תיאוריית האינפלציה הקוסמית בצרות

בקיצור

• המדידות האחרונות של קרינת הרקע הקוסמית בגלי־מיקרו (CMB), האור הקדום ביותר של היקום, מעלות ספקות באשר לתיאוריה האינפלציונית של היקום: הרעיון שהמרחב התפשט בקצב מעריכי ברגעים הראשונים של הזמן.
• אחת התוצאות האופייניות לאינפלציה היא דפוס שונה של הבדלי טמפרטורה בקרינת הרקע הקוסמית (על אף שאפשר לגרום לה לחזות כמעט כל תוצאה). תוצאה נוספת שלה היא גלי כבידה בראשיתיים, שלא התגלו.
• הנתונים מראים שעל הקוסמולוגים להעריך מחדש את הפרדיגמה המועדפת עליהם, ולשקול רעיונות חדשים באשר לתחילת היקום.

ב-21 במארס, 2013, ערכה סוכנות החלל האירופית מסיבת עיתונאים בין־לאומית שבה היא הודיעה על תוצאות חדשות שהגיעו מחללית ששמה פלאנק. החללית מיפתה, בפירוט רב יותר מאי פעם, את קרינת הרקע הקוסמית בגלי־מיקרו (CMB), אור שנפלט לפני יותר מ-13 מיליארד שנה, מיד לאחר המפץ הגדול. המפה החדשה, אמרו המדענים לעיתונאים, מאששת תיאוריה שהקוסמולוגים אוהבים מאוד כבר 35 שנה: שהיקום התחיל במפץ שלאחריו היה פרק זמן קצר של התפשטות בתאוצה עצומה, המכונה תפיחה, או אינפלציה. ההתפשטות הזאת שיטחה את היקום במידה כזו עד שאפילו מיליארדי שנים לאחר מכן הוא נשאר כמעט אחיד בכל המרחב ובכל כיוון, וכמו כן גם "שטוח", כלומר לא מעוקם כמו כדור, למעט חריגות זעירות בריכוז החומר שמסבירות את המדרג המסועף של הכוכבים, הגלקסיות וצבירי הגלקסיות שסביבנו.

המסר העיקרי של מסיבת העיתונאים היה שהנתונים של פלאנק מתאימים במדויק לתחזיות של המודלים הפשוטים ביותר של האינפלציה, דבר המעניק משנה תוקף לרושם שהתיאוריה ניצבת על בסיס איתן. דומה שסיפורה של הקוסמולוגיה תם ונשלם, הציע הצוות.

בעקבות ההודעה, ניהלנו שלושתנו שיחה על ההשלכות שלה במרכז הרווארד-סמית'סוניאן לאסטרופיזיקה. איג'ס הייתה אז תלמידת מחקר אורחת מגרמניה; שטיינהרדט, היה אחד מן האדריכלים המקוריים של תיאוריית האינפלציה לפני שלושים שנה, אך בעבודה שעשה מאוחר יותר נתגלו בעיות רציניות ביסודות התיאורטיים שלה, הוא בילה באותה עת שנת שבתון בהרווארד; ולייב, שהיה המארח שלנו מתוקף תפקידו כראש המחלקה לאסטרונומיה. כולנו חשבנו שהתצפיות המדוקדקות להפליא של צוות פלאנק ראויות לציון. אבל לא הסכמנו לפרשנות שלהן. אם כבר, הנתונים של פלאנק התנגשו עם המודלים הפשוטים ביותר של האינפלציה והחמירו בעיות יסוד של התיאוריה שכבר זמן רב לא מצליחים לפתור, כך שהן סיפקו סיבות חדשות לשקול רעיונות מתחרים באשר למקורו ולהתפתחותו של היקום.

האם תיאוריית האינפלציה הקוסמית, המנסה להסביר את תכונות היקום שלנו, שגויה?
(צילומים: The Voorhes)

בשנים שחלפו מאז, נתונים מדויקים נוספים שנאספו על ידי החללית פלאנק וכלים אחרים חיזקו עוד יותר את הטיעון שלנו. ואולם, אפילו כעת קהילת הקוסמולוגים עדיין אינה מוכנה להביט בתיאוריית האינפלציה של המפץ הגדול ביושר וללא פניות, והיא עדיין אינה מייחדת תשומת לב של ממש לביקורת, המטילה ספק בכך שהאינפלציה אכן התרחשה. תחת זאת, נראה שהקוסמולוגים מקבלים לכאורה את הקביעה של חסידי תיאוריית האינפלציה: שעלינו להאמין בה מכיוון שהיא מציעה את ההסבר הפשוט היחיד למאפיינים הנצפים של היקום. אבל, כפי שנסביר, הנתונים של פלאנק, בנוסף לבעיות התיאורטיות, ערערו את יסודותיה של הקביעה הזאת.

בעקבות האורקל

כדי להדגים את הבעיות בתיאוריית האינפלציה, נלך בעקבות הקביעה של חסידיה: נניח שהאינפלציה נכונה ללא פקפוק. הבה נדמיין שאורקל מקצועי הודיע לנו באופן חד משמעי שהאינפלציה התרחשה זמן כלשהו לאחר המפץ הגדול. אם נקבל את טענת האורקל כעובדה, מה בדיוק היא תספר לנו על התפתחות היקום? אם האינפלציה אכן מציעה הסבר פשוט על היקום, הייתם מצפים שההצהרה של האורקל תספר לנו הרבה דברים בנוגע לדברים הצפויים להימצא בנתונים של הלוויין פלאנק.

