משתמש:Avneref/מדע/פיזיקה/המפץ הגדול

סיימון סינג, המפץ הגדול (ספר), 2004 (עברית 2007)

אמרות

• אלפונסו X "המלומד, El Sabio", מלך קסטיליה וליאון, ציווה לערוך את "הטבלאות האלפונסיניות" שתיארו את תנועת הפלנטות; "אילו ריבון העולם היה מתייעץ איתי לפני שהתחיל בבריאה, הייתי ממליץ על משהו פשוט יותר" (מאשר מערכת הרפרנטים, האפיציקלים, האקוונטים והאקסצנטרים של תלמי). באמצעות חיבור כל תקופות השנים המפורטות בתנ"ך, קבע את תאריך בריאת העולם ל-6904 לפני הספירה. להשוואה: הספירה העברית המסורתית קובעת את התאריך ל- $2015-5775=-3760$.

• ויליאם איש אוקאם: תערו של אוקאם – "pluralitas non est ponenda sine necessitate"

• גלילאו גליליי אחרי שמת ליברי, חוקר שסירב לצפות בטלסקופ: "אולי עכשיו, בדרכו אל השמים, הוא יראה את כתמי השמש, הירחים של צדק ואת המופעים של נוגה."

• מקס פלאנק

• רוברט ג'סטרו "(התיאורטיקן של המפץ הגדול) העפיל על הררי הבורות; הוא עומד לכבוש את הפיסגה הגבוהה ביותר; וכאשר הוא מרים את עצמו אל הסלע האחרון, מקבלת את פניו חבורה של תיאולוגים – הם יושבים שם כבר מאות בשנים."

• אוגוסטינוס "מה עשה אלוהים בטרם עשותו שמים וארץ? הוא הכין את הגיהנום למעמיקים לחקור."

• ארתור אדינגטון: "עד כמה עלינו להאמין לסיפור הזה ( – של "המפץ הגדול")? למדע יש אולמות תצוגה משלו וסדנאות משלו. הציבור היום – ואני חושב שבצדק – אינו מסתפק בשיטוט באולמות תצוגה, שבהם צופים במוצגים. הוא תובע לראות מה מתרחש בסדנאות. אתם מוזמנים להיכנס, אבל אל תשפטו את מה שאתם רואים על פי אמות המידה של אולמות התצוגה. הסתובבו כמבקרים בסדנה שבמרתף של בניין המדע. האור עמום, ואנחנו מועדים לפעמים. סביבנו בלבול ולכלוך, לא היה זמן לטאטא. הפועלים והמכונות שלהם אפופי עלטה. אבל אני חושב שמשהו מסתמן כאן – אולי משהו די גדול. אינני יודע מה בדיוק יהיה זה כאשר יושלם הכל ויצוחצח בשביל חדר התצוגה."

• צ'ארלס בבג' (מופקד הקתדרה של לוקאס, קיימברידג', 1828): "טעויות הנובעות משימוש בנתונים לקויים פחותות בהרבה מאלה שאינן משתמשות בנתונים כלל."

• הארלו שייפלי : "תיאוריות קורסות, אבל תצפיות טובות לעולם אינן נעלמות."

• מארק טוויין: "קודם כל תשיגו את העובדות; אחר כך תוכלו לעוות אותן בזמנכם הפנוי."

 

מדענים קדומים

אנכסימנדרוס

היה כנראה הראשון שטען שכדור הארץ מרחף בחלל, אמנם במרכז היקום אך אינו נשען על שום גוף אחר. קרל פופר כינה את הרעיון הזה "אחד הרעיונות הנועזים, מהפכניים ומרשימים בכל ההיסטוריה של ההגות האנושית."

אנקסגורס

שיער שהכוכבים הם אבנים לוהטות, ולא ישויות אלוהיות. הוגלה ללאמפסאקוס שבאסיה הקטנה (היום בטורקיה) – לפי אריסטו, זה היה החטא השני של האתונאים כלפי הפילוסופיה, אחרי הריגת סוקרטס.

