לתוך מה היקום שלנו מתפשט? שאלה זו למעשה מבוססת על התפיסה המוטעית והפופולארית שהיקום שלנו הוא מרחב עקום השוכן במרחב בעל מימדים גדולים יותר ובכלל זה, שהיקום שלנו מתפשט אל תוך המרחב הזה.
תפיסה זו נובעת, בין היתר, מאנלוגית הבלון המתנפח (ראו בהמשך) שמדמה מודל של משטח ספירי דו-מימדי המתנפח בתוך מרחב תלת-מימדי. אין לנו יכולת למדוד ולחקור דבר כלשהו על מרחב גדול יותר. כל מה שאנו מודדים הוא בתוך היקום שלנו, ואנו לא מזהים קצוות או גבולות או מרכז של התפשטות.
על כן, היקום שלנו אינו מתפשט אל תוך משהו שאנו יכולים לראות (למדוד).

על פי החוק האמפירי של האבל אנו רואים שהגלקסיות מתרחקות מאיתנו. נשאלת שאלה מאוד מעניינת:
מדוע שהגלקסיות יתרחקו מאיתנו? האם אנו, בכדור הארץ, תופסים איזשהו מקום מיוחד ביקום, במרכזו של התרחבות קוסמית?
דבר זה סותר את עיקרון קופרניקוס: שהארץ אינה במרכז היקום ואינה נקודה מועדפת כלשהי. איננו במרכז הגלקסיה שלנו ובכלל זה הקרינה הקוסמית מאשרת הנחה זו גם בקנה מידה קוסמולוגי.
הפירוש הטוב ביותר לחוק האבל הינו שהיקום עצמו מתפשט, נושא עימו את הגלקסיות, ששומרות על גודלן ולא נעות בקנה מידה קוסמולוגי (אף על פי שהן כן נעות באופן אקראי בתוך צבירי הגלקסיות).

אז אם היקום שלנו מתפשט האם ההתפשטות גורמת לנו להתרחב?
התשובה היא לא, מערכות קשורות אינן מושפעות מהתפשטות היקום. כוחות אלקטרומגנטיים פנימיים שמתגברים בקלות על ההתפשטות מחזיקה אותנו. באופן דומה, כוחות הגרוויטציה מחזיקים את מערכת השמש, שבקלות מתגברים על ההתפשטות, לכן מערכת השמש שלנו אינה מתפשטת.

החוק האמפירי של האבל לא סותר את עיקרון קופרניקוס: מיקומנו אינו מקום מיוחד. מהירות ההתרחקות הינה סימטרית: אם א' רואה את ב' מתרחק, אזי ב' רואה את א' מתרחק.

אנלוגית הבלון המתנפח:
אחת האנלוגיות להבנת התפשטות היקום הינה להתבונן בפני בלון שמתנפח. נניח שאנו יצורים דו-מימדיים החיים על פני הבלון. מכיוון שאנו חיים על פניו של בלון העולם שלנו הינו דו-מימדי, אנו יכולים לנוע ימינה ושמאלה, קדימה ואחורה. אנו לא יכולים לדבר במונחים של "מטה" ו"מעלה" משום שעולמנו אינו תלת-מימדי!
זיכרו שבאנלוגיה זו, הבלון (שעליו אנו חיים) הולך ומתנפח... יום אחד אנו מגלים שהדרך שאנו עוברים על מנת להגיע לביתנו הרחוק נמשכת זמן רב יותר מאשר בעבר. אם אתמול לקח לנו להגיע לביתנו 20 דקות, למחר אנו מגלים שלקח לנו להגיע 21 דקות לביתנו אף על פי שאנו נעים באותה מהירות שנענו אתמול.
המרחקים אל הבתים התארכו, למרות שהבתים לא זזו לשום מקום, הן נשארו במנוחה ביחס למשטח הגומי של הבלון. אבל המרחקים אל הבתים רק הולכים וגדלים. מכאן, אנו היצורים החיים בעולם הדו-מימדי שעל פני משטח הבלון, מגיעים למסקנה שהקרקע שעליה אנו חיים (יריעת הגומי של הבלון) מתפשטת!!! זוהי ללא ספק מסקנה מהפכנית ומוזרה משום שאנו היצורים הדו-מימדיים שחיים על הבלון לא מכירים "חוץ" וגבולות שלתוכם העולם שלנו יכול להתפשט.
אכן, אנלוגיה זו של הבלון המתנפח דומה להתפשטות היקום. אנו, אמפירית, מגלים שהמרחקים אל גלקסיות רחוקות הולכים ומתארכים מאיתנו. זה נובע מחוק האבל המתבסס על ההסחה לאדום. בדרך כלל, אנו אומרים כי הגלקסיות הרחוקות מתרחקות אך למעשה, הגלקסיות אינן נעות ביקום מאיתנו והלאה!!! אנו רגילים לחשוב שהמפץ הגדול היה התפוצצות בתוך המרחב, שהגלקסיות הן מעין רסיסים של 'פצצת מפץ גדול ענקית', אך זו טעות!
למעשה, היקום עצמו מתפשט, כלומר המרחב שביננו לבין הגלקסיות מתפשט. הגלקסיות ביקום נמצאות בתוך צבירים, שבתוכן הן נעות להן באקראי. אבל צבירי הגלקסיות נמצאים למעשה במנוחה. מנוחה ביחס למה? כמו יריעת הגומי של בלון המתפשט, שביחס אליה אנו יכולים למדוד תנועות, כך קרינת הרקע הקוסמית, השריד של המפץ הגדול, ממלאת את היקום ולמעשה מגדירה מעין 'מערכת ייחוס אוניברסלית'.

