המפץ הגדול

המפץ הגדול (באנגלית: The Big Bang) היא תאוריה פיזיקלית המהווה את תמצית הקוסמולוגיה המודרנית. על פי תאוריה זו, תחילתו של היקום בנקודה בודדת, הקרויה "סינגולריות כבידתית" עקב תנודות קוונטיות. המפץ הגדול מתאר את האירוע שהתרחש בנקודה זו ובמהלכו נוצר היקום, ממד הזמן, ממדי המרחב, והגדלים הפיזיקליים הידועים לנו כיום. עם הזמן התפשט היקום לכדי היקום המוכר לנו כיום. גיל היקום, שהוא הזמן שחלף מאז המפץ הגדול, מוערך ב-13.819 מיליארד שנה. בראשיתו היה היקום הנצפה כולו מרוכז באותה נקודה סינגולרית, ולכן כל מקום ביקום של היום הוא המקום שבו התרחש המפץ.
נהוג לכלול במסגרת התאוריה את התהליכים שהתרחשו ביקום הצעיר, ואשר עיצבו את מבנה היקום ואת הרכבו. מיליונית שנייה לאחר ההתרחבות הגדולה, היקום הקדום היה במצב מיוחד המכונה "פלזמת קווארקים-גלואונים", שהוא תערובת של קווארקים וגלואונים חופשיים, ומאז הוא החל להתקרר ולהתפשט במהירות עצומה. בעקבות ההתקררות והפחתת הצפיפות, התאפשרה היווצרות חלקיקים חדשים דוגמת פרוטונים ונייטרונים בתהליך הנקרא "באריוגנזה", שעל ידי סינתזה גרעינית התארגנו לאטומים של שלושת היסודות המרכיבים את היקום: מימן, הליום וליתיום.
את "טביעות האצבע" של המפץ הגדול ניתן למדוד כיום, והתאוריה זכתה לארבעה אישושים מרכזיים בדמות מדידת התפשטות היקום, גילוי קרינת הרקע הקוסמית, מידע שנאסף בטלסקופ BICEP ומצביע על אי-סדירות בקרינת הרקע הקוסמית שעשויה הייתה להיגרם מגלי כבידה בזמן שלב התפיחה של המפץ הגדול והתאמת כמות היסודות הקלים ביקום לתחזית של תהליך הנוקליאוסינתזה ביקום הצעיר.

מקור השם

את השם "המפץ הגדול" טבע בשנת 1949 דווקא פרד הויל, שהיה מתנגד חריף לתאוריה זו ומפתח מודל אלטרנטיבי הקרוי "תאוריית המצב היציב". המונח באנגלית הוא משחק מילים על משמעות המילה Bang ("פיצוץ").

התרחבות מואצת

ראיות שונות מסופרנובה מסוג Ia וקרינת הרקע הקוסמית רומזות כי היקום כיום נשלט על ידי סוג של אנרגיה מסתורית המכונה אנרגיה אפלה שכפי הנראה מתפשטת בכל החלל. תצפיות מציעות כי אנרגיה זו מהווה כ-73% מצפיפות האנרגיה ביקום כיום. כשהיקום היה צעיר מאוד, ככל הנראה היה חדור אנרגיה אפלה, אך עם פחות מרחב וצפיפות גדולה יותר, לכבידה היה יתרון והתרחבותו נבלמה באיטיות. אך לבסוף, לאחר מיליארדי שנים של התרחבות שכיחותה של האנרגיה האפלה עלתה וגרמה באיטיות להתרחבות להתחיל להאיץ.
האנרגיה האפלה בהגדרתה הפשוטה ממלאת את מקום המושג הקבוע הקוסמולוגי ממשוואות השדה של איינשטיין של תורת היחסות הכללית, אולם ההרכב והמכניזם שלה אינם ידועים והיחסים של עם המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים נחקר הן בדרכים תאורטיות והן על ידי תצפיות.
כל האבולוציה הקוסמית של עידן האינפלציה יכול להיות מוסבר לעומק על ידי מודל הלמדא-CDM של הקוסמולוגיה, אשר נעזרת במסגרת של מכניקת הקוונטים ותורת היחסות הכללית. אין מודל מגובה בראיות שמסביר את מה שאירע כ-10⁻¹⁵ שניות למפץ הגדול ונראה כי נדרשת תאוריה מאוחדת של תורת כבידה קוונטית על מנת לפרוץ מחסום זה. הבנת התקופות הקדומות של ההיסטוריה של היקום מהווה את אחת הבעיות הגדולות הבלתי פתורות של הפיזיקה.