אאודוקסוס

היה הראשון שהציע מודל של ספירות (כדורים, או "גלגלים") המקיפים את הארץ, ועליהם גרמי השמיים הנראים. המודל שלו כלל 8 כדורים, ועליהם: שבעת "כוכבי הלכת" הידועים אז: ירח, כוכב-חמה (מרקורי), נוגה (ונוס), שמש, מאדים (מרס), צדק (יופיטר), והשביעי שבתאי (סטורן); הכדור השמיני הכיל את כל כוכבי השבת, שנראו מסתובבים ביחד סביב הארץ. מכאן – האמונה המבוטאת בשורה "שבעה כוכבי-לכת צצים על כלל גבעה", וכן שמות שבעת ימי השבוע באנגלית: ראשון הוא יום-חמה, שני הוא יום-ירח ?; ושמו העברי של כוכב-הלכת השביעי: שבת-שבתאי. המודל היה נחמד, אבל לא הסביר תנועות של הכוכבים מעלה ומטה ביחס למישור הסיבוב שלהם. הפתרון היה להוסיף 19 כדורים משניים במרחבים שבין הכדורים הראשיים, שגורמים לקווי המשווה של הראשיים לנוע מעלה ומטה. קאליפוס מסיזיקוס (370 עד 300 לפה"ס) הוסיף עוד 7 כדורים משניים, המודל השתפר אבל עדיין לא הסביר הכל.  

אריסטו

בן זמנו של קאליפוס. יצר מודל של 56 כדורים משניים עשויים מ"היסוד החמישי", האתר, שנוסף על האדמה, המים, האויר והאש; ועדיין לא הוסברו 3 תופעות: התנועה הנגדית של כוכבי-הלכת; הבהירות המשתנית שלהם; והמהירות המשתנית שלהם. האחרונה הוסברה ע"י הזזת מרכז הסיבוב של כל כדור ראשי מכדור הארץ לנקודה בחלל, כך שהכדור היה אקס-צנטרי. אבל עברו 130 שנים נוספות אחרי אריסטו, עד שאפולוניוס מפרגה (262 – 190 לפה"ס) הציע פתרון: אפיציקלים, או כדורים משניים שמרכזיהם נעים עם הכדורים הראשיים, ועליהם נעים כוכבי-הלכת. צבי מאז"ה טוען, שהציע מודל הליוצנטרי, ולא היא-!?

היפרכוס

• 50 שנה אחר כך, שילב את הרעיון במערכת. ומי שבנה את המודל המסובך היה תלמי (פתולומיאס)
• "ההשפעה האריסטוטלית", עדי אביר באתר "אחד נגד כל הדת" 

ארטוסתנס

ספרן ראשי בספריה של אלכסנדריה; מדד את היקף כדור הארץ בדיוק של כ-2% (?) [1]: כשהשמש הייתה בזנית באסואן (לפי הבאר) - באלכסנדריה, מרחק 800 ק"מ, הטילה צל בזוית 7.2 מעלות (1/50 של מעגל); מכאן חישב את ההיקף: 800×50=40 אלף, טעות של 0.08% (אם העריך נכון את המרחק); העריך את קוטר הירח, וגם את המרחק לירח, בדיוק של 17%.

אריסטרכוס

"קופרניקוס היווני". העריך את המרחק לירח. תמך בטענה של פילולאוס מקרוטון, ושל הרקלידס, שהארץ מקיפה את השמש. התיאוריה נזנחה למשך 1,500 השנים הבאות, עד קופרניקוס.

