כיצד נראו המיקרו-שניות הראשונות של היקום?

כדי לחקות את התנאים ששררו בראשית היקום השתמשו מאות מדענים בחמש השנים האחרונות במפצח אטומים רב-עוצמה, המצוי במעבדה הלאומית של ברוקהייבן בלונג איילנד. מכשיר זה, הקרוי "מאיץ יונים כבדים יחסותי" (RHIC), מפגיש שתי אלומות של גרעיני זהב הנעים במהירויות הקרובות למהירות האור. התנגשויות חזיתיות בין זוגות גרעיני זהב משתי האלומות מחוללות פרצי חומר ואנרגיה חמים וצפופים ביותר, בתהליך המדמה את מה שהתחולל במיקרו-שניות הראשונות של המפץ הגדול. "מיני-מפצים" קצרים אלו מרמזים למדענים על התהליכים שאירעו ברגעים הראשונים של הבריאה.

במשך אותם רגעים ראשונים, היה החומר בליל חם ביותר ודחוס מאוד של חלקיקים הקרויים קוורקים וגלואונים, שנעו לכל עבר והתנגשו זה בזה. קומץ של אלקטרונים, פוטונים וחלקיקים אלמנטריים אחרים תיבל את המרק שנוצר. טמפרטורת התערובת הייתה בסדר גודל של טריליון מעלות, טמפרטורה החמה פי 100,000 מזו של ליבת השמש.

אך עם התפשטות היקום, החלה הטמפרטורה לצנוח, בדיוק כפי שגז רגיל מתקרר כשהוא מתפשט במהירות. הקוורקים והגלואונים האטו כל כך, עד שכמה מהם יכלו להיצמד יחד לפרקי זמן קצרצרים. כעבור כ-10 מיקרו-שניות, עקב כוחות המשיכה החזקים ביניהם, התקבצו הקוורקים והגלואונים באופן קבוע ויצרו פרוטונים, נויטרונים וחלקיקים אחרים המגיבים לכוח הגרעיני החזק, והידועים בפי הפיזיקאים בשם הכולל "הדרונים".

שינוי חד כזה בתכונותיו של חומר נקרא מעבר פאזה (בדומה למעבר המתרחש במים כשהם קופאים ועוברים ממצב נוזל לקרח מוצק). מעבר הפאזה הקוסמי מן התערובת המקורית של קוורקים וגלואונים אל אותה תערובת של פרוטונים ונויטרונים רגילים, הוא מקור לעניין עצום בקהילה המדעית - גם למי שמחפשים רמזים לגבי התפתחותו של היקום לעבר המצב המבני שהוא מצוי בו היום, וגם למי שמנסים להיטיב להבין את הכוחות הבסיסיים המעורבים בתהליך.

שרידים של ים קדמון

הפרוטונים והנויטרונים היוצרים את גרעיני האטומים כיום, הם שרידים של אותו ים קדמון, ומהווים מעין תאי כלא תת-אטומיים עבור הקוורקים הנעים בהם, כלואים לעד. אפילו בהתנגשויות רבות-עוצמה, כשנדמה שהקוורקים יוכלו להשתחרר, נוצרים "קירות" חדשים שמשאירים אותם כלואים. על אף ניסיונות של מדענים רבים, איש מהם לא הצליח לזהות קוורק יחיד הנע לבדו בגלאי חלקיקים.

RHIC מציע לחוקרים הזדמנות פז לצפות בקוורקים ובגלואונים, משוחררים מתוך פרוטונים או נויטרונים, ומצויים במצב קולקטיבי, חופשי-לכאורה הדומה למצב ששרר באותן מיקרו-שניות קדומות של היקום. התיאורטיקנים נתנו למרקחת זו את שמה המקורי - "פלזמת קוורק-גלואון", מאחר שציפו שתכונותיה יהיו דומות לתכונותיו של גז חם ביותר של חלקיקים טעונים (פלזמה), בדומה למה שנוצר במכת ברק.

 RHIC, שמפציץ גרעינים כבדים זה בזה במעין "מפצים קטנים" ומשחרר לזמן קצר קוורקים וגלואונים, משמש למעשה כמין טלסקופ בזמן, המאפשר להציץ ליקום הקדמון, שבו שלטה אותה פלזמה חמה ודחוסה של קוורק-גלואון. ההפתעה הגדולה ביותר עד כה ב-RHIC היא, שאותו חומר אקזוטי מתנהג בצורה הדומה לנוזל בעל תכונות מיוחדות, הרבה יותר מאשר לגז.

התנועה לשחרור הקוורקים

ב-1977, כשפרסם הפיזיקאי העיוני סטיבן ויינברג את ספרו הקלאסי "שלוש הדקות הראשונות" על הפיזיקה של היקום הקדום. בספרו הוא נמנע מלקבוע מסקנות חד-משמעיות לגבי מאית השנייה הראשונה. "אנו פשוט עוד לא יודעים די הצורך על הפיזיקה של חלקיקים אלמנטריים, כדי שנוכל לחשב את תכונותיה של ערבוביה כזאת, במידה כלשהי של ביטחון," הוא כתב בצער. "מכאן שהבורות שלנו לגבי הפיזיקה המיקרוסקופית היא שחוצצת בינינו לבין הבנתנו את ראשית היקום."

