הגדולה והמגוון של העולם הסובב יכולים להדהים כל דמיון. כל העצמים והעצמים המקיפים אדם, אנשים אחרים, סוגים שונים של צמחים ובעלי חיים, חלקיקים שניתן לראות רק במיקרוסקופ, כמו גם צבירי כוכבים בלתי מובנים: כולם מאוחדים במושג "יקום".
תיאוריות על מקור היקום פותחו על ידי האדם במשך זמן רב. למרות היעדר אפילו המושג הראשוני של דת או מדע, במוחם החקרני של אנשים קדומים עלו שאלות לגבי עקרונות הסדר העולמי ולגבי מיקומו של אדם במרחב הסובב אותו. קשה לספור כמה תיאוריות על מקור היקום קיימות היום, חלקן נחקרות על ידי מדענים מפורסמים בעולם, אחרות פנטסטיות למען האמת.
קוסמולוגיה והנושא שלה
מודרניהקוסמולוגיה - מדע המבנה וההתפתחות של היקום - רואה בשאלת מקורו את אחת התעלומות המעניינות ביותר ועדיין לא נחקרות מספיק. אופי התהליכים שתרמו להופעת כוכבים, גלקסיות, מערכות שמש וכוכבי לכת, התפתחותם, מקור הופעת היקום, כמו גם גודלו וגבולותיו: כל זה הוא רק רשימה קצרה של נושאים שנחקרו מאת מדענים מודרניים.
החיפוש אחר תשובות לחידה היסודית על היווצרות העולם הוביל לכך שכיום קיימות תיאוריות שונות על מקורו, קיומו, התפתחותו של היקום. ההתרגשות של מומחים המחפשים תשובות, בנייה ובדיקה של השערות מוצדקת, משום שתיאוריה אמינה על הולדת היקום תגלה לכל האנושות את ההסתברות לקיומם של חיים במערכות וכוכבי לכת אחרים.
לתיאוריות של מקור היקום יש אופי של מושגים מדעיים, השערות אישיות, תורות דתיות, רעיונות פילוסופיים ומיתוסים. כולם מחולקים על תנאי לשתי קטגוריות עיקריות:
- תיאוריות לפיהן היקום נוצר על ידי היוצר. במילים אחרות, המהות שלהם היא שתהליך יצירת היקום היה פעולה מודעת ורוחנית, ביטוי של רצון של מוח עליון.
- תיאוריות של מקור היקום, שנבנו על בסיס גורמים מדעיים. ההנחות שלהם דוחות מכל וכל הן את קיומו של יוצר והן את האפשרות של בריאת עולם מודעת. השערות כאלה מבוססות לרוב על מה שנקרא עקרון הבינוניות. הם מניחים את האפשרות שלחיים לא רק על הפלנטה שלנו, אלא גם על אחרים.
בריאתנות - התיאוריה של בריאת העולם על ידי הבורא
כפי שהשם מרמז, בריאתנות היא התיאוריה הדתית של מקור היקום. תפיסת עולם זו מבוססת על הרעיון של בריאת היקום, הפלנטה והאדם על ידי אלוהים או הבורא.
הרעיון היה דומיננטי במשך זמן רב, עד לסוף המאה ה-19, אז הואץ תהליך צבירת הידע בתחומי המדע השונים (ביולוגיה, אסטרונומיה, פיזיקה), והתיאוריה האבולוציונית התפשטה. הבריאתנות הפכה לסוג של תגובה של נוצרים שדבקים בדעות שמרניות על התגליות המתגלות. הרעיון הדומיננטי של התפתחות אבולוציונית באותה תקופה רק העצים את הסתירות שהיו בין תיאוריות דתיות ואחרות.
מה ההבדל בין תיאוריות מדעיות ודתיות
ההבדלים העיקריים בין התיאוריות של קטגוריות שונות נעוצים בעיקר במונחים המשמשים את חסידיהם. אז, בהשערות מדעיות, במקום הבורא - הטבע, ובמקום הבריאה - המקור. יחד עם זה, יש נושאים שמכוסים באופן דומה על ידי תיאוריות שונות או אפילו משוכפלות לחלוטין.
תיאוריות של מקור היקום, השייכות לקטגוריות מנוגדות, מתארכות את עצם הופעתו בדרכים שונות. לדוגמה, לפי ההשערה הנפוצה ביותר (תיאוריית המפץ הגדול), היקום נוצר לפני כ-13 מיליארד שנים.
לעומת זאת, התיאוריה הדתית של מקור היקום נותנת מספרים שונים לחלוטין:
- לפי כריסטיאןמקורות, גיל היקום שנוצר על ידי אלוהים בזמן הולדתו של ישוע המשיח היה 3483-6984 שנים.