אחד הדברים שהיא תספר לנו הוא שברגע מסוים, פרק זמן כלשהו לאחר המפץ הגדול, היה חייב להיות מקטע זעיר של מרחב שהיה מלא בצורה אקזוטית של אנרגיה שחוללה פרק של התפשטות מואצת במהירות ("אינפלציה") של המקטע הזה. רוב צורות האנרגיה המוכרות, כגון אלו האצורות בחומר ובקרינה, מתנגדות להתפשטות היקום ומאִטות אותו בגלל המשיכה העצמית של הכבידה. האינפלציה דורשת שהיקום יהיה מלא בצפיפות גבוהה של אנרגיה בעלת דחיה עצמית כבידתית, שתעצים את ההתפשטות ותגרום לה להאיץ. אך חשוב לציין שהמרכיב המכריע הזה, שמקובל לכנותו אנרגיה אינפלציונית, הוא אינו אלא השערה; אין לנו שום ראיה ישירה שהוא קיים. יותר מזה, ב-35 השנים האחרונות הועלו מאות – ממש כך – הצעות באשר לשאלה מה עשויה האנרגיה האינפלציונית להיות, וכל הצעה כזאת מייצרת קצב שונה מאוד של אינפלציה וכמויות שונות מאוד של מתיחה כוללת. ברור אפוא שהאינפלציה איננה תיאוריה מדויקת כי אם מסגרת גמישה ביותר שצופנת בתוכה אפשרויות רבות.

תמונת ילדות של היקום
במפה הזאת, שנבנתה על סמך התצפיות של החללית פלאנק ששיגרה סוכנות החלל האירופית, אפשר לראות את קרינת הרקע הקוסמית בגלי־מיקרו (CMB), האור הנצפה הקדום ביותר של היקום, והיא נותנת לנו את התמונה הטובה ביותר מעולם של היקום בימי ילדותו המוקדמים. השטחים הכחולים בשמים מייצגים נקודות שבהן הטמפרטורה של קרינת הרקע, וממילא גם של היקום המוקדם, היא נמוכה יותר, והאזורים האדומים משקפים מקומות חמים יותר. תומכי תיאוריית האינפלציה, תיאוריה הגורסת שהיקום התפשט במהירות ברגעיו הראשונים, טוענים שתבנית הנקודות הקרות והחמות עולה בקנה אחד עם הרעיון הזה. ואולם, התיאוריה יכולה למעשה לייצור כל תבנית, וברוב הגרסאות שלה היא מייצרת הבדלי טמפרטורה גדולים יותר ממה שהמפה הזאת מראה. יותר מזה, אם האינפלציה אכן התרחשה, קרינת הרקע הייתה צריכה לכלול ראיות לגלי כבידה קוסמיים, אדוות במרחב־זמן שנגרמו על ידי המתיחה הקדומה, אבל היא אינה כוללת ראיות כאלה. במקום זאת, נתוני פלאנק מגלים שהסיפור האמיתי של תולדות היקום שלנו עדיין רחוק מסיום.
(המפה באדיבות סוכנות החלל האירופית והפרויקט השיתופי פלאנק)

ואולם, מה תוכל ההצהרה של האורקל לספר לנו, אם אנחנו רוצים לשמוע משהו שיהיה נכון לכל המודלים, בלתי תלוי בסוג המסוים של אנרגיה אינפלציונית? ראשית, נוכל להיות בטוחים, על סמך הידע הבסיסי שלנו בפיזיקת הקוונטים, שהטמפרטורה והצפיפות של החומר ברחבי היקום לאחר תום האינפלציה חייבות להיות שונות במקצת במקומות שונים. תנודות קוונטיות אקראיות בריכוז האנרגיה האינפלציונית בקני מידה תת־אטומיים יוכלו להימתח במהלך האינפלציה ולהפוך לאזורים בקנה מידה קוסמי, שבכל אחד מהם כמות אחרת של אנרגיה אינפלציונית. על פי התיאוריה, ההתפשטות המואצת מסתיימת כשהאנרגיה האינפלציונית מתפרקת והופכת לחומר ולקרינה רגילים. במקומות שבהם צפיפות האנרגיה האינפלציונית (כמות האנרגיה האינפלציונית במטר מעוקב של מרחב) היא קצת יותר גדולה, ההתפשטות המואצת תימשך קצת יותר זמן, וכשהאנרגיה האינפלציונית תתפרק בסופו של דבר, הצפיפות והטמפרטורה של היקום במקומות האלה יהיו קצת יותר גבוהות. ההבדלים באנרגיה האינפלציונית, שייווצרו על ידי השפעות קוונטיות, יתורגמו אפוא לדפוס של נקודות קצת יותר חמות וקצת יותר קרות באור של קרינת הרקע הקוסמית בגלי מיקרו, המשמרת תיעוד של הזמנים ההם. במרוצת 13.7 מיליארד השנים הבאות, ההבדלים הזעירים בצפיפות ובטמפרטורה שבקוסמוס יתעבו תחת השפעת הכבידה וייצרו דפוסים של גלקסיות ומבנים בקנה מידה גדול.

