יום שבת, 4 בפברואר 2017

הויכוח הגדול של האסטרונומיה

(רשומה זו מבוססת על ההרצאה שהעברתי בכנס מאורות 2017)

ב26 לאפריל 1920, בשעה 20:15, התקיים באודיטוריום באירד של המוזיאון להסטוריה של הטבע בוושינגטון ויכוח פומבי בין הבר קרטיס להארלו שייפלי. הויכוח ארך כשעה וחצי, ונכחו בו כמה עשרות חברי האקדמיה הלאומית האמריקאית למדעים, רובם לא אסטרונומים. למרות זאת, המפגש הזה נודע לימים כ"ויכוח הגדול של האסטרונומיה", ונחשב לאבן דרך בהתפתחות ההבנה המדעית את גודל היקום ומקומנו בו. הויכוח עסק בשלושה נושאים:

  • מה גודל שביל החלב?
  • מה מיקום השמש בשביל החלב?
  • מה הן הנבולות הספירליות?

אני בטוח שכל הקוראים יודעים מה הן השמש ושביל החלב, אך "נבולות ספירליות" הוא מושג שכבר אינו בשימוש היום ודורש הסבר. אל דאגה, זה יתברר בהמשך הרשומה.
  
לפני שאפשר לדבר על הויכוח עצמו, צריך להבין מה היו התפיסות הרווחות באותה תקופה בנושאי הויכוח - גודל היקום, צורתו, ומקומנו בתוכו. הדרך הטובה ביותר להגיע לזה, לדעתי, היא לתת סקירה הסטורית קצרה של הנושא. הכל מתחיל בשביל החלב.

אם תמצאו מקום חשוך מספיק על פני כדור הארץ, כך תראה לכם שביל החלב.
הרצועה הלבנה שבתמונה מכונה "שביל החלב", מסיבות מובנות. בתקופות העתיקות, כשלמצוא מקום חשוך בלילה לא הייתה בעיה גדולה, היא שיחקה תפקיד משמעותי במיתוסים ובמיתולוגיות. הראשונים שאנחנו יודעים שתהו לגבי שביל החלב מחוץ לקונטקסט הדתי / מיתולוגי היו היוונים (אם כי סביר להניח שזה בגלל שאנחנו יודעים כל כך מעט על התרבויות שלפניהן). הפילוסופים היוונים אנכסגורס ודמוקריטוס העלו כבר במאה החמישית לפני הספירה את ההשערה ששביל החלב מורכבת מהמוני כוכבים רחוקים, ושאנחנו פשוט לא מסוגלים להבחין בכוכבים הבודדים בעין. לרוע מזלם, הם באו לפני אריסטו, שבמאה הרביעית לפני הספירה פיתח את מודל הספרות שלו, מודל שהיווה הבסיס למחשבה על היקום במשך כ-2000 שנה.

מודל הספרות של אריסטו

מודל הספרות של אריסטו שם את האדמה במרכז, וסביבה מסתובבות ספרות חופפות שמכילות את שאר היסודות, הירח, כוכבי הלכת, השמש, ולבסוף את כוכבי השבת (הכוכבים ש, בניגוד לכוכבי הלכת, אינם מראים תנועה על פני השמים בפרקי זמן שניתן למדוד בחיים אנושיים). אריסטו האמין ששביל החלב היא תופעה אטמוספרית שקורה בספרות שמתחת לירח, ומכיוון שאריסטו האמין בזה, זו הייתה התפיסה השלטת במשך זמן רב לאחר מכן. המודל של אריסטו נתן חיזוי לא רע לתופעות אסטרונומיות שונות שקשורות לכוכבי הלכת, וקיבל מעמד של כמעט אמת צרופה. במאה השנייה לספירה האסטרונום היווני תלמי שינה מעט את המודל והוסיף מעגלים אפיציקליים (שמסתובבים סביב מסלולי כוכבי הלכת) ושיפר משמעותית את החיזוי המתמטי שלו. המודל הזה כמעט ולא השתנה במשך מעל לאלף שנים לאחר מכן, עד ניקולאוס קופרניקוס. המודל ההליוצנטרי שפיתח קופרניקוס במאה ה-16 שם את השמש במרכז היקום, ובכך הרג למעשה את מודל הספרות, שהניח את המצאות כדור הארץ (כיסוד האדמה) במרכז, ואת השמש באחת הספרות המרכזיות. המודל של קופרניקוס אמנם מבטל את המודל של אריסטו, אך קשה להתנער מתפיסות ששלטו קרוב לאלפיים שנה, ולקחו הרבה שנים עד שההבנה שמודל אריסטו אינו נכון הפכה לקאנון מדעי, וגלילאו גליליי כמובן משחק כאן תפקיד מרכזי.


