הטיעון הקוסמולוגי ומדע הקוסמולוגיה

טיעון הקאלאם הקוסמולוגי הולך כך:
1. לכל מה שמתחיל להתקיים יש גורם.
2. היקום החל להתקיים.
3. לכן ליקום יש גורם.
לרוב, אתיאיסטים מנסים לערער על המשפט השני בטיעון. לטענתם, קיימת אפשרות שליקום לא הייתה התחלה.בשביל זה סיפקנו טיעונים פילוסופיים וראיות מדעיות לכך שהיקום אינו נצחי בעברו. במאמר הזה נתמקד על ניסיונות להימלט מהמסקנות של הראיות המדעיות המודרניות להתחלת היקום, נתעמק במודלים חלופיים למודל הסטנדרטי של המפץ הגדול ונראה כי, ראשית, הם מלאים בבעיות מהותיות, ושנית, גם אם הם מצליחים, הם נכשלים לבסס יקום בעל עבר נצחי.

ראיות להתחלת היקום:
התפשטות היקום:
מהמודל הסטנדרטי (פרידמן-למטרה) משתמע כי ליקום הייתה התחלה מוחלטת לפני זמן סופי. כמו שג'ון בארו ופרנק טיפלר כותבים בספרם "העיקרון האנטרופי": "בנקודה הסינגולארית, המרחב והזמן הגיעו לידי קיום. שום דבר לא התקיים לפני הנקודה הסינגולארית, אם היקום נוצר בסינגולאריות כזו, אז אכן יש לנו בריאה יש מאין".

"בנקודה הסינגולארית, המרחב והזמן הגיעו לידי קיום. שום דבר לא התקיים לפני הנקודה הסינגולארית"

למרות שפיתוחים במחקר האסטרופיזיקה הביאו לשינויים במודל הסטנדרטי (כמו למשל שההתפשטות של היקום איננה קבועה אלא דווקא מאיצה) שום מחקר לא ערער על המסקנה הבסיסית של המודל והיא- שליקום הייתה התחלה מוחלטת. למעשה בשנת 2003 אלכסנדר וילנקין יחד עם שני חוקרים נוספים, הראו כי תחת תנאי יחיד וכללי מאוד ליקום חייבת להיות התחלה.(1) התנאי שלהם הוא שהיקום חווה ממוצע התפשטות גדול מ-0 בעברו של היקום. כל מרחב שבממוצע ההיסטוריה שלו, התפשט, חייב להיות סופי בעברו.

מאז פרסום התיאורמה שלהם: קמו ונפלו מודלים שונים שניסו להתחמק מהתנאי של ההוכחה שלהם.
אנו נתמקד במודלים הללו ונבחן את תקפותן.
נתחיל בכך שהתיאורמה סגרה את הדלת למודל ההתרחבות הנצחית של אלן גות ואנדרי לינדה משום שהתרחבות כרוכה בהתחלה לפי התיאורמה.

4 המודלים הבאים מנסים להתחמק מהתנאי שבתיאורמה של וילנקין:

1. התכווצות אינסופית (מרחב דה-סיטר)

מודל זה מתיימר להתחמק מהתנאים של התיאורמה של וילנקין בכך שהיא מציגה יקום שמתכווץ מנצח נצחים אל תוך סינגולאריות ואז מתפרץ אל תוך מצב מתפשט- המצב הנוכחי. כך שבמודל זה היקום לא נמצא בממוצע במצב של התפשטות ולכן והתיאורמה של וילנקין איננה תקפה עליו.
למרות שמודל זה אכן מצליח לחרוג מהתנאים של התיאורמה של וילנקין,זו לא אופציה מקובלת כיום על ידי קוסמולוגים. התיאורטיקן המפורסם ג'ורג' אליס מסביר כי קיימות שתי בעיות הקשורות אחת לשנייה.

הוא מסביר שהבעיה הראשונה היא, שמודל זה מציב את בעיית הכוונון העדין בתנאים ההתחלתיים. כמו שאליס שואל "איך החומר, המפוזר במקומות נרחבים חסרי כל קשר סיבתי בתחילת היקום, יודע איך לקשר את התנועות שלו (והדחיסויות שלו) כך שהן יבואו יחד בצורה מדויקת בדרך הומוגנית בעתיד?" (התכתבות פרטית בין ג'ורג' אליס וג'יימס ד.סינקלייר 25 לינואר, 2006) מאחר ויקום זה הינו נצחי, לא קיים שלב בעברו, בו קיימת הגדרה של כוונון עדין של התנאים ההתחלתיים. מדובר כאן בבעיית כוונון עדין לא סיבתי.

