האם היה זמן לפני
המפץ הגדול?

תיאוריית המפץ הגדול היא כיום ההסבר המקובל על רוב הקהילה המדעית, בדבר היווצרות היקום, והוא למעשה נקודת ההתחלה של המרחב ושל הזמן. בנוסף להסבר מצוין למצבו הנוכחי של היקום ולדרך שהביאה אותו עד הלום, הוא קוטע את רצף ההבנה שלנו את היקום בנקודת ההתחלה שלו. הוא אינו מתיר לנו שימוש בכלים המדעיים שלנו כדי לשאול מה קרה לפני המפץ? האם היה מרחב? האם היה זמן?

צוות בינלאומי של מדענים הציג לאחרונה אפשרות לפתרון חלקי לשאלה הזו, שלכאורה היא בלתי פתירה, המטרידה מדענים כה רבים במשך זמן כה רב. אך תחילה, קצת רקע.

תיאורית המפץ הגדול נולדה לפני כ-90 שנה, כשהכומר והפיזיקאי הבלגי ז'ורז למטר (Lemaître) את "היפותזת האטום הקדמוני". "האב למטר" הגיע לרעיון על סמך תצפיות מאותה תקופה, שגילו גלקסיות מסוימות מתרחקות מאתנו מהר יותר מאחרות. בדמיונו הוא ראה כנראה את כדור הארץ, כאילו הוא מונח עם יתר גרמי השמיים על בלון מתנפח, שם ככל ששתי נקודות רחוקות אחת מהשנייה הן גם מתרחקות מהר יותר אחת מהשנייה. מסקנתו מכך הייתה כי היקום מתרחב, והוא גם העריך את קבוע הגדילה.

הקבוע הזה מכונה כיום "קבוע האבל" של שם האסטרונום אדווין האבל שתצפיותיו על גלקסיות רחוקות הראו שקיים יחס ישר בין מרחק הגלקסיה למהירות התרחקותה מאתנו, כלומר לא רק שגלקסיות רחוקות יותר "בורחות" מכדור הארץ מהר יותר, אלא יש יחס קבוע בין המרחק להתפשטות. הגילוי אושש את התיאוריה על התפשטות היקום וסייע לחשב את מהירותה.

למטר טען כי אם היקום מתפשט, בהכרח הוא היה פעם קטן. כה קטן, עד שהוא היה מרוכז בנקודה אחת ויחידה בעלת נפח זעיר. בעזרת משוואות השדה של תורת היחסות הכללית של אלברט איינשטיין, הוא חישב את מועד תחילתו של היקום מאותה נקודה, הנקראת סינגולריות. איינשטיין לא קיבל בתחילה את מסקנותיו ופטר אותם כ"חישובים נכונים אך פיזיקה נוראה". אגב, למטר חישב תחילה כי גיל היקום הוא כשני מיליארד שנים, כיום האומדן הוא 13.8 מיליארד.

הפיזיקה מתעקמת

אחת הדרכים, אך לא היחידה, לתאר את היקום שלנו, היא על ידי יחסי הגומלין בין כוח הכבידה לגיאומטרית המרחב של היקום, כלומר באמצעות היחסות הכללית. סטיבן הוקינג ורוג'ר פנרוז הראו כי בהנחות מסוימות, הפתרונות של משוואות שדה הכבידה של איינשטיין חייבות להכיל בתוכן נקודות סינגולריות, כלומר, נקודות שבהן עקמומיות המרחב-זמן היא אינסופית. כדי להמחיש מה זה אומר נשתמש בדוגמה המוכרת של המרחב-זמן שלנו כיריעה מתוחה, שכאשר מניחים עליה כדור כבד, היא מתעקמת בהתאם לצורתו של הכדור והמסה שלו.

