מאת: Alastair Wilson
מקור: The Conversation
ההבנה של רובנו היא ששום דבר לא נובע מכלום. כדי שמשהו יתקיים, חייב להיות חומר או רכיב זמין, וכדי שהם יהיו זמינים, חייב להיות משהו אחר זמין. עכשיו השאלה היא: מאיפה הגיע החומר שיצר את המפץ הגדול, ומה קרה בשלב הראשון של היווצרות החומר הזה?
"הכוכב האחרון יתקרר לאט וייעלם. עם לכתו, היקום יהפוך שוב לריק, ללא אור או חיים או משמעות". כך הזהיר הפיזיקאי בריאן קוקס (Brian Cox) בסדרה Universe ששודרה לאחרונה ב-BBC. דעיכתו של אותו כוכב אחרון תהיה רק תחילתו של עידן ארוך ואפל לאין שיעור. כל החומר יתכלה בסופו של דבר על ידי חורים שחורים מפלצתיים, שבתורם יתנדפו אל נצנוצי האור העמומים ביותר. החלל יתרחב כלפי חוץ עד שאפילו האור העמום הזה יתפשט מדי מכדי לקיים אינטראקציה. הפעילות תיפסק.
אכן כך? באופן מוזר, כמה קוסמולוגים מאמינים שיקום ריק אפל וקר כמו זה שנמצא בעתיד הרחוק שלנו יכול היה להיות המקור למפץ הגדול שלנו.
החומר הראשון
אך לפני שנגיע לזה, בואו נסתכל כיצד "חומר" - חומר פיזי - נוצר לראשונה. אם אנו מכוונים להסביר את מקורותיו של חומר יציב העשוי מאטומים או מולקולות, בוודאי שלא היה דבר כזה במפץ הגדול - וגם לא במשך מאות אלפי שנים לאחר מכן. למעשה, יש לנו הבנה די מפורטת של האופן שבו האטומים הראשונים נוצרו מחלקיקים פשוטים יותר ברגע שהתנאים התקררו מספיק כדי שחומר מורכב יהיה יציב, וכיצד האטומים הללו התמזגו מאוחר יותר ליסודות כבדים יותר בתוך כוכבים. אבל ההבנה הזו לא מתייחסת לשאלה האם משהו בא יש מאין.
אז בואו נחשוב אחורה יותר. חלקיקי החומר ארוכי החיים הראשונים מכל סוג היו פרוטונים ונויטרונים, שמרכיבים יחד את גרעין האטום. אלה נוצרו בסביבות עשרת אלפית השנייה לאחר המפץ הגדול. לפני שלב זה, לא היה באמת חומר במובן המוכר של המילה. אבל הפיזיקה מאפשרת לנו להמשיך להתחקות אחר ציר הזמן לאחור - לתהליכים פיזיקליים שקודמים לכל חומר יציב.
זה לוקח אותנו למה שנקרא "עידן האיחוד הגדול" ("Grand Unified Epoch"). עכשיו, אנחנו כבר נמצאים בתחום הפיזיקה הספקולטיבית, מכיוון שאיננו יכולים לייצר מספיק אנרגיה בניסויים שלנו כדי לחקור את סוג התהליכים שהתרחשו באותה תקופה. אבל היפותזה מתקבלת על הדעת היא שהעולם הפיזי היה מורכב ממרק של חלקיקים אלמנטריים קצרי מועד - כולל קווארקים, אבני היסוד של פרוטונים וניוטרונים. היה גם חומר וגם "אנטי-חומר" בכמויות שוות בערך: לכל סוג של חלקיקי חומר, כמו הקווארק, יש בן לוויה של "תמונת מראה" אנטי-חומר, שהוא כמעט זהה לעצמו, שונה רק בהיבט אחד. עם זאת, חומר ואנטי-חומר מחוסלים בהבזק של אנרגיה כשהם נפגשים, כלומר חלקיקים אלה נוצרו והושמדו ללא הרף.
אך איך הגיעו החלקיקים האלה לקיום מלכתחילה? תורת השדות הקוונטית אומרת לנו שאפילו וואקום, המתאים כביכול למרחב-זמן הריק, מלא בפעילות פיזית בצורה של תנודות אנרגיה. תנודות אלו עלולות לגרום לחלקיקים לצאת החוצה, רק כדי להיעלם זמן קצר לאחר מכן. זה אולי נשמע כמו מוזרות מתמטית ולא פיזיקה אמיתית, אבל חלקיקים כאלה זוהו באינספור ניסויים.
מצב הוואקום במרחב-זמן סוער בחלקיקים שנוצרים ונהרסים כל הזמן, כנראה "יש מאין". אבל אולי כל מה שזה באמת אומר לנו הוא שהוואקום הקוונטי הוא (למרות שמו) משהו ולא כלום. הפילוסוף דיוויד אלברט (David Albert) מתח ביקורת בלתי נשכחת על תיאורים של המפץ הגדול המבטיחים להשיג משהו מכלום בדרך זו.
