מחקרים בתחום הקוסמולוגיה ממשיכים לחדש ולהפתיע. תגליות מדעיות שהחלו להתגבש לפני עשרות שנים, כמו קירות תחום – תופעה קוסמולוגית שהתגלתה ברבע האחרון של המאה ה-20 – הופכות עם הזמן למוקד עניין מרכזי בפיזיקה התיאורטית. השנה, במלאת 50 שנה לפרסום הראשון בנושא, מדענים ממשיכים לחקור את קירות התחום ופגמים טופולוגיים נוספים, שעשויים לספק תובנות חדשות על המבנה וההיסטוריה של היקום
בשנת 1970 שלושה פיזיקאים - יעקב זלדוביץ', איגור קובזארב ולב אוקון - גילו לראשונה את קירות התחום - אובייקטים תיאורטיים אשר מפרידים בין אזורים ביקום שבהם הוואקום שונה. בשני צידי קירות התחום הללו, הפיזיקה יכולה להשתנות מעט, וייתכן כי הם מצביעים על תהליכים קוסמולוגיים קריטיים שהתרחשו זמן קצר לאחר המפץ הגדול.
החוקרים הבחינו ששדות עם שבירה ספונטנית של סימטריות יוצרים באופן טבעי את קירות התחום, אשר יכולים לפגוע בהומוגניות של החלל. "המהפך בהבנה שלנו על קירות התחום התרחש בעקבות התפתחותה של תורת השדות הקוונטית, אשר הציבה את הפגמים הטופולוגיים - בהם קירות התחום - כאובייקטים עיקריים שמופיעים מחדש בהיבטים רבים של הפיזיקה המודרנית. אחת ההשערות המפורסמות ביותר שנוצרו בעקבות תיאוריה זו היא קיומם של 'מיתרים קוסמיים', אותם מיתרים ארוכים ודקים במרקם המרחב-זמן שנוצרו ביקום המוקדם. המיתרים האלו מהווים דוגמה נוספת לפגמים טופולוגיים בדומה לקירות התחום", מסביר פרופ' עידו בן-דיין, מהמחלקה לפיזיקה באוניברסיטת אריאל.
ב-1971, צמד הפיזיקאים היהודים יורי גולפנד ויבגני ליכטמן, גילו את מה שקרוי כיום "על-סימטריה" או "סופרסימטריה". תגלית זו שינתה את פני הפיזיקה, שכן היא אפשרה לחקור את הפגמים הטופולוגיים גם בתיאוריות שבהן חלקיקים חופשיים אינם אבני הבניין היסודיות של התיאוריה.
אחד המודלים המרכזיים שנובעים מתיאוריה זו הוא המודל של תורת יאנג-מילס, העוסקת בכוחות הבסיסיים של הטבע, וכוללת את הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק. תורות יאנג-מילס, הידועות גם כ"תורות כיול לא-אבליות", הן מהתיאוריות החשובות ביותר בתחום הצימוד החזק.
"המודל הסטנדרטי של החלקיקים היסודיים, המתאר את שלושת הכוחות היסודיים בטבע - הכוח האלקטרומגנטי, הכוח הגרעיני החלש והכוח הגרעיני החזק - מתבסס על תורות יאנג-מילס", מסביר פרופ' בן-דיין. "בעוד שהכוח הגרעיני החזק, הידוע גם ככרומודינמיקה קוונטית (QCD), אחראי למבנה החומר שסובב אותנו, כולל אותנו עצמנו, הוא עדיין לא מובן לחלוטין למרות יותר מיובל שנות מחקר".
בתורות אלה בעלות צימוד חזק, חלקיקים חופשיים לא נחשבים לאבני הבניין הבסיסיות, מה שמקשה על יכולת הניבוי של תופעות בטבע, כפי שנראה בתופעת המערבולות במים. ההבנה של תורות יאנג-מילס והצימוד החזק, בשילוב עם על-סימטריה, מאפשרת שימוש בכלים סופר-סימטריים שפותחו בשנות ה-90. שילוב זה יוצר שפע של תוצאות מדויקות בגרסאות סופר-סימטריות של QCD, במיוחד במקרים של הפגמים הטופולוגיים, כמו קירות התחום.
