היקום
הוא באמת גדול.
אנו חיים בגלקסיה, גלקסיית שביל החלב.
ישנם כ-100 מיליארד כוכבים בגלקסיית שביל החלב.
אם מכוונים באופן אקראי מצלמה
לאזור כלשהו בשמיים,
משאירים את הצמצם פתוח,
וכל עוד המצלמה מחוברת לטלסקופ החלל האבל,
זה ייראה בערך כך.
כל אחד מהגושים הקטנים הללו,
הוא גלקסיה שגודלה כשל הגלקסיה שלנו --
100 מיליארד כוכבים בכל אחד מהגושים האלה.
ישנן כ-100 מיליארד גלקסיות
ביקום הנראה לעין.
מאה מיליארד הוא המספר היחיד שצריך לדעת.
גיל היקום, מהמפץ הגדול להיום,
הוא 100 מיליארד בשנות כלב.
(צחוק)
דבר האומר לנו משהו לגבי מקומנו ביקום. מה שניתן
לעשות עם תמונה זו הוא פשוט להעריץ אותה.
היא יפה בצורה בלתי רגילה.
תהיתי לעיתים קרובות, מהי הסיבה האבולוציונית
שגרמה לאבותינו בערבות-הדשא, להסתגל ולהתפתח
כך שאנו כל-כך נהנים מתמונות של גלקסיות
בעוד שהם עצמם אף פעם לא חזו בהן.
אבל אנו גם רוצים להבין את כל זה.
בתור קוסמולוג ברצוני לשאול, מדוע היקום הוא כמות שהוא?
רמז אחד גדול שיש לנו הוא שהיקום משתנה כל הזמן.
אם מסתכלים על אחת מהגלקסיות הללו ומודדים את מהירותה,
נמצא שהיא מתרחקת מאיתנו.
ואם מסתכלים על גלקסיה יותר רחוקה,
היא תתרחק מאיתנו יותר מהר.
לכן אנו אומרים שהיקום מתפשט.
מה שזה אומר שבעבר,
העצמים היו קרובים אחד לשני.
בעבר, היקום היה צפוף יותר,
וגם חם יותר.
אם מצופפים דברים ביחד, הטמפרטורה עולה.
זה די מובן לנו.
מה שלא מובן לנו כל-כך
הוא שהיקום, בזמנים קדומים, בסמיכות זמנים למפץ הגדול,
היה גם מאוד, מאוד אחיד.
אתם עשויים לחשוב שזה ברור מאליו.
האויר באולם זה הוא מאוד אחיד.
אתם תאמרו, "אולי הדברים החליקו את עצמם."
אבל התנאים מייד אחרי המפץ הגדול היו מאוד, מאוד שונים
מאשר התנאים של האויר באולם זה.
בייחוד, הכל היה הרבה יותר צפוף.
משיכת הכבידה בין העצמים
היתה הרבה יותר חזקה בסמוך למפץ הגדול.
מה שצריך לחשוב עליו
זה שיש לנו יקום עם 100 מיליארד גלקסיות,
100 מיליארד כוכבים בכל אחת.
בזמנים קדומים, 100 מיליארד גלקסיות הללו
היו דחוסות באזור בגודל כזה --
ממש כך, בזמנים הקדומים.
וצריך לזכור שצפיפות זו
היתה ללא שום פגמים,
ללא שום נקודות זעירות
שבהן היו קצת יותר אטומים מאשר במקום אחר.
וזה מפני שאם היו נקודות כאלו, היתה שם קריסה תחת משיכת הכבידה
והיה נוצר חור שחור ענקי.
קיום של יקום מאוד, מאוד אחיד בזמנים הקדומים
אינו דבר קל, זהו איזון עדין.
זהו רמז
שהיקום המוקדם לא נוצר באופן אקראי.
יש משהו שעשה אותו כזה.
היינו רוצים לדעת מה זה.
חלק מההבנה שלנו לגבי זה מגיעה מלודויג בולצמן,
פיזיקאי אוסטרי מן המאה ה-19.
התרומה של בולצמן היתה בכך שהוא סייע לנו להבין אנטרופיה.
שמעתם על אנטרופיה.
זוהי האקראיות, חוסר-הסדר, הערבוביה בכמה מערכות.
בולצמן נתן לנו נוסחה --
החרוטה על המצבה שלו --
שממש מכמתת את האנטרופיה.