המודל ההליוצנטרי של קופרניקוס.


 משהו שדווקא כן התפתח בזמן שבין תלמי לקופרניקוס זו התפיסה של שביל החלב. במאות שאחרי תלמי, ובמיוחד בעולם הערבי, יותר ויותר אסטרונומים החלו להשתכנע שאריסטו טעה לגבי שביל החלב, ושהיא אינה יכולה להיות תופעה אטמוספרית מכיוון שאין לה פרלקסה (אפקט פיזיקלי הגורם לעצמים קרובים להראות כאילו הם נעים על פני רקע רחוק כאשר הצופה הוא זה שנע). זה החזיר את מקומה של שביל החלב לספרת כוכבי השבת, ולכן גם הרעיון שהיא מורכבת מכוכבים חזר להיות רלוונטי. הבעיה הייתה שלא ניתן היה לראות את הכוכבים האלו בעין, כך שרק כשגלילאו הסתכל על שביל החלב בטלסקופ בפעם הראשונה במאה ה-17 התקבלה הוכחה לכך.
שחזור של אחד הטלסקופים בהם השתמש גלילאו.


הטלסקופים הראשונים היו אמנם שיפור משמעותי על פני צפיה בגורמי השמיים בעין, אך עדיין היו חלשים, ולכן לא הביאו לשינוי משמעותי בתפיסת היקום - התפיסה הבסיסית של קופרניקוס הייתה שמערכת השמש שלנו היא הדבר המרכזי ביקום, וששאר הכוכבים נמצאים בספרה רחוקה וקבועה, והתפיסה הזו לא השתנתה גם עם תחילת התצפיות בטלסקופים. רק עם התפתחות הטלסקופים לאט לאט התקבלו ראיות לכך שגם הכוכבים אינם כולם באותו מרחק ושהם כן זזים. אך בעוד שהמודל הבסיסי של היקום לא השתנה בתקופה הזו, כן התגלו תגליות חשובות אחרות. תגלית אחת כזו היא קיומם של עצמים שמימיים מאירים שאינם כוכבים - הנבולות.


נבולה, כפי שנתפסה בטלסקופ חובבים (ועל כן התמונה הקרובה ביותר לצורה בה נבולות נראו באמצעות הטלסקופים הראשונים).


נבולות, כפי שנתפסו אז, הן אזורים מוארים שבבירור לא היו כוכבים בגלל הצורה המפוזרת שלהם, אבל לא היה ברור מה הם (בעברית המונח תורגם ל"ערפילית", בצורה שמתאימה לתפיסה המקורית). באמצע המאה ה18 הפילוסוף עמנואל קאנט שיער ששביל החלב היא מערכת כוכבים שטוחה שמוחזקת על ידי סיבוב, ושהנבולות הן "איי יקומים", מערכות כוכבים כמו שביל החלב שלנו - השערות שדומות להפליא לתפיסת העולם שלנו כיום, אך באותה תקופה לא היה להן ביסוס ממשי.
הנסיון הראשון לתיאור של שביל החלב על בסיס תצפיות נעשה ב1785 על ידי ויליאם הרשל, שהיה אסטרונום ובונה טלסקופים מומחה (בין השאר, בנה טלסקופים באורך 20 רגל [כ6.1 מטרים] ו40 רגל [כ12.2 מטרים]). הרשל ספר את הכוכבים בכיוונים שונים, והגיע למסקנה ששביל החלב היא שטוחה, שהשמש נמצאת בערך במרכזה, ושזו הצורה שלה (במבט מלמעלה):