ההיסטוריה של רעיון המפץ הגדול

מאז ימי אריסטו שהאמין ביקום נצחי ובלתי משתנה הדעה המקובלת באותה התקופה, גם בקרב מי שהאמינו בבריאה הייתה שהיקום הוא סטטי ואינסופי. בתמונת עולם זו היו מספר בעיות. לא היה הסבר משכנע מדוע המשיכה הגרוויטציונית לא תוביל לקריסת היקום, וגם לא היה הסבר לפרדוקס של אולברס, שהצביע על כך שאם היקום הוא נצחי ואינסופי, שמי הלילה לא יכולים להיות שחורים, כי האור מכל הכוכבים אמור להצטבר לאנרגיה אינסופית. הראשון שהעלה על הכתב את האפשרות שמקור היקום בנקודה בודדת, דווקא לא היה מדען, אלא  הסופר אדגר אלן פו, שכתב על כך בשנת 1848 במאמר לא מדעי בשם "יוריקה". אולם למאמר זה לא הייתה השפעה על הקהילה המדעית. תפיסה זו של יקום סטטי השתנתה בעקבות פיתוח תורת היחסות הכללית ומחקרים תאורטיים על השלכותיה, ובעקבות תצפיות אסטרונומיות שהראו שהיקום מתפשט.
ב-1917 ניסה אלברט איינשטיין לבדוק את השלכותיה של תורת היחסות הכללית אותה פיתח על היקום. הוא הניח שהיקום הוא איזוטרופי והומוגני, וגילה שהצבת התפלגות מסה אחידה במשוואות השדה נתנה פתרון בלתי יציב, שבו היקום הולך ומתכווץ. איינשטיין הצליח לקבל בכל זאת מודל סטטי של היקום כשהוא הוסיף למשוואות עוד איבר, שלא סתר את הנחות היסוד שלו, אבל היה תלוי בקבוע שרירותי, שעבור ערך מסוים שלו קיים פתרון יציב למשוואות, שהתאים להנחה של יקום סטטי. לקבוע זה הוא קרא הקבוע הקוסמולוגי.
בשנות ה-20, ערערו שני מדענים על קביעתו של איינשטיין לפיה יש לתקן את משוואות השדה בעזרת האיבר התלוי בקבוע הקוסמולוגי, ובדקו מה משמעות הפתרונות הבלתי יציבים שמתקבלים ממשוואות השדה המקוריות. המתמטיקאי הרוסי אלכסנדר פרידמן פרסם ב-1922 וב-1924 מאמרים, בהם הראה את קיומם של שלושה סוגי פתרונות, שבכל אחד מהם  היקום בתחילה מתפשט. הפתרונות היו  שונים זה מזה במידת ההתפשטות ההתחלתית ובצפיפות המסה ההתחלתית של היקום. עבור צפיפות התחלתית גבוהה, התפשטות היקום נבלמת והוא מתכווץ וקורס. עבור צפיפות התחלתית נמוכה, ההתפשטות נמשכת לנצח, ועבור ערך קריטי של הצפיפות, ההתפשטות נבלמת אולם לא מתהפכת, והיקום שואף לבסוף למצב סטטי. הפיזיקאי הבלגי ז'ורז' למטר, שלא הכיר את עבודתו של פרידמן, מצא גם הוא את הפתרונות בהם היקום מתפשט. אולם הקהילה המדעית לא שמה לב לעבודותיהם, ואילו איינשטיין, שכן היה מודע להן, דחה אותן בתוקף.
באותה תקופה חלו גם התפתחויות באסטרונומיה התצפיתית שהביאו להכרה בכך שהיקום מתפשט. ב-1912 פרסמה האסטרונומית האמריקנית הנרייטה ליוויט את גילויה שיש קשר בין הבהירות המוחלטת של כוכבים משתנים מסוג קפאידים לבין זמן המחזור שלהם - דבר שאיפשר למדוד את מרחקם על ידי השוואת הבהירות הנראית לבהירות המוחלטת, ולהשתמש בהם כ"נר תקני". ב-1923 הצליח האסטרונום האמריקני אדווין האבל לזהות לראשונה משתנה קפאידי בערפילית אנדרומדה. מדידת המרחק הראתה שהערפילית היא מחוץ לשביל החלב, ובכך הכריע את הוויכוח ארוך השנים האם קיימות גלקסיות מחוץ לשביל החלב. מדידת המרחקים לגלקסיות נוספות, והשוואת למדידת ההסחה לאדום של האור מהן לפי אפקט דופלר, הראו שהגלקסיות מתרחקות זו מזו במהירות פרופורציונית למרחק ביניהן, דבר שמראה כי היקום עצמו מתפשט. האבל פרסם מסקנה זו, שמכונה היום "חוק האבל", ב-1929. 
 