והיא בעיקרון אומרת
שאנטרופיה זה מספר הדרכים
בהן ניתן לסדר מרכיבי מערכת מבלי שנוכל להבחין בהבדל,
כך שבמאקרו היא נראית אותו הדבר.
אם ניקח את האויר בחדר,
אנו לא מבחינים בכל אטום בנפרד.
מערך בעל אנטרופיה נמוכה הוא זה
אשר יש בו רק מעט סידורים הנראים זהים.
מערך בעל אנטרופיה גבוהה הוא זה
אשר יש בו הרבה סידורים הנראים זהים.
זוהי תובנה חשובה באופן קריטי,
מאחר והיא עוזרת לנו להסביר
את החוק השני של תרמודינמיקה --
החוק האומר שאנטרופיה עולה ביקום,
או באזור מבודד של היקום.
הסיבה שהאנטרופיה עולה
היא בגלל שיש יותר דרכים כדי להיות
במצב של אנטרופיה גבוהה מאשר נמוכה.
זוהי תובנה נפלאה,
אבל היא מחסירה משהו.
התובנה שהאנטרופיה עולה,
עומדת בבסיס מה שאנו מכנים "חץ הזמן",
ההבדל בין העבר לעתיד.
כל הבדל שקיים
בין העבר לעתיד
נובע מעליה באנטרופיה --
עובדה היא שאנו יכולים לזכור את העבר, אבל לא את העתיד.
העובדה שאנו נולדים, ואז חיים ובסוף מתים,
תמיד בסדר הזה,
זה בגלל שהאנטרופיה עולה.
בולצמן הסביר שאם מתחילים באנטרופיה נמוכה,
זה אך טבעי שהיא תעלה,
מפני שיש יותר דרכים בהן ניתן להיות באנטרופיה גבוהה.
מה שהוא לא הסביר
זה מדוע מלכתחילה האנטרופיה היתה בכלל נמוכה.
העובדה שהאנטרופיה של היקום היתה נמוכה
היא השתקפות של העובדה
שהיקום הקדום היה מאוד, מאוד אחיד.
היינו רוצים להבין זאת.
זוהי עבודתנו בתור קוסמולוגים.
אבל לצערי, אנו לא מקדישים מספיק
תשומת לב לבעיה זו.
זה לא אחד מהדברים הראשונים שיגידו לכם,
אם הייתם שואלים קוסמולוגים עכשוויים,
"אלו בעיות אנו מנסים כיום לפתור?"
אחד האנשים שכן הבין שזו אכן הבעיה
היה ריצ'רד פיינמן.
לפני 50 שנה, הוא נתן סדרות של הרצאות שונות.
הוא נתן את ההרצאות המפורסמות
שהפכו ל"הטבע של חוק פיזיקלי".
הוא נתן הרצאות בפני תלמידי תואר ראשון בקלטק
שהפכו ל "הרצאות פיינמן על פיזיקה".
הוא נתן הרצאות לבוגרי קלטק
שהפכו ל"הרצאות פיינמן על כבידה".
בכל אחד מהספרים האלה, בכל אחת מהקבוצות של ההרצאות הללו,
הוא הדגיש את החידה הבאה:
מדוע ליקום הקדמוני היתה אנטרופיה כה נמוכה?
הוא אמר -- אני לא הולך לחקות אותו --
הוא אמר, "מסיבה כלשהי, היקום היה פעם
בעל אנטרופיה מאוד נמוכה יחסית לכמות האנרגיה שבו,
ומאז האנטרופיה עלתה.
לא ניתן להבין עד הסוף את חץ הזמן
עד שהתעלומה של תחילת ההיסטוריה של היקום
תפוצח, כך שנעבור
מהשערה להבנה."
אז זו העבודה שלנו.
זה היה לפני 50 שנה. אתם בטח חושבים
שהספקנו כבר לפצח את זה.
אז לא נכון שפיצחנו את זה.
במקום להיפתר, הבעיה רק
החריפה והסיבה לכך
היא שבשנת 1998
למדנו משהו קריטי על היקום, משהו שלא ידענו קודם.
למדנו שהיקום מאיץ.
היקום אינו רק מתפשט.
אם מסתכלים על גלקסיה, היא מתרחקת מאיתנו.
אם נבוא עוד מיליארד שנה ונסתכל עליה,
נמצא שהיא מתרחקת מאיתנו יותר מהר.
כל גלקסיה בנפרד מתרחקת מאיתנו יותר ויותר מהר.
לכן אנו אומרים שהיקום מאיץ.