הבעיה השנייה במודל היא שככל שהיקום קורס ומתקדם לנקודה סינגולרית ממנה כביכול הוא יתפרץ, הקריסה נהיית יותר ויותר כאוטית ופרועה מה שמביא למצב בו היקום לא יכול להתפרץ דרך הסינגולאריות אל תוך מצב התפשטותי. ( Berlinsky, Khalatnikov & Lifshitz 1970)

2. מצב אסימפטוטי

במודל זה, לפני שהיקום החל להתפשט, הוא היה קיים במצב "קפוא". הוא לא התפשט. לכן, מודל זה גם מתחמק מהתנאים של התיאורמה של וילנקין, משום שהתיאורמה שלו תלויה בכך שהיקום התפשט בממוצע ההיסטוריה שלו. במודל הזה היקום הוא מעין "ביצה קוסמית" שהייתה קיימת תמיד עד שהיא נשברת, נפתחת ומביאה למצב של יקום מתפשט.
הבעיה במודל הזה כמו שמראה אלכסנדר וילנקין היא בעיית הקריסה הקוונטית (מטסטביליות). היקום לא היה יכול להתקיים במצב קפוא ואסימפטוטי מכיוון שתמיד היה סיכוי לא אפסי שהמכניקה הקוונטית תביא אותו לקריסה אל תוך יקום מתפשט. אם כך, למה הקריסה קרתה רק לפני 13.7 מיליארד שנים?

3. מחזוריות אינסופית

במודל זה היקום מתפשט ומתכווץ וחוזר חלילה כך שסך ממוצע ההתפשטות של היקום מתאזן. כמות ההתפשטויות שקולה לכמות ההתכווצויות כך שהתיאורמה של וילנקין איננה תקפה (התיאורמה דורשת שההתפשטות בהיסטוריה של היקום היא הדומיננטית).
קיימות מספר בעיות תיאורטיות במודל זה:
1. לא ידוע בפיזיקה על מנגנון שיגרום ליקום שקורס להתפשט שוב מתוך הנקודה הסינגולארית.
2. התצפיות מראות כי אין מספיק צפיפות חומר\מסה ביקום כדי להתגבר על ההתפשטות של היקום שרק מואצת על ידי אנרגיה אפלה, כך שהיקום יימשך חזרה אל תוך נקודה סינגולרית. (Associated Press News Release, 9 January 1998.)
3. האנטרופיה נשמרת ממחזור למחזור במודל כזה, מה שיוצר מצב שבו כל תנודה הינה גדולה וארוכה יותר מהקודמת, בכל מחזור. התכונות התרמודינמיות של המודל המחזורי כרוכות בהתחלה אבסולוטית ליקום:

כפי שניתן לראות בדיאגראמה, כל תנודה של מחזור חדש היא גדולה וארוכה יותר מהקודמת..

4. היפוך חץ הזמן

הקוסמולוג שון קרול מגן על מודל על פיו חץ הזמן הולך בכיוון אחד, קדימה אל העתיד, אך אם נלך אחורה מספיק בזמן, במודל זה נגיע לשלב בו חץ הזמן מתהפך והולך לכיוון ההפוך. כך שכביכול מודל זה מייצג מודל של יקום נצחי וחסר התחלה. הבעיה היא שאם ניקח את המודל הזה ברצינות, כתיאור מטפיזי מהימן של המציאות, אז אין מדובר כאן ביקום נצחי כלל מכיוון שהיקום בצד הימני איננו מייצג את העבר של היקום בצד השמאלי, ואילו הצד השמאלי איננו מייצג את העתיד של הצד הימני. מדובר בשני יקומים שונים בעלי מוצא משותף. אין להם קשר זמני. לכן השאלה נשארת, "מה גרם לשני היקומים לבוא לידי קיום?"
אך הבעיה הבסיסית יותר היא שלא קיים במודל מנגנון שיגרום לחץ הזמן להתהפך, שהוא דבר הכרחי כדי להסביר איך בכלל היפוך חץ הזמן הוא אפשרי, דבר שנראה בעייתי מטאפיזית.