צורת שביל החלב על פי הרשל.
הסיבה שהרשל הניח שהשמש היא במרכז היא שהספירה שלו הראתה שצפיפות הכוכבים הולכת וקטנה ככל שמתרחקים ממערכת השמש, דבר שמתאים להנחה שהשמש במרכזה של מערכת שטוחה שהולכת ונעשית פחות צפופה ככל שמתרחקים מהמרכז.

ב1845 ויליאם פארסונז, הרוזן השלישי של רוס באנגליה, השתמש בטלסקופ בקוטר 72" (שכונה הלווייתן של פארסונטאון) וגילה שלחלק מהנבולות שהיו ידועות יש מבנה ספירלי. הוא כינה אותן "איי יקומים" על פי קאנט כי חשב שהן באמת מערכות כוכבים נפרדות משביל החלב, והן הפכו להיות לאחת השאלות הפתוחות המאתגרות באסטרונומיה בעשרות השנים הבאות. בעוד שנבולות רגילות היו סימן שאלה (חלקן ניתן היה לזהות שמורכבות מכוכבים ואחרות לא, לא היה ברור כיצד נוצרו), לנבולות ספירליות היה המסתורין הנוסף של צורתן המיוחדת. רוב האסטרונומים חשבו שמדובר בתופעה קרובה יחסית, בתוך שביל החלב, והיו אפילו טענות על כך שהן נצפו מסתובבות ולכן לא יכולות להיות רחוקות מאוד (כי אם הן רחוקות הן גדולות, ואז זמני הסיבוב צריכים להיות כאלו שלא נוכל להבחין בהם).
כדי לקבל תחושה לאיך הדברים נראו באותה תקופה, הנה תמונה של אנדרומדה, שהייתה הנבולה הספירלית הגדולה והמפורסמת ביותר, מ1899:

כך נראתה אנדרומדה בטלסקופים של 1899.


כפי שניתן לראות, לא ניתן להבחין בכוכבים בודדים בתוכה, אך הצורה הספירלית ברורה.

את התפיסות המדעיות לגבי היקום באותה תקופה ניתן לסכם במודל של יעקובוס קפטיין, אסטרונום הולנדי בן אותה תקופה, שהסיק מהתצפיות שצורתה של שביל החלב היא עדשה דקה בקוטר של כ30 אלף שנות אור, שהשמש נמצאת קרוב מאוד למרכזה, ושהיא מהווה את היקום כולו, מודל שנודע כ"יקום של קפטיין".

 
זה למעשה מסכם את הרקע ההסטורי המדעי, וכעת ניתן לעבור ולדבר על הרקע לויכוח עצמו. הויכוח נולד כיוזמה של ג'ורג' אלרי הייל, המקים והמנהל של המצפה בהר ווילסון, להקדיש ערב אחד בפגישת האקדמיה הלאומית למדעים לזכר אבא שלו, וזאת באמצעות ויכוח פומבי על אחד הנושאים החמים בפיזיקה. הוא התלבט בין הנושא של איי היקומים לבין יחסות כללית, שרק חמש שנים לאחר פרסומה הייתה נושא שעורר עניין רב, אך מזכיר האקדמיה כתב לו (בתרגום חופשי שלי):

"לגבי יחסות, אני מוכרח להתוודות שהייתי מעדיף נושא שבו יהיו לפחות חצי תריסר חברי אקדמיה שיהיו מסוגלים להבין לפחות כמה מילים ממה שנאמר בדיון. אני מתפלל לאל שהתקדמות המדע תשלח את היחסות אל מעבר למימד הרביעי, ושלא תחזור משם להטריד אותנו."