נניח שאנו שואלים: מאיפה צמח המרחב-זמן עצמו? אז נוכל להמשיך ולסובב את השעון אחורה עוד יותר, אל "עידן הפלאנק" הקדום באמת - תקופה כה מוקדמת בהיסטוריה של היקום עד שהתיאוריות הטובות ביותר שלנו לפיזיקה מתפרקות. עידן זה התרחש רק עשרה מיליון טריליון טריליון טריליונית שניה לאחר המפץ הגדול. בשלב זה, המרחב והזמן עצמם הפכו נתונים לתנודות קוונטיות. פיזיקאים בדרך כלל עובדים בנפרד עם מכניקת הקוונטים, השולטת בעולם המיקרו של החלקיקים, ועם תורת היחסות הכללית, החלה בקנה מידה גדול וקוסמי. אבל בכדי באמת להבין את עידן הפלאנק, אנו זקוקים לתיאוריה שלמה של כבידה קוונטית, הממזגת את השניים.
עדיין אין לנו תיאוריה מושלמת של כבידה קוונטית, אבל יש ניסיונות - כמו תורת המיתרים וכבידה קוונטית לולאתית (loop quantum gravity). בניסיונות אלה, מרחב וזמן רגילים נראים בדרך כלל כמתהווים, כמו הגלים על פני אוקיינוס עמוק. מה שאנו חווים כמרחב וזמן הם תוצר של תהליכים קוונטיים הפועלים ברמה מיקרוסקופית עמוקה יותר - תהליכים שאינם הגיוניים עבורנו כיצורים המושרשים בעולם המאקרוסקופי.
בעידן הפלאנק, ההבנה הרגילה שלנו של מרחב וזמן מתפרקת, כך שאיננו יכולים עוד להסתמך גם על ההבנה הרגילה שלנו לגבי סיבה ותוצאה. למרות זאת, כל התיאוריות המועמדות של כבידה קוונטית מתארות משהו פיזיקלי שהתרחש בעידן הפלאנק - איזה מבשר קוונטי של מרחב וזמן רגילים. אבל מאיפה הוא בא?
גם אם הסיבתיות כבר לא חלה בשום אופן רגיל, עדיין אפשר יהיה להסביר מרכיב אחד של היקום של עידן הפלאנק במונחים של מרכיב אחר. למרבה הצער, עד עכשיו אפילו הפיזיקה הטובה ביותר שלנו לא מצליחה לספק תשובות. עד שלא נתקדם לעבר "התיאוריה של הכל", לא נוכל לתת שום תשובה וודאית. המקסימום שאנו יכולים לומר בביטחון בשלב זה הוא שהפיזיקה עד כה לא מצאה מקרים מאושרים של משהו הנובע מכלום.
מחזוריות כמעט מכלום
כדי לענות באמת על השאלה איך משהו יכול להיווצר מכלום, נצטרך להסביר את המצב הקוונטי של היקום כולו בתחילת עידן הפלאנק. כל הניסיונות לעשות זאת נותרים ספקולטיביים ביותר. חלקם פונים לכוחות על טבעיים כמו מעצב. אבל הסברים מועמדים אחרים נשארים בתחום הפיזיקה - כמו מולטי-יקום (Multiverse), המכיל מספר אינסופי של יקומים מקבילים, או מודלים מחזוריים של היקום, שנולדים ונולדים מחדש.
הפיזיקאי זוכה פרס נובל לשנת 2020, רוג'ר פנרוז, הציע מודל אחד מסקרן אך שנוי במחלוקת ליקום מחזורי המכונה "קוסמולוגיה מחזורית קונפורמית" ("Conformal cyclic cosmology"). פנרוז קיבל השראה מקשר מתמטי מעניין בין מצב חם, דחוס וקטן מאד של היקום - כפי שהיה במפץ הגדול - לבין מצב קר, ריק ומורחב מאד של היקום - כפי שיהיה בעתיד הרחוק. התיאוריה הרדיקלית שלו להסביר את ההתכתבות הזו היא שמצבים אלה הופכים זהים מבחינה מתמטית כאשר הם נלקחים לגבולותיהם. למרות שזה נראה פרדוקסלי, היעדר מוחלט של חומר עשוי היה להוליד את כל החומר שאנו רואים סביבנו ביקום שלנו.
בתפיסה זו, המפץ הגדול נובע כמעט מכלום. זה מה שנשאר כשכל החומר ביקום נבלע לחורים שחורים, שבתורם התבשלו לפוטונים - אבודים בחלל ריק. היקום כולו נובע אפוא ממשהו - במבט מנקודת מבט פיזית אחרת - קרוב ככל שניתן להגיע לכלום. אבל שכלום הוא עדיין סוג של משהו. זה עדיין יקום פיזי, ריק ככל שיהיה.
