העובדה המדהימה ביותר על היקום

מהי העובדה המדהימה ביותר על היקום? לא, זו לא העובדה שאנחנו עשויים מאבק כוכבים, וגם לא קיומם של חורים שחורים. זו עובדה פשוטה כל כך, שאנחנו לוקחים אותה כמובן מאליו, ובלעדיה - כל המדע, כל הידע האנושי, היה קורס לכאוס מוחלט. דמיינו עולם שבו כוח הכבידה יכול פשוט 'להיכבות' לרגע. שבו חוקי הפיזיקה של אתמול לא תקפים למחר. בעולם כזה, שום דבר לא היה הגיוני, ושום תגלית לא הייתה אפשרית. המאמר הזה לא עוסק בתגלית מדעית ספציפית, אלא בשאלה עמוקה יותר: מדוע היקום שלנו "ניתן להבנה" מלכתחילה? ואיך העובדה הזו היא הפלא הגדול מכולם, זה שמאפשר את כל שאר הפלאים.

מאת: Ethan Siegel

מקור: BigThink

בעולם שסביבנו קיימים אינספור פלאים שממתינים להתגלות. בכל רובד של המציאות מסתתרות חידות, תעלומות ועובדות שממתינות לנו - שנבחן, נגלה, ונרכיב מהן תמונה מדויקת, חזקה ומקיפה יותר ויותר של מה שהמציאות באמת. בחלל אנו יכולים לצפות למרחקים עצומים, לזמנים קדומים, לאורכי גל קצרים או ארוכים - ואף מעבר לרעיון של אור עצמו - כדי לחשוף את סודותיו הגדולים ביותר של הטבע. כאן על פני כדור הארץ, אנו יכולים לבדוק כל מערכת חומרית שנבחר - בכל מצב צבירה, בין אם היא חיה או דוממת, בכל קנה מידה שנעז לחקור - ולגלות את מנגנוניה הפנימיים, עד גבולות היכולת שלנו לחקור את עולמות התת-אטום.

ובכל זאת, ישנה עובדה אחת פשוטה על היקום שחודרת עמוק יותר מכל הבנה פרטית של היבט כלשהו במציאות: העובדה שהיקום עצמו ניתן להבנה. הדבר מתאפשר רק מכיוון ש:

• הטבע עצמו מציית לחוקים,

• החוקים הללו הם אוניברסליים,

• הם חלים תמיד ובכל מקום באופן שווה,

• והם אינם משתנים או מתפתחים - גם כאשר התנאים שבהם הם פועלים משתנים,

לכן תהליך החקירה המדעי של המציאות מספק לנו תשובות הגיוניות. אילו עובדה זו לא הייתה נכונה, כל מה שאנו מבינים - כמו גם כל תחזית שנוכל לנסח או הסבר שנמציא בדיעבד - היה הופך לכאוס חסר פשר. וזו, בפני עצמה, העובדה העמוקה ביותר על הקיום - והיא גם זו שמאפשרת את עצם קיומו של המדע. הנה כיצד.

למרות שבני אדם מורכבים מתאים, ברמה יסודית יותר אנחנו עשויים מאטומים. בסך הכול, יש בגוף האדם כ־10^28 אטומים - בעיקר אטומי מימן מבחינת כמות, אך בעיקר חמצן ופחמן מבחינת מסה / Credit: Dave Collins/Dave’s Brain

חשבו על העובדה המדעית האהובה עליכם ביותר בנוגע ליקום: משהו שלמדנו הודות לתצפיות, מדידות או ניסויים שבחנו היבט מסוים של המציאות. זו יכולה להיות עובדה:

• פיזיקלית, כמו העובדה שגופנו וכל מה שסביבנו עשוי מאטומים.

• אסטרופיזיקלית, כמו העובדה שהאטומים המורכבים שמרכיבים אותנו נוצרו בליבה של כוכבים שהתפוצצו לפני מיליארדי שנים, והחומר שהותירו אחריהם נטמע בענן הראשוני שממנו נוצרה מערכת השמש שלנו.