בהנתן ההתנגדות העזה של המזכיר, הנושא של איי היקומים נבחר, והדוברים שנבחרו היו הבר קרטיס והארלו שייפלי.

הבר קרטיס (מימין) והארלו שייפלי (משמאל).

הבר קרטיס היה אסטרונום ותיק ובעל שם ממצפה ליק, שהקדיש חלק גדול מהקריירה שלו לרדיפה אחר הנבולות הספירליות ולחקר רבות מהתכונות והתופעות הנצפות בהן. במרבית הדברים קרטיס דבק בתפיסות אסטרונומיות שמרניות וותיקות - הוא האמין במרבית הנקודות של "יקום קפטיין". הנקודה שבה התצפיות הצביעו לדעתו על משהו חדש הייתה הנבולות הספירליות - הוא האמין שהן "איי יקומים", מערכות כוכבים כמו שביל החלב, והיו לו מספר סיבות להאמין בכך. הוא צפה בנובות בנבולות האלה, וראה שהן חיוורות בהרבה מאלו שנצפו במקומות אחרים; הוא טען שהנובות הן זהות, ולכן הסיק שהנבולות הן רחוקות מאוד. הוא הסתמך גם על התצפיות של האסטרונום וסטו סליפר, שהיה הראשון למדוד את המהירות של עצמים אסטרונומיים על ידי מדידת ההשפעה של אפקט דופלר על הספקטרום שלהם. בנוסף, ההערכה השמרנית לגודל הגלקסיה שלנו התאימה לדעתו לגודל של הנבולות אם הן אכן במרחק גדול מאיתנו.

 
טלסקופ 100 האינץ' בהר ווילסון.

הארלו שייפלי היה אסטרונום צעיר ועולה באמצע שנות השלושים שלו מהמצפה בהר ווילסון, שהכיל את טלסקופ 60 האינצ' ואת טלסקופ 100 האינצ' (שהיה הגדול בעולם באותה תקופה). הוא התמחה בצבירי כוכבים (אסופות של הרבה מאוד כוכבים באזור קטן יחסית). שייפלי הבחין בכך שיש יותר צבירים בצד אחד של השמיים מאשר בצד השני, מה שגרם לו לחשוב שאנחנו למעשה לא במרכז הגלקסיה ושריכוז הצבירים הוא הכיוון למרכז. ההישג החשוב ביותר שלו בתחום היה מדידת המרחקים של צבירים מאיתנו. שייפלי פיתח שתי שיטות חדשות לצורך מדידת המרחק לצבירים. הראשונה עוסקת בסוג מסויים של כוכבים כחולים ובהירים שנפוצים בצבירים. כל הכוכבים מהסוג הזה שניתן היה לאמוד את המרחק אליהם היטב הציגו בהירות בטווח מסויים; על פי ההנחה של שייפלי, אותם כוכבים יהיו באותו טווח של בהירות גם במקומות אחרים, וכך על פי עמעום האור ניתן לאמוד את המרחקים בצורה גסה. השיטה השנייה השתמשה בתגלית של הנרייטה לוויט לגבי הכוכבים הקפאידים. קפאידים הם כוכבים שבהירותם משתנה בתדירות קבועה, ולוויט גילתה קשר בין התדירות לבהירות, דבר שמאפשר לדעת את הבהירות האמיתית של ספאיד רק על ידי מדידת התדירות, ובהתאמה - לדעת את המרחק מאוד במדויק. השיטות הללו איפשרו לשייפלי לחשב את המרחק של כמה מהצבירים הרחוקים, מה שהוביל אותו למסקנה ששביל החלב גדולה בהרבה מכל מה שחשבו עד אותו שלב, כ300,000 שנות אור, ושהשמש נמצאת כשני שליש מהדרך מהמרכז, שני רעיונות מהפכניים באותה תקופה. עם זאת, הוא החזיק בדיעה שמערכת כוכבים גדולה כל כך היא היקום כולו, ושאין אפשרות לקיום של "איי יקומים" נוספים.