אבל שלא כמו האנטרופיה הנמוכה של היקום הקדמון,
אף על-פי שאנו לא יודעים את התשובה לכך,
לפחות יש לנו תאוריה טובה שתוכל להסביר זאת.
אם התאוריה נכונה,
זו התאוריה של אנרגיה שחורה.
הרעיון הוא שלחלל הריק עצמו יש אנרגיה.
בכל סמ"ק של חלל,
בין אם יש או אין שם חומר,
בין אם יש שם חלקיקים, חומר, קרינה, ובין שאין,
עדיין קיימת שם אנרגיה, ממש בחלל עצמו.
ואנרגיה זו, על-פי איינשטיין,
מפעילה כח דחיפה על היקום.
זהו דחף תמידי
אשר דוחף את הגלקסיות הרחק אחת מהשניה.
אנרגיה שחורה, שלא כמו חומר או קרינה,
אינה דועכת ככל שהיקום מתפשט.
כמות האנרגיה בכל סמ"ק
נשארת קבועה,
גם כאשר היקום מתפשט.
יש לכך השלכות קריטיות
על מה שהיקום יעשה בעתיד.
קודם כל, היקום יתפשט לעד.
פעם כאשר הייתי בגילכם,
לא ידענו מה היקום הולך לעשות.
היו כאלה שחשבו שהיקום יקרוס בעתיד בחזרה.
איינשטיין חיבב רעיון זה.
אבל אם קיימת אנרגיה שחורה, והאנרגיה השחורה לא נעלמת,
היקום הולך להתפשט לעד.
14 מיליארד שנה של העבר,
100 מיליארד שנות חיי-כלב,
אבל מספר אין-סופי של שנות עתיד.
בינתיים, מכל הבחינות,
החלל נראה לנו כסופי.
חלל יכול להיות סופי או אין-סופי,
אבל מאחר והיקום מתפשט,
יש אזורים בחלל שאנו לא יכולים לראות
וגם לעולם לא נראה.
יש לנו גישה לאזור של חלל, שגודלו סופי,
אשר מוקף באופק.
כף שאפילו אם הזמן יתקיים לנצח,
החלל עבורנו הוא מוגבל.
ואחרון, לחלל ריק יש טמפרטורה.
בשנות ה-70, סטפן הוקינג סיפר לנו
שחור שחור, גם אם נדמה לנו שהוא שחור,
הוא למעשה פולט קרינה,
אם מתחשבים במכניקה קוונטית.
עקמומיות החלל-זמן סביב החור השחור מעוררת לחיים
את האי-יציבות הנובעת מהמכניקה הקוונטית,
וכך החור השחור פולט קרינה.
חישוב דומה להפליא שבוצע על-ידי הוקינג וגארי גיבונס
הראה שאם קיימת אנרגיה שחורה בחלל ריק,
אז כל היקום פולט קרינה.
האנרגיה של חלל ריק
מעוררת לחיים תנודות קוונטיות.
וכך, אפילו אם היקום יתקיים לעד,
וחומר וקרינה רגילים יתפוגגו,
תמיד תישאר קרינה כלשהי,
כמה תנודות תרמיות,
אפילו בחלל ריק.
מה שזה אומר
הוא שהיקום הוא כמו קופסה המכילה גז
המתקיימת לעד.
אז מהי ההשלכה של זה?
השלכה זו נחקרה על-ידי בולצמן במאה ה-19.
הוא אמר, אנטרופיה עולה
מכיוון שיש הרבה יותר דרכים
ליקום כדי להימצא באנטרופיה גבוהה, מאשר באנטרופיה נמוכה.
אבל זוהי הצהרה הסתברותית.
היא ככל הנראה תעלה,
וההסתברות היא ענקית במידה עצומה.
זה לא משהו שצריך לדאוג בגללו --
שהאויר באולם זה יצטבר פתאום בפינה אחת של האולם ויגרום לנו לחנק.
זה מאוד, מאוד בלתי-סביר.
אלא אם ננעל את הדלתות
ונישאר כאן לנצח,
אז זה יכול לקרות.
כל מה שאפשרי,
כל סידור שהמולקולות באולם זה יכולות להשיג,
יווצר בסופו של דבר.
בולצמן טען שיקום יכול להתחיל
במצב של שיווי-משקל תרמי.
הוא לא ידע אז על המפץ הגדול. הוא לא ידע על התפשטות היקום.