זוהי התחלה טובה, אם כי קצת מעורפלת. האם נוכל לחזות את מספרן של הגלקסיות ואת סידורן בחלל? את רמת העקמימות והעיוות של המרחב? את כמות החומר, או צורות אחרות של אנרגיה, שמהן בנוי היקום הנוכחי? התשובה היא לא. האינפלציה היא רעיון גמיש כל כך עד שכל תוצאה אפשרית. האם האינפלציה מספרת לנו מדוע התרחש המפץ הגדול או כיצד נוצר מקטע המרחב הראשוני, המקטע שבסופו של דבר התפתח והפך ליקום שאנו צופים בו היום? התשובה, שוב, היא לא.

כמו כן, גם אילו ידענו שהאינפלציה התרחשה באמת, לא היינו יכולים לחזות יותר מדי בנוגע לנקודות הקרות והחמות שנצפו על ידי הלוויין פלאנק. מפת פלאנק ומחקרים מוקדמים יותר על קרינת הרקע הקוסמית מורים על כך שהדפוס של נקודות קרות וחמות הוא כמעט זהה בכל קנה מידה, לא משנה עד כמה נתרחק או נתקרב לתמונה, תכונה שהמדענים מכנים "אי־תלות בקנה מידה (scale invariance)." הנתונים העדכניים ביותר של פלאנק מראים שהסטייה מאי־תלות מושלמת בקנה המידה היא זעירה, אחוזים ספורים בלבד, וכי ממוצע הבדלי הטמפרטורה על פני כל הנקודות הוא בערך 0.01%. חסידי האינפלציה מדגישים לעתים קרובות שאפשר ליצור דפוס עם התכונות האלה. אבל הצהרות כאלה מתעלמות מנקודת מפתח אחת: האינפלציה מאפשרת יצירה של דפוסים רבים אחרים של נקודות קרות וחמות, שאפילו אינם קרובים לאי־תלות בקנה מידה, ושמתאפיינים בהבדלי טמפרטורה הרבה יותר גדולים מן הערך הנצפה. במילים אחרות, אי־תלות בקנה מידה אפשרית, אבל גם סטייה גדולה מאי־תלות בקנה מידה אפשרית, וגם כל האפשרויות שביניהן, הכול בהתאם לפרטי צפיפות האנרגיה האינפלציונית שבהנחות שלנו. לפיכך, המערך שראה פלאנק אינו יכול להיחשב כאישוש לאינפלציה.

בייחוד ראוי לציין שאילו ידענו שהאינפלציה התרחשה, יש מאפיין אחד שאפשר לומר במידה רבה של ביטחון שנוכל למצוא בתצפיות קרינת הרקע הקוסמית של פלאנק, מכיוון שהוא משותף לכל הצורות הפשוטות ביותר של אנרגיה אינפלציונית, ובכללן אלו שמוצגות בספרי הלימוד הרגילים. בה בעת שהתנודות הקוונטיות מייצרות הבדלים אקראיים באנרגיה האינפלציונית, הן גם מייצרות עיוותים אקראיים במרחב, שמתקדמים כגלים של הפרעות מרחביות על פני היקום מן הרגע שהאינפלציה מסתיימת. ההפרעות האלה, הידועות בשם גלי כבידה, הן מקור נוסף לנקודות קרות וחמות בקרינת הרקע הקוסמית בגלי־מיקרו, אך להן יש גם השפעה מקטבת מובהקת (כלומר, גלי הכבידה גורמים לאור להעדיף כיוון מסוים של השדה החשמלי שלו, בהתאם לשאלה אם האור הגיע מנקודה קרה, חמה או ממקום כלשהו ביניהן).

למרבה הצער, החיפוש אחר גלי כבידה אינפלציוניים לא נשא פירות. על אף שקוסמולוגים ראו לראשונה נקודות קרות וחמות באמצעות החללית COBE ב-1992 ובניסויים רבים אחרים שנערכו לאחר מכן, ובכללם תוצאות עדכניות עוד יותר של החללית פלאנק מ-2015, הם לא מצאו שום סימן לגלי הכבידה הקוסמיים הצפויים מן האינפלציה, נכון לכתיבת המאמר הזה, על אף החיפושים הדקדקניים אחריהם. (ב-17 במארס, 2014, הודיעו מדענים מניסוי BICEP2 שבקוטב הדרומי שהם זיהו גלי כבידה קוסמיים, אולם לאחר מכן חזרו בהם מטענתם, כשהתחוור להם שהם בעצם ראו אפקט קיטוב שנגרם מגרגרי אבק בשביל החלב.) שימו לב שאין שום קשר בין גלי הכבידה הקוסמיים הצפויים האלו לבין גלי הכבידה שנוצרו על ידי חורים שחורים מתמזגים ביקום המודרני, והתגלו ב-2015 במצפה גלי הכבידה באמצעות אינטרפרומטר לייזר (LIGO).

התוצאות של הלוויין פלאנק – שילוב של סטייה קטנה במידה בלתי צפויה (אחוזים ספורים) מאי־תלות מושלמת בקנה המידה בתבנית של נקודות קרות וחמות בקרינת הרקע הקוסמית ושל הכישלון לזהות גלי כבידה קוסמיים – הן מדהימות. לראשונה זה 30 שנה, המודלים הפשוטים ביותר לאינפלציה, ובכללם המודלים המתוארים בספרי הלימוד הרגילים, מתנגשים התנגשות חזיתית עם התצפיות. כמובן שהתיאורטיקנים הזדרזו להטליא את התמונה האינפלציונית, אך במחיר של יצירת מודלים סבוכים של אנרגיה אינפלציונית וחשיפה של בעיות נוספות.