כעת שיש לנו גם את הרקע על המשתתפים בויכוח ועל דעותיהם, אפשר לדבר על הויכוח עצמו. אנחנו לא יודעים בדיוק מה קרה בויכוח עצמו, מן הסתם לא היו שם מצלמות וידאו שיתעדו את זה, אבל הרשימות שמהן הרצה שייפלי התגלו, וזה מה שאפשר ללמוד מהן:

לשייפלי היה הרבה פחות נסיון כמרצה, ובנוסף הוא גם חתר לקבל משרה בכירה באוניברסיטת הארוורד, דבר שהיה הרבה מעל לוותק שלו, ולכן הוא חשש להראות רע בויכוח. היות והוא נבחר מראש להיות הדובר הראשון, הוא החליט שלא להלחם בקרטיס באותו מגרש בדיוק. במקום להכין הרצאה מדעית כבדה ומלאה בפרטים טכניים, כפי שידע שקרטיס יעשה, שייפלי החליט לפנות למרבית היושבים בקהל שהיו פיזיקאים אך לא אסטרונומים. הוא החל את ההרצאה שלו בהקדמה ארוכה ובסיסית, כולל הגדרת יחידת המרחק "שנת אור" (מושג שלא היה מאוד מוכר אז), ורק אז הגיע לנושא עצמו, כשהחל לדבר על צבירי כוכבים ומדידת המרחקים אליהם. הוא הסביר את השיטות שפיתח, והראה איך המרחקים שמדד עבור צבירים מוכרים היו גדולים פי עשרה ויותר מהמרחקים הידועים. היות וקרטיס ושייפלי החליפו ביניהם את הדברים עליהם ידברו מראש על מנת לנצל את הזמן בצורה המיטבית, שייפלי לא התבייש לענות מראש לטענות שקרטיס התכוון להביא, כמו למשל כשאמר שקרטיס אולי יפקפק במרחקים של הקפאידים, אבל אפילו רק מהשיטה של הכוכבים הכחולים המסקנות מתבקשות. הוא השתמש במרחקים האלו כדי להראות את המרחק שלנו ממרכז הגלקסיה וכדי להסיק את גודל הגלקסיה שהאמין בו. לסיום, טען שאם זה אכן גודל הגלקסיה, אפילו קרטיס יסכים איתו שהנבולות הספירליות חייבות להיות בתוך הגלקסיה.

לצערנו, הרשומות של קרטיס מעולם לא נמצאו, ולכן נותרנו רק עם השקופיות שלו ורשמים של אנשים שנכחו במקום, אבל ככל הנראה הוא העביר הרצאה טכנית ומסודרת מאוד שהעבירה את הנקודות המרכזיות שלו לגבי גודל הגלקסיה ומרכז השמש, אבל בעיקר לגבי המרחקים של הנבולות הספירליות וקיומן בנפרד משביל החלב. לאחר שתי ההרצאות הללו התקיים ככל הנראה עוד דיון קצר עם כמה מהאנשים בקהל. על פי מרבית המעורבים, בסוף הערב התחושה הייתה שאם היו מעניקים נקודות, כנראה שקרטיס היה מנצח.


 
כמובן, הסיפור לא נגמר בזה. קרטיס ושייפלי סיכמו את הנקודות שלהם בשני מאמרים (מורחבים בהרבה ממה שנאמר בויכוח עצמו, ככל הנראה) שהתפרסמו לאחר כשנה, וששפכו עוד דלק למדורה. הויכוחים המשיכו במהלך שנות העשרים, והביאו אנשים רבים לחקור את הנבולות הספירליות. אחד האנשים העיקריים שלקחו את הנושא לתשומת ליבם היה אדווין האבל.