- הינדואיזם מצביע על כך שהעולם שלנו בן כ-155 טריליון שנים.
קאנט והמודל הקוסמולוגי שלו
עד המאה ה-20, רוב המדענים היו בדעה שהיקום הוא אינסופי. איכות זו הם אפיינו זמן ומרחב. בנוסף, לדעתם, היקום היה סטטי ואחיד.
רעיון האינסוף של היקום בחלל הועלה על ידי אייזק ניוטון. את הפיתוח של הנחה זו ביצע עמנואל קאנט, שפיתח את התיאוריה שגם אין מגבלות זמן. בהמשך, בהנחות תיאורטיות, הרחיב קאנט את האינסוף של היקום למספר המוצרים הביולוגיים האפשריים. הנחה זו הביאה לכך שבתנאי העולם העתיק והעצום, ללא סוף והתחלה, יכולות להיות אינספור אפשרויות אפשריות, וכתוצאה מכך הופעתו של כל מין ביולוגי הוא אמיתי.
בהתבסס על תיאוריה זו של מקורן האפשרי של צורות חיים, התיאוריה של דרווין פותחה מאוחר יותר. תצפיות בשמיים זרועי כוכבים ותוצאות חישובי אסטרונומים אישרו את המודל הקוסמולוגי של קאנט.
המחשבות של איינשטיין
בתחילת המאה ה-20 פרסם אלברט איינשטיין מודל משלו של היקום. על פי תורת היחסות שלו, שני תהליכים הפוכים מתרחשים בו-זמנית ביקום: התפשטות והתכווצות. עם זאת, הואהסכים עם דעתם של רוב המדענים לגבי הנייחנות של היקום, אז הוא הציג את המושג של כוח הדחייה הקוסמי. השפעתו נועדה לאזן את משיכת הכוכבים ולעצור את תהליך התנועה של כל גרמי השמיים על מנת לשמור על הטבע הסטטי של היקום.
למודל היקום - לפי איינשטיין - יש גודל מסוים, אבל אין גבולות. שילוב כזה אפשרי רק כאשר החלל מעוקל באותו אופן כפי שהוא קורה בכדור.
המאפיינים של החלל של דגם כזה הם:
- תלת מימד.
- סוגר את עצמו.
- הומוגניות (חוסר מרכז וקצה), שבה הגלקסיות מפוזרות באופן שווה.
A. א. פרידמן: היקום מתרחב
יוצר המודל המהפכני המתרחב של היקום, א.א. פרידמן (ברית המועצות) בנה את התיאוריה שלו על בסיס המשוואות המאפיינות את תורת היחסות הכללית. נכון, הדעה המקובלת בעולם המדעי של אז הייתה האופי הסטטי של עולמנו, ולכן לא ניתנה תשומת לב ראויה לעבודתו.
כמה שנים מאוחר יותר, האסטרונום אדווין האבל גילה תגלית שאישרה את רעיונותיו של פרידמן. התגלתה הסרה של גלקסיות משביל החלב הסמוך. יחד עם זאת, העובדה שמהירות התנועה שלהם פרופורציונלית למרחק בינם לבין הגלקסיה שלנו הפכה לבלתי ניתנת להפרכה.
תגלית זו מסבירה את ה"נסיגה" המתמדת של כוכבים וגלקסיות ביחס זה לזה, מה שמוביל למסקנה לגביהתפשטות היקום.
לבסוף, מסקנותיו של פרידמן הוכרו על ידי איינשטיין, מאוחר יותר הוא הזכיר את יתרונותיו של המדען הסובייטי כמייסד ההשערה של התפשטות היקום.
אי אפשר לומר שיש סתירות בין תיאוריה זו לתורת היחסות הכללית, אולם עם התפשטות היקום, כנראה היה דחף ראשוני שעורר את פיזור הכוכבים. באנלוגיה לפיצוץ, הרעיון כונה "המפץ הגדול".
סטיבן הוקינג והעיקרון האנתרופי
תוצאת החישובים והתגליות של סטיבן הוקינג הייתה התיאוריה האנתרופוצנטרית על מקור היקום. יוצרו טוען כי קיומו של כוכב לכת המוכן היטב לחיי אדם אינו יכול להיות מקרי.
התיאוריה של סטיבן הוקינג על מקור היקום מספקת גם אידוי הדרגתי של חורים שחורים, אובדן האנרגיה שלהם ופליטת קרינת הוקינג.