• כימית, כמו העובדה ששבירת קשרים כימיים ויצירתם מחדש היא שמניעה את כל התהליכים האורגניים והאנאורגניים על פני כדור הארץ.

• ביולוגית, כמו העובדה שחומצות הגרעין שבתאי גופנו מקודדות את סוגי החלבונים, האנזימים והמִבנים שכל תא ייצור.

• גיאולוגית, כמו האופנים שבהם נוצרים סלעים, מינרלים או ליבות של כוכבי לכת.

• או אקלימולוגית, כמו העובדה שכדור הארץ חם בכ-33 מעלות צלזיוס יותר ממה שהיה אמור להיות אילו לא הייתה לו אטמוספירה.

וכל אלה הן רק דוגמאות.

כל אחת מהעובדות הללו התגלתה בזכות בני אדם שצפו במציאות, אספו וחקרו נתונים ממגוון מקורות, חקרו היבטים מבודדים של המציאות ואת הקשרים שביניהם, ושילבו תיאוריות על אופן פעולתו של היקום עם ממצאים ניסויים או תצפיתיים שנאספו במהלך בחינת פעולתו של הטבע. גילינו את העובדות הללו על המציאות בפשטות: באמצעות שימוש בידע שכבר היה ברשותנו כבסיס, והפניית שאלות מפתח אל היקום עצמו.

האזור הצפוף הזה של החלל ממוקד בצביר הגלקסיות SDSS J1004+4112, ומציג מספר עצמים שנראים מופיעים כמה פעמים - תוצאה של עידוש כבידתי. פעם כונה "עדשת חמשת הכוכבים", אך ההופעות הדמויות-כוכב שבמרכז הצביר הן למעשה אותו קוואזר, שמופיע חמש פעמים באותו שדה ראייה: תעתוע מרהיב של אור וכבידה / Credit: ESA, NASA, K. Sharon (Tel Aviv University) and E. Ofek (Caltech)

כך פועל המדע ביסודו. אנחנו תמיד מתחילים מקבוצת הנחות יסוד: נקודת פתיחה שמאפשרת כל צעד נוסף. לאחר מכן אנו משתמשים במה שאנחנו כבר יודעים כדי לנסח תחזית או לקבוע ציפייה כלשהי - מה אנו מצפים שיקרה תחת מערכת פיזיקלית מסוימת או תנאים מוגדרים. אז, תחת תנאים מבוקרים ככל האפשר, אנו מתבוננים ומודדים מה קורה בפועל בעולם החומרי האמיתי. לבסוף, אנו משלבים את כל המידע שנאסף - גם במחקר הנוכחי וגם בכל המחקרים הרלוונטיים שקדמו לו - ומסיקים את המסקנות הטובות ביותר הנתמכות על ידי הנתונים.

אולי זה לא נשמע כמו "השיטה המדעית" שלימדו אתכם בבית הספר, אבל זהו תיאור מדויק יותר של המציאות, בניגוד להסבר הקלאסי הכולל:

• ניסוח השערה,

• עיצוב ניסוי לבדיקתה,

• ביצוע הניסוי,

• ניתוח התוצאות,

• והסקת מסקנה שתאשר, תפריך או תחדד את ההשערה.

כי המטרה האמיתית של המדע אינה רק לבדוק רעיונות היפותטיים, אלא להעשיר את הידע שלנו על העולם והיקום כפי שהם באמת, הרבה מעבר למה שהבנתנו הטובה ביותר ידעה עד כה.