איך אותו מצב יכול להיות יקום קר וריק מנקודת מבט אחת ויקום דחוס וחם מנקודת מבט אחרת? התשובה טמונה בפרוצדורה מתמטית מורכבת הנקראת "שינוי קנה מידה קונפורמי" ("conformal rescaling"), טרנספורמציה גיאומטרית אשר למעשה משנה את גודלו של עצם אך משאירה את צורתו ללא שינוי.
פנרוז הראה כיצד ניתן לקשר את המצב הריק הקר והמצב הדחוס החם על ידי שינוי קנה מידה כזה, כך שהם מתאימים ביחס לצורות של הזמן-מרחב שלהם - אם כי לא לגדלים שלהם. אמנם, קשה לתפוס כיצד שני אובייקטים יכולים להיות זהים בדרך זו כאשר יש להם גדלים שונים - אבל פנרוז טוען שהגודל כקונספט מפסיק להיות הגיוני בסביבות פיזיות קיצוניות כל כך.
בקוסמולוגיה מחזורית קונפורמית, כיוון ההסבר עובר מישן וקר לצעיר וחם: המצב הדחוס החם מתקיים בגלל המצב הריק הקר. אבל זה "כי" זה אינו המוכר - של סיבה שאחריה בזמן באה התוצאה. לא רק הגודל מפסיק להיות רלוונטי במצבי קיצון אלה: גם הזמן. המצב הריק הקר והמצב הדחוס החם ממוקמים למעשה על קווי זמן שונים. המצב הריק הקר ימשיך לנצח מנקודת מבטו של צופה בגיאומטריה הזמנית שלו, אבל המצב הדחוס החם, שהוא מוליד למעשה, שוכן על ציר זמן חדש משלו.
זה עשוי לעזור להבין את המצב הדחוס החם כפי שנוצר מהמצב הריק הקר בצורה לא סיבתית כלשהי. אולי עלינו לומר שהמצב הדחוס החם נובע מ, או מקורקע ב, או מתממש על ידי המצב הריק הקר. אלה הם רעיונות מטפיזיים מובהקים שנחקרו באופן מקיף על ידי פילוסופים של המדע, במיוחד בהקשר של הכבידה הקוונטית שבה נראה שהסיבה והתוצאה הרגילות מתפרקות. בגבולות הידע שלנו, הפיזיקה והפילוסופיה הופכות קשות להבחנה.
ראייה נסיונית?
קוסמולוגיה מחזורית קונפורמית מציעה כמה תשובות מפורטות, אם כי ספקולטיביות, לשאלה מהיכן הגיע המפץ הגדול שלנו. אבל גם אם החזון של פנרוז יוצדק על ידי ההתקדמות העתידית של הקוסמולוגיה, אנו עשויים לחשוב שעדיין לא ענינו על שאלה פילוסופית עמוקה יותר - שאלה על מאיפה המציאות הפיזית עצמה הגיעה. איך נוצרה כל מערכת המחזורים? ואז סוף סוף אנחנו מסיימים בשאלה הטהורה למה יש משהו ולא כלום - אחת השאלות הגדולות ביותר של המטאפיזיקה.
אבל ההתמקדות שלנו כאן היא בהסברים שנשארים בתחום הפיזיקה. ישנן שלוש אפשרויות רחבות לשאלה העמוקה יותר כיצד החלו המחזורים. הראשונה היא שלא יכול להיות לזה שום הסבר פיזיקלי. או שיכולים להיות מחזורים שחוזרים על עצמם בלי סוף, כל אחד יקום בפני עצמו, כשהמצב הקוונטי ההתחלתי של כל יקום מוסבר על ידי תכונה כלשהי של יקום קודם. או שיכול להיות מחזור בודד אחד, ויקום אחד שחוזר על עצמו, כאשר תחילתו של אותו מחזור מוסברת על ידי תכונה כלשהי של סופו. שתי הגישות האחרונות מונעות את הצורך באירועים שלא נגרמו - וזה מעניק להם משיכה ייחודית. שום דבר לא יישאר בלתי מוסבר על ידי הפיזיקה.