כל גוף מעקם את המרחב והזמן לפי הגודל והמסה שלו. איור של ההדמיה המקובלת- יריעה מתוחה | מקור: Shutterstock

אם הכדור די גדול ולא כבד מדי, אז למרות שקווי המתאר של המרחב-זמן התעקמו, עדיין אפשר לעקוב אחרי מוצאו ויעדו של כל קו כזה במרחב, כלומר לדעת את המסלולים שבהם ינועו מסה ואור (אנרגיה) במרחב. אך מה יקרה אם נגדיל בהרבה את מסת הכדור? -הקווים יתעקמו יותר סביב המסה. ואם בנוסף נקטין את הנפח שהמסה תופסת במרחב? -הקווים יתעקמו עוד יותר. אם נמשיך להקטין את הכדור ולהגדיל את מסתו נגיע למצב בו הקווים עקומים מאד ואפילו "נשברים" (עקמומיות אינסופית), כך שלא נוכל עוד לעקוב אחרי מסלולו של קו כזה. הקו ייראה כאילו הוא נובע ממקור כלשהו, ולא תהיה לנו אפשרות לחשב את מסלולו לפני נקודה זו. ההתפרקות הזו של חוקי הפיסיקה בנקודה מסוימת במרחב נקראת סינגולריות.

דוגמה טובה לכך היא למשל הפרתו של חוק שימור האנרגיה: אם מנקודה כזאת יגיעו חומר ואנרגיה לא נוכל להסיק דבר מכך על מצבם של החומר והאנרגיה לפני הסינגולריות.

לפי הוקינג, לפתרון של משוואות איינשטיין יש נקודה סינגולרית כזאת, היא המפץ הגדול. כמעט מיותר לציין את גודל "כאב הראש" של מצב זה של חוסר יכולת ניבוי והסקת מסקנות עבור הפיזיקאים.

מפרידים מרחב וזמן

אחד הניסיונות (מני רבים, ביניהם גם של הוקינג עצמו) שפרסמו לאחרונה קבוצות מחקר ממקסיקו, קנדה, איטליה ובריטניה, מניח פחות הנחות לגבי המבנה של המרחב-זמן שלנו, ועל ידי כך, עושה אולי צעד קטן לכיוון ההבנה הכוללת של תולדות הזמן והמרחב.

במשוואות איינשטיין יש התנהגות במרחב ויש התנהגות בזמן, והן תלויות זו בזו, כלומר הפתרונות שלנו יהיו תלויים במרחב ובזמן ובקשר ביניהם. לכן, אם בנקודה מסוימת הפתרון לא קיים, או סינגולרי, זה יחריב למעשה גם את חלקו הזמני וגם את חלקו המרחבי של הפתרון.

מה שעשו במחקר האמור הוא להפריד במידת מה את הצימוד בין הזמן למרחב במשוואות המקוריות. הם הצליחו לתאר את המרחב-זמן בעזרת משוואות שונות עבור החלק האבולוציוני בזמן ומשוואות שונות עבור החלק של ממדי המרחב. מה שהם גילו, זה שלמרות שהחלק המרחבי עדיין סינגולרי, לפתרון הזמני אין בעיות התנהגותיות והוא ממשיך חלק ובאופן רצוף, דרך הנקודה הסינגולרית אל עבר הצד השני, כלומר הזמן עובר בצורה חלקה דרך המפץ הגדול . לפי תיאור זה, הזמן היה קיים לפני המפץ הגדול, והמפץ הוא רק נקודה בתולדות הזמן.

מה שמעניין הוא שיש גם חיזוי לתאוריה הזאת. לפי הפתרון שהם קיבלו, ביקום שלפני המפץ הגדול כל כיווני המרחב הפוכים ביחס ליקום שלנו כיום, אבל הזמן בו, כאמור, נע באותו "כיוון" של הזמן של עולמנו. כלומר, בצדו השני של המפץ אנשים הזדקנו, בדומה לנו, אבל במרחב הפוך בכיוונו לזה שלנו. אם תיאוריה זו נכונה, נוכל מעתה שוב לשאול: מתי התחילו המרחב והזמן?