הטיעון הקוסמולוגי ומדע הקוסמולוגיה

טיעון הכלאם 

טיעון הכלאם הקוסמולוגי הוא טיעון לטובת גורם ראשוני שברא את היקום. טיעון זה הולך כך:
1. לכל מה שמתחיל להתקיים יש גורם.
2. היקום החל להתקיים.
3. לכן ליקום יש גורם.

לרוב, אתיאיסטים מנסים לערער על הסעיף השני בטיעון. לטענתם, קיימת אפשרות שליקום לא הייתה התחלה. יש להבין כי הטענה כי ליקום יש התחלה אינה תלויה על ממצאים אמפיריים (כמו ההתפשטות של היקום) אלא שניתן לבסס אותה מבחינה פילוסופית גרידא. לדוגמה, ניתן לטעון כי יקום חסר התחלה כרוך בעבר אינסופי, דבר שהוא איננו אפשרי מכיוון שמאורעות המתווספים אחד אחרי השני לא יכולים להרכיב סדרה אינסופית. מאורעות סופיים המתווספים אחד אחרי השני מרכיבים סדרה סופית בכל נקודת זמן, משום שסדרה אינסופית הינה גדולה מדי כדי להיות מורכבת מתהליך המתאפיין בהתווספות של מאורעות סופיים. אך במאמר הזה לא נתמקד על הטיעונים הפילוסופיים. אלא, נתמקד על ניסיונות מדעיים להימלט מהטענה כי ליקום הייתה התחלה. יוצגו מודלים חלופיים למודל הסטנדרטי של המפץ הגדול, ונראה כי מחד, הם מלאים בבעיות מהותיות, ומאידך, גם אם הם מצליחים, הם לא מראים כי היקום 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".¹

למרות שהתפתחויות 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, דהיינו שליקום הייתה התחלה מוחלטת. למעשה, בשנת 2003 אלכסנדר וילנקין יחד עם שני חוקרים נוספים, הראו כי תחת תנאי יחיד וכללי מאוד (שאם היקום התפשט בממוצע ההיסטוריה שלו) ליקום חייבת להיות התחלה.² כל מרחב שבממוצע ההיסטוריה שלו התפשט (כלומר גם אם מרחב זה התכווץ חזרה בעבר אך היו לו יותר התפשטויות), חייב להיות סופי בעברו. מאז פרסום המחקר שלהם: קמו ונפלו מודלים שונים שניסו להתחמק מהתנאי של התיאורמה שלהם. אנו נתמקד במודלים הללו ונבחן את תוקפן. 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 מהתנאי של התיאורמה של וילנקין בכך שעל פי השערה זו, היקום היה יכול להתכווץ מנצח נצחים אל תוך סינגולאריות ואז להתפרץ אל תוך מצב מתפשט- המצב הנוכחי. כך שבמודל זה היקום לא נמצא בממוצע במצב של התפשטות (משום שבמהלך ההיסטוריה של יקום זה, היו יותר התכווצויות מאשר התפשטויות), ולכן והתיאורמה של וילנקין איננה תקפה לגביו.
למרות שמודל זה אכן מצליח לחרוג מהתנאי של התיאורמה של וילנקין, אין מדובר במודל מקובל 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 בעיית כוונון עדין. אליס כותב, "איך חומר המפוזר במקומות מנותקים וחסרי כל קשר סיבתי, 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 זה היא שככל שהיקום קורס ומתקדם לנקודה סינגולרית ממנה כביכול הוא יתפרץ, הקריסה נהיית יותר ויותר כאוטית ו״פרועה״ דבר 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 מהתנאי 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, כלומר כמות ההתפשטויות שקולה לכמות ההתכווצויות. באופן זה, התיאורמה של וילנקין איננה תקפה (התיאורמה דורשת שיש יותר התפשטויות מאשר התכווצויות).
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. לכן, ככל שהולכים אחורה בזמן, התנודה נהיית קטנה יותר ויותר עד שמגיעים להתחלה מוחלטת. התכונות התרמודינמיות של המודל המחזורי כרוכות בהתחלה אבסולוטית ליקום:

4. היפוך חץ הזמן

הקוסמולוג שון קרול מגן על מודל שעל פיו חץ הזמן הולך בכיוון אחד (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 השמאלי איננו מייצג את העבר של היקום בצד הימני, ואילו הצד הימני איננו מייצג את העתיד של הצד השמאלי. אלא שמדובר 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.³
ספקולציה משונה זו הכינה את הקרקע לצמיחתו של דור חדש של תאוריות קוסמולוגיות להן אנו נקרא "מודלים תנודות הואקום". כלומר במודל 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.
מודלים תנודות הואקום לא שרדו את שנות השמונים של המאה הקודמת. לא רק שהיו בעיות תיאורטיות עם מנגנוני הייצור של החומר, מודלים אלו התמודדו עם בעיה פנימית קשה.⁴
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 לפתור את הבעיה הזו, היא לטעון שהמרחב הקדמוני ממנו צצים החלקיקים\יקומים, מתפשט בעצמו (וכך היקומים השונים בו לא יתנגשו זה בזה עקב גדילת המרחב בו הם נמצאים), אך במצב כזה המרחב הקדמוני עצמו דורש התחלה, משום שהוא מגשים את התנאי של התיאורמה של אלכסנדר וילנקין על פיו כל מרחב שהתפשט במשך הזמן בעברו, 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

• 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 כלי 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 תרגיל 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 לאפשר יקום נצחי. כפי שהקוסמולוג ג'ון בארו מסביר, יקום קוונטי מהסוג הזה לא היה קיים תמיד, יקום כזה מתחיל להתקיים כמו המודל הסטנדרטי, אלא שיקום כזה לא מתחיל כמפץ, עם גדלים פיזיקאליים 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 בא לידי ביטוי במודל הסטנדרטי של המפץ הגדול. אך נקודת התחלה היא לא תנאי הכרחי להתחלת הזמן. התנאי הדרוש להתחלת הזמן הוא כזה: אם נבחר פרק זמן שרירותי 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 המודלים החלופיים לקוסמולוגיה הסטנדרטית של המפץ הגדול, ראינו כי לא קיים מודל כיום שמצליח לתאר יקום נצחי בעברו. כמו שאלכסנדר וילנקין אמר: "כל הראיות שיש בידינו מצביעות על כך שליקום הייתה התחלה מוחלטת".⁵ שימו לב למשפט מדהים זה: 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 לסעיף השני בטיעון הקוסמולוגי, ליקום הייתה התחלה. כאמור, הראיות המדעיות אך ורק מאשרות מסקנה הנגזרת מטיעונים פילוסופיים עצמאיים לטובת לעברו הסופי של היקום.

אגב, הקוסמולוג אלכסנדר וילנקין הרצה באוניברסיטת בקיימברידג' על התיאורמה שלו ובחן את המודלים הקוסמולוגיים השונים עליהם דיברנו במאמר.

 

1. John Barrow and Frank Tipler, The Anthropic Cosmological Principle (Oxford: Clarendon Press, 1986), p. 442.

2. https://arxiv.org/abs/gr-qc/0110012
3. Edward Tryon, "Is the Universe a Vacuum Fluctuation?" Nature 246 (1973): 396-97.
4. Isham, "Creation of the Universe," pp. 385-87.
5. A.Vilenkin, cited in “Why physicists can't avoid a creation event,” by Lisa Grossman, New Scientist (January 11, 2012).