פנרוז צופה רצף של אינסוף מחזורים חדשים מסיבות הקשורות בחלקן לפרשנות המועדפת שלו לתורת הקוונטים. במכניקת הקוונטים, מערכת פיזיקלית קיימת בסופרפוזיציה של מצבים רבים ושונים בו זמנית, ורק "בוחרת אחד" באופן אקראי, כאשר אנו מודדים אותו. עבור פנרוז, כל מחזור כרוך באירועים קוונטיים אקראיים שמתגלים בצורה שונה - כלומר כל מחזור יהיה שונה מאלה שלפניו ואחריו. אלו למעשה חדשות טובות לפיזיקאים ניסיוניים, כי הם עשויים לאפשר לנו להציץ ביקום הישן שהוליד את היקום שלנו דרך עקבות קלושים, או חריגות, בקרינה שנותרה מהמפץ הגדול שנראתה על ידי טלסקופ החלל פלאנק. פנרוז ועמיתיו מאמינים שהם כבר הבחינו בעקבות האלה, וייחסו דפוסים בנתונים של פלאנק לקרינה מחורים שחורים על-מאסיביים ביקום הקודם. עם זאת, התצפיות שלהם אותגרו על ידי פיזיקאים אחרים וחבר המושבעים נותר בחוץ.
אינסוף מחזורים חדשים הם המפתח לחזון של פנרוז עצמו. אבל יש דרך טבעית להמיר את הקוסמולוגיה המחזורית הקונפורמית מצורה רב-מחזורית לצורה חד-מחזורית. ואז המציאות הפיזית מורכבת ממחזור אחד הסובב דרך המפץ הגדול עד למצב ריק באופן מקסימלי בעתיד הרחוק - ואז שוב מסביב לאותו המפץ הגדול ממש, שמוליד שוב את אותו היקום.
אפשרות אחרונה זו עולה בקנה אחד עם פרשנות אחרת של מכניקת הקוונטים, המכונה פירוש העולמות המרובים. פירוש העולמות המרובים אומר לנו שבכל פעם שאנחנו מודדים מערכת שנמצאת בסופרפוזיציה, המדידה הזו לא בוחרת באופן אקראי מצב. במקום זאת, תוצאת המדידה שאנו רואים היא רק אפשרות אחת - זו שמתרחשת ביקום שלנו. תוצאות המדידה האחרות מתרחשות כולן ביקומים אחרים במולטי-יקום, למעשה מנותק משלנו. אז לא משנה כמה קטן הסיכוי שמשהו יתרחש, אם יש לו סיכוי לא אפסי אז הוא מתרחש בעולם קוונטי מקביל כלשהו. יש אנשים בדיוק כמוכם שם בעולמות אחרים שזכו בלוטו, או נשאבו לעננים על ידי סופת טייפון מטורפת, או התלקחו באופן ספונטני, או עשו את שלושתם בו זמנית. יש אנשים המאמינים שניתן לצפות ביקומים מקבילים כאלה גם בנתונים קוסמולוגיים, כמו טביעות שנגרמו על ידי יקום אחר שמתנגש ביקום שלנו.
תורת הקוונטים של העולמות המרובים נותנת טוויסט חדש לקוסמולוגיה המחזורית הקונפורמית, אם כי לא כזו שפנרוז מסכים איתה. המפץ הגדול שלנו עשוי להיות לידתו מחדש של מולטי-יקום קוונטי אחד, המכיל אינסוף יקומים שונים המתרחשים כולם יחד. כל דבר אפשרי קורה - ואז זה קורה שוב ושוב ושוב.
מיתוס עתיק
עבור פילוסופים של מדע, החזון של פנרוז מרתק. הוא פותח אפשרויות חדשות להסבר המפץ הגדול, לוקח את ההסברים שלנו מעבר לסיבה ותוצאה רגילים. לכן זהו מקרה מבחן נהדר לחקור את הדרכים השונות שבהן הפיזיקה יכולה להסביר את העולם שלנו. זה ראוי ליותר תשומת לב מהפילוסופים.
עבור חובבי מיתוסים, החזון של פנרוז יפהפה. בצורתו הרב-מחזורית המועדפת על פנרוז, הוא מבטיח אינסוף עולמות חדשים שנולדו מאפר אבותיהם. בצורתו החד-מחזורית, זהו חידוש מודרני בולט לרעיון העתיק של האורובורוס, או נחש העולם. במיתולוגיה הנורדית, הנחש יורמונגנד הוא ילדם של לוקי, טריקיסטר חכם, ואנגרבודה הענקית. יורמונגנד בולע את הזנב שלו, והמעגל שנוצר מקיים את האיזון של העולם. אבל מיתוס האורובורוס תועד בכל העולם - כבר מתקופת מצרים העתיקה.
האורובורוס של היקום המחזורי היחיד הוא אכן מלכותי. הוא מכיל בתוך בטנו את היקום שלנו, כמו גם כל אחד מהיקומים האלטרנטיביים המוזרים והנפלאים האפשריים שמאפשרת הפיזיקה הקוונטית - ובנקודה שבה ראשו פוגש את זנבו, הוא ריק לחלוטין אך גם זורם באנרגיה בטמפרטורות של מאה אלף מיליון מיליארד טריליון מעלות צלזיוס. אפילו לוקי, השייפ-שיפטר, היה מתרשם.
