פיזיקה במהירות האור: אבני דרך בחקר היקום

שישה כרכי ספר בשם יבשושי - "על מסלולם של גרמי השמים" - הולידו מהפיכה מחשבתית שזיעזעה את העולם המערבי. ליבה של המהפיכה היא התורה ההליוצנטרית: האסטרונום הפולני ניקולאוס קוֹפֶּרְנִיקוּס טוען שלא רק שהאדם וכדו"א אינם מרכז היקום, אלא שגם כוכבי הלכת סובבים סביב השמש. מדענים לא העזו לאמץ אותה בפרהסייה, כיוון שפחדו מהכנסיה. האגדה מספרת כי העותק הראשון של ספרו המכונן של קופרניקוס הגיע לידיו ממש ביום מותו וכי התעורר לרגע קט, הביט בספר ומת בשלווה.

מהמהפיכה הקופרניקאית שהחלה ב- 1543, נבטו רעיונות קשים לעיכול. איך אפשר היה לדמיין אז את טענתו של האסטרונום האיטלקי ג'יורדנו ברונו ב- 1584, שהיקום אינסופי ושאין בו מרכז כלל? ברונו אף טען כי כוכבי השמיים הם שמשות עם כוכבי לכת משל עצמן, מה שאומר שעשויים להיות קיימים עולמות נוספים רבים מספור. ב- 1600 הוא הוצא להורג בשריפה על ידי האינקוויזיציה, כשלשונו ממוסמרת ללסתו ושקית אבק שריפה לראשו.

האסטרונום הדֵני אולף רומר מספק את הנתונים לחישוב מהירות האור - בהסתמך על תזמון מדויק של ליקויים של איו, אחד מירחי צדק. כריסטיאן הויגנס השתמש בנתונים של רומר כדי להעריך שמהירות האור היא 220,000 קילומטרים בשנייה – תוצאה לא רעה בכלל בהתחשב בתקופה ובתנאים (מהירות האור היא כ-300,000 קילומטרים בשנייה). התיאוריה של רומר נחשבה שנויה במחלוקת, והוא מעולם לא הצליח לשכנע את קאסיני, מנהל מצפה הכוכבים המלכותי בפריז, שם עבד. רק שני עשורים לאחר מותו זכו ממצאיו לאישוש ולתמיכה נרחבת.

הכומר הגיאולוג האנגלי ג׳ון מישל מעלה לראשונה את הרעיון כי ייתכן גוף שמסתו כה גדולה שאפילו אור אינו יכול להימלט ממנו – רעיון המבשר את החור השחור. הרעיון התאפשר על בסיס התיאוריה הניוטונית של כבידה. מהירות האור היתה ידועה בקירוב בתקופה זו, וכך גם המושג מהירות מילוט. אך מישל לא דמיין חור שחור כפי שאנו מבינים אותו כיום אלא גוף שהרדיוס שלו גדול פי 500 מהשמש, עם צפיפות דומה. 13 שנה לאחר מכן הציע המתמטיקאי הצרפתי פייר סימון הונורה דה-לפלס רעיון דומה, כנראה מבלי שהכיר את הצעתו של מישל.

האסטרונום האמריקני אדווין האבל מכריע מחלוקת מדעית בת יותר ממאה שנה ומראה שגלקסיית אנדרומדה – ובתוך כך גם שאר הגלקסיות – אינה ערפילית בשביל החלב אלא גוף מרוחק של צבירי כוכבים. הוא גם מחשב לראשונה את המרחק אליה. האבל התבסס על עבודת החוקרת האמריקנית הנרייטה לוויט באשר למשתנים קפאידים – כוכבים שלהם בהירות המשתנה במחזוריות. לוויט הראתה שזמן מחזור הבהירות של הקפאידים מאפשר לזהות את הבהירות המוחלטת שלהם – כלומר מאפשר לדעת באיזה מרחק הם נמצאים מכדור-הארץ. תגלית זו אפשרה להשתמש בקפאידים ככלים למדידת מרחקים ביקום. הדבר אפשר לראשונה מדידת מרחקים מעבר לשביל החלב.

האסטרונום הבלגי ג'ורג' למטר מציע מודל תיאורטי שלפיו היקום מתפשט מאז היווצרותו; בכך הוא הראשון המעלה את רעיון המפץ הגדול. במאמר שפרסם בכתב עת בלגי לא מוכר, הוא העלה לראשונה את הרעיון שהיקום התפשט מנקודה ראשונית - ״האטום הקדמוני”. כשאיינשטיין נפגש עם למטר, אמר לו: ״החישובים שלך נכונים, אבל הפיזיקה שלך איומה״. רק שלוש שנים לאחר פרסום המאמר החל רעיונו של למטר לקבל תשומת לב. גם איינשיין שינה את דעתו, ואחרי הרצאה של למטר ב-1933 הוא אמר: ״זה ההסבר היפה והמספק ביותר לבריאה ששמעתי מעודי״.

האסטרונום האמריקני אדווין האבל מראה כי יש יחס ישר בין מרחקן של גלקסיות מאתנו ובין מהירות התרחקותן מאתנו - ככל שגלקסיה רחוקה מאתנו יותר, היא ממשיכה להתרחק מאתנו במהירות גבוהה יותר. ההבנה הזאת הרבה יותר דרמטית ממה שהיא נשמעת: משמעותה שהיקום מתפשט. מסיבה זו היווה הגילוי ראיה תומכת לתיאוריית המפץ הגדול. כמו כן, התובנה הזאת משמשת עד היום לחישוב גיל היקום. היחס בין מרחק למהירות ההתרחקות ידוע כיום כקבוע האבל; בעוד הערך של הקבוע השתנה לאורך השנים, העיקרון נותר על כנו.

