אסטרופיזיקה למי שאין לו זמן

 1 הסיפור הגדול מכול

כל הדברים נוצרו משכבר הימים, ושנים על שנים מתמידים בתנועה שאליה נכונו, וממנה נובע הכול.

לוקרציוס, 50 לפנה"ס לערך

בראשית, לפני קרוב לארבעה־עשר מיליארד שנים, כל החלל וכל החומר וכל האנרגיה של היקום המוכר היו מרוכזים בנפח הקטן פי אחד חלקי טריליון מגודל הנקודה שבסוף משפט זה.

התנאים היו כל כך לוהטים, עד שכוחות הטבע היסודיים המתארים ביחד את היקום היו מאוחדים. אף שעדיין לא ידוע כיצד נוצר היקום הזה, הזעיר־מחוד־סיכה, לא היתה לו ברירה אלא להתפשט. במהירות. באירוע שאנו מכנים כיום המפץ הגדול.

תורת היחסות הכללית של איינשטיין, שהוצגה בשנת 1916, מעניקה לנו את ההבנה המודרנית של הכבידה, שעל פיה נוכחות של חומר ושל אנרגיה מעקמת את מרקם החלל והזמן מסביבם. בשנת 1920 תתגלה מכניקת הקוונטים ותספק לנו את ההבנה המודרנית של כל הדברים הקטנים: מולקולות, אטומים וחלקיקים תת־אטומיים. אבל שתי ההבנות הללו של הטבע לא עלו בקנה אחד זו עם זו, ולכן הפיזיקאים פתחו במרוץ למזג את תיאוריית הקטן עם תיאוריית הגדול לתיאוריה עקבית אחת של כבידה קוונטית. אף שלא הגענו עדיין לקו הסיום, אנחנו יודעים היכן בדיוק מוצבות המשוכות הגבוהות. אחת מהן ניצבת ב"תקופת פְּלאנק" של היקום המוקדם. טווח הזמן שבין t = 0 ל־t = 10-43 שניות (אחד חלקי עשרה מיליון טריליונים של טריליונים של טריליונים של שנייה) לאחר ההתחלה, ולפני שהיקום גדל לאורך של 10-35 מטרים (מאה מיליארד טריליון טריליונים של מטרים) מקצה לקצה. הפיזיקאי הגרמני מקס פלאנק, אשר על שמו נקראים חלקיקים קוונטיים קטנים מעבר לכל דמיון, הציג את רעיון הקוונטיות של האנרגיה בשנת 1900 ונחשב בציבור לאבי מכניקת הקוונטים.

ההתנגשות בין תורת הכבידה למכניקת הקוונטים לא מציבה שום בעיה מעשית בפני היקום בן זמננו. האסטרופיזיקאים מיישמים את העקרונות והכלים של תורת היחסות הכללית ושל מכניקת הקוונטים על סוגי בעיות שונים בתכלית. אבל בהתחלה, בתקופת פלאנק, הגדול היה קטן, ואנחנו חושדים שהתקיימה מעין חתונה כפויה בין השניים. לצערנו, לא ידוע לנו מה היו הנדרים שהוחלפו בטקס, ואין חוקים פיזיקליים (מוכרים) שמתארים במהימנות את התנהגות היקום בזמן ההוא.

ובכל זאת אנחנו משערים שבתום תקופת פלאנק נחלצה הכבידה מבין הכוחות האחרים, שהיו עדיין כוחות טבע מאוחדים, והשיגה לעצמה זהות עצמאית המתוארת יפה על ידי התיאוריות הנוכחיות. בעת שהיקום בן ה־10-35 שניות המשיך להתפשט ולדלל את כל ריכוזי האנרגיה, מה שנותר מהכוחות המאוחדים התפצל לכוח האלקטרו־חלש ולכוח הגרעיני החזק. מאוחר יותר התפצל הכוח האלקטרו־חלש לכוח האלקטרומגנטי ולכוח הגרעיני החלש, וחשף את ארבעת הכוחות הנפרדים שלמדנו להכיר ולאהוב: הכוח החלש השולט בדעיכה הרדיואקטיבית, הכוח החזק המדביק את גרעיני האטומים, הכוח האלקטרומגנטי המדביק מולקולות, והכבידה המחברת את גושי החומר.

*

טריליונית שנייה חלפה מאז ההתחלה.

