כדי להעמיק את הידע שלנו על היקום המוקדם מאוד, צריך לעסוק בכוחות היסוד של הטבע. כמו ההוגים היוונים הקדומים לפניהם, המדענים המודרניים מקווים לגלות את התיאור הפשוט ביותר האפשרי של העולם הפיזיקלי. שיטה מדעית נשענת על האמונה שלתופעות פיזיקליות מגוונות יש בסיס פשוט משותף. חשבו על המגוון העשיר של המבנים בקוסמוס – מהמערבולת של הגלקסיות הספירליות ומהתעלומה של החורים השחורים ועד ה"תחרה" של קשתות וחללים ריקים בהתפלגות הגלקסיות. כוח אחד, הכבידה, עיצב את כל המבנים האלה. חשבו גם על המגוון של העולם החומרי – ממתכות יקרות ומבריקות וגזים אדישים וחסרי צבע ועד ה"תסיסה" הרדיואקטיבית של היסודות הכבדים. הכוחות האטומיים יוצרים את המגוון הזה.
החיפוש אחר סימטריה נמשך גם בכוחות היסוד של הטבע. בעולם הפיזיקלי יש ארבעה כוחות. שני הכוחות המוכרים לנו ביותר – הכבידה והאלקטרומגנטיות – פועלים לטווח אינסופי ותורמים למבנה של העולם המקרוסקופי. הכוח האלקטרומגנטי חזק מאוד מהכבידה: בין שני פרוטונים הוא חזק פי 1036 בערך. אם אתם מפקפקים בזה, שפשפו בלון בראש ושימו לב איך המטען החשמלי הסטטי הקלוש שלו מחזיק אותו צמוד לתקרה, נגד כוח המשיכה של כדור הארץ כולו. באותו אופן, מגנט צנוע מחזיק מסמר נגד הכבידה של כדור הארץ. בחומר רגיל, הכוחות האלקטרומגנטיים מנוטרלים פשוטו כמשמעו, כי מספר האלקטרונים, בעלי המטען השלילי, שווה למספר הפרוטונים, בעלי המטען החיובי.
שני הכוחות האחרים של הטבע פועלים למרחקים קצרים מאוד, בתוך האטום. הכוח הגרעיני החלש חזק בעצם הרבה יותר מהכבידה, אבל הטווח שלו קטן בערך פי 1,000 מגרעין אטום. הוא אחראי להתפרקות רדיואקטיבית של גרעינים כבדים ולהתפרקות של נייטרונים כשאינם כלואים בגרעיני אטומים. לכוח הגרעיני החזק יש טווח בערך בגודל של גרעין אטום, והוא קושר את הנייטרונים והפרוטונים בתוך הגרעין. לשם כך הוא חייב להתגבר על הכוח האלקטרומגנטי, שבלעדיו היה גורם לפרוטונים, בעלי המטען החיובי, לדחות זה את זה. הפיזיקאים הראו שבתוך גרעין האטום, הפרוטונים והנייטרונים עשויים מחלקיקים קטנים עוד יותר, שנקראים קווארקים.
הנה סיכום התכונות של ארבעת כוחות הטבע (העוצמות היחסיות הן בקירוב, בין שני פרוטונים במרחק של גרעין אטום):
• הכוח הגרעיני החזק: עוצמה יחסית = 1; פועל על קווארקים; מחזיק את גרעיני האטומים.
• הכוח האלקטרומגנטי: עוצמה יחסית ≈ 10−2; פועל על כל החלקיקים הטעונים; מחזיק את האטומים וקובע את הגלים האלקטרומגנטיים.
• הכוח הגרעיני החלש: עוצמה יחסית ≈ 10−6; פועל על קווארקים ועל לפטונים (אלקטרונים ונייטרינים); מעורב בהתפרקות רדיואקטיבית.
• הכבידה: עוצמה יחסית ≈ 10−38; פועלת על כל החלקיקים; קובעת את התנועה והמבנה של פלנטות, כוכבים וגלקסיות.
ארבעת כוחות הטבע נראים שונים ככל האפשר: לשניים טווח אינסופי ולשניים טווח קצר, הם מועברים על ידי חלקיקים בעלי מסות שונות, והעוצמות שלהם שונות זו מזו בגורם של כמעט 1040! הביטוי האולטימטיבי לאמונה של הפיזיקאים בסימטריה הוא החיפוש אחר איחוד: תיאוריה שתראה שארבעת כוחות הטבע הם ביטויים של כוח מאוחד אחד.
ייתכן שהעולם שלנו, עולם של אנרגיה נמוכה, מייצג מצב של סימטריה "שבורה", שבו הדמיון היסודי בין הכוחות והחלקיקים מוסתר. דמיינו שמסובבים רולטה. בהתחלה לכדור יש אנרגיה גבוהה, והוא נע במעגלים. בסוף, כשהגלגל נעצר, הכדור נח באחד מ-37 תאים ממוספרים. אילו צפינו בתוצאות של סיבובים רבים, היינו עלולים להסיק שלכדור יש 37 מצבים שונים. אבל באנרגיה גבוהה, לכדור יש תמיד אותה תנועה; הסימטריה נשברת רק באנרגיה נמוכה. דוגמה נוספת: דמיינו הרבה עפרונות שעומדים מאוזנים על הצד השטוח שלהם. במבט מלמעלה או מהצד הם נראים אחידים וסימטריים. אבל אם כולם ייפלו (למצב של אנרגיה פוטנציאלית נמוכה יותר), תתקבל ערמה סבוכה של עפרונות עקומים וחופפים, בלי שום סימטריה. אנחנו נמצאים בעולם של האנרגיה הנמוכה, מביטים בערבוביה של כוחות וחלקיקים תת-אטומיים, ומנסים לדמיין את הפשטות של היקום עתיר האנרגיה.
הפיזיקאים עשו את הצעד הראשון לקראת איחוד בסוף שנות ה-60 ובשנות ה-70, בתיאוריה שאיחדה את הכוח האלקטרומגנטי עם הכוח הגרעיני החלש. התיאוריה האלקטרו-חלשה הזאת אוששה באופן משכנע בניסויים במאיצי חלקיקים ב-1983. ביקום המוקדם היו הכוח האלקטרומגנטי והכוח הגרעיני החלש מאוחדים בטמפרטורות של יותר מ-1015 K, כלומר עד כ-10−12 שנייה אחרי המפץ הגדול. ביקום של היום הסימטריה שבורה, ושני הכוחות נראים שונים לגמרי. בעקבות ההצלחה הזאת ניסו התאורטיקנים להכניס גם את הכוח הגרעיני החזק תחת מטריית האיחוד, בתיאוריות המאוחדות הגדולות (grand unified theories). (אומרים "תיאוריות" בלשון רבים, כי הפיזיקאים הציעו כמה גרסאות של איחוד). יש ציפייה תיאורטית לאנרגיה, או לטמפרטורה, שבה כוחות הטבע מתאחדים. הכוח החלש, החזק והאלקטרומגנטי צפויים להיות שווים בטמפרטורה מופלאה של 1028 K, שמתאימה לזמן של 10−35 שנייה בלבד אחרי המפץ הגדול! הטמפרטורה הזאת רחוקה מאוד מהטווח של כל מאיץ חלקיקים קיים או מתוכנן. המעבדה האפשרית היחידה לתיאוריות המאוחדות הגדולות היא היקום המוקדם מאוד.
התיאוריות המאוחדות הגדולות עשויות לפתור כמה מתעלומות המפץ הגדול. ב-1964 גילו פיזיקאים ניסויים אי-סימטריה קלה בין ההתנהגות של חומר לזו של אנטי-חומר. התיאוריות המאוחדות הגדולות חוזות עודף של חומר על אנטי-חומר בטמפרטורות של כ-1028 K, אבל אינן נותנות חיזוי מוחשי לגודל העודף. ובכל זאת, מרגש לחשוב שתיאוריות שהומצאו כדי להסביר תופעה במעבדה עשויות להסביר למה יש ביקום הרבה יותר חומר מאנטי-חומר.
התיאוריות המאוחדות הגדולות נותנות גם תובנה לגבי הסיבה שבגללה אולי התרחשה האינפלציה. כשהיקום עבר את הטמפרטורה שבה הכוח החזק נפרד מהכוח החלש והאלקטרומגנטי, הוא שינה את מצבו – בדומה למים שמשנים את מצבם כשהם קופאים לקרח. כשמים קופאים, משתחררת אנרגיה. (האנלוגיה מגיעה אפילו לאובדן הסימטריה בטמפרטורה נמוכה: מולקולות המים נעות בחופשיות ופונות לכל הכיוונים, ואילו בגבישי הקרח הן מסודרות בכיוונים מסוימים). לפי התרחיש הזה, היקום המוקדם מאוד התקרר מהר כל כך, שנשאר "תקוע" לרגע במצב עתיר אנרגיה – כמו מים שמקוררים מתחת לאפס ועדיין אינם קופאים. אנרגיית הריק הזאת הניעה את האינפלציה הפתאומית של היקום, 10−35 שנייה אחרי המפץ הגדול. כשהכוח החזק נפרד סופית, האנרגיה מהמעבר הזה הציפה את היקום בצורת 1089 פוטונים, וההתפשטות המשיכה בקצב נינוח יותר. התרחיש הזה נשמע דמיוני לגמרי, אבל אחד החיזויים שלו כבר אושש. האינפלציה לוקחת תנודות קוונטיות ומגדילה אותן לזרעים של המבנה הגדול של היקום. התיאוריה חוזה שהתנודות יהיו בעוצמה כמעט שווה בכל קני המידה, עם נטייה קלה לקני המידה הגדולים. התצפיות של הלוויינים WMAP ופלאנק הראו שלתנודות הזעירות בקרינת הרקע במיקרוגל יש בדיוק התכונה הזאת.
→ הסעיף הקודם: 17.25 חומר ואנטי-חומר | הסעיף הבא: 17.27 כוונון עדין בקוסמולוגיה ←