הגולשת על הגבעה

בשביל להעריך במלואה את המשמעות של המדידות של פלאנק, כדאי להתבונן מקרוב במודלים האינפלציוניים שחסידי האינפלציה מציגים בקדמת הבמה, על חסרונותיהם.

מדענים סבורים שהאנרגיה האינפלציונית צומחת מתוך שדה משוער, המכונה אינפְלַטוֹֹן, המקביל לשדה חשמלי, ואשר שורר בכל המרחב ושיש לו עוצמה (או ערך) בכל נקודה ונקודה בו. מכיוון שהאינפלציה היא בגדר השערה, מותר לתיאורטיקנים לדמיין שהאינפְלַטוֹֹן מתאפיין בדחייה עצמית כבידתית כזו שגורמת להתפשטות היקום להאיץ. עוצמת שדה האינפְלַטוֹֹן בנקודה נתונה במרחב קובעת את צפיפות האנרגיה האינפלציונית שם. את הקשר בין עוצמת השדה ובין צפיפות האנרגיה אפשר לייצג באמצעות עקומה על גרף שנראה כמו גבעה (ראו איור). כל אחד ממאות המודלים של אנרגיה אינפלציונית שהוצעו מתאפיין בצורה מסוימת של הגבעה הזאת, והצורה הזאת קובעת את תכונות היקום לאחר תום האינפלציה. לדוגמה, אם היקום יהיה שטוח וחָלָק ואם הבדלי הטמפרטורה והצפיפות שבו יהיו כמעט בלתי תלויים בקנה המידה, או שלא.

מאז פרסום הנתונים של פלאנק, קוסמולוגים מוצאים את עצמם במצב שדומה מאוד לתרחיש הזה: דמיינו לעצמכם שאתם חיים בעיירה מבודדת השוכנת בעמק מוקף גבעות. האנשים היחידים שראיתם אי פעם בעיירה הם התושבים שלה, עד שיום אחד מגיעה לעיירה אישה זרה. כולכם רוצים לדעת כיצד הגיעה הזרה לעיירה שלכם. אתם מתייעצים עם רכלן העיירה (הידוע גם בשם "האורקל המקומי"), והוא טוען שהוא יודע שהיא הגיעה אל העיירה באמצעות גלישת סקי. אתם מאמינים לרכילות, ומביאים בחשבון שיש רק שתי גבעות המובילות לעמק שלכם. כל מי שקורא את מדריך הסקי יכיר את הגבעה הראשונה, שאפשר להגיע אליה בקלות בעזרת מעלית סקי. לכל המסלולים שם יש ירידה מתונה; הראוּת ותנאי השלג הם די טובים. הגבעה השנייה שונה לגמרי ממנה. היא אינה כלולה בשום מדריך סקי רגיל. ואין פלא! ידוע שבפסגת הגבעה יש מפולות שלגים. אחד השבילים המובילים לעיירה שלכם מאתגר מכיוון שהוא מתחיל ברכס מישורי שבבת אחת מסתיים בצוק תלול. יותר מכך, אין שם מעלית סקי. הדרך היחידה המתקבלת על הדעת להתחיל לגלוש במורד הגבעה הזאת היא קודם כל לקפוץ ממטוס ואז, באמצעות מצנח, לנחות במקום מסוים על הרכס (בדיוק של סנטימטרים) ולנחות שם במהירות הנכונה במדויק; הטעות הקטנה ביותר תגרום לגולשת לסטות ממסלולה אל עבר עמק מרוחק או תגרום לה להילכד על ראש הגבעה; במקרה הגרוע ביותר, עלולה להתחיל מפולת שלגים לפני שהגולשת תגיע לרכס והיא לא תשרוד. אם רכלן העיירה צודק, ואכן הזרה הגיעה בגלישת סקי, מתקבל על הדעת להסיק שהיא הגיעה במורד הגבעה הראשונה.

שתי גרסאות של תיאוריה: האינפלציה כמסלול סקי
אם האינפלציה אכן התרחשה, היא בהכרח נוצרה על ידי "אנרגיה אינפלציונית" משוערת, שמקורה בשדה המכונה "אינפְלַטוֹֹן", ששרר בכל המרחב. גרסאות שונות של תיאוריית אינפלציה מציעות קשרים שונים בין עוצמת שדה האינפלציה ובין צפיפות האנרגיה האינפלציונית. שניים מן הקשרים האלו מסורטטים כאן. האחד (כחול, משמאל) מקביל למודלים של האינפלציה המוצגים בספרי הלימוד השגרתיים; האחר (ורוד, מימין) דורש תנאי התחלה מיוחדים מאוד ולפיכך נראה בלתי סביר. ההקבלה הזאת לשתי גבעות סקי ממחישה מדוע קבוצת המודלים השנייה – סוג האינפלציה שלא בוטל על ידי הנתונים העדכניים – קשה לעיכול.
(איור: בראון בירד דזיין)

יהיה זה טירוף לתאר לעצמנו שמישהי תבחר במסלול השני, מכיוון שהסיכויים להגיע בשלום לעיירה הם זעירים בהשוואה לשביל היורד מן הגבעה הראשונה. אבל אז אתם מגלים משהו בעניין הזרה. למעיל שלה לא מוצמד כרטיס של מעלית סקי. בהתבסס על התצפית הזאת ועל היצמדותו העקשנית של רכלן העיירה לטענתו שהזרה הגיעה על מגלשי סקי, אתם נאלצים להגיע למסקנה המשונה, שהזרה בחרה בוודאי בהר השני. או שאולי היא לא הגיעה כלל בגלישת סקי, ועליכם לפקפק באמינותו של רכלן העיירה.