כדור הארץ, כפי שצולם על ידי גשושית מסנג'ר של נאס"א בדרכה הרחק מאיתנו, מציג בבירור את צורתו הכדורית של כוכב הלכת שלנו. זוהי תצפית שלא ניתן לבצע מנקודת מבט אחת על פני השטח, אך קיימות דרכים תקפות רבות למדוד את עקמומיות כדור הארץ - וכולן מובילות לאותה מסקנה. אין אף בדיקה מדעית תקפה התומכת בכדור ארץ שטוח על פני כדור עגול, מה שמחזק את העמדה המדעית המקובלת לגבי צורתו של כדור הארץ / Credit: NASA/MESSENGER

אבל למה זה בכלל עובד? איך ייתכן שאנחנו מסוגלים להסיק מסקנות לא רק על מה שלמדנו היום, מהתצפיות והניסויים העכשוויים, אלא גם ממה שנצפה, נמדד ונלמד בעבר? הכול בזכות עובדה יסודית אחת, מדהימה, שלרוב אנו מקבלים כמובן מאליו: העובדה שהיקום בנוי כך שהוא ניתן להבנה.

היו אינספור דרכים שבהן היקום היה יכול להיות שונה - שונה עד קצה הדמיון - באופן שהיה מונע את האפשרות להבין אותו. הנה רק כמה דוגמאות:

• היקום יכול היה לפעול לפי חוקים יסודיים שאינם קבועים: כוחות שמופיעים ונעלמים, שמפעילים את עצמם או כבים פתאום, או שמשנים את עוצמתם באופן קפריזי מרגע לרגע.

• ייתכן שהיו בו "באגים" או חוסר יציבות: רגעים בזמן או אזורים במרחב שבהם חוקי הפיזיקה אינם חלים, והכל קורה בניגוד למה שלמדנו.

• היקום יכול היה להיות תלוי בכוחות או תופעות בלתי ניתנים לחיזוי ובלתי ניתנים לתצפית - כמו משפיע סמוי על המציאות שאי אפשר למדוד או לקלוט אותו כלל.

• או שהוא היה פשוט בלתי עקבי מבחינה לוגית, כך שלחתוך חפץ לשניים היה גורם לשכפולו - לא לחלוקתו.

מחלקה מרתקת של יצורים בשם סיפונופורים (Siphonophores) היא למעשה אוסף של בעלי חיים קטנים הפועלים יחד ליצירת אורגניזם קולוניאלי אחד גדול. יצורים אלה נעים על הגבול שבין אורגניזם רב-תאי לבין אורגניזם קולוניאלי. גם כאשר האוסף הזה מפגין התנהגויות מורכבות ובעלות מאפיינים מערכתיים מפתיעים, החוקים הבסיסיים שמנחים אותו נותרים קבועים – מרגע לרגע, וממקום למקום / Credit: Kevin Raskoff, Cal State Monterey; Crisco 1492/Wikimedia Commons

אם אחד מהתרחישים ההיפותטיים הללו היה נכון - לא היינו מסוגלים להבין את היקום כפי שאנו מבינים אותו כיום.

קחו לדוגמה את כוח הכבידה. כאן, על פני כדור הארץ, כל דבר - כולל אנחנו - מואץ כלפי מטה באותה מידה: 9.8 מטר לשנייה בריבוע. אנחנו מקבלים כמובן מאליו שההאצה הזו קבועה, יציבה, זהה בכל מקום ובכל זמן - והיא אינה משתנה. ובאמת, אותו חוק כבידה הוא זה שמחזיק את כדור הארץ יחד, שמניע את הירח ואת לוויינינו סביבו, ושמאפשר את תנועת כדור הארץ ושאר גרמי השמיים סביב השמש.

אבל מה אם כוח הכבידה לא היה קבוע? מה אם היה משתנה מרגע לרגע? מה אם היה "כבה" מדי פעם וחוזר לפעול, או משנה את כיוונו כך שנאיץ כלפי מעלה במקום למטה? מה אם היה פועל באופן כאוטי - נחלש ומתחזק באקראיות - עד כדי כך שהיינו מרחפים באוויר, שוקעים בקרקע, מתרוממים ואז מתרסקים חזרה?

ביקום כזה, כל מושג של מדע היה חסר משמעות. לא היה אפשר לחזות דבר או להסיק מסקנות מתוך ניסיון העבר. ובכל זאת, היקום שלנו כן מאפשר זאת - וזה מה שהופך את עצם קיומו של מדע להבנה עמוקה ומרעישה כל כך.