האסטרונום האמריקני פרד הויל טובע את המונח "מפץ גדול״ (Big Bang) ככינוי גנאי לתיאוריה שהוא מתנגד חריף לה. לאחר מלחמת העולם השנייה פיתח הויל עם עמיתים תיאוריה מתחרה: מודל המצב היציב. לפי מודל זה, היקום היה קיים תמיד. במענה לתופעת ההתרחקות של גלקסיות זו מזו, שאותה זיהה האסטרונום האבל, הויל טען שגלקסיות חדשות נוצרות כל הזמן, יש מאין, וממלאות את התווך שנוצר על ידי ההתרחקות. המודל הזה נדחה לבסוף, אך כינוי הגנאי של הויל לתיאוריה המתחרה דווקא תפס – כמו התיאוריה עצמה.

רוברט וילסון וארנו פנזיאס, מדענים בחברת בל, מגלים את קרינת הרקע הקוסמית, הד למפץ הגדול. בכך הם מכריעים בין שני המודלים שהתחרו אז על הסברת התפתחות היקום – המפץ הגדול והמודל היציב. קרינת הרקע הקוסמית היא הקרינה האלקטרומגנטית הקדומה ביותר שנוצרה בשלבים הראשונים של התפתחות היקום ולכן מגיעה כיום מכל כיוון ביקום. וילסון ופנזיאס גילו את הקרינה במקרה בזמן שעבדו על דגם חדש של אנטנה וזיהו רעש רקע של קרינה שמגיעה מכל כיוון בעוצמה שווה. אחת מהאפשרויות שהן בחנו הייתה שמקור הרעש מלשלשת יונים! הם זכו על תגליתם בפרס נובל לפיזיקה.

המעבורת דיסקברי של נאס"א משגרת את טלסקופ החלל האבל - על שם האסטרונום אדווין האבל - למסלול הקפה סביב כדור-הארץ. להאבל מראה בקוטר 2.4 מטר, והוא סיפק את התצלומים האיכותיים הראשונים בהפרדה גבוהה של גרמי שמים רחוקים. הוא נחשב אחד הכלים החשובים ביותר בהיסטוריה של חקר החלל ותצלומיו המרהיבים הפכו לשם דבר ברחבי העולם. הטלסקופ תרם להערכת מידת האצת התפשטות היקום; סיפק תמונות חדשות של גלקסיות מהיקום הקדום, ושפך אור על תופעות הקוואזרים, תהליכי התנגשות בין גלקסיות, היווצרות כוכבים ומערכות פלנטריות, סופרנובות ועוד. תרומותיו למחקר בלתי נדלות.

הלווין האמריקני COBE מגלה חוסר אחידות בקרינת הרקע הקוסמית, וחושף את הזרעים הקדומים ביותר שמהם התפתחו בהמשך הגלקסיות. קרינת הרקע הקוסמית היא הקרינה האלקטרומגנטית הקדומה ביותר שנוצרה בשלבים הראשונים של התפתחות היקום ולכן מגיעה כיום מכל כיוון ביקום. המצלמות הרגישות של COBE הצליחו לזהות לראשונה הבדלים קטנים בקרינת הרקע, שנראתה עד אז כהומוגנית לחלוטין. מתוך הבדלים ראשוניים אלה התהווה מבנהו של היקום – הגלקסיות, צבירי הגלקסיות וצבירי-העל. מכאן חשיבות הממצאים, שאותם כינה סטיבן הוקינג ״התגלית הגדולה ביותר של המאה העשרים״. פרס הנובל לפיזיקה לשנת 2006 ניתן על תגלית זאת.

נאס"א משגרת לחלל את טלסקופ חלל שפיצר הפועל בתחום הקרינה באורכי גל אינפרה-אדום. הוא קרוי על שם ד״ר ליימן שפיצר, שכבר באמצע שנות ה-40 של המאה ה-20 הציע להציב טלסקופ בחלל. באופן יוצא דופן הוצב הטלסקופ במסלול המקיף את השמש ולא את כדור-הארץ. הטלסקופ תרם רבות לחקר היקום; בין היתר הוא צפה באור שהגיע מכוכבים קדומים מראשית היקום, היה הטלסקופ הראשון שצפה ישירות בכוכבי לכת מחוץ למערכת השמש, ואף גילה טבעת נוספת לשבתאי, שנחשפת באינפרה-אדום.

הלוויין פלאנק של סוכנות החלל האירופית מספק את המידה המדויקת ביותר עד כה של גיל היקום: 13.799 מיליארדי שנים, עם טווח טעות של 21 מיליון שנה (יש עוד זמן ליומולדת 14). הערכת גיל היקום מחושבת כיום על בסיס התגלית החשובה של האבל לפיה מהירות התרחקות גלקסיות מנקודת מבטנו בכדור-הארץ עומדת ביחס ישר למרחקן מאיתנו: ככל שגלקסיה רחוקה יותר, כך היא מתרחקת במהירות גבוהה יותר. "קבוע האבל" מגדיר את היחס הזה בין מהירות למרחק. טלסקופ החלל פלאנק חישב את הערך המדויק ביותר עד כה לקבוע האבל ולפיו מחושב גיל היקום.