השילוב של הסופרסימטריה ויכולת חישוב מדויקת עבור קירות תחום מיוחדים, שנמצאה ב-1996, על ידי גיה דבאלי ומיכאיל שיפמן גרמה לשינוי דרמטי בתחום, שכן היא אפשרה חישוב מדויק של המון גדלים, לדוגמה המתיחות של קירות התחום. מעבר לכך, תוצאות חדשות, שהוצגו ב-1997 על ידי הפיזיקאי אדוארד וויטן, הראו שקירות התחום האלה אנלוגיים לברנות בתורת המיתרים. ברנה היא הכללה של מיתר או חלקיק ליותר ממדים, לדוגמה בשני ממדים זוהי ממברנה, או קרום בעברית.
ההבנה החדשה של קירות התחום מקבלת תאוצה בשנים האחרונות, ובכנס שמקיימת בימים אלו אוניברסיטת אריאל, הציג פרופ' מיכאיל שיפמן, אורח מאוניברסיטת מינסוטה, את תוצאות מחקרו החדשניות בתחום. פרופ' שיפמן הציע נוסחאות חדשות לספירת קירות התחום בתצורות שונות, כולל צמתים שבהם שני קירות נפגשים.
תיאוריה זו, שהייתה עד כה בלתי מוכרת, צפויה לשפוך אור על האופן שבו קירות תחום יכולים להתנגש, לרבות ההשלכות שיהיו לכך על התפשטות היקום. אחת השאלות המרכזיות בתחום זה היא כיצד ניתן לאתר את קירות התחום הללו ביקום המוקדם. מדענים מאמינים כי התנגשות קירות תחום כאלו עשויה הייתה לשחרר גלי כבידה, גלים שיכולים להימדד כיום.
פרופ' אלכסנדר ויקמן מאוניברסיטת צ'ארלס בפראג, הצליח לקשר את תוצאות שיפמן לתוצאה ניסויית שנמדדה בניסוי NANOGrav, המעידה על כך שגלי הכבידה המדודים עשויים לנבוע מקירות התחום המוקדמים. לעומת זאת, פרופ' בן-דיין וצוותו מאוניברסיטת אריאל מציעים הסבר חלופי, שטוען שגלי הכבידה נובעים דווקא מהתהליכים התרמיים שהתרחשו עם חימום היקום בסמוך למפץ הגדול.
הכנס, שנערך השבוע (20-18 בפברואר) באוניברסיטת אריאל, מהווה מקום מפגש חשוב עבור חוקרי פיזיקה תיאורטית, תורת השדות הקוונטית ומדענים נוספים, שיגישו את תוצאותיהם בתחום מחקר קירות התחום.
מארגני הכנס, פרופ' בן-דיין ועמיתו מהמחלקה לפיזיקה ד"ר לב טל-אור, פרופ' רנן ברקנא מבית הספר לפיזיקה ואסטרונומיה באוניברסיטת תל אביב, ומשתתפים נוספים מהארץ ומחו"ל יציגו את התיאוריות השונות בנוגע לקירות התחום וגלי כבידה והשפעתם על התפשטות היקום.
"החידוש הגדול בתחום הזה לא מסתיים במחקר התיאורטי בלבד. גילוי קירות תחום, עם כל השלכותיו הקוסמולוגיות, יכול לספק לנו אמצעי חדש להבנה של מהות היקום וההיסטוריה שלו, ובמיוחד של תקופת היקום המוקדם. האם נמצא ביום מן הימים הוכחה ישירה לקיומם של קירות התחום? האם נוכל לחוש בהם דרך גלי כבידה שנפלטו במהלך התנגשויותיהם? אלו שאלות שימשיכו להעסיק את קהילת המדענים בשנים הבאות, כשהתפתחויות חישוביות וניסיוניות חדשות צפויות להעניק לנו תמונה יותר ברורה של היקום המסתורי שסובב אותנו", מסכם פרופ' בן-דיין.