חלופות נוספות לתיאורמה אחרת להתחלת היקום (תיאורמת סטיבן הוקינג ורוג`ר פנרוז)  שהגיעו מכיוון תאוריות הכבידה הקוונטית:

1. תנודות ואקום

קוסמולוגים הבינו שתיאור פיזיקאלי המקדים את "זמן הפלאנק" ידרוש את תאוריית הכבידה הקוונטית, בנוסף לתורת היחסות הכללית. בשנת 1973 אדווארד טריון שיער שאולי היקום שלנו הוא בעצם חלקיק וירטואלי, שסך האנרגיה שלו שקולה לאפס, שנוצר מתוך ואקום קדמוני. (2)
ספקולציה משונה זו הכינה את הקרקע לצמיחתו של דור חדש של תאוריות קוסמולוגיות להן אנו נקרא "דגמי תנודות הואקום". כלומר בדגם הזה, היקום שלנו הוא רק חלקיק אחד מתוך רבים שנוצר בתוך מרחב-ואקום קדמוני ונצחי. בדגם זה, היקום איננו החל להתקיים אלא הוא מייצג שינוי בתוך יקום קדמוני ונצחי.
דגמי תנודות הואקום לא שרדו את העשור של 1980. לא רק שהיו בעיות תיאורטיות עם מנגנוני הייצור של החומר, מודלים אלו התמודדו עם בעיה פנימית קשה. (3)
לפי המודלים הללו יש בכל מקום במרחב הקדמוני סבירות לא אפסית שחלקיקים וירטואליים יצוצו בזמן מסוים, לכן בהינתן אינסוף זמן, יקומים יוולדו בכל נקודה במרחב הקדום, ובזמן שאותם יקומים מתרחבים, הם יתחילו להתנגש ולהתאחד אחד עם השני. לכן, בהינתן זמן נצחי, אנו אמורים עד עכשיו לצפות ביקום אינסופי בגילו (כתוצאה מההתאחדות של כל היקומים שהתאחדו), דבר שסותר את התצפיות שלנו מאחר ואנו צופים ביקום סופי בגילו. הדרך היחידה כדי לפתור את הבעיה הזו, היא להגיד שהמרחב הקדמוני ממנו צצים החלקיקים\יקומים, מתפשט בעצמו, אך אז המרחב הקדמוני עצמו דורש התחלה, משום שהוא מגשים את התיאורמה של אלכסנדר וילנקין על פיו כל מרחב שהתפשט במשך הזמן בעברו, הינו מחייב התחלה.

2. תורת מיתרים

תורת המיתרים מתבססת על תחליף למודל הסטנדרטי של תורת החלקיקים, על פי תורת המיתרים אבני הבסיס של החומר הם לא חלקיקים נקודתיים, אלא מיתרים חד ממדיים של אנרגיה. נדבר על שלושה סוגים של מודלים בקבוצה הזו:

  • "תבערה מחזורית" – מודל זה כמו שהסברנו במאמר תגובה לערס הסקפטי, כרוך בהתחלה כי הוא מגשים את התנאי של התיאורמה של אלכנסדר וילנקין.
  • "אינפלציית טרום-מפץ גדול" – מודלים מהסוג הזה, לא יכולים להימשך אינסוף זמן אחורה, אם לוקחים אותם כתיאורים מציאותיים של היקום.
  • "תמונת הנוף של תאוריית המיתרים "– מודלים מהסוג הזה גם כן מחייבים התחלה בגלל התאורמה של וילנקין, לכן, תורת המיתרים לא הראתה שהיקום נצחי בעברו.

3. כבידה קוונטית לולאתית

סוג של מודל שמציג יקום מחזורי המתפשט ומתכווץ וחוזר חלילה. מודל זה לא דורש עבר נצחי, והניסיון למשוך אותו אחורה לנצח נראה בלתי אפשרי בהתחשב בחוק התרמודינמיקה השני.