במקביל לכך, אם אורקל מקצועי מודיע לנו שהיקום התפתח למצבו הנוכחי דרך אינפלציה, היינו מצפים לעקומה של צפיפות אנרגיה אינפלציונית הדומה לגבעה המופיעה במדריכי הסקי, מכיוון שיש לה צורה פשוטה מלמעלה עד למטה, הכי פחות משתנים מתכווננים והכי מעט תנאים רגישים הנדרשים כדי להתחיל אינפלציה. אכן, עד עכשיו כמעט כל ספרי הלימוד על קוסמולוגיה אינפלציונית הציגו עקומות אנרגיה מן הצורה הפשוטה והאחידה הזאת. בייחוד, צפיפות האנרגיה לאורך העקומות הפשוטות האלה עולה בקצב יציב עם השינויים בעוצמת השדה, כך ששדה האינפלציה יכול לקבל ערך התחלתי שבעבורו צפיפות האנרגיה האינפלציונית תהיה שווה למספר המכונה צפיפות פלאנק (צפיפות גדולה פי 10 בחזקת 120 מן הצפיפות היום), צפיפות האנרגיה הכוללת שהייתה זמינה כשהיקום הגיח לראשונה מתוך המפץ הגדול. בתנאי פתיחה מועדפים כאלה, שבהם צורת האנרגיה היחידה היא אנרגיה אינפלציונית, ההתפשטות המואצת תתחיל מיד. במהלך האינפלציה, עוצמת שדה האינפלציה תתפתח באופן טבעי כך שצפיפות האנרגיה תרד לאט וברציפות לאורך העקומה עד לעמק, שבו העקומה מגיעה לנקודה הנמוכה ביותר שלה, התואמת ליקום שבו אנחנו מתגוררים כיום. (אפשר לחשוב על ההתקדמות הזאת כאילו שדה האינפלציה "גולש" במורד העקומה.) זהו הסיפור הקלאסי של האינפלציה, המוצג בספרי הלימוד.

אבל התצפיות של פלאנק אומרות לנו שלא ייתכן שהסיפור הזה נכון. עקומות האינפלציה הפשוטות מייצרות נקודות קרות וחמות שהסטייה שלהן מאי־תלות בקנה מידה היא גדולה יותר ממה שנצפה, וגלי כבידה חזקים דיים שהיינו מסוגלים לזהותם. אם נמשיך להתעקש שהאינפלציה התרחשה, הרי שהתוצאות של פלאנק דורשות להגיע למסקנה ששדה האינפלציה "גלש" במורד עקומת צפיפות אנרגיה מסובכת יותר, שנראית כמו הגבעה השנייה, זו עם הסיכון הגבוה למפולות שלגים ועם רכס נמוך ושטוח המסתיים בצוק תלול המוביל אל העמק. במקום צורה פשוטה העולה בהתמדה, עקומת אנרגיה כזאת תעלה בחדות (כלומר, תיצור צוק) ותתרחק מן המינימום עד שתשתטח בפתאומיות על פני רמה מישורית (היוצרת רכס) בצפיפות אנרגיה נמוכה פי ביליון (10­­­­ בחזקת 12) מצפיפות פלאנק שהייתה זמינה מיד לאחר המפץ הגדול. במקרה הזה, צפיפות האנרגיה האינפלציונית תהיה רק שבריר של אחוז מצפיפות האנרגיה הכוללת שאחרי המפץ הגדול, קטנה בהרבה ממה שנדרש כדי לגרום ליקום להתחיל לעבור אינפלציה מיד.

מכיוון שהיקום אינו עובר אינפלציה, שדה האינפלציה חופשי להתחיל בכל ערך התחלתי ולהשתנות במהירות עוצרת נשימה, כמו הגולשת הקופצת מן המטוס. ואולם, האינפלציה יכולה להתחיל אך ורק אם שדה האינפְלַטוֹֹן מגיע בסופו של דבר לערך התואם לנקודה שעל גבי הרמה המישורית, ורק אם שדה האינפְלַטוֹֹן משתנה לאט מאוד. ממש כפי שהדרישה מן הגולשת הצונחת מרום גבוה, שתנחת על הצוק השטוח במהירות הנכונה שתאפשר לה לגלוש למטה בגלישה חלקה, היא דרישה הרת סכנה, כך כמעט בלתי אפשרי ששדה האינפְלַטוֹֹן יאט את מהירותו בקצב הנכון בדיוק ובערך הנכון בדיוק כדי שהשדה יתחיל באינפלציה. ואם לא די בכך, מכיוון שהיקום אינו עובר אינפלציה במהלך פרק הזמן הזה שלאחר המפץ הגדול כשמהירות האינפְלַטוֹֹן הולכת ויורדת, כל עיוות או אי איזון התחלתיים בהתפלגות האנרגיה ברחבי היקום ילכו ויגדלו; כשהם יהיו גדולים דיים, הם ימנעו מן האינפלציה להתחיל, בלי קשר לשאלה כיצד מתפתח האינפְלַטוֹֹן, ממש כפי שמפולת שלגים עלולה למנוע מן הגולשת לגלוש במסלול חלק במורד הגבעה, בלי קשר לשאלה עד כמה מושלם היה המסלול שעברה מן המטוס אל עבר הרכס.