הוא חשב שהחלל והזמן הוסברו היטב על-ידי ניוטון --
שהם מוחלטים; שהם יישארו שם לנצח.
כך שרעיונו על יקום טבעי
היה כזה שבו מולקולות אויר היו פזורות באופן אחיד בכל מקום --
המולקולות הכל-יכולות.
אבל בולצמן גם ידע שאם ממתינים מספיק זמן,
התנודות האקראיות של מולקולות הללו
יביאו אותן מפעם לפעם
למבנים של אנטרופיה יותר נמוכה.
ואז, במהלך העניינים הטבעי,
הן תתפשטנה שוב.
זה אומר שלא תמיד האנטרופיה חייבת לעלות --
ניתן לקבל תנודות שיגרמו להיווצרות אנטרופיה יותר נמוכה,
מצבים יותר מאורגנים.
אם זה נכון,
בולצמן ממשיך וממציא
שני רעיונות שנשמעים מודרניים --
יקומים מקבילים והעיקרון האנטרופי.
הוא טוען שהבעיה עם שיווי-משקל תרמי
היא שאנו לא יכולים לחיות בו.
צריך לזכור שהחיים עצמם תלויים בחץ הזמן.
לא היינו מסוגלים לעבד מידע,
לבצע חילוף-חומרים, ללכת ולדבר,
אם היינו חיים בשיווי-משקל תרמי.
כך שאם מדמיינים יקום מאוד, מאוד גדול,
יקום אין-סופי,
שבו חלקיקים מתנגשים אקראית האחד בשני,
תהיינה לפעמים תנודות קטנות אל עבר מצבי אנטרופיה נמוכה,
ואז חזרה למצב השכיח יותר.
אבל תהיינה גם תנודות גדולות.
מפעם לפעם, יווצר כוכב-לכת,
או כוכב או גלקסיה
או 100 מיליארד גלקסיות.
בולצמן טוען
שאנו נחיה רק באותו חלק של יקומים מקבילים,
באותו חלק של המערך האין-סופי של חלקיקים מתנודדים,
ששם החיים אפשריים.
זה האזור בו האנטרופיה נמוכה.
אולי היקום שלנו הוא פשוט אחד מאותם תרחישים
שקורים מפעם לפעם.
שיעורי-הבית שלכם
הם לחשוב על זה, להרהר במשמעות של זה.
טיעון אחד מפורסם של קרל סייגן
הוא שכדי להכין עוגת תפוחים,
חובה קודם ליצור את היקום.
אבל הוא טעה.
לפי תסריט בולצמן, אם רוצים להכין עוגת תפוחים,
צריך רק להמתין שהתנועה האקראית של אטומים
תיצור את עוגת התפוחים.
זה יקרה לעיתים יותר קרובות
מאשר שהתנועה האקראית של אטומים
תיצור מטע תפוחים
וסוכר ותנור,
ואז תיצור את עוגת התפוחים.
כך שתסריט זה מנבא משהו.
לפי אותו תסריט,
התנודות שיוצרות אותנו הן מינימליות.
גם אם מדמיינים שאולם זה שאנו נמצאים בו
קיים והוא אמיתי,
ויש לנו לא רק הזכרונות,
אבל גם את הרושם שאכן קיים משהו בחוץ
הנקרא קלטק וארה"ב וגלקסיית שביל-החלב,
זה הרבה יותר קל להתרשמויות השונות להתקיים במוחנו
מאשר שהתנודות האקראיות אכן תתגשמנה
לצורה של קלטק, ארה"ב והגלקסיה.
החדשות הטובות הן
שלכן תסריט זה אינו עובד; הוא לא נכון.
התסריט מנבא שאנו צריכים להיות תנודה מינימלית.
נניח שקיבלנו את הגלקסיה שלנו,
לא נקבל את מאה מיליארד הגלקסיות האחרות.
גם פיינמן הבין זאת.
פיינמן אמר, "מההנחה שהעולם הוא תנודה,
כל התחזיות הן
שאם נסתכל על חלק מסויים של העולם שלא ראינו קודם,
נגלה שהוא חסר סדר, ולא כמו האזור שראינו קודם --
שהוא בעל אנטרופיה גבוהה.
אם הסדר שלנו הוא בגלל תנודה,
אין לצפות לסדר בכל מקום אחר אלא רק באותו מקום שראינו.
לכן אנו מסיקים שהיקום אינו תנודה."
טוב. השאלה עכשיו היא מהי התשובה הנכונה?