*

בינתיים לא היתה הפוגה בפעולות ההדדיות המתרחשות בין החומר בצורת חלקיקים תת־אטומיים לבין האנרגיה בצורת פוֹטוֹנים (כלי קיבול חסרי מסה של אנרגיית אור, בעלי תכונות גליות כמו גם תכונות חלקיקיות). היקום היה חם מספיק כדי שהפוטונים יהפכו ספונטנית לזוגות חלקיקים של חומר ואנטי־חומר, שמיד אחר כך מאיינים זה את זה ומחזירים את האנרגיה שלהם לפוטונים. כן, אנטי־חומר קיים באמת. ואנחנו גילינו אותו, לא סופרי המדע הבדיוני. המפלצות חסרות הצורה הללו מתוארות בשלמותן במשוואה המפורסמת ביותר של איינשטיין: E = mc2, שהיא מתכון דו־כיווני לבירור כמה חומר שווה האנרגיה שלכם, וכמה אנרגיה שווה החומר שלכם. אותו c2 הוא מהירות האור בריבוע, מספר עצום אשר מוכפל במסה, ומסביר לנו כמה אנרגיה תקבלו למעשה בתהליך.

קצת לפני, תוך כדי, ולאחר שהכוח החזק והכוח האלקטרו־חלש פירקו את השותפות, היה היקום מרק רותח של קְווארקים, לֶפּטונים ותאומיהם האנטי־חומר, יחד עם הבּוֹזוֹנים, החלקיקים שמאפשרים את האינטראקציה ביניהם. אנחנו סבורים כי אף אחת ממשפחות החלקיקים הללו אינה ניתנת לחלוקה למשהו קטן יותר או בסיסי יותר, אם כי לכל אחת מהן יש כמה גרסאות. הפוטון הרגיל חבר במשפחת הבוזונים. הלפטונים המוכרים ביותר למי שאינם פיזיקאים הם האלקטרונים ואולי גם הניטרינו, הקווארקים המוכרים ביותר הם... טוב, אין קווארקים מוכרים. לכל אחד מששת הזנים שלהם הוצמד שם מופשט נטול מטרה פילולוגית, פילוסופית או חינוכית, רק כדי להבחין ביניהם: למעלה ולמטה, מוזר וקסום, עליון ותחתון.

דרך אגב, הבוזונים קרויים על שם המדען ההודי סֶטְיֵנְדְרָה נַאתְהְּ בּוֹז. המילה "לפטון" נגזרת מהמילה היוונית לפטוס, שמשמעה "אור" או "קטן". למילה קווארק, לעומת זאת, יש מקור ספרותי רב השראה בהרבה. הפיזיקאי מארי גֶל־מאן, שהעלה בשנת 1964 את הרעיון שקיימים קווארקים שמהם מורכבים הנויטרונים והפרוטונים, ושחשב בזמנו ששלושה חלקיקים בלבד חברים במשפחת הקווארקים, נתן להם שמות מתוך השורה המתעתעת של ג'יימס ג'ויס ברומן “Finnegan’s Wake" ("סעודת האשכבה של פיניגן"): "שלושה קווארקים למר מארק!"

דבר אחד ניתן לומר לזכותם של הקווארקים: כל השמות שלהם פשוטים — חבל שכימאים, ביולוגים ובמיוחד גיאולוגים לא מצליחים להגיע לפשטות הזאת בשמות שהם ממציאים.

הקווארקים הם חיות קצת מוזרות. בניגוד לפרוטונים, שלכל אחד מהם מטען חשמלי של 1+, ולאלקטרונים, שלכל אחד מהם מטען חשמלי של 1-, לקווארקים יש מטען חשמלי של שליש או שני שלישים. ולעולם לא תצליחו לתפוס קווארק לבדו, הוא תמיד נצמד לקווארקים בסביבה. למעשה, הכוח שמחזיק אותם בזוגות (או יותר) יתחזק ככל שתרחיקו אותם זה מזה — כאילו שהיו מחוברים בגומייה תת־גרעינית. כך שאם תרחיקו את הקווארקים זה מזה במידה מספקת, תיקרע הגומייה, והאנרגיה האצורה בהם, E = mc2, תתגייס ליצירת קווארק חדש בכל צד, כלומר תחזרו לנקודת ההתחלה.

בתקופת הקווארק־לפטון היה היקום דחוס מספיק כדי שהמרחק הממוצע שהפריד בין קווארקים בלתי צמודים יתחרה במרחק שהפריד בין קווארקים צמודים. בתנאים אלו לא היה אפשר לבסס נאמנות חד־משמעית בין קווארקים סמוכים, והם נעו בחופשיות בינם לבין עצמם, אף שהיו קשורים זה לזה באופן קבוצתי. התגלית הנוגעת למצב החומר הזה, מעין קדירת קווארקים, דוּוחה בפעם הראשונה בשנת 2002 על ידי צוות פיזיקאים מהמעבדה הממשלתית בברוקהייבן, לונג איילנד, ניו יורק.