במילים אחרות, אם נקבל את דברי האורקל ונתעקש שהאינפלציה התרחשה, הרי שנתוני פלאנק יאלצו אותנו לקבל את המסקנה המוזרה, שהאינפלציה התחילה בעקומת צפיפות אנרגיה דמוית רמה מישורית, על אף כל הבעיות שהתמונה הזו מציגה. ואולי, זה השלב להתחיל לפקפק באמינות של האורקל.

ה"רב־תוהו־ובוהו"

כמובן אין שום אורקל. אנחנו לא אמורים פשוט לקבל את ההנחה שהאינפלציה התרחשה, בייחוד מכיוון שהיא אינה מציעה הסבר פשוט למאפיינים הנצפים של היקום. קוסמולוגים אמורים להעריך את התיאוריה באמצעות יישום של ההליכים המדעיים המקובלים כדי לאמוד את הסיכויים שהאינפלציה התרחשה בהינתן התצפיות שלנו על היקום. במובן הזה, העובדה שהנתונים העדכניים מבטלים את המודלים הפשוטים ביותר של האינפלציה ומעדיפים מודלים מלאכותיים יותר, היא ללא ספק חדשות רעות. ואולם, האמת ניתנת להיאמר, התצפיות האחרונות האלה אינן הבעיה הראשונה שתיאוריית האינפלציה נתקלת בה; למעשה, התוצאות האלה חידדו והוסיפו נופך חדש לסוגיות מוכרות וידועות.

לדוגמה, עלינו לשאול את עצמנו אם מתקבל על הדעת שיהיו ליקום התנאים ההתחלתיים הדרושים לאנרגיה אינפלציונית כלשהי, תהיה מה שתהיה. שני תנאים בלתי מסתברים חייבים להתקיים כדי שהאינפלציה תתחיל. ראשית, מעט לאחר המפץ הגדול, היה חייב להיות מקטע של המרחב שבו התנודות הקוונטיות של המרחב־זמן התפוגגו ושבו המרחב מתואר היטב באמצעות משוואות היחסות הכללית הקלאסיות של איינשטיין; שנית, מקטע המרחב הזה חייב להיות שטוח דיו ובעל התפלגות חלקה דיה של אנרגיה כך שהאנרגיה האינפלציונית תוכל לגדול במידה כזאת שהיא תאפיל על כל צורות האנרגיה האחרות. כמה אומדנים תיאורטיים של ההסתברות למצוא מקטע בעל מאפיינים כאלו מיד לאחר המפץ הגדול מראים שזה יותר קשה מאשר למצוא הר מושלג המצויד במעלית סקי ובמסלולי סקי מטופחים באמצע המדבר.

ויותר חשוב מכך, לו היה קל למצוא מקטע שהתהווה מן המפץ הגדול, שהוא שטוח דיו וחלק דיו כדי להתחיל אינפלציה, אז האינפלציה תהיה מיותרת מלכתחילה. אם אתם זוכרים, כל המניע להציג את התיאוריה היה כדי להסביר כיצד היקום הנראה קיבל את התכונות האלה; אם התחלת האינפלציה דורשת את אותן תכונות עצמן, כשההבדל היחיד הוא שדרוש לכך מקטע קטן יותר של מרחב, הרי שהחכמים לא הועילו יותר מדי בתקנתם.

ואולם, סוגיות כאלה הן רק ההתחלה של הבעיות שלנו. לא זו בלבד שהאינפלציה דורשת תנאי התחלה שקשה להשיג, אלא אף בלתי אפשרי לעצור את האינפלציה ברגע שהיא מתחילה. שורשיה של המכשלה הזאת נעוצים בתנודות הקוונטיות של המרחב־זמן. אלו גורמות לעוצמת שדה האינפְלַטוֹֹן להיות שונה בכל נקודה ונקודה, והתוצאה היא שיהיו כמה נקודות במרחב שבהן האינפלציה תסתיים מוקדם יותר מבנקודות האחרות. אנחנו נוטים לחשוב על תנודות קוונטיות כעל משהו זעיר, אבל כבר ב-1983 התחוור לתיאורטיקנים, שטיינהרדט ביניהם, שקפיצות קוונטיות גדולות בשדה האינפְלַטוֹֹן, גם אם הן נדירות, יכולות לשנות לגמרי את סיפורה של האינפלציה. קפיצות גדולות עשויות להגביר את עוצמת שדה האינפְלַטוֹֹן לערכים גבוהים בהרבה מן הממוצע, שיגרמו לאינפלציה להימשך הרבה יותר זמן. אמנם קפיצות כאלה נדירות, אבל אזורים שבהם הן יתרחשו יתפשטו בנפחם בשיעור עצום בהשוואה לאזורים שבהם הן לא יתרחשו, ועד מהרה ישתלטו על המרחב. בתוך רגעים ספורים, אזור שחדל לעבור אינפלציה יהיה מוקף באזורים שעדיין עוברים אינפלציה, ויתגמד לעומתם. ואז התהליך יחזור על עצמו. במרבית האזור המנופח, עוצמת שדה האינפְלַטוֹֹן תשתנה באופן שיגרום לצפיפות האנרגיה לרדת ולאינפלציה להסתיים, אבל קפיצות קוונטיות גדולות נדירות יגרמו לאינפלציה להמשיך בכמה מקומות וליצור נפח שיעבור אינפלציה עוד יותר גדולה. וכך התהליך ימשיך עד אין סוף.