ואולם, פריצות דרך תיאורטיות וניסיוניות, כבר בעשור ההוא, החלו להנמיך את החיץ. ראשית התגלה שפרוטונים, נויטרונים וכל ההדרונים האחרים מכילים קוורקים. ויותר מזה - באמצע שנות ה-70 פותחה התיאוריה של הכוחות החזקים הפועלים בין הקוורקים, הקרויה כרומודינמיקה קוונטית, או QCD. תיאוריה זו הניחה ששמינייה חמקמקה של חלקיקים ניטרלים הקרויים גלואונים, סובבת בין הקוורקים ונושאת את הכוח הבלתי פוסק, הכולא אותם בתוך ההדרונים.

מה שמעניין במיוחד ב-QCD הוא, שבתיאוריה זו, שלא כבתיאוריות של הכוח האלקטרומגנטי וכוח הכבידה, כוח הצימוד נחלש כשהקוורקים מתקרבים זה לזה. תופעה מוזרה ולא אינטואיטיבית זו קיבלה את השם "חופש אסימפטוטי". היא גורמת לכך שכששני קוורקים מצויים קרוב זה לזה, במרחק הקטן מקוטרו של פרוטון (כ-10-13 סנטימטר), הם חשים כוח מוחלש, כוח שפיזיקאים מסוגלים לחשב אותו בדיוק רב בעזרת שיטות סטנדרטיות. רק כשהקוורקים מתחילים להתרחק זה מזה, הופך הכוח ביניהם לחזק באמת ומושך את החלקיקים בחזרה.

יותר מכל דבר אחר, החופש האסימפטוטי ב-QCD הוא הגורם שיאפשר לפיזיקאים להרים את החיץ של ויינברג, וללמוד על מה שקרה באותן מיקרו-שניות ראשונות. כל עוד הטמפרטורה הייתה גבוהה מ-10 טריליוני מעלות, הקוורקים והגלואונים התנהגו למעשה כחלקיקים עצמאיים. גם בטמפרטורות נמוכות יותר, עד כ-2 טריליוני מעלות, הקוורקים המשיכו לשוטט באופן עצמאי, אלא שאז הם כבר התחילו לחוש את כוח ה-QCD הכולא נושף בעורפם.

איך משחזרים את המפץ הגדול?

כדי לדמות תנאים כה קיצונים כאן על כדור הארץ, הפיזיקאים צריכים ליצור מחדש את הטמפרטורות, הצפיפויות והלחצים האדירים ששררו במיקרו-שניות הראשונות. טמפרטורה היא למעשה אנרגיה קינטית ממוצעת של חלקיק, המצוי בין אוסף של חלקיקים דומים, ואילו הלחץ הוא גודל שגדל עם הגדלת צפיפות האנרגיה של אותו אוסף חלקיקים. לכן, החדרת כמות אנרגיה גדולה ככל האפשר לתוך נפח קטן ככל האפשר, תקרב אותנו לשחזור התנאים ששררו במפץ הגדול.

למרבה המזל, הטבע מספק לנו מן המוכן גושים צפופים ביותר של חומר בצורת גרעיני האטומים. לו היה אפשר באופן כלשהו לאסוף די חומר כזה ולמלא בו אצבעון, הוא היה שוקל כ-300 מיליון טונות. כ-30 שנות ניסיון בהתנגשויות של גרעינים כבדים, כמו עופרת וזהב, באנרגיות גבוהות, לימדו שהצפיפויות הנוצרות בהתנגשויות כאלו גדולות בהרבה מאלו של חומר גרעיני רגיל, ושהטמפרטורות הנוצרות הן מעל ל-5 טריליוני מעלות.

בהתנגשות של גרעינים כבדים, שמכילים כ-200 פרוטונים ונויטרונים כל אחד, נוצר גיהינום גדול הרבה יותר מאשר בהתנגשויות של פרוטונים יחידים (התנגשויות בין פרוטונים מקובלות הרבה יותר בניסויים של פיזיקה באנרגיות גבוהות). במקום פיצוץ קטן שבו עפים החוצה כמה עשרות חלקיקים, התנגשויות של יונים כבדים כאלה יוצרות כדור אש המכיל אלפי חלקיקים. מספר החלקיקים המעורבים גדול דיו כדי לתאר את כדור האש על פי תכונותיו הקולקטיביות - הטמפרטורה, הצפיפות, הלחץ והצמיגות שלו - כל אלו נעשים פרמטרים בעלי משמעות. זו היא הבחנה חשובה בדומה להבחנה שבין התנהגותן של כמה מולקולות מים מבודדות לבין התנהגותה של טיפה שלמה.