תלמי

קלאודיוס פתולמאוס (תלמי). ניסח את ההמודל הגאוצנטרי. ספרו Syntaxis mathematica, החיבור הגדול, תורגם לערבית: الكتاب المجسطي, אלמגסט (שיבוש ערבי ליוונית: Ἡ μεγίστη, "הגדול ביותר"), היה התנ"ך של כל האסטרונומים, כולל הערבים בימי הביניים. ג'רארדו דה קרמונה תרגם מערבית ללטינית ב-1175. גיאורג פון פוירבך התחיל להכין גרסה "מדעית" ע"י תרגום חדש עם עדכון מתוך כתבים יווניים מקוריים, שהגיעו לאיטליה אחרי נפילת קונסטנטינופול. לפני שמת, ציווה על יוהנאס מולר (Müller, ידוע כ-רגיומונטאנוס , שמו הלטיני של מקום הולדתו קניגסברג) להמשיך. מולר כתב את אפיטומה, "קיצור" האלמגסט עם תיקוני חישובים, עדכונים על תצפיות חדשות, למשל: העובדה שהירח לא נראה גדול יותר, כצפוי לפי מודל תלמי.

כשכבשו הנוצרים את ספרד (המלך אלפונסו השישי מידי המורים, 1085), והתגלה אוסף הכתבים היוניים הכתובים ערבית בספריה של טולדו, הדבר גרם למדעני אירופה לדבוק בתיאוריות הישנות. עדיין, שליט עולם המדע היה אריסטו שקבע, למשל, שלגברים יש יותר שיניים מאשר לנשים, על סמך תצפית בשיני סוסים. למרות שהיה נשוי פעמיים, מעולם לא ספר את שיניה של אישה. הוא גם סבר שיש לנטוש ילדים חולים הוא בעלי מום, כדי להגביל את גידול האוכלוסיה. למרות פיקפוקים שהשמיעו בודדים, כמו: המלך אלפונסו X ; ניקול ד'אורם, הכומר של המלך שארל V ; ניקולאוס קוזאנוס (מקוזה), קרדינל גרמני – המודל הגאוצנטרי החזיק מעמד עוד כ-400 שנה, עד המאה ה-16.

• רבן גמליאל (דיבנה): "כך מקובלני מבית אבי אבא, שפעמים שבא בארוכה (– הירח במחזור המולד והמלאות), ופעמים שבא בקצרה" s:בבלי ראש השנה כה א, גמ'. הכוונה למחזורי מולד הירח, שאינם אחידים.

• גם הרמב"ם הבין, שהמודל של תלמי כנראה שגוי, ולא מפני שלא תאם את התצפיות – הוא דווקא התאים לא רע, בדיוק בגלל שתלמי שיכלל את המורכבות שלו עד אבסורד – אלא משיקול פילוסופי, שקיומם של אפיציקלים סותר את טענות אריסטו על טוהר התנועה:

"כבר הסברתי לך בעל-פה שכּל זה אינו מחייב את האסטרונום; שהרי אין כוונתו להודיענו את צורת מציאות הגלגלים, אלא כוונתו להניח אסטרונומיה שעִמה אפשריות תנועות סיבוביות אחידות, והמתאימה למה שאנו משׂיגים בעינינו, בין אם הדבר כך ובין אם אינו כך... "כל מה שאמר אריסטו לגבי מה שמתחת לירח - בהיגיון נאמר. אלה דברים שעילתם ידועה, והם מתחייבים זה מזה וברור וּמְחֻוָּר מה הם מקומות החוכמה וההשגחה הטבעית בהם. אך אין האדם יודע דבר מכל מה שבשמים, אלא שיעור מתמטי זעיר זה... אומר אני על דרך מליצת השיר: השמים שמים לה' והארץ נתן לבני-אדם s:תהלים קטו/כתיב טז, כלומר, האלוה לבדו יודע את מהותם האמיתית של השמים... אך באשר למה שמתחת לשמים הוא איפשר לאדם לדעת, כי הוא עולמו וביתו אשר הוּשָׂם בו והוא חלק ממנו... זה כל מה שידוע לי בשאלה זאת. ייתכן שלזולתי יש הוכחה מופתית שבעזרתה מוסברת לו אמיתת מה שקשה לי. העדפתי המופלגת את האמת (מתבטאת בכך) שבמפורש הודעתי על מבוכתי בעניינים אלה, ושלא שמעתי ולא ידעתי הוכחה מופתית לדבר מהם" s:מורה נבוכים (אבן תיבון)/חלק ב/פרק כד.

• כריסטופר קולומבוס: באחד ממסעותיו, הזהיר את ילידי יבשת אמריקה, שאם לא יצייתו לו הוא יעלים להם את הירח. הוא ידע שבאותו לילה יחול ליקוי ירח מלא. הילידים נבהלו, צייתו מיד, ובתמורה הסכים קולומבוס כעבור מספר דקות להחזיר להם את הירח המאיר.

אחרי הרנסאנס

מהפכה: אחרי מאות שנים של התבטלות בפני יצירות הפאר של העולם הקלאסי העתיק - אנשי הרנסנס כבר לא ראו את הקדמונים כנעלים.

המודל ההליוצנטרי

• פילולאוס ואריסטרכוס מסאמוס הראשונים שהציעו רעיונות הליוצנטריים, 1700 שנה לפני קופרניקוס -

קופרניקוס

מיקולי קופרניק, קתולי שהתפרנס מהכנסיה ככומר (???), ואף היה אריסטוטלי. ספרו הראשון, Commentariolus ("פרשנות קטנה"), חוברת בכתב-יד שלא פורסמה מעולם, והופץ ב-1514 בקרב מעטים. היו בו 20 דפים ו-7 אקסיומות, שבמרכזן: הגלגלים לא מקיפים את הארץ ממזרח למערב, אלא הארץ סובבת סביב צירה ממערב למזרח; הארץ וכל הפלנטות האחרות סובבות סביב השמש; הירח מקיף את הארץ, ולא סביב מרכז יקום כלשהו. ספרו השני, De Revolutionibus Orbium Coelestium ("על סיבובי הכדורים השמימיים") נכתב במשך 30 שנה, והופץ ככתב יד בעותקים מעטים. כשהיה בן 66 זכה לתמיכה ממלומד לותרני בן 25, יואכים פון לאוכן "רטיקוס", שנסע אליו לגרמניה, והסתכן בכניסה לסביבה קתולית. כנגד התנגדותו של מרטין לותר עצמו, רטיקוס דחף לפרסום הספר ב-1543. קופרניקוס זכה לראות את הספר מודפס זמן קצר לפני מותו. בהקדמה לא הזכיר המחבר את רטיקוס, שנטש את הפרויקט. כומר בשם אוסיאנדר הביא את הספר לידי סיום, וכנראה כתב הקדמה אפולוגטית (בלי ידיעתו של קפרניקוס), כדי לרצות את המבקרים. בהקדמה נאמר, שהספר לא טוען שכך פועל הטבע, אלה שזהו רק מודל מתמטי, המתאים לתצפיות טוב יותר מהמודל של תלמי. הספר נשכח למשך כמה עשורים, גם בגלל ההקדמה המסתייגת, ובגלל שהמודל היה למעשה מעט פחות מדויק מהמודל של תלמי, מבחינת התאמה לתצפיות; קופרניקוס היה אריסטוטלי עד יומו האחרון (גם בכך שלא ביצע תצפיות); כלומר, האמין שכל גרמי השמיים נעים במעגלים מושלמים, ולכן אפילו המודל ההליוצנטרי שלו נזקק לאפיציקלים, כדי לפצות על סטיות שנבעו מהתנועה האמיתית באליפסות.  

• טיכו ברהה. אסטרונום דני ששכלל את טכניקת השימוש בטלסקופ, עד כדי כך שפרדריק השני, מלך דנמרק, מימן לו מצפה כוכבים פרטי באי ון, שנקרא Uranienborg ("טירת השמים"). תקציב המצפה בשיאו הגיע ל-5% מהתל"ג של ממלכת דנמרק – שיא עולמי בכל הזמנים של מימון ממשלתי למחקר. המקום התפרסם במסיבות השתיה והבידור שלו.

ברהה הגיע לדיוק גדול פי 10 מכל המדידות הקודמות (עד דקת-קשת אחת?) – אולי בזכות העובדה שיכול היה להסיר את אפו התותב בזמן השימוש במכשירי המדידה (המגושמים - ככל שהיו משוכללים יותר, נדרשה יותר מיומנות; ההפך ממחשבים), וגם כי שיכלל מאד את הטכניקות, בעזרת מחוגה, מטה-מוצלב, קואדרנט ; סקסטנט. למרות שהחזיק בעותק של ספרו של קופרניקוס, ברהה האמין בגרסה משופצת של המודל הגאוצנטרי: הפלנטות מקיפות את השמש, אבל כולן יחד מקיפות את הארץ; אמנם הוא קבע שהפלנטות הקרובות (כוכב חמה ונוגה) מקיפות רק את השמש, ואילו הרחוקות (הידועות אז: מאדים, שבתאי, צדק) מקיפות בעיגולים גם את הארץ, אך הוא היה מיסטיקן וסרב להכיר שהארץ נעה. המלך פרדריק מת בעקבות הילולת שתיה. המלך החדש, כריסטיאן הרביעי, מלך דנמרק, שנא את ברהה וזה נאלץ לעזוב את הטירה ולעבור לפראג. שם קיבל מינוי של המתמטיקאי הקיסרי של רודולף השני, קיסר האימפריה הרומית הקדושה. למזלו, הגיע לעיר יוהאנס קפלר, לותרני נוסף שברח מגראץ, בין היתר בעקבות איום של ארכידוכס קתולי על חייו. קפלר ניסה לשכנע את ברהה בנכונות התיאוריה ההליוצנטרית, ללא הצלחה. ברהה מת כנראה כתוצאה מסיבוך שנגרם מהתאפקות: לאחר שהפריז בשתייה והיה צריך להשתין, העדיף לציית לכללי הנימוס ולא לקום לפני הברון פון-רוזנברג. באותו לילה חלה ולאחר 10 ימים נפטר. בעקבות מותו של ברהה, מונה קפלר במקומו למתמטיקאי הראשי, וניתנה לו גישה למחברותיו הסודיות, שהיו מלאות בתוצאות מפורטות של תצפיות. בחייו לא הרשה לאיש להציץ בהן, מפני שחלם לפרסמן בעצמו, ובוודאי לא רצה לתת אותן לפשוט-עם גרמני.

מסלולים אליפטיים

• יוהאנס קפלר. אסטרונום ואסטרולוג, בתקופה שהתחומים לא היו נפרדים. לותרני מאמין ששילב תאולוגיה בעבודתו המדעית. הגיע לפראג ביום הראשון של המאה ה-17, שם פגש את ברהה.

נתן לעצמו 8 ימים לפתור את אי ההתאמות בין המודל של קופרניקוס לבין התצפיות של מסלולו של מאדים. בפועל זה לקח לו 8 שנים ו-900 עמודי פוליו של חישובים מפרכים. הצליח בכך כי היה הראשון שזנח את הדוגמה, שהפלנטות חייבות לנוע במעגלים מושלמים. קבע את חוקי קפלר: מסלולים של גרמי שמים הם אליפטיים, הגוף המוקף נמצא באחד ממוקדי האליפסה; חוק השטחים: המהירות הקווית אינה קבועה. מספרים, שקרא בקול גדול: "אלוהים אדירים, אני חושב את מחשבותיך אחריך." ב-1604 פרסם ספר ששימש בסיס לאופטיקה#אופטיקה מודרנית, כולל ההבחנה שעוצמת האור נחלשת עם ריבוע המרחק (כדור!); וספר נוסף: “De Stella Nova”, "הכוכב החדש", על תצפיותיו על מה שהיום ידוע כסופרנובה. ב-1610 שמע לראשונה על המצאת הטלסקופ. באמצעות חיבור כל תקופות השנים המפורטות בתנ"ך, קבע את תאריך בריאת העולם ל-3992 לפני הספירה (על פי המסורת העברית: 3760 לפה"ס). ג'יימס אשר (Ussher), הארכיבישוף של ארמה, קבע את התאריך ל-22 באוקטובר 4004 לפני הספירה, בשעה 6 בערב.

הטלסקופ והמודל ההליוצנטרי

• גלילאו גליליי. תיאורטיקן, נסיין, וממציא.

כשהשתעמם בשעת התפילות, מדד את זמני המחזור של נברשות מתנדנדות, כשהוא מודד את הזמן באמצעות הדופק שלו. גילה שהזמן קבוע ואינו תלוי במשרעת או בגודל המשקולת, אלא באורך המטוטלת בלבד. בעקבות זאת סייע להמציא שעון מטוטלת. ב-1608 נודע לו ש"הולנדי אחד המציא משקפת," בעקבות המצאתו של מלטש עדשות פלמי בשם Lippershey. למעשה משקפות היו בשימוש מספר שנים, אך הן הגדילו רק פי 3 עד 10. גלילאו שכלל את ההמצאה וייצר טלסקופים שהגדילו פי 60. ב-1609 טיפס ביחד כם הדוג'ה של וונציה על מגדל הפעמונים של סן-מרכוס, וביחד צפו על הלגונה. הטלסקופ החדש נתן לונציאנים יתרון במלחמה, ולכן קיבל הממציא תשלום על ההמצאה. לסוחרי ונציה הוא הביא ידיעה מוקדמת על אוניות מתקרבות עם אריגים או תבלינים. הסוחרים שיכלו לזהות את האוניות, נפטרו מהסחורה שבידיהם לפני שמחירה בשוק ירד. ב-1610 הבחין בהרים על פני הירח, שעד אז נחשב חלק. הראשון שגילה 4 ירחים של צדק: איו, אירופה (ירח), קליסטו וגנימד, מה שחיזק את הטענה שלא הכל סובב סביב הארץ. בנוסף, קופרניקוס ז"ל כתב בספרו שניתן עקרונית להכריע בעד או נגד המודל ההליוצנטרי ע"י צפייה בסדרת המופעים של נוגה: "אם יהיה אפשר אי פעם לחזק את חוש הראיה במידה מספקת, נוכל לראות מופעים במרקורי ובנוגה." באותה שנה, 1610, דיווח גלילאו שצפה בסדרה של מופעים של נוגה, ושהתצפיות תאמו את התיאוריה ההליוצנטרית, ורק אותה. הדיווח היה מוצפן. הוא כתב את האנגראמה: " Haec immatura a me iam frustra leguntur oy", שפירושו: "אלה כרגע צעירים מדי לקריאה בשבילי," שהצפינה את: "Cynthiae figuras aemulatur Mater Amorum", או: "אֶם האהבה (= ונוס, נוגה) מחקה את הצורות של סינתיה (= הירח)." עדיין היו מדענים שלא השתכנעו. החוקר Libri סירב כעיקרון לצפות בטלסקופ. לאחר שמת אמר גלילאו: אולי עכשיו, בדרכו אל השמים, הוא יראה את כתמי השמש, הירחים של צדק ואת המופעים של נוגה. הכנסיה בתגובה החרימה את ספרו של קופרניקוס, 63 שנים אחרי פרסומו, והכריזה שתמיכה במודל ההליוצנטרי היא כפירה. גלילאו, מאמין קתולי אדוק, הכריז: "כתבי הקודש נועדו ללמד את בני האדם את הדרך אל השמים, אבל לא את דרכי השמים." כשידיד מתקופת הלימודים באוניברסיטה של פיזה, הקרדינל ברבריני, נבחר בשנת 1623 לאפיפיור אורבנוס ה-8, הוא קיבל את גלילאו לסדרה של פגישות ונתן לו אישור לכתוב ספר בשפה ספרותית, ובאיטלקית (מובנת לעם) במקום בלטינית, שימחיש את הויכוח בין שתי התיאוריות. אך כשיצא הספר ב-1632 השתנו הנסיבות. במחאה על רדיפת הנצרות פרוטסטנטית, נכנסה קבוצה מהם לארמון בפראג והשליכה מהחלון שני עובדי ציבור, אירוע הזכור כ"הדפנסטרציה של פראג". בעקבותיו פרצה מלחמת שלושים השנה, שגרמה לאפיפיור צורך להוכיח שהוא מגן באומץ על הערכים הקתוליים, ולכן הוא החרים את ספרו של