4. מודלים סמי-קלאסיים

בדגם של הוקינג כפי שניתן לראות המרחב-זמן מתעגל לפני זמן הפלאנק, כך שלמרות שהעבר הוא סופי, לא קיימת נקודת התחלה בדגם, כמו בדגם הסטנדרטי של המפץ הגדול.
  • מודל המנהור הקוונטי "יש מאין" (וילנקין)
  • המודל "ללא קצה" (הוקינג)

בדגם של הוקינג כפי שניתן לראות המרחב-זמן מתעגל לפני זמן הפלאנק, כך שלמרות שהעבר הוא סופי, לא קיימת נקודת התחלה בדגם, כמו בדגם הסטנדרטי של המפץ הגדול.
הבעיה הראשונה בדגם של הוקינג הוא שהדגם שלו מצריך את השימוש ב"זמן מדומה" במשוואות של איינשטיין כדי להצליח לעגל את המרחב-זמן טרם זמן הפלאנק. אך הבעיה היא שזמן מדומה הינו טריק מתמטי בלבד, הוא לא יכול להיות מציאותי, משום שהדבר הופך את הזמן למימד מרחבי, מה שלא הגיוני מבחינה מטאפיזית. אלכסנדר וילנקין גם מסכים שזמן מדומה הינו טריק מתמטי בלבד, ואף הוקינג הודה בכך בעצמו. (Many worlds in one עמוד 182).
אך בגדול שני המודלים הללו של הוקינג ושל וילנקין כלל אינם מצליחים ליצור יקום נצחי. כפי שהקוסמולוג ג'ון בארו מסביר, יקום קוונטי מהסוג הזה לא היה קיים תמיד, יקום כזה מתחיל להתקיים כמו המודל הסטנדרטי, פשוט יקום כזה לא מתחיל כמפץ, איפה שהגדלים הפיזיקאליים הם אינסופיים… אין שם נקודת בריאה מוגדרת. (John D. Barrow, Theories of Everything, Oxford: Clarendon, 1991)
כלומר מודלים אלו כן כרוכים בהתחלה מוחלטת, הם פשוט לא כרוכים בנקודת התחלה מוגדרת כפי שזה מופיע במודל הסטנדרטי. אך נקודת התחלה היא לא תנאי הכרחי להתחלת הזמן. התנאי הדרוש להתחלת הזמן הוא שאם נבחר פרק זמן כלשהו, סופי ומוגדר , אז יש לפניו רק מספר סופי של פרקי זמן השווים לו. זהו תנאי בסיסי והגיוני לתחילת הזמן שתקף גם על המודלים הקוונטיים וגם על המודל הסטנדרטי.

לסיכום

לאחר סקירה של הדגמים החלופיים לקוסמולוגיה הסטנדרטית של המפץ הגדול, ראינו כי לא קיים דגם כיום שמצליח לתאר יקום נצחי בעברו. כמו שאלכסנדר וילנקין אמר: "כל הראיות שיש בידינו מצביעות על כך שליקום הייתה התחלה מוחלטת" (4). שימו לב איזה משפט עצום. הוא לא אמר שכששוקלים את הראיות עבור עברו הסופי של היקום, הן מכריעות את הראיות לעברו הנצחי של היקום. אלא, הוא אמר שכל הראיות הקיימות כיום, מצביעות על יקום בעל עבר סופי. אם כך, יש לנו ראיות טובות למשפט השני בטיעון הקוסמולוגי, ליקום הייתה התחלה. אך שימו לב, הראיות המדעיות שאנו מציגים הינם רק אישור למסקנה שכבר התבססה על טיעונים פילוסופיים לעברו הסופי של היקום. להרחבה מלאה ראו את המאמר ''8 טיעונים לקיומו של אלוהים".

הקוסמולוג אלכסנדר וילנקין הרצה בקיימברידג' על התיאורמה שלו וסקר את המודלים הקוסמולוגיים השונים עליהם דיברנו במאמר.
1. https://arxiv.org/abs/gr-qc/0110012
2. Edward Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?" Nature 246 (1973): 396-97.
3. Isham, "Creation of the Universe," pp. 385-87.
4. Audrey Mithani and Alexander Vilenkin, “Did the universe have a beginning?” arXiv:1204.4658v1 [hep-th] 20 Apr 2012, p. 5); A.Vilenkin, cited in “Why physicists can't avoid a creation event,” by Lisa Grossman, New Scientist (January 11, 2012).

אולי גם יעניין אותך: