העולם בריאת) המדע) פי על

אוניברסיטת בן-גוריון

רמי ברושטייןהמחלקה לפיסיקה

הרצאה בקורס סוגיות נבחרות במדע5.7.2007

איך נוצר היקום וכל אשר בו ?

תמונת מצב של היקום המאוחר•היקום הקדמון•

שימוש בחוקי הטבע המוכרים לבניית תמונת היקום –הקדמון

מודל המפץ הגדול החם והעדויות לנכונותו–מודל התפיחה הקוסמית )אינפלציה( והעדויות לנכונותו–

המפץ הגדול•מודלים של ראשית היקום–ומה היה לפני המפץ הגדול?– האם באמת נדע אי פעם?–

העולם בריאת) התורה) פי על

הואתהשמייםאתאלוהיםבראבראשיתעלוחושךובהותהוהייתהוהארץארץהפניעלמרחפתאלוהיםורוחתהוםפניאורויהיאלוהיםויאמרמים

תכנית ההרצאה המפץ הגדול

תפיחה קוסמית 1.ויצירת החומר ביקום

היחודיות 2.)סינגולריות( וראשית

הזמן

היקום הקוונטי3.

לפני המפץ הגדול ? 4.

היקום הקדמון

היקום מתפשט 1.

היקום היה חם 2.וצפוף

יצירת היסודות 3.

היסטורית היקום4.

היקום המאוחר

תכולת היקום1.

גודל היקום2.

השמיים"... ככוכבישפת על אשר וכחול

הים ..."

היקום

היקום תכולת

כוכבים וגז )בעיקר 5% חומר נראה: א- מימן(

במערכות קשורות באמצעות כבידה - חלבלוביות )גלאקסיות( המאורגנות בצבירים

כוכב הוא גוף כדורי המורכב ברובו מגז מימן •

הכוכבים מאירים בגלל כור גרעיני "על אש קטנה" הבוער •

במרכזם

היקום תכולת

בגלקסיה • כוכבים מיליארד מאה) שמש ) מסות מיליארד כאלף גלקסיה כל מסת

הנראה • ביקום גלקסיות מיליארד מאה

~ " כ הים ) * ...(1022סה שפת על מחול יותר כוכביםממוצעת • מעוקב 1צפיפות למטר פרוטון

: א- נראה וגז 5%חומר כוכבים

10,000,000,000,000,000,000,000=1022

אפסים אחריו22 עם 1

כמהגרגריחולישעלשפתהיםגודלממוצעשלגרגירחולמממיליארדגרגריחולבמטרמעוקבבקילומטרשלחוףישכעשרתאלפיםמטרמעוקבים10 13גרגריחולבקילומטרחןףאלףקמחוףבישראל1016גרגריחול

חלבלובית סלילית

חלבלובית סלילית

חלבלובית סלילית: שביל החלב

הגלקסיות

מסתובבות

סיבוב קצבסיבוב: אופייני

מיליון במאה אחדשנה

צביר חלבלוביות קומה גלקסיות1000מכיל כ

מגוון חלבלוביות בקצה היקום

היקום גודל פארסק =1 מיליארד ק"מ parsec, 30,000יחידת מרחק •

=pc 1 שנות אור 3.26מרחק אופייני בין כוכבים =

10שנות אור ~ 30,000 גודל אופייני של גלאקסיה •קילופארסק

קילו פארסק500מליון שנות אור ~ 1.5 מרחק בין גלאקסיות

מגה פארסק )מליון פארסק( 20מרחק לצביר הקרוב •

גיגה פארסק10מיליארד שנות אור ~ 30 גודל היקום הנראה •3.1 x 10 23 מליארד פארסק( גיגה פארסק10~ ק"מ(

? " אפל " חומר רואים איך! נראה חומר על כבידה כוח מפעיל אפל חומר

בגלקסיה 1. כוכבים של סיבוב מהירות מודדיםהחומר התפלגות על ומסיקים

.2 " צבירים" על מסתכלים

היקום תכולת" 1/4 ב- הגלקסיות" בתוך אפל חומר

שש ) ומסביבן פי ומסביבם ובצבירים)! הנראה מהחומר

• " פרסאוס " בצביר אפל חומר של מפה

מיפויאמצעימהירויותשיוריותטמפרטורהעידוששחזורהתנגשות

• : בערך בצבירים גם מסקנה" 5פי מחומר " אפל חומר

נראה

יודעים ? איך , , לחלוטין גמור לא ועדיין מעניין ארוך סיפור

? : הסיבה מה באמת המעניינת השאלהקודמת שנה של ההרצאה נושא

היקום תכולת" 2/3 ג- בצורה" מרוחה אפלה אנרגיה

כולו אחידה היקום פני על

תכנית ההרצאה המפץ הגדול

תפיחה קוסמית1.

ויצירת החומר ביקום

הייחודיות 2.)סינגולריות(

וראשית הזמן

היקום הקוונטי3.

מה היה לפני המפץ 4.הגדול ?

היקום הקדמון

היקום מתפשט 1.

היקום היה חם 2.וצפוף

יצירת היסודות 3.

היסטורית היקום4.

היקום המאוחר

תכולתהיקום

גודל היקום

מתפשט • היקום

היקוםמתפשטמהלתוך

כלוםלתוך

מרחקיםכיולהתפשטות

מתפשט • היקוםzהסחה לאדום •

גלקסיות פולטות אור בצבעים שונים –ככל שהאור אדום יותר אורך הגל של האור ארוך יותר והתדר נמוך –

יותרככל שהאור כחול יותר אורך הגל של האור קצר יותר והתדר גבוה –

יותר

קווי פליטה של גז בגלקסיות רחוקות מוסחים לאדום•

Lz

L

מתפשט • היקום

חוק האבל: הכמות היחסית של ההסחה לאדום •גדולה יותר ככל שהעצם הפולט מרוחק יותר

(Hubble diagram)תרשים האבל • תרשים של

0HLd

L c

0c z H d

DL

v =

cz

צפיפות החומר היקום מתפשט קטנה

טמפרטורה ומהירות

http://jersey.uoregon.edu/vlab/Thermodynamics/

מהירות גבוהה טמפרטורה גבוהה

מהירות נמוכה טמפרטורה נמוכה

הטמפרטורה קטנה היקום מתפשט

(Hot Big Bang)מודל המפץ הגדול החם היקום היה חם וצפוף

כאשר מסתכלים אחורה בזמן:• התפשטות היא התכווצות

מכיוון שלא נוצר או נעלם חומר הצפיפות בעבר היתה גבוהה יותר

כאשר מסתכלים אחורה בזמן:• האטת מהירויות היא הגברת מהירויות

כלומר היקום היה חם יותר

היקום היה צפוף

היקום היה חם

הוכחות לנכונות מודל המפץ הגדול החם

התפשטות היקום, 1978קרינת הרקע הקוסמי )פרס נובל •

2006)יצירת היסודות•

קרינת הרקע הקוסמי• מיפוי קרינת הרקע הקוסמי כפי שנמדדה ע"י הלווין •

WMAP

March 2006

של יחסית בעוצמה בטמפרטורה שינויים1/100,000

טמפרטורת קרינת הרקע הייתה גבוהה יותר

בעבר!

A small part of the spectrum of the distant quasar PKS 1232+0815 , as obtained with the UVES spectrograph at the 8.2-m VLT KUEYEN telescope at Paranal. Some carbon absorption lines from an intervening cloud are identified, that are sensitive to the Cosmic Microwave Background Radiation

חזקממקוראוררחוקועתיק

קרינתיענבלעהרקע

בתלוייההבליעהטמפרטורה

יצירת היסודות )נוקלאוסינתזה(

ממימן כבדים היותר היסודות כלפרוטונים של רב מספר המכיליםשל גרעיני מהיתוך נוצרו וניטרונים

יותר קלים יסודות

מיליארד 10כאשר הטמפרטורה של היקום היתה •מעלות היה בו מרק חם של נויטרונים, פרוטונים,

אלקטרונים ופוזיטרונים, אור )פוטונים( וחלקיקי נויטרינו

לאחר שהתקרר במשך "שלוש הדקות הראשונות" •החל להיווצר מימן, "מימן כבד" )דאוטריום( ולאחר

מכן גם הליום ומעט מאוד ליתיום”Big Bang Nucleosynthesis“תהליך זה נקרא •

יצירת היסודות )נוקלאוסינתזה(

• One second after the big bang, the temperature of the universe is about 10 billion degrees (Kelvin), too hot for atomic nuclei to exist. The universe is filled with photons, electrons, protons, and neutrons. • Two minutes after the big bang, the temperature has dropped to about one billion degrees, cool enough for deuterium nuclei (pn) to survive. • High density -> protons and neutrons collide frequently -> all free neutrons fuse into deuterium • High density and temperature -> almost all deuterium fuses into helium nuclei (ppnn). • By this time, the temperature is not hot enough for helium to fuse into heavier elements. • The remaining free protons are hydrogen nuclei, so the ratio of helium/hydrogen just depends on the ratio of neutrons/protons ~ 2 minutes after the big bang. • Putting in the known properties of protons and neutrons yields the prediction of the big bang theory: 25% helium!

יסודות כבדים מליתיום נוצרו בליבות כוכבים. •כוכבים מתיכים הליום לפחמן, חמצן, סיליקון

גופרית וברזליסודות כבדים מברזל נוצרים בקליפה החיצונית •

של כוכבים ענקיים ומהתפוצצות של כוכבים קטנים יותר

אבק הם החיים ובעלי הארץ כדור של המרכיבים כלכוכבים!

שחזור היקום הקדמון במאיצים

ההיסטוריה של היקום

תכנית ההרצאה המפץ הגדול

תפיחה קוסמית 1.ויצירת החומר ביקום

היחודיות 2.)סינגולריות( וראשית

הזמן

היקום הקוונטי3.

לפני המפץ הגדול ? 4.

היקום הקדמון

היקום מתפשט היקום היה חם

וצפוף יצירת היסודות היסטורית היקום

היקום המאוחר

תכולת היקוםגודל היקום

תפיחה קוסמית )אינפלציה(

מיפוי קרינת הרקע הקוסמי כפי שנמדדה ע"י הלווין WMAP

של יחסית בעוצמה בטמפרטורה שינויים1/100,000

כלחלקהיקוםמדועכך

כךכלזקןהיקוםמדוע

כךכלחםהיקוםמדוע

מואצת • התפשטות

מחליקהרחונקודותביןמקשרת

קותמזקינהמחממת

מואצת • התפשטות

מחליקה הגודל היחסי של הפרעות קטן מאוד

מקשרתביןנקודותרחוקות נקודות שאין ביניהם קשר סיבתי היו קשורות

בעברמזקינה

מאפשרת ליקום לחיות זמן רב בהרבה מהזמן המוקצב

מחממת לאחר תום עידן התפיחה אנרגית ההתפשטות

הופכת לחומר חם. כך נוצר כל החומר ביקום ונוצר המבנה בו

המפץ הגדול

הכלליתהיחסותתורתשלהפתרונותהתכווצותשהמראיםאיינשטייןשל

נמשכתתקפותאינןהמשוואותבולרגעעדאזקורהמה

initialהראשוניתהייחודיותsingularity(

מה עושים??

מה עושים?? כמה רעיונות

היקום הקוונטי•-Pre-big “פרה-היסטוריה לפני המפץ הגדול •

bang”היקום האקפירוטי •

היקום הקוונטי

פרה-היסטוריה לפני המפץ הגדול “Pre-big-bang”

היקום האקפירוטי

אפשר למדוד!

לבריאת מדעיים לא הסבריםהעולם

אין הסברא-היקום הוא כפי שהוא כדי ב-

שיתאים לחיים של בני אדםועוד ועוד ...ג-

א - יש דברים נסתריםאל נבקש הכול לדעת

אל נסתקרן לגבי המחריש לפעמים שסיבה לא נודעת

יש לפעמים שנסתר הדבר

יש דברים נסתריםלא נבין לא נדע

נעשה גם דבריםשנראים בלי סיבה

לא צריך כל דברלחקור ולשאול

לפעמים גם מותרלא לדעת הכול

אל נבקש סיבה לכל צעדאל נבקש לדעת כל סוד

יש לפעמים שסיבה לא נודעתאל נתייאש, אל נפסיק לצעוד

מילים: תמי לוי, לחן משה נגר

The Anthropic Principleב-R. Dicke (1961): “ carbon-based life can only arise when the Dirac large numbers hypothesis is true because this is when burning stars exist”

B. Carter (Early 1970’s): “what we can expect to observe must be restricted by the conditions necessary for our presence as observers” (Leslie ed. 1990). The word "anthropic" was intended as applying to intelligent beings.A possible argument for preferring the God hypothesis: think in terms of many possible fundamental theories, God selecting a theory which permitted life's requirements to be fulfilled without contradictions.

• , , ( : פילוסופיה דת אחרים לתחומים גם עסקנו לאהעולם( בריאת על רעיונות יש מיסטיקה

וכלים • בשיטות העולם בריאת את לחקור ניתןמדעיים

העולם • בריאת על ורעיונות השערות לבדוק ניתןבניסוי

ממשי • רעיון אין עדיין אך לתשובה התקרב המדעמוחלטת לתשובה להגיע ניתן האם

סיכום ההרצאה