגדול איננו הרגע שבו סקלת המרחב של היקום הייתה ממש אפס, אלא קטנטנה. לפיכך לא נדון כאן בשאלה האם גודל היקום היה ממש אפס, או מה קדם למפץ הגדול. הפיזיקה המודרנית דנה בשאלות הללו, אבל נושאים אלו חורגים ממטרת הדיון הנוכחי.
הזמן שעבר מאז המפץ הגדול, מאז שסקלת המרחב היתה אפסית, הוא ״גיל היקום״, כלומר כ-13.8 מליארד שנה.

כיצד מחשבים את גיל היקום, כלומר את הזמן שעבר מאז שסקלת המרחב היתה אפסית ועד היום? מהם הנתונים המספריים שנכנסים לחישוב עצמו?
הגודל הראשון הוא קבוע האבל. את גיל היקום אפשר להעריך באופן גס כאחד חלקי קבוע האבל ונקבל הערכה של 14.4 מיליארד שנה.
חישוב מדוקדק יותר של גיל היקום מתחשב בצפיפות האנרגיה ביקום בכל שלב של ״החיים״ שלו.
ליתר דיוק, התפשטות היקום נובעת, על-פי תורת היחסות של איינשטיין, מצפיפות החומר, הקרינה וכן גודל נוסף הנקרא ״הקבוע הקוסמולוגי״. החישוב המדוקדק, שאת פרטיו לא נציג כאן, הוא למעשה אחד חלקי קבוע האבל, עם תיקונים הודות לצפיפות החומר והאנרגיה בכל זמן שהוא החל מהמפץ הגדול. הערך שמתקבל הוא, כאמור, 13.8 מליארד שנה.

לסיכום: בעזרת תורת היחסות הכללית ונתונים אמפיריים הכוללים את קבוע האבל וצפיפות החומר והאנרגיה, ניתן לחשב מתי היה היקום קטנטן. הזמן שעבר מאז הוא ״גיל היקום״.

מקורות בתגובה הראשונה.

[ad_2]
מקור