פרסום חוק האבל הוביל להתעניינות בעבודתם של פרידמן, שנפטר בינתיים, ושל למטר. ב-1930 הסב ארתור אדינגטון את תשומת לב הקהילה המדעית למאמרו של למטר מ-1927 שחזה את התפשטות היקום. למטר חזר לעסוק בנושא, ובהרצאה בלונדון הציג לראשונה את הרעיון שהיקום התפשט מנקודה התחלתית, לה הוא קרא "האטום הקדמוני". ב-1931 קיבל גם איינשטיין את רעיון היקום המתפשט, והכריז על כך בעת ביקור אצל האבל במצפה הכוכבים בהר וילסון. הוא גם חזר בו מרעיון "הקבוע הקוסמולוגי", אותו כינה "הטעות הגדולה בחיי".
למרות התמיכה של איינשטיין, מודל "המפץ הגדול" היה עדיין רחוק מלהתקבל כקונצנזוס בקהילה המדעית. במהלך שנות ה-20 וה-30 של המאה ה-20 כמעט כל הקוסמולוגים הבכירים תמכו במודל של מצב יציב נצחי, חלקם בטענה כי מודל של יקום עם התחלה מייבא רעיונות דתיים. טענה זו נסתמכה גם על העובדה שלמטר עצמו היה כומר קתולי. במשך השנים פותחו תאוריות שונות שהסבירו את התפשטות היקום שהוכחה בתצפיות של האבל מבלי להניח שליקום הייתה התחלה, כולל את מודל מילן, מודל של יקום מחזורי (במקור הוצע יל ידי פרידמן אבל נתמך על ידי איינשטיין וריצ'רד טולמן) ורעיון האור המתעייף של פריץ צוויקי.
לאחר מלחמת העולם השנייה צמחו שתי תאוריות אפשריות שונות. האחת הייתה תאוריית המצב היציב של פרד הויל, ולפיה היקום מתפשט בצורה קבועה תוך כדי שבמרחבי היקום נוצר חומר באופן מתמיד. על פי מודל זה היקום הוא פחות או יותר זהה בכל נקודת זמן. השנייה הייתה תאוריית המפץ הגדול של למטר, שנתמכה ופותחה על ידי ג'ורג' גאמוב שהציג את הסינתזה הגרעינית הקדמונית. עמיתיו רלף אלפר ורוברט הרמן חזו את קיומה של קרינת הרקע הקוסמית. באופן אירוני, היה זה הויל שטבע את המושג שהפך להיות שמה של התאורייה של למטר, בהתייחסו ל"רעיון המפץ הגדול" בזמן שידור תוכנית רדיו של ה-BBC במרץ 1949. בעיה מרכזית שעמדה בפני תומכי "המפץ הגדול" הייתה שגיל היקום כפי שהתקבל מהתצפיות של האבל עמד על פחות משני מיליארד