במציאות המוכרת לנו, כדור הארץ מקיף את השמש במסלול יציב, בעוד השמש ממשיכה לזהור ונשארת מקור יחסית קבוע - המשתנה רק במעט - של מסה וכבידה. אך אם חוק הכבידה או עוצמת האינטראקציה הכבידתית היו משתנים בצורה דרמטית, השמש הייתה עלולה לקרוס לחור שחור ולהשמיד את כדור הארץ ולפורר אותו לחלוטין. רק מפני שחוקי הטבע נותרים זהים לאורך הזמן וברחבי המרחב, אנו יכולים להיות בטוחים שמחר אכן יגיע בשלום / Credit: ESO/M. Kornmesser

יקום כזה - במקום להיות מסודר - היה כאוטי לחלוטין ובלתי ניתן לחיזוי. לא היינו יכולים להסיק היכן התפוצץ רימון, למשל, פשוט על ידי מעקב אחר רסיסים והחזרת כל אחד מהם לנקודת המוצא שלו - כי כל רסיס לא רק שלא היה מציית בהכרח לאותם חוקים לאורך זמן, אלא ייתכן שכל רסיס היה נשמע לחוקים אחרים לחלוטין משל עמיתיו.

ביקום כזה, כוכבי לכת לא היו יכולים להישאר במסלולים יציבים סביב הכוכבים שלהם - ואפילו לא היו מסוגלים להחזיק את עצמם יחד. גלקסיות היו מתפרקות בכל פעם שכוח הכבידה היה "כבה" או הופך לשלילי, ואז היו נבנות מחדש באלימות כשהכבידה חוזרת לפעול בעוצמה רגילה (או חזקה יותר). מסלולי התנועה העתידיים של גופים היו בלתי צפויים לגמרי, וגם לא היינו מסוגלים להסיק שום דבר על עברם - כי החוקים הפיזיקליים היו משתנים, מבלבלים ולא עקביים. הכאוס הזה היה מונע מאיתנו כל אפשרות להבין משהו אמיתי על מה שקרה או מה שיקרה. ובלעדיהם - כל אותם "עובדות מדהימות" אחרות על המציאות לא היו אפשריות כלל.

הקווארקים, האנטי-קווארקים והגלואונים במודל הסטנדרטי נושאים מטען צבע, בנוסף לכל התכונות האחרות כמו מסה ומטען חשמלי. כל החלקיקים הללו, פרט לגלואונים ולפוטונים, חווים את האינטראקציה החלשה. רק הגלואונים והפוטונים חסרי מסה; כל שאר החלקיקים, כולל הנייטרינים, נושאים מסת מנוחה שונה מאפס / Credit: E. Siegel/Beyond the Galaxy

אבני היסוד של הטבע - החלקיקים האלמנטריים של מודל הסטנדרט - יכולים ליצור את המבנים המורכבים שהם יוצרים, כמו:

• פרוטונים ונייטרונים,

• גרעינים אטומיים,

• אטומים,

• מולקולות,

• ובני אדם (ועוד אין ספור מבנים מורכבים),

רק כי התכונות הפנימיות שלהם - כמו מטען חשמלי, מסת מנוחה, חוזק קשרים וכו’ - נשארות קבועות עם הזמן, ונשמרות זהות גם בין חלקיקים מאותו סוג. אמנם עוצמת הכוחות הפועלים ביניהם משתנה לפי קרבתם למקורות של מסה או מטען, אבל החוקים עצמם קבועים - והכוחות שהם תוצאה שלהם תלויים בתכונות פיזיקליות ניתנות למדידה.