כתוצאה מהחיפוש אחר ראיות, זוהו ואומתו יותר מ-40 מאפיינים, ששמירה עליהם הכרחית לפיתוח הציוויליזציה. האסטרופיזיקאי האמריקאי יו רוס העריך את ההסתברות לצירוף מקרים לא מכוון שכזה. התוצאה הייתה המספר 10-53.
היקום שלנו כולל טריליון גלקסיות, 100 מיליארד כוכבים כל אחת. לפי חישובים של מדענים, המספר הכולל של כוכבי הלכת צריך להיות 1020. נתון זה קטן ב-33 סדרי גודל מזה שחושב קודם לכן. לכן, אף אחד מכוכבי הלכת בכל הגלקסיות לא יכול לשלב תנאים שיתאימו להיווצרות ספונטנית.החיים.
תיאוריית המפץ הגדול: הופעת היקום מחלקיק זניח
מדענים התומכים בתיאוריית המפץ הגדול חולקים את ההשערה שהיקום הוא תוצאה של מפץ גדול. ההנחה העיקרית של התיאוריה היא הקביעה שלפני אירוע זה, כל היסודות של היקום הנוכחי היו סגורים בחלקיק בעל ממדים מיקרוסקופיים. בעוד שבתוכו, היסודות אופיינו במצב יחיד שבו לא ניתן היה למדוד אינדיקטורים כמו טמפרטורה, צפיפות ולחץ. הם אינסופיים. חומר ואנרגיה במצב זה אינם מושפעים מחוקי הפיזיקה.
הגורם לפיצוץ, שהתרחש לפני 15 מיליארד שנה, נקרא חוסר היציבות שנוצר בתוך החלקיק. אלמנטים זעירים מפוזרים סימנו את תחילתו של העולם שאנו מכירים היום.
בהתחלה, היקום היה ערפילית שנוצרה על ידי חלקיקים זעירים (קטנים יותר מאטום). לאחר מכן, בשילובם, הם יצרו אטומים, ששימשו כבסיס לגלקסיות כוכביות. מענה על שאלות לגבי מה שקרה לפני הפיצוץ, כמו גם מה גרם לו, הן המשימות החשובות ביותר של התיאוריה הזו על מקור היקום.
הטבלה מתארת באופן סכמטי את שלבי היווצרות היקום לאחר המפץ הגדול.
| מצב היקום | ציר הזמן | טמפרטורה צפויה |
| התרחבות (אינפלציה) | מ-10-45to10-37 seconds | עוד1026K |
| קוורקים ואלקטרונים מופיעים | 10-6 c | מעל 1013 K |
| נוצרים פרוטונים ונייטרונים | 10-5 c | 1012K |
| נוצרים גרעיני הליום, דאוטריום וליתיום | מ-10-4 מ-3 דקות | מ-1011 ל-109 K |
| אטומים נוצרו | 400 אלף שנים | 4000 K |
| ענן הגז ממשיך להתרחב | 15 מיליון שנים | 300 K |
| הכוכבים והגלקסיות הראשונים נולדו | 1 מיליארד שנים | 20 K |
| פיצוצי כוכבים מעוררים היווצרות של גרעינים כבדים | 3 מיליארד שנים | 10 K |
| תהליך הולדת הכוכבים נעצר | 10-15 מיליארד שנים | 3 K |
| אנרגיה של כל הכוכבים התרוקנה | 1014 שנים | 10-2 K |
| חורים שחורים מתרוקנים וחלקיקים יסודיים נולדים | 1040 שנים | -20 K |
| איידוי של כל החורים השחורים מסתיים | 10100 שנים | מ-10-60 ל-10-40 K |
כפי שעולה מהנתונים לעיל, היקום ממשיך להתרחב ולהתקרר.
הגידול המתמיד במרחק בין גלקסיות הוא ההנחה העיקרית: מה שמייחד את תיאוריית המפץ הגדול. ניתן לאשר את הופעת היקום בדרך זו על ידי העדויות שנמצאו. יש גם עילה לכךהכחשות.
בעייתיות של התיאוריה
בהתחשב בעובדה שתיאוריית המפץ הגדול לא הוכחה בפועל, אין זה מפתיע שיש מספר שאלות שהיא לא מסוגלת לענות עליהן:
-
סינגולריות. מילה זו מציינת את מצב היקום, דחוס לנקודה אחת. הבעיה של תיאוריית המפץ הגדול היא חוסר האפשרות לתאר את התהליכים המתרחשים בחומר ובמרחב במצב כזה. חוק היחסות הכללי אינו חל כאן, ולכן אי אפשר לעשות תיאור מתמטי ומשוואות למידול.
