מה קרה לפני המפץ הגדול?

מקובל לחשוב על המפץ הגדול כעל ההתחלה של הכול - גם של הזמן - מה שהופך שאלות לגבי מה שקרה לפניו לחסרות משמעות. לאחרונה עולות וצצות תיאוריות אקזוטיות לגבי קיומו של עידן שקדם למפץ הגדול. הן חוזות שהדור הבא של הטלסקופים יוכל אולי למצוא את חותמו של אותו עידן.

הדעה הרווחת לגבי המפץ הגדול טוענת שהיקום החל בנקודה אחת של אנרגיה וצפיפות אינסופיות, "סינגולריות" שבה חוקי הפיזיקה מאבדים את תקפותם. לאחר מכן עבר היקום תהליך של "תפיחה" (תפיחה), שבמהלכו הוא התפשט במשך זמן קצר במהירות הגדולה בהרבה ממהירות האור. התפיחה שגרמה למריחה אחידה למדי של היקום ומחקה את כל הקימורים המוקדמים שלו, פתרה כמה תעלומות, ובהן הסיבה להיותו של היקום "שטוח", כלומר יקום שבו נע האור בקווים ישרים ולא מעוקמים. אדווה קלה שנוצרה תוך כדי תפיחה יכולה להסביר גם את המבנה הכללי של הגלקסיות, שאנו רואים היום.

שריד של המפץ הגדול

תצפיות בקרינת הרקע הקוסמית - שריד של המפץ הגדול - אישרו כמה תחזיות כלליות של מודל התפיחה. עם זאת, תפיחה הייתה אמורה ליצור גלי כבידה חזקים, שהיו מעוותים את קרינת הרקע באופן שאפשר למדוד. עיוותים כאלה לא נצפו עדיין על ידי טלסקופים, דבר שהביא לפסילתם של כמה מודלים תפיחתיים.

יותר מזה, המבקרים את התיאוריות טוענים שהן מבוססות על תפיחה כתהליך נצחי. תפיחה כזאת אמורה ליצור אינסוף כיסים בחלל, בעלי תכונות שונות, ולכך התיאוריה מצריכה הסברים טובים יותר לעובדה שאנו חיים דווקא בכיס שטוח בעל המבנה המסוים שאנו רואים.

ב-15 השנים האחרונות פותחו תיאוריות מתחרות, הגורסות כי לפני המפץ הגדול היה עידן שבו התכווץ היקום שלנו ורק אז החל להתפשט מחדש. חוקרים טוענים כי התסריט האקפירוטי, שהוצע ב-2001, יכול להסביר את מבנה היקום הנוכחי, את היותו שטוח וכן מאפיינים נוספים שלו (השם "אקפירוטי" נובע מן המושג הסטואי העתיק "אקפירוסיס" - האש שממנה נולד היקום בכל פעם מחדש). המודל הציקלי (מחזורי), שפותח על בסיס המודל האקפירוטי ב-2002, מסביר גם את קיומה של אנרגיה אפלה שכיום מניחים שהיא גורמת להאצת התפשטותו של היקום.

עם זאת, המודלים האלה של יקום מתנודד לא שכנעו תיאורטיקנים רבים. התסריטים האלה מניחים שאדוות גלים הצליחה לעבור מן העידן שקדם למפץ הגדול, דרך הסינגולריות ולשמש גרעין למבנה היקום הנוכחי. "רוב הקוסמולוגים מטילים ספק רב ברעיון הזה", מודה הקוסמולוג פול שטיינהרדט מאוניברסיטת פרינסטון, שתרם לפיתוח המודל האקפירוטי והמודל הציקלי, בשיתוף עם הפיזיקאי התיאורטי ניל טורוק מאוניברסיטת קיימברידג'.

יותר מזה, המודלים נוסחו בתחילה במונחי תורת המיתרים, שמדענים רבים מסתייגים ממנה, מכיוון שהיא כוללת ממדים נוספים בלתי נצפים, מעבר לארבעת ממדי המרחב והזמן.