החוקים האלה תקפים עבור כל החלקיקים, בכל זמן - אין קבוצות של חלקיקים שנהנות מחוקים "אחרים". הכבידה, האלקטרומגנטיות, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק - כולם זהים בכל מקום ובכל זמן. החלקיקים שקיימים ביקום מחזיקים באותן תכונות - תמיד ובכל מקום. והחוקים שמניעים את היקום - פועלים באותו אופן בקני מידה תת-אטומיים כמו גם בקני מידה קוסמיים עצומים. כל מה שקורה ביקום, בכל אנרגיה, בכל זמן ובכל מקום - כפוף לאותם חוקים בסיסיים ועמוקים. וזה, אולי, הדבר המופלא ביותר שאפשר לדעת על המציאות.

הרעיון ששני קוונטים יכולים להיות שזורים זה בזה באופן מיידי, גם כשהם מרוחקים מאוד זה מזה, נחשב לעיתים קרובות לחלק המפחיד והמסתורי ביותר בפיזיקת הקוונטים. אילו הייתה המציאות דטרמיניסטית במהותה ומונעת על ידי משתנים חבויים, ניתן היה אולי להסיר את המוזרות הזו. אך למרבה הצער, כל הניסיונות להיפטר מסוג זה של מוזרות קוונטית כשלו - שכן כל הבדל ניסויי בין פרשנות קופנהגן לבין תאוריות של משתנים חבויים רק חיזק את התמונה הסטנדרטית של מכניקת הקוונטים / Credit: Alan Stonebraker/American Physical Society

מעבר לכך - לפחות ככל שידוע לנו - החוקים והכללים היחידים שמפעילים את כל מה שקיים ביקום שלנו הם הכוחות הפיזיקליים והאינטראקציות החומריות בין ישויות פיזיקליות ניתנות למדידה ותצפית בתוך היקום. אין כוחות חיצוניים, אין השפעות בלתי מדידות, ואין ישויות לא נצפות שגורמות לתופעות או התנהגויות מסתוריות - כל מה שאנו רואים ומודדים ניתן להסבר במסגרת המציאות הפיזיקלית-חומרית. למרות שיש אנשים שמחזיקים באמונות פילוסופיות או דתיות המנוגדות לכך, אין שום ראיה מדעית שתומכת בכך.

רק בזכות העובדות האלה - העובדה שהמציאות החומרית שלנו מצייתת לחוקים פיזיקליים זהים מרגע לרגע וממקום למקום, שהחומרים המרכיבים את היקום מחזיקים באותן תכונות תמיד ובכל מקום, ושאין גורמים חיצוניים, בלתי נראים ובלתי צפויים - אפשר בכלל להבין את היקום.

כל עובדה אחרת שיקרה לכם, כל תגלית מופלאה על המציאות - נשענת בסופו של דבר על התשתית הזו. וזה מה שהופך את העובדות האלה למדהימות ביותר ביקום. בלעדיהן, לא היינו מסוגלים להבין את היקום כלל, והמדע לא היה יכול להתקיים.

כאשר מספר גופים בעלי מסה מתקיימים באינטראקציה תחת כח הכבידה ההדדי שלהם, המסות הקטנות יותר נוטות לקבל "בעיטות" חזקות יותר - כלומר, הן נדחפות למסלולים גבוהים יותר או נפלטות לחלוטין, לעיתים במהירויות עצומות ההופכות אותן לעצמים היפר-מהירים. בינתיים, שאר הגופים הנותרים נוטים להיקשר כבידתית באופן הדוק עוד יותר. אילו חוק הכבידה לא היה קבוע - אם עוצמתו לא הייתה אוניברסלית ובלתי משתנה, ואם לא הייתה קיימת חוקיות אחידה ועקבית שמכתיבה את פעולתו - תחזיות ושחזורים מדעיים מדויקים של מערכות פיזיקליות היו בלתי אפשריים / Credit: S5 Collaboration/James Josephides (Swinburne Astronomy Productions)

דמיינו לרגע מציאות שבה העובדות האלה אינן נכונות. דמיינו שאתם חיים ביקום שבו הטבע מתנהג בצורה אקראית, בלתי צפויה, כאוטית. שלא רק הכבידה, אלא כל הכוחות הפיזיקליים יכולים להתגבר, להיחלש, להיכבות, להתהפך - בלי שום הסבר או חוק ברור. שגם אם איכשהו נוצרת שמש כמו השמש שלנו - היא עלולה פשוט להפסיק לבעור או להקרין אור - בלי סיבה, בלי מנגנון. וגם אם איכשהו נוצר אדם - האטומים שמרכיבים אותו היו יכולים פשוט להתפזר באותו רגע בלי שום אזהרה.