באופן הזה, האינפלציה ממשיכה לעולם ועד, מייצרת מספר אינסופי של מקטעים שבהם האינפלציה הסתיימה ושכל אחד מהם יוצר יקום משל עצמו. רק במקטעים האלה, שבהם האינפלציה נעצרה, קצב ההתפשטות של המרחב הוא קטן דיו כדי ליצור גלקסיות, כוכבים, כוכבי לכת וחיים. ההשלכה המטרידה היא שהתכונות הקוסמולוגיות של כל מקטע יהיו שונות זו מזו בעקבות ההשפעות האקראיות המובנות בתנודות הקוונטיות. באופן כללי, מרבית היקומים לא יהיו חסרי עיוותים או שטוחים; התפלגות החומר לא תהיה קרובה להתפלגות חלקה; ודפוס הנקודות הקרות והחמות בקרינת הרקע הקוסמית אפילו לא יתקרב להיות בלתי תלוי בקנה מידה. למקטעים יהיה טווח אינסופי של תוצאות אפשריות ושונות, כשאף אחד מהם, ובכלל זה מקטעים הדומים ליקום הנראה שלנו, לא יהיה מסתבר יותר מחברו. התוצאה תהיה הדבר שהקוסומולוגים מכנים רב־יקום. מכיוון שהתכונות הפיזיקליות של כל מקטע עשויות להיות כל דבר שיעלה על הדעת, הרב־יקום אינו מסביר מדוע היקום שלנו מתאפיין בתנאים המאוד מסוימים שאנו צופים בהם. על פי ההסבר הזה, הם לא יותר ממאפיינים אקראיים לגמרי של המקטע המסוים שלנו.

ואולי אפילו התמונה הזאת ורודה מדי. יש מדענים המטילים ספק בכך שמקטע כלשהו של מרחב יוכל להתפתח ולהפוך לאזור הדומה ליקום הנראה שלנו. במקום זאת, האינפלציה הנצחית עלולה להתנוון ולהפוך לעולם קוונטי לגמרי של תנודות אקראיות ולא ודאיות השוררות בכל מקום, אפילו לאחר שתסתיים האינפלציה לדעתנו, "רב־תוהו־ובוהו" יהיה מונח הולם יותר לתיאור התוצאה המעורפלת של אינפלציה נצחית, ואחת היא אם היא מורכבת מגדודים אינסופיים של מקטעים בעלי תכונות המתפלגות באופן אקראי, או אם היא מורכבת מתוהו ובוהו קוונטי. מנקודת המבט שלנו, לא משנה כלל איזה תיאור הוא הנכון. בכל מקרה, התיאור של הרב־תוהו־ובוהו אינו חוזה שהתכונות של היקום הנראה שלנו הן תוצאה מסתברת. תיאוריה מדעית טובה אמורה להסביר מדוע מה שאנחנו רואים קורה ולא משהו אחר. הרב־תוהו־ובוהו נכשל במשימה היסודית הזאת.

שינוי פרדיגמה

לנוכח כל הבעיות האלה, האפשרות שהאינפלציה לא התרחשה ראויה לבחינה רצינית. אם נלך אחורה, נראה שיש שתי אפשרויות הגיוניות. או שליקום הייתה התחלה, המכונה בפינו "המפץ הגדול," או שלא הייתה שום התחלה ומה שקרוי המפץ הגדול היה בעצם "הניתור הגדול", מַעֲבָר ממצב קוסמולוגי קודם למצב המתפשט הנוכחי. אף שמרבית הקוסמולוגים מניחים שהיה מפץ, אין כיום שום ראיה, לא כלום, שתספר לנו אם האירוע שהתרחש לפני 13.7 מיליארד שנה היה מפץ או ניתור. אבל ניתור, בניגוד למפץ, אינו דורש פרק זמן נלווה של אינפלציה כדי ליצור יקום כמו זה שאנחנו מוצאים, ולכן תיאוריות הניתור מציגות שינוי חד מפרדיגמת האינפלציה.

ניתור יכול להביא לאותן תוצאות כמו שמביא שילוב של מפץ ואינפלציה יחדיו, מכיוון שלפני הניתור הייתה יכולה להתקיים תקופה של כיווץ אִטי שנמשכה מיליארדי שנים ושהייתה יכולה להחליק ולהשטיח את היקום. אמנם האפשרות שכיווץ אִטי יוכל להביא לאותן תוצאות כמו התפשטות מהירה נראית כנוגדת את השכל הישר, אבל יש טיעון פשוט שמראה שזה חייב להיות כך. כפי שאמרנו, ללא אינפלציה, יקום המתפשט לאִטו יהיה יותר ויותר מעוקם, מעוות ובלתי אחיד עם הזמן, בגלל ההשפעות של הכבידה על המרחב ועל החומר. דמיינו לעצמכם שאתם צופים בסרט של התהליך הזה, כשמריצים אותו אחורנית: יקום גדול, בלתי אחיד ומאוד מעוקם ומעוות המתכווץ בהדרגה והופך להיות שטוח ואחיד. כלומר, הכבידה פועלת במהופך בתור מכשיר החלקה ביקום ההולך ומתכווץ לאִטו.

כמו במקרה של אינפלציה, פיזיקת הקוונטים מכניסה תיקונים בסיפור ההחלקה הפשוט גם בעבור תיאוריות של ניתור. תנודות קוונטיות משנות את קצב הכיווץ ממקום למקום כך שאזורים מסוימים קופצים ומתחילים להתפשט ולהתקרר לפני אחרים. המדענים יכולים לבנות מודלים שבהם קצב ההתכווצות יוצר מצב שבו הבדלי הטמפרטורות שלאחר הניתור עולים בקנה אחד עם דפוס הנקודות הקרות והחמות שנצפו על ידי הלוויין פלאנק. במילים אחרות, ההתכווצות לפני ניתור יכולה לעשות מה שהאינפלציה הייתה אמורה לעשות כשהיא הומצאה לראשונה.