חוסר האפשרות היסודית לקבל תשובה לשאלה על המצב ההתחלתי של היקום מכפישה את התיאוריה מ- ממש ההתחלה. התערוכות העיון שלה נוטות להעלים או רק להזכיר את המורכבות הזו באופן מקרי. עם זאת, עבור מדענים הפועלים לספק בסיס מתמטי לתיאוריית המפץ הגדול, קושי זה מוכר כמכשול מרכזי.
- אסטרונומיה. בתחום זה, תיאוריית המפץ הגדול מתמודדת עם העובדה שאינה יכולה לתאר את תהליך המקור של הגלקסיות. בהתבסס על גרסאות מודרניות של תיאוריות, ניתן לחזות כיצד מופיע ענן הומוגני של גז. יחד עם זאת, הצפיפות שלו עד עכשיו צריכה להיות בערך אטום אחד למטר מעוקב. כדי להשיג משהו נוסף, אי אפשר לעשות בלי להתאים את המצב ההתחלתי של היקום. היעדר המידע והניסיון המעשי בתחום זה הופכים למכשולים רציניים להמשך דוגמנות.
יש גם אי התאמה מבחינת מחושבהמסה של הגלקסיה שלנו והנתונים המתקבלים על ידי לימוד קצב המשיכה שלה לגלקסיית אנדרומדה. ככל הנראה, משקל הגלקסיה שלנו גדול פי עשרה ממה שחשבו בעבר.
קוסמולוגיה ופיזיקה קוונטית
היום אין תיאוריות קוסמולוגיות שלא היו מבוססות על מכניקת הקוונטים. אחרי הכל, הוא עוסק בתיאור התנהגותם של חלקיקים אטומיים ותת-אטומיים. ההבדל בין פיזיקה קוונטית לפיזיקה קלאסית (שפורש על ידי ניוטון) הוא שהאחרונה צופה ומתארת עצמים חומריים, בעוד שהראשונה מניחה תיאור מתמטי בלעדי של התצפית והמדידה עצמה. לפיזיקת הקוונטים, ערכי חומר אינם נושא למחקר, כאן הצופה עצמו הוא חלק מהמצב הנחקר.
בהתבסס על תכונות אלו, מכניקת הקוונטים מתקשה לתאר את היקום, מכיוון שהצופה הוא חלק מהיקום. עם זאת, אם כבר מדברים על הופעת היקום, אי אפשר לדמיין זרים. ניסיונות לפתח מודל ללא השתתפות של צופה מבחוץ הוכתרו בתורת הקוונטים של מקור היקום מאת ג'יי ווילר.
מהותו היא שבכל רגע של זמן יש פיצול של היקום והיווצרות של מספר אינסופי של עותקים. כתוצאה מכך, ניתן לצפות בכל אחד מהיקומים המקבילים, וצופים יכולים לראות את כל החלופות הקוונטיות. יחד עם זאת, העולם המקורי והעולם החדש הם אמיתיים.
דפוס אינפלציה
המשימה העיקרית שתורת האינפלציה נועדה לפתור הולכת ונעשיתחפש תשובות לשאלות שתורת המפץ הגדול ותיאוריית ההרחבה לא נחקרו. כלומר:
- למה היקום מתרחב?
- מהו המפץ הגדול?
לשם כך, התיאוריה האינפלציונית של מקור היקום מספקת אקסטרפולציה של ההתפשטות לנקודת האפס בזמן, סיום כל המסה של היקום בנקודה אחת והיווצרות קוסמולוגית ייחוד, אשר מכונה לעתים קרובות המפץ הגדול.
ברור חוסר הרלוונטיות של תורת היחסות הכללית, שלא ניתן ליישם אותה ברגע זה. כתוצאה מכך, ניתן ליישם רק שיטות תיאורטיות, חישובים ומסקנות כדי לפתח תיאוריה כללית יותר (או "פיזיקה חדשה") ולפתור את בעיית הסינגולריות הקוסמולוגית.
תיאוריות אלטרנטיביות חדשות
למרות הצלחתו של מודל האינפלציה הקוסמית, ישנם מדענים שמתנגדים לו, ומכנים אותו בלתי נסבל. הטיעון העיקרי שלהם הוא ביקורת על הפתרונות שמציעה התיאוריה. המתנגדים טוענים שהפתרונות המתקבלים משאירים כמה פרטים חסרים, במילים אחרות, במקום לפתור את בעיית הערכים ההתחלתיים, התיאוריה רק מחלפת אותם במיומנות.