ראיות תיאורטיות חזקות רומזות שהתרחשות כלשהי, מוקדם מאוד בחיי היקום, אולי כאשר אחד הכוחות התפצל, יצרה ביקום אי־סימטריה ראויה לציון, מצב שבו חלקיקי החומר עלו במספרם רק במעט על חלקיקי האנטי־חומר: ביחס של מיליארד ואחד חלקיקים למיליארד. ההפרש הקטן בין אוכלוסיות החלקיקים היה כמעט בלתי מורגש בתוך הרצף הבלתי פוסק של יצירה, אִיוּן, ויצירה מחדש של קווארקים ואנטי־קווארקים, אלקטרונים ואנטי־אלקטרונים (המוכרים יותר בתור פוזיטרונים), ניטרינו ואנטי־ניטרינו. לכל חלקיק נתון היו טריליון הזדמנויות למצוא מישהו להתאיין איתו, וכך עשו כולם.

אבל זה לא נמשך עוד זמן רב. ככל שהיקום המשיך להתפשט ולהתקרר, ועבר בגודלו את ממדיה של מערכת השמש שלנו, צנחו הטמפרטורות במהירות אל מתחת לטריליון מעלות קלווין.

*

מיליונית שנייה חלפה מאז ההתחלה.

*

היקום הפושר כבר לא היה חם ודחוס מספיק כדי לבשל קווארקים, ואז כל אחד תפס לעצמו בן זוג למחול, ויצר משפחה קבועה חדשה של חלקיקים כבדים המכונים הדרוֹנים (מהמילה היוונית הדרוס שמשמעה "עבה"). כתוצאה מהמרת הקווארקים להדרונים צצו חיש מהר פרוטונים ונויטרונים, ועמם גם החלקיקים המוכרים פחות, וכולם יחד יצרו שילובים שונים של זני קווארקים. במיזם האירופאי לשיתוף פעולה בפיזיקת חלקיקים הנמצא בשווייץ1 (חזרנו לכדור הארץ) משתמשים במאיץ גדול כדי ליצור התנגשויות בין אלומות ההדרונים בניסיון לשחזר את אותם תנאים ממש. המכונה הזאת, הגדולה בתבל, נקראת — כמה הגיוני — "מאיץ הדרונים גדול".

אי־הסימטריה הקלה של חומר ואנטי־חומר שאפיינה את מרק הקווארקים־לפטונים עברה כעת להדרונים, אבל עם השלכות יוצאות דופן.

ככל שהיקום המשיך להתקרר, צנחה כמות האנרגיה הזמינה ליצירה ספונטנית של חלקיקים יסודיים. בתקופת ההדרונים, פוטונים שכנים לא יכלו כבר להשתמש בנוסחה E=mc2 כדי לייצר זוגות קווארק ואנטי־קווארק. ויתרה מכך, הפוטונים שהגיחו מכל שאריות האיוּנים איבדו אנרגיה לטובת היקום ההולך ומתפשט, עד שהאנרגיה צנחה אל מתחת לסף הדרוש ליצירת זוגות הדרון־אנטי־הדרון. מתוך כל מיליארד איונים — שהותירו מאחוריהם מיליארד פוטונים — רק הדרון אחד בלבד שרד. ההדרונים הבודדים הללו זכו בכל הכיף: הם היו המקור הראשוני לחומר שממנו נוצרו הגלקסיות, הכוכבים, כוכבי הלכת והפֶּטוּניות.

ללא חוסר האיזון של מיליארד ואחד למיליארד בין החומר לאנטי־חומר, כל המסה של היקום היתה מאיינת את עצמה, ומותירה יקום שעשוי מפוטונים בלבד, ללא שום דבר אחר, תרחיש מושלם לביטוי "ויהי אור".

*

עד עכשיו חלפה שנייה אחת.

*

היקום הגיע לגודל של שנות אור אחדות מקצה לקצה,2 כאורך המרחק מהשמש לכוכב השכן הקרוב ביותר. במיליארד מעלות, עדיין חם כהוגן — והיקום עדיין יכול לבשל אלקטרונים, אשר יחד עם בני זוגם הפוזיטרונים, ממשיכים לדלג בין קיום ואי־קיום. אבל ביקום שממשיך להתפשט ללא הרף, ימיהם ספורים, כלומר שניותיהם ספורות. מה שחל על הקווארקים, וחל על ההדרונים, חל בהמשך גם על האלקטרונים: בסופו של דבר שורד רק אלקטרון אחד ממיליארד. השאר מתאיינים באמצעות פוזיטרונים, תאומי האנטי־חומר שלהם, בתוך ים הפוטונים.

בשלב הזה בערך, אלקטרון אחד לכל פרוטון "קופא" במצב של קיום. בעוד היקום ממשיך להתקרר — חומו יורד אל מתחת למאה מיליון מעלות — פרוטונים מתמזגים עם פרוטונים אחרים כמו גם עם נויטרונים, ויוצרים גרעיני אטומים שמהם יבקע יקום שבו תשעים אחוז מהגרעינים הם מימן ועשרה אחוז הליום, נוסף על כמויות זעירות של דוטריום (מימן "כבד"), טריטיום (מימן עוד יותר כבד) וליתיום.

*

שתי דקות חלפו מההתחלה.

*

במשך 380,000 השנים הבאות לא יקרה הרבה במרק החלקיקים שלנו. במשך כל אותן אלפי שנים נותרה הטמפרטורה גבוהה מספיק כדי שאלקטרונים ינדדו בחופשיות בין הפוטונים, כשהם חובטים בהם מצד לצד תוך כדי האינטראקציות בין הפוטונים לבין עצמם.

אבל החופש נקטע באכזריות כשהטמפרטורה ביקום צונחת אל מתחת ל־3,000 מעלות קלווין (כמחצית מהטמפרטורה שעל פני השמש), וכל האלקטרונים החופשיים מצטרפים לגרעינים. הנישואים משאירים מאחוריהם מרחץ חובק כול של אור נראה, מטביעים בשמים עדויות נצחיות למיקומו של כל החומר באותו רגע, וחותמים את שלב יצירת החלקיקים והאטומים ביקום הקדמוני.

*

במשך מיליארד השנים הראשונות המשיך היקום להתפשט ולהתקרר בעוד הכבידה מרכזת את החומר לריכוזים מסיביים שאנחנו מכנים גלקסיות. נוצרו כמעט מאה מיליארד גלקסיות, בכל אחת מהן מאות מיליארדי כוכבים שהיתוך גרעיני מתרחש בליבתם. בליבת הכוכבים שמָסָתָם גדולה פי עשרה ממסת השמש היה די לחץ וטמפרטורות גבוהות מספיק כדי לייצר עשרות יסודות כבדים יותר ממימן, כולל היסודות שמרכיבים את כוכבי הלכת ואת כל צורות החיים שעשויות לשגשג על פניהם.

היסודות האלה היו חסרי תועלת להחריד אילו נשארו במקום שבו נוצרו. למרבה המזל, כוכבים בעלי מסה גבוהה מתפוצצים, ומפזרים את קרביהם עתירי הכימיה ברחבי הגלקסיה. לאחר תשעה מיליארד שנות העשרה כימית שכזו, בחלק סתמי של היקום (בשולי צביר־העל וירגו) בגלקסיה סתמית (שביל החלב) באזור סתמי (זרוע אוריון) נולד כוכב סתמי (השמש).

ענן הגזים שיצר את השמש הכיל אספקה גדולה של חומרים כבדים שהיה בה כדי למזג ולהשריץ מלאי מורכב של עצמים שיקיפו אותו, ביניהם כמה כוכבי לכת סלעיים או גזיים, מאות אלפי אסטרואידים, ומיליארדי כוכבי שביט. במאות מיליוני השנים הראשונות, כמויות גדולות של שאריות שפוכת שנעו במסלולי הקפה תועים הצטברו לגופים גדולים. זה קרה תוך כדי התנגשויות במהירויות ובאנרגיות גבוהות, שהתיכו את פני השטח של כוכבי הלכת הסלעיים, ומנעו היווצרות של מולקולות מורכבות.

ככל שפחתה במערכת השמש כמות החומר הניתן להתכה החלו פני כוכבי הלכת להתקרר. כוכב הלכת שאנחנו מכנים כדור הארץ נוצר באזור חמים ונעים ליד השמש, שבו אוקיינוסים נשארים לרוב במצב נוזלי. אילו היה כדור הארץ קרוב יותר לשמש היו האוקיינוסים מתאדים. אילו היה כדור הארץ רחוק יותר מהשמש היו האוקיינוסים קופאים. בכל מקרה, החיים בצורתם המוכרת לנו לא היו מתפתחים.

בתוך הנוזל המועשר כימית של האוקיינוסים, באמצעות מנגנון שעדיין לא התגלה, הפכו מולקולות אורגניות לחיים המסוגלים לשכפל את עצמם. מי שנתן את הטון במרק הקדמוני הזה היו חיידקים אנאירוֹבּיים פשוטים — צורת חיים שמשגשגת בסביבה נטולת חמצן אבל פולטת חמצן יעיל כימית כאחד מתוצרי הלוואי שלה. האורגניזמים החד־תאיים הקדומים הללו הפכו ללא כוונה את האטמוספרה של כדור הארץ, העשירה בפחמן דו־חמצני, לאטמוספרה בעלת כמות מספיקה של חמצן כדי שאורגניזמים אירוביים יגיחו וישלטו בים וביבשה. אותם אטומי חמצן, שכרגיל נמצאים בזוגות (O2), הסתדרו גם בשלישיות ויצרו מולקולות אוזון (O3) באטמוספרה העליונה, המגנות על פני כדור הארץ מרוב הפוטונים האולטרה־סגולים עויני המולקולות שפולטת השמש.

המגוון המרשים של צורות החיים על פני כדור הארץ, וניתן להניח שגם בכל מקום אחר ביקום, קיים בזכות שפע הפחמן ואינספור המולקולות הפשוטות והמורכבות המכילות אותו. אין ספק בעניין: ישנן גרסאות של מולקולות פחמן במספר רב יותר מכל סוגי המולקולות האחרים גם יחד.

אבל החיים שבריריים. המפגשים המזדמנים של כדור הארץ עם שביטים ואסטרואידים תועים, שהיו בעבר אירועים שגרתיים, טלטלו והשחיתו מדי פעם את המערכת האקולוגית שלנו. רק לפני שישים וחמישה מיליון שנה (פחות משני אחוז מחייו של כדור הארץ) הכה אסטרואיד שמסתו עשרה טריליון טון בחצי האי יוּקָטָן שבמקסיקו והשמיד יותר משבעים אחוז מהחי והצומח על פני כדור הארץ — כולל הדינוזאורים המפורסמים והמופרזים בגודלם. הכחדה. האסון האקולוגי הזה אִפשר לאבותינו היונקים למלא את החללים שהתפנו פתאום, במקום להמשיך לתפקד בתור נשנושים לטירֶקסים. אצל אחד מענפי היונקים בעלי מוח גדול, שאנו מכנים פּרימָטים, התפתח מין וזן (הומו סאפּיינס) בעל תבונה מספקת כדי להמציא שיטות וכלים מדעיים — ולהסיק בעזרתם מסקנות על מקור היקום והתפתחותו.

*

מה קרה לפני כל זה? מה קרה לפני ההתחלה?

לאסטרופיזיקאים אין מושג. ליתר דיוק, מסקנותינו היצירתיות ביותר נסמכות על בסיס מדעי ניסיוני קטן מאוד, אם בכלל. בתגובה, יש אנשים דתיים הטוענים, בשמץ של צדק, שמשהו היה חייב להתחיל את הכול, כוח גדול יותר מכל האחרים, המקור שממנו הכול נובע. המניע הראשי. לדעתו של אדם דתי, המשהו הזה הוא כמובן אלוהים.

אבל אולי היקום היה קיים תמיד, במצב או בתנאים שיש לזהות עדיין — שייך למערכת יקומים מקבילים שמולידים כל הזמן עוד ועוד יקומים? או שאולי היקום צץ ככה סתם מתוך הלא כלום? או אולי כל מה שאנחנו מכירים ואוהבים הוא רק הדמיית מחשב שנועדה לשעשע חייזרים נבונים להפליא?

הרעיונות הפילוסופיים המשעשעים הללו לרוב אינם מספקים אף אחד. ובכל זאת, הם מזכירים לנו שבּוּרוּת היא הלך הרוח הטבעי של מדענים חוקרים. אנשים שמאמינים שהבורות זרה להם כנראה מעולם לא נתקלו בגבול שבין הנודע לבלתי נודע ביקום, ובוודאי שלא חיפשו אחריו.

מה שאנחנו כן יודעים, ומה שאנחנו יכולים לקבוע ללא כל היסוס, הוא שליקום היתה התחלה. היקום ממשיך להתפתח. וכן, לכל אחד ואחד מהאטומים בגופנו יש שורשים במפץ הגדול ובכבשנים התרמו־גרעיניים בתוך הכוכבים רבי המסה שהתפוצצו לפני יותר מחמישה מיליארד שנים.

אנחנו אבק כוכבים שניעור לחיים, ואז קיבל מהיקום כוחות כדי להבין את עצמו — ואנחנו רק בהתחלה.

1 המרכז האירופאי למחקר גרעיני, המוכר יותר בראשי התיבות שלו CERN.

2 שנת אור היא המרחק שהאור עובר בזמן השקול לשנה אחת של כדור הארץ — כעשרה טריליון קילומטרים.