זאת ועוד, לתיאוריות ניתור יש יתרון חשוב בהשוואה לאינפלציה: הן אינן יוצרות רב־תוהו־ובוהו. כששלב הכיווץ מתחיל, היקום הוא כבר גדול וקלאסי (כלומר, מתואר על ידי תורת היחסות הכללית של איינשטיין), והוא מנתר לפני שהוא מתכווץ לגודל שבו השפעות קוונטיות מתחילות להיות משמעותיות. כתוצאה מכך, לעולם אין שלב, הדומה למפץ הגדול, שבו כל היקום נשלט על ידי פיזיקת הקוונטים, ואין שום צורך להמציא שלב מַעֲבָר קוונטי-קלאסי. ומכיוון שאין שום אינפלציה במהלך ההחלקה, כזאת שעשויה לגרום לאזורים שיש בהם תנודות קוונטיות גדולות ונדירות להתנפח לממדי ענק, ההחלקה באמצעות כיווץ אינה יוצרת יקומים מרובים. עבודה שנעשתה לאחרונה מעלה את ההצעות המפורטות הראשונות לתיאור כיצד היקום היה יכול לעבור מכיווץ להתפשטות, ומאפשרת בנייה של קוסמולוגיית ניתור מלאה.

מדע לא אמפירי?

לנוכח הבעיות של האינפלציה והאפשרויות שמציעות קוסמולוגיות הניתור, היה אמור לכאורה להתקיים דיון ער בין מדענים היום, הממוקד בשאלה כיצד להבדיל בין שתי התיאוריות האלה באמצעות תצפיות. אבל אין זה פשוט כל כך: קוסמולוגיה אינפלציונית, כפי שאנו מבינים אותה נכון לעכשיו, היא תיאוריה שאי אפשר להעריך באמצעות השיטה המדעית. כפי שהסברנו בדיון כאן, התוצאה הצפויה של אינפלציה עשויה להשתנות בקלות אם אנחנו משחקים עם תנאי ההתחלה, משנים את הצורה של עקומת צפיפות האנרגיה האינפלציונית, או פשוט מציינים שהיא מובילה לאינפלציה נצחית ולרב־תוהו־ובוהו. המאפיינים האלה, כולם ביחד וכל אחד לחוד, הופכים את האינפלציה לגמישה כל כך עד שאין שום ניסוי שיכול להפריך אותה.

יש מדענים המקבלים את הטענה שהאינפלציה היא תיאוריה שאי אפשר לבחון אותה, אבל מסרבים לנטוש אותה. הם הציעו שבמקום זאת, המדע חייב להשתנות על ידי כך שייפטר מאחת התכונות המכוננות שלו: היכולת להיבדק בניסוי. הרעיון הזה חולל מבול של דיונים על טיבו של המדע ועל האפשרות של הגדרתו מחדש, וקידם את הרעיון של סוג כלשהו של מדע לא אמפירי.

אחת התפיסות השגויות הנפוצות היא שאפשר להשתמש בניסויים כדי לגלות שתיאוריה שגויה. למעשה, תיאוריה כושלת נעשית יותר ויותר חסינה לניסויים בגלל הניסיונות להטליא אותה. כדי להתאים לתצפיות חדשות, התיאוריה נעשית יותר ויותר רגישה ובלתי מפוענחת, עד שהיא מגיעה למצב שכושר ההסברה שלה דועך עד לנקודה שבה כבר לא עוסקים בה עוד. כושר ההסברה של תיאוריה נמדד על ידי קבוצת האפשרויות שהיא מבטלת. חסינות גבוהה יותר משמעה ביטול של פחות אפשרויות ולפיכך – פחות כושר. תיאוריה כמו הרב־תוהו־ובוהו אינה מבטלת דבר, ולפיכך – הכוח שלה הוא אפס. ההכרזה על תיאוריה ריקה בתור נקודת המוצא הבסיסית שאין עליה עוררין דורשת סוג של ביטחון החורג ממדע. ומאחר שאורקלים מקצועיים אינם חזון נפרץ, הברירה היחידה שיש בידינו היא לפנות אל כוח הסמכות. ההיסטוריה מלמדת אותנו שזהו הנתיב הלא נכון לצעוד בו.

התמזל מזלנו היום, ויש לנו שאלות יסודיות וחריפות שנכפות עלינו על ידי התצפיות. העובדה שהרעיונות המובילים שלנו אינם עובדים היא הזדמנות היסטורית לפריצת דרך תיאורטית. במקום לחתום את סיפורו של היקום המוקדם, עלינו להכיר בכך שהקוסומולגיה עדיין לא אמרה את המילה האחרונה.

לקריאה נוספת

• Inflationary Paradigm in Trouble after Planck 2013. Anna Ijjas et al. in Physics Letters B, Vol. 723, Nos. 4–5, pages 261–266; June 25, 2013
• The Inflation Debate. Paul J. Steinhardt; Scientific American, April 2011
• עמוד הבית של מחבר המאמר, פול שטיינהרדט
• מאמרים נוספים של מחברת המאמר, אנה איג'ס
• עמוד הבית של מחבר המאמר, אבי לייב