בחודשים האחרונים, צצו מודלים חדשים רבים של יקום מתכווץ ומתפשט. באופן בולט, המודלים מגוונים ושונים מאוד זה מזה, רבים מהם נמנעים מסינגולריות, וכולם מתארים יקום בארבעה ממדים בלבד. "יש ספקנות רבה לגבי מודלים המתארים התכווצות ולאחריה התפשטות של היקום, אולי בשל תורת המיתרים," אומר שטיינהרדט.

"התוצאות החדשות משתמשות בפיזיקה מוכרת יותר, והן אמורות לשכנע את רוב הקוסמולוגים - אפילו את אלו שלא מוכנים לקבל את קיומם של ממדים נוספים - שיש חלופות ממשיות לתפיחה".

שני מודלים, לדוגמה, מצליחים להימנע מסינגולריות במפץ הגדול. הם מציעים שכוח חזק מנע מן היקום הקדום לקרוס לנקודה. מקורו של הכוח הזה הוא ב"חומר רפאים מעובה" (Ghost condensate) - חומר זורם (גז דחוס או נוזל) של חלקיקים אקזוטיים, שיכול באופן תיאורטי להפעיל לחץ הגדול אפילו מזה של האנרגיה האפלה.

התרחישים האלה נבעו, כל אחד לחוד, מתיאוריה של הפיזיקאי התיאורטי ברט אוברוּט מאוניברסיטת פנסילבניה ושל עמיתיו, ומתיאוריה של הקוסמולוג פאולו קְרֶמינֶלי, מן המרכז הבינלאומי לפיזיקה תיאורטית (ICTP) על שם עבד אלסלאם שבאיטליה בשיתוף עם הקוסמולוג לאונרדו סֶנָטוֹרֶה מאוניברסיטת הרווארד.

דרך אחרת להימנע מן הסינגולריות יכולה לנבוע מן האופי היסודי של המרחב-זמן. הפיזיקאי התיאורטי מרטין בוג'וולד מאוניברסיטת מדינת פנסילבניה עשה שימוש ב"כבידה קוונטית לולאתית" (loop quantum gravity) - תורה חלופית לתורת המיתרים, וחישב שבמרחקים קטנים מאוד, המרחב-זמן יכול להתאפיין בכוח דחייה שמונע ממנו לקרוס. אחת התוצאות של תסריט כזה היא תופעה בוג'וולד מכנה בשם "שכחה קוסמית": לאחר מפץ גדול "שוכח" היקום כמה מתכונותיו הקודמות ורוכש תכונות חדשות, בלתי תלויות בקודמות.

המודלים החדשים של יקום מתנודד חוזים שגלי הכבידה שנוצרו לאחר המפץ הגדול אמורים להיות הרבה יותר חלשים, ב-50 סדרי גודל, מן הגלים שחוזה תיאורית התפיחה. אם טלסקופים עתידיים רגישים יותר, כמו Planck Surveyor, לא יצליחו לזהות את ההפרעות בקרינת הרקע הקוסמית שחוזה תאוריית התפיחה, ייתכן שיהיה בכך חיזוק לרעיונות של עידן שקדם למפץ הגדול. "כרגע, הוגן לומר שתאוריית התפיחה נראית משכנעת יותר," אומר קרמינלי, "אך בסופו של דבר, הנתונים התצפיתיים הם שיכריעו בין החלופות."

האם האוויר יוצא מן התפיחה?

כמה חלופות לתפיחה הקוסמית מציעות לידה ומוות מחזוריים של היקום. אך לא כל החלופות מחייבות גלגול מחדש כזה. רוברט ברנדנברגר מאוניברסיטת מקגיל ועמיתיו משערים שהיקום החל בגז חם וצפוף של מיתרים, חוטי אנרגיה שהתנודות הרטט שלהם יצרו את החלקיקים ואת הכוחות היסודיים.

אי-יציבות תרמית של הגז הובילה ליצירת צבירי גלקסיות ומבנים קוסמיים נוספים. מודל זה מתעלם מן השאלה אם משהו היה קיים לפני המפץ הגדול, אומר ברנדנברגר. אם המודל נכון, הוא חוזה את קיומו של חותם כבידתי שיהיה אפשר לזהות בעזרת טלסקופים עתידיים. 

כתב: צ'רלס ק' צ'וי. הכתבה פורסמה במגזין "סיינטיפיק אמריקן ".