אדווין האבל


האבל הוא אחד האסטרונומים המפורסמים ביותר בהסטוריה, ולא סתם נקרא טלסקופ החלל על שמובתקופה המדוברת כבר עבד בהר ווילסון עם טלסקופ 100 האינצ', והוא השתתמש בו כדי לצפות בחלק מהנבולות הספירליות. ב1924 הוא גילה לראשונה כוכבים קפאידים באנדרומדה, מה שאפשר לו לחשב את המרחק אליה בצורה מדוייקת ולהראות שהיא רחוקה בהרבה ממה שחשבו בעבר, אף הרבה יותר מהגודל העצום ששייפלי ייחס לגלקסיה שלנו. תצפית זו ואלו שבאו בעקבותיה הראו בצורה ברורה שהנבולות הספירליות הן אכן גלקסיות אחרות, ושהיקום גדול בהרבה ממה שחשבו בעבר. האבל כתב מכתב עם התוצאות שלו לשייפלי, וכששייפלי קרא אותו הוא מצוטט כאומר למישהו שהיה איתו במשרד "הנה המכתב שהרס את היקום שלי".
אנקדוטה משעשעת היא שהאבל לא היה הראשון לראות עדויות שסתרו את התפיסה של שייפלי. בהר ווילסון עבד גם אסטרונום בשם מילטון הומאסון, שהיה חסר השכלה רשמית. הוא החל את דרכו כמוביל פרדות להר בזמן הקמת המצפה, ולאחר מכן נשאר במצפה כשרת. הוא התעניין מאוד בנושא, והתנדב להשאר בלילות ולתפעל את הטלסקופים עבור חלק מהאסטרונומים, והם הכשירו אותו לעשות זאת. בחורף בין 1920 ל1921 הוא צילם את אנדרומדה עם טלסקופ 100 האינצ', וטען בפני שייפלי שניתן בתמונה להבחין בכוכבים בודדים. שייפלי לא התכוון לתת לטענות של שרת להרוס לו את המודל, והוא התייחס אליהן בביטול.

עם טלסקופ 100 האינץ' הצטברו במהלך החצי השני של שנות העשרים עדויות רבות שתמכו בגרסתו של קרטיס לקיום איי היקומים, ודי מהר מרבית האסטרונומים כבר החזיקו בדיעה שאכן ישנן גלקסיות נוספות. אולם בנוסף לתגליות הללו, התברר גם שהגלקסיה שלנו גדולה בהרבה ממה שחשבו (אם כי לא כמו ששייפלי חשב – רק כ100 אלף שנות אור), ושהשמש אכן נמצאת כשני שליש מהמרחק לקצה. הטעות של שייפלי נבעה מאותם גורמים שהביאו לכך שאסטרונומים לפניו חשבו שהשמש נמצאת במרכז הגלקסיה – אבק וגז. באותה תקופה לא היו ידועות הכמויות הגדולות של גז ואבק בגלקסיה, ולא היה ברור כמה אור אובד כשהוא עובר דרכם, וזה שינה מאוד את המסקנות.


 לסיכום, נראה שהתפיסה המודרנית של היקום מורכבת משילוב בין התפיסות של שייפלי וקרטיס, ושלמעשה שניהם צדקו. הדיון הזה ללא ספק היה אחד מהגורמים המרכזיים בבחירה של האבל להפנות את הטלסקופ שלו אל הנבולות הספירליות, ואין ספק שהתפיסה המודרנית של היקום היא תולדה ישירה של הויכוח האקדמי (כולו, לא רק הויכוח שהתקיים בוושינגטון).



קישורים נוספים ששימשו בבניית ההרצאה:

אין תגובות:

פרסום תגובה