נדגיש את הבעייתיות באנלוגית הבלון המתנפח: מנקודת המבט שלנו שמחוץ לבלון המתנפח, התפשטות יריעת הגומי הדו-ממדית אפשרית בגלל שהיא בעצם נמצאת במרחב תלת-ממדי. במרחב החיצוני הזה, לבלון יש מרכז, ופני השטח של הבלון מתפשטים אל תוך האוויר שמסביבו כשהוא מתנפח. כלומר, מודל יריעת הבלון הדו-מימדית שוכן במרחב תלת-מימדי חיצוני. מכיוון שאנלוגית הבלון המתנפח שוכנת במרחב חיצוני אנו נוטים, בטעות, לחשוב שהתפשטות היקום שלנו מחייבת את נוכחותו של ממד נוסף, דהיינו שהיקום שלנו נמצא בתוך מרחב חיצוני ריק.

אז אם ליקום, ככל הנראה, אין שוליים, אין מרכז ואין חוץ (מרחב שבו משוכן היקום שלנו), אז איך הוא יכול בכלל להתפשט? עלינו להפנים שעל פי תורת היחסות הכללית, המרחב לא רק עקום אלא גם דינאמי. כלומר, המרחב שלנו, דהיינו היקום, על פי תורת היחסות הכללית, יכול להתפשט,להתעקם ואפילו להתכווץ למרות שהוא אינו משוכן בתוך מרחב (יהיה אשר יהיה) בעל ממדים רבים יותר. על פי תורת היחסות הכללית, דינאמיות המרחב העקום מראה לנו שהיקום שלנו בעצם 'עומד בפני עצמו'. כלומר, בעצם התפשטותו אין לנו צורך שיהיה ביקום מרכז שממנו היקום התפשט ממנו והלאה. דבר זה גם מסביר מדוע אין לנו צורך לחשוב שהיקום משוכן במרחב גדול יותר ומתפשט לתוכו. כלומר היקום עצמו מתפשט ולא מתפשט בתוך מרחב ריק כלשהו: היקום תוך כדי התפשטותו אינו תופס ומשתלט על מרחב שהיה פנוי קודם לכן מסביבו של היקום שלנו.

הערה: תורת המיתרים, אכן מדברת על ממדים נוספים, אך חשוב להדגיש שהתפשטות היקום התלת-ממדי שלנו (הזמן הוא המימד הרביעי) אינה זקוקה לממדים הנוספים האלה כדי להתרחב לתוכם.

המפץ הגדול: ביקום שלנו, כמו על פני הבלון המתנפח, כל הדברים מתרחקים זה מזה. המפץ הגדול היה דומה יותר להתפוצצות של המרחב ולא התפוצצות בתוך המרחב כפי שרבים חושבים. כלומר, המפץ הגדול לא התרחש באיזשהו מקום כלשהו והתפשט משם כלפי חוץ, לאיזה מרחב דמיוני (יהיה אשר יהיה) שהיה קיים עוד לפני כן. הוא התרחש בכל המקומות בבת אחת!!! שרידי המפץ, קרינת הרקע הקוסמית ממלאת את היקום ונותנת לנו רמז שאכן המפץ התרחש בכל מקום!
ועל כן זו טעות לחשוב שהמפץ הגדול היה כמו פצצה שמתפוצצת בנקודה מסוימת, נקודה שאנו רואים בה כמוקד הפיצוץ. הדבר דומה לאנלוגיית הבלון המתנפח, אין שום מקום מיוחד על פני הבלון שאנו יכולים להצביע עליו כמוקד ההתפשטות.

הסבר על אנימצית היקום המתפשט בעזרת אנלוגית הבלון: אנימציה זו מראה מודל של יקום מתפשט. הכתמים הצהובים מתארים את הגלקסיות, שימו לב שהגלקסיות אינן מתרחבות: מערכות קשורות אינן מושפעות מהתפשטות היקום. מודל זה גם מסביר את ההסחה לאדום של הגלקסיות: כאשר האור נע במרחב מתפשט מאובייקט רחוק, אורך הגל שלו מתרחב, כלומר נהיה אדום יותר. זהו ההסבר הנכון ל'הסחה קוסמולוגית'. זו לא באמת הסחת דופלר,משום שהגלקסיות אינן נעות ביחס ליקום.
באנימציה, הפוטונים נעים ומוסחים מכחול לאדום תוך כדי התפשטות היקום. שימו לב שמהירות האור, מהירות הפוטונים, ביחס לגלקסיות השכנות הינה קבועה.

נסכם: היקום עצמו מתפשט. המפץ הגדול לא היה "התפוצצות" בתוך מרחב ריק כלשהו. המפץ הגדול היה היקום כולו, לא רק החומר והקרינה שבתוכו. אפשר לומר שהמרחב עצמו נוצר בזמן המפץ הגדול. הגלקסיות אינן מתרחקות בנפרד משאר היקום. היקום עצמו מתפשט, נושא עימו את הגלקסיות תוך כדי התפשטות. אין שום מיקום מסוים שבו המפץ הגדול התרחש. המפץ הגדול כלל את היקום כולו, והוא התרחש בכל מקום בבת אחת.

מאת: חיים ברק
המחלקה לפיזיקה של חלקיקים ואסטרופיזיקה
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.