אם היקום אינו תנודה,
מדוע ליקום הקדמוני היתה אנטרופיה נמוכה?
הייתי מאוד רוצה להגיד את התשובה, אבל זמני אוזל.
(צחוק)
הנה היקום שאני מדבר עליו,
כנגד היקום שקיים בפועל.
הראתי לכם רק את התמונה הזו.
היקום מתפשט במשך 10 מיליארד השנים האחרונות.
הוא בתהליך של התקררות.
אבל אנו יודעים מספיק על עתיד היקום
כך שנוכל לומר הרבה יותר.
אם האנרגיה השחורה תמשיך להתקיים,
הכוכבים סביבנו יכלו את הדלק הגרעיני שלהם ויפסיקו לבעור.
הם יקרסו ויהפכו לחורים שחורים.
נחיה ביקום שלא יהיה בו
כלום מלבד חורים שחורים.
יקום זה יתקיים 10 בחזקת 100 שנים --
הרבה יותר ממה שהיקום שלנו התקיים עד עתה.
העתיד הרבה יותר ארוך מהעבר.
אבל אפילו החורים שחורים לא מתקיימים עד אין-קץ.
הם יתאדו,
ונישאר עם שום דבר מלבד חלל ריק.
החלל הריק יתקיים לנצח.
עם זאת, מאחר וחלל ריק פולט קרינה,
למעשה יש תנודות תרמיות,
והוא עובר בין
כל הצירופים השונים האפשריים
של דרגות החופש אשר קיימות בחלל ריק.
לכן למרות שהיקום מתקיים לנצח,
יש רק מספר סופי של דברים
שיכולים להתרחש ביקום.
הם כולם קורים במשך תקופת זמן
השווה ל-10 בחזקת 10 בחזקת 120 שנים.
אז הנה שתי שאלות בשבילכם.
1: אם היקום מתקיים 10 בחזקת 10 בחזקת 120 שנים,
מדוע נולדנו
ב-14 מיליארד השנים הראשונות שלו,
בדמדומים החמים והנעימים שלאחר המפץ הגדול?
מדוע לא נולדנו בחלל ריק?
אתם תאמרו, "כי אין שם ממה לחיות."
אבל זה לא נכון.
היינו יכולים להיות תנודה אקראית מתוך האפסות.
מדוע אנחנו לא?
עוד משימה בשבילכם לבית.
וכפי שאמרתי, אני לא יודע את התשובה.
אספר לכם את מה שאני חושב.
או שזה ככה וזהו. אין הסבר.
שזוהי עובדת-חיים של היקום
ושעליכם ללמוד לקבלה ולהפסיק לשאול שאלות.
או שאולי המפץ הגדול
הוא לא ההתחלה של היקום.
ביצה, ביצה שלמה, היא מערך בעל אנטרופיה נמוכה,
ובכל זאת, כאשר אנו פותחים מקרר,
אנו לא מופתעים למצוא את המערך הזה
בעל אנטרופיה נמוכה במקרר.
זה בגלל שהביצה אינה מערכת סגורה;
היא יוצאת מתרנגולת.
אולי היקום שלנו יצא מתרנגולת אוניברסלית.
אולי קיים משהו שבאופן טבעי,
באמצעות התפתחות חוקי הפיזיקה,
הוליד יקום כמו שלנו
במצב של אנטרופיה נמוכה.
אם זה נכון, זה יתרחש יותר מפעם אחת;
אנו עשויים להיות חלק מיקום מקבילי הרבה יותר גדול.
זה התסריט החביב עליי.
מארגני הכנס ביקשו ממני לסיים עם השערה נועזת.
השערתי הנועזת
היא שההיסטוריה תוכיח שצדקתי לגמרי.
ש-50 שנה מהיום,
כל הרעיונות הפרועים שלי יתקבלו כאמיתות
על-ידי הקהילייה המדעית ואחרים.
כולנו נאמין שיקומנו הקטן
הוא רק חלק קטן מיקום מקבילי הרבה יותר גדול.
ויותר מזה, נבין את מה שקרה במפץ הגדול
במונחים תאורטיים,
ושנוכל להשוות אותם לתצפיות.
זהו הניבוי. אולי אני טועה.
אבל אנו חושבים מנקודת מבט אנושית,
על מה שהיקום היה, ומדוע הוא
הפך להיות למה שהוא במשך שנים כה רבות.
זה נותן השראה לחשוב שאולי בסוף נדע את התשובה יום אחד.
תודה לכם.
(מחיאות כפיים)