יקום כזה באמת היה מפחיד - הרבה יותר מכל אסון טבע שאנו מכירים. כי לפחות ביקום שלנו, הדברים ניתנים להבנה, ואפשר לחזות את העתיד על סמך תנאי ההווה. אבל ביקום שאינו מציית לחוקים קבועים, מה שלמדתם עכשיו אולי לא יהיה נכון כעבור רגע, ואולי לא יהיה נכון אפילו אם תזוזו צעד אחד הצידה. יקום כזה - שלא פועל לפי חוקים יציבים - לעולם לא ניתן יהיה להבין.

תרשים זה של חלקיקים ואינטראקציות מפרט כיצד חלקיקי המודל הסטנדרטי פועלים זה עם זה בהתאם לשלושת הכוחות היסודיים שמתוארים בתורת השדות הקוונטית. כאשר מוסיפים לתמונה גם את כוח הכבידה, מתקבל היקום הנצפה כפי שאנו מכירים אותו - עם החוקים, הפרמטרים והקבועים הידועים לנו המכתיבים את התנהלותו. עם זאת, רבים מהפרמטרים שעל פיהם הטבע פועל אינם ניתנים לחיזוי תיאורטי; יש למדוד אותם כדי לדעתם, ואלו הם ה"קבועים" שהיקום שלנו זקוק להם - ככל הידוע לנו כיום / Credit: Contemporary Physics Education Project/DOE/SNF/LBNL

למזלנו, היקום שלנו הוא מקום שבו החוקים והכללים חלים באופן אוניברסלי - על כל קוונט בכל זמן ובכל מקום. החומר והאנרגיה אמנם משתנים, אבל הם יכולים להשתנות רק בהתאם למערכת חוקים יסודיים אחת ויחידה. המרחב-זמן עצמו יכול להשתנות, אך רק בדרכים שמותרות על-ידי החוקים שמכתיבים את התנהגותו. למרות שהיקום שלנו אינו סטטי, והוא משתנה ומתפתח כל הזמן - החוקים שמכוונים אותו נשארים קבועים, ואינם משתנים עם הזמן או המקום. הקביעות הזו - האוניברסליות של חוקי הטבע - היא מה שמאפשר לנו להבין בכלל את המציאות.

בזכות ה"עובדה המדהימה ביותר" הזו, אנחנו יכולים:

• לצפות ביקום,

• למדוד אותו,

• לבצע ניסויים עליו,

• לפרק ולהרכיב כל דבר שמצוי בו,

ולנצל את התוצאות של כל זה כדי לבנות מאגר ידע שלם על תכונותיו והתנהגותו - גם בפרטים הקטנים וגם במבט כולל. רק אם חוקי היקום הם קבועים בכל זמן ובכל מקום - נוכל להבין את המציאות הפיזית שלנו. ולמרבה המזל, זה בדיוק סוג היקום שבו נראה שאנחנו חיים, כפי שעולה שוב ושוב מהבדיקות הקפדניות ביותר שאנחנו מבצעים בטבע עצמו.

בלי ה"עובדה המדהימה ביותר" הזו, גם המדע לא היה אפשרי. ואף אחת מהעובדות המדעיות שאנחנו מתפעלים מהן היום לא הייתה מובטחת כנכונה אתמול, ולא הייתה ודאית להישאר נכונה מחר. העובדה המדהימה ביותר על היקום היא פשוט זו: שאפשר להבין אותו בכלל.