אלטרנטיבות הן מספר תיאוריות אקזוטיות, שהרעיון שלהן מבוסס על היווצרות ערכים ראשוניים לפני המפץ הגדול. ניתן לתאר בקצרה תיאוריות חדשות על מקור היקום כדלקמן:
- תורת המיתרים. חסידיו מציעים, בנוסף לארבעת המימדים הרגילים של מרחב וזמן, להכניס ממדים נוספים. הם יכולים לשחק תפקידבשלבים מוקדמים של היקום, וכרגע נמצאים במצב דחוס. בתשובה לשאלה לגבי הסיבה לדחיסות שלהם, מדענים מציעים תשובה האומרת כי המאפיין של מיתרי העל היא דואליות T. לכן, המיתרים "נכרכים" במידות נוספות וגודלם מוגבל.
- תיאוריית הסובין. זה נקרא גם M-Theory. בהתאם להנחותיו, בתחילת היווצרותו של היקום, קיים מרחב-זמן סטטי חמישה ממדי קר. לארבעה מהם (מרחבי) יש הגבלות, או קירות - שלושה ברים. החלל שלנו הוא אחד הקירות, והשני נסתר. שלושת הבריניים השלישית ממוקמת בחלל ארבע-מימדי, היא מוגבלת על ידי שני ברים גבוליים. התיאוריה רואה בעין שלישית שמתנגשת בזו שלנו ומשחררת כמות גדולה של אנרגיה. התנאים הללו הם שהופכים נוחים להופעתו של המפץ הגדול.
תיאוריות מחזוריות שוללות את ייחודו של המפץ הגדול, וטוענות שהיקום עובר ממצב אחד למשנהו. הבעיה עם תיאוריות כאלה היא העלייה באנטרופיה, לפי החוק השני של התרמודינמיקה. כתוצאה מכך, משך המחזורים הקודמים היה קצר יותר, והטמפרטורה של החומר הייתה גבוהה משמעותית מאשר במהלך המפץ הגדול. הסבירות שזה יקרה נמוכה ביותר
לא משנה כמה תיאוריות יש על מקור היקום, רק שתיים מהן עמדו במבחן הזמן והתגברו על בעיית האנטרופיה ההולכת וגוברת. הם פותחו על ידי המדענים Steinhardt-Turok ובאום-Frampton.
תאוריות חדשות יחסית אלו על מקור היקום הועלו בשנות ה-80 של המאה הקודמת. יש להם עוקבים רבים שמפתחים מודלים המבוססים על זה, מחפשים עדויות לתקפות ופועלים לפתרון אי עקביות.
תורת המיתרים
אחת הפופולריות ביותר בין התיאוריות של מקור היקום היא תורת המיתרים. לפני שתמשיך לתיאור הרעיון שלה, יש צורך להבין את המושגים של אחד המתחרים הקרובים ביותר, המודל הסטנדרטי. היא מניחה שניתן לתאר חומר ואינטראקציות כקבוצה מסוימת של חלקיקים, המחולקת למספר קבוצות:
- Quarks.
- לפטונים.
- בוזונים.
חלקיקים אלו הם, למעשה, אבני הבניין של היקום, מכיוון שהם כל כך קטנים עד שלא ניתן לחלקם לרכיבים.
תכונה ייחודית של תורת המיתרים היא הקביעה שלבנים כאלה אינן חלקיקים, אלא מיתרים אולטרה-מיקרוסקופיים שרוטטים. במקביל, מתנודדים בתדרים שונים, המיתרים הופכים לאנלוגים של חלקיקים שונים המתוארים במודל הסטנדרטי.
כדי להבין את התיאוריה, צריך להבין שמיתרים הם לא כל חומר, הם אנרגיה. לכן, תורת המיתרים מסיקה שכל היסודות של היקום עשויים מאנרגיה.
אש היא אנלוגיה טובה. התבוננות בו עושה רושם של חומריותו, אך אי אפשר לגעת בה.
קוסמולוגיה לתלמידי בית ספר
תיאוריות של מקור היקום נלמדות בקצרה בבתי ספר בשיעורי אסטרונומיה. לתלמידיםתאר את התיאוריות העיקריות לגבי איך נוצר עולמנו, מה קורה לו עכשיו ואיך הוא יתפתח בעתיד.
מטרת השיעורים היא להכיר לילדים את אופי היווצרותם של חלקיקים יסודיים, יסודות כימיים וגרמי שמים. תיאוריות על מקור היקום לילדים מצטמצמות להצגת תיאוריית המפץ הגדול. מורים משתמשים בחומר חזותי: שקופיות, טבלאות, פוסטרים, איורים. המשימה העיקרית שלהם היא לעורר עניין של ילדים בעולם הסובב אותם.