שנה, בעוד ההערכות לגבי גיל כדור הארץ עמדו באותה תקופה על כ-3.4 מיליארד שנה. בעיה זו נפתרה רק בשנות ה-50, כשהאסטרונומים ואלטר באדה ואלן סאנדייג' מצאו פגמים ניכרים בהערכות המרחקים לגלקסיות עליהן התבסס האבל. לזמן מה, התמיכה בשתי התאוריות הייתה מפוצלת ובסופו של דבר הראיות התצפיתיות החלו לנטות לטובת מודל המפץ הגדול. הגילוי והאישוש של קרינת הרקע הקוסמית ב-1964 הבטיח את היותו של המפץ הגדול כהסבר הטוב ביותר למוצאו והתפתחותו של היקום. רוב המחקרים בקוסמולוגיה כיום כוללים את הבנת היווצרות הגלקסיות לפי המפץ הגדול, הבנת הפיזיקה של היקום בתקפות קדומות וישור קו של תצפיות עם התאורייה.
בשנים 1968 ו-1970 פרסמו רוג'ר פנרוז, סטיבן הוקינג וג'ורג' אליס מאמר בו הראו כי סינגולריות מתמטיות היו תנאי מקדים הכרחי עבור מודלים יחסותיים של המפץ הגדול. מאז, משנות ה-70 ועד שנות ה-90 של המאה ה-20, קוסמולוגים עבדו על איפיון התכונות של היקום על פי המפץ הגדול ופתרון בעיות בולטות. ב-1981 עשה אלן גות' פריצת דרך בפתרון מספר בעיות בולטות בתאוריית המפץ הגדול עם הצגת תקופת התפשטות מהירה ביקום הקדום שנקראת אינפלציה קוסמית. באותם עשורים התעוררו גם שאלות בנוגע לצפיפות החומר ביקום וערכו המדיוק של קבוע האבל.
באמצע שנות ה-90 של המאה ה-20, תצפיות על צבירים כדוריים מסוימים הצביעו כי גילם הוא כ-15 מיליארד שנה, בניגוד לרוב הערכות גיל היקום דאז. בעיה זו נפתרה מאוחר יותר כאשר סימולציות מחשב חדשות, אשר לקחו בחשבון את אפקט אובדן המסה כתוצאה מרוח כוכבים (Stellar wind), הצביעה כי גיל הצבירים הכדוריים הוא צעיר הרבה יותר.
מאז שנות ה-90 נעשתה התקדמות ניכרת בקוסמלוגיה של המפץ הגדול כתוצאה מהתקדמות טכנולוגיית הטלסקופ יחד עם ניתוח מידע שנאסף על ידי לוויני מחקר שונים כגון COBE, טלסקופ החלל האבל ו-WMAP. כיום יש לקוסמולוגים מדידות די מדויקות של פרמטרים רבים של מודל המפץ הגדול והגיעו לתגלית בלתי צפויה שלפיה התרחבות היקום מאיצה.

ענני גז קדמונים

בשנת 2011 מצאו אסטרונומים ענני גז, וסיווגו אותם כעננים קדומים של גז קדמוני, על ידי ניתוח ספקטרום הבליעה של קוואזרים מרוחקים. טרם תגלית זו, כל גרמי השמיים נצפו כמכילים את היסודות הכבדים אשר נוצרים בליבת הכוכבים. אולם ענני הגז שהתגלו לא הכילו שום יסוד כבד ממימן נייטרלי ודאוטוריום. מאחר שלענני הגז אין יסודות כבדים, הם ככל הנראה נוצרו דקות ספורות לאחר המפץ הגדול במהלך הסינתזה הגרעינית הקדמונית.

קווי ראיות נוספים

הערכת גיל היקום בעזרת חוק האבל וקרינת הרקע הקוסמית מיישרת קו עם הערכות אחרות המתבססות על גיל הכוכבים הקדומים ביותר, הנעזרות באבולוציית כוכבים, צבירים כדוריים ותיארוך רדיומטרי של כוכבים מסוימים בעלי כמות מתכת נמוכה יחסית.
ניסויים שנעשו על ידי תצפיות בספקטרום הבליעה של ענני גז עם הסחה לאדום מאוד גבוהה (כלומר מתרחקים) מאמתות את התחזית כי טמפרטורת קרינת הרקע הקוסמית הייתה גבוהה בעבר. תחזית זאת גם מרמזת כי משרעת אפקט זלדוביץ'-סודייב (עיוות של קרינת הרקע על ידי אפקט קומפטון) בצבירי גלקסיות אינה תלויה ישירות בהסחה לאדום. תצפיות מגלות כי הדבר פחות או יותר נכון אך אפקט זה תלוי במאפייני צבירים שלא משתנים עם הזמן הקוסמי, מה שהופך את דיוק המדידות לקשה.

תצפיות עתידיות

תצפיות עתידיות של גלי כבידה עשויות לזהות גלים קדמונים ושרידים של היקום הקדום עד פחות משנייה מהמפץ הגדול.

הרכבו הכימי של היקום

מודל המפץ הגדול הסטנדרטי מאפשר חישוב של התנאים הפיזיקליים ששררו ביקום בכל רגע, החל בשבריר-זמן קצר ביותר לאחר המפץ הגדול עצמו. על פי תורת הגרעין ותורת החלקיקים האלמנטריים, אנו יודעים לחשב, בתנאי צפיפות וטמפרטורה שונים, את מצבי הקיום של החומר, אילו חלקיקים יכולים להתקיים, אילו אינטראקציות אפשריות בין חלקיקים שונים ובין חלקיקים לשדות קרינה. בשניות ובדקות הראשונות שלאחר המפץ הגדול, הטמפרטורה והלחץ ששררו ביקום הלכו וקטנו במהירות רבה, בגלל ההתפשטות המהירה של היקום. חישובים מראים שמהלך הצפיפות והטמפרטורה היו כאלה שעם ההתפשטות וההתקררות, 90 אחוזים מחלקיקי החומר ביקום נשארו בצורת גרעינים של אטומי מימן, דהיינו כפרוטונים, וכ-10 אחוזים - כחלקיקי אלפא, דהיינו כגרעינים של אטומי הליום. 
בתנאי המפץ הגדול לא הספיקו להיווצר חלקיקים כבדים יותר, שכן ירידת הצפיפות והטמפרטורה היו מהירים מדי להתחוללותן של ריאקציות היצירה של יסודות כאלה. גם ניבוי זה של תורת המפץ הגדול אושש בתצפיות. אלה מגלות בכל מקום ביקום את הרכב החומר המתבקש מן המודל. כל הסטיות המתגלות, כגון קיומם של יסודות כבדים אחרים, כמו בשמש ובמערכת השמש, ניתנות להסבר כתופעות וכשינויים מאוחרים יותר בהרכב החומר הקוסמי, שנבעו מתהליכים תרמו-גרעיניים שמתחוללים בליבתם של כוכבים.

היחס לתאוריה

מודל זה סותר באופן חד משמעי את התפיסה האריסטוטלית בת אלפי השנים שקדמה לו, על פיה היקום הוא סטטי ונצחי ללא כל נקודת התחלה. 
ישנם זרמים בקרב הדתות המונותאיסטיות המתנגדים לתאוריה בתוקף, בין היתר בשל הטענות העולות ממנה לגבי גיל העולם. זרמים אחרים רואים בתאוריה אישור לאמונתם בדבר בריאת העולם יש מאין על ידי אלוהים; בשנת 1951 הכריז האפיפיור פיוס השנים עשר כי מודל המפץ תואם את כתבי הקודש].
נעשו מספר ניסיונות מדעיים לסתור את המודל הזה, אך ללא הצלחה יתרה. בין הניסיונות ניתן למנות את תורת המצב היציב של הרמן בונדי, תומאס גולד ופרד הויל, ואת ניסיונם של יבגני ליפשיץ ואיסק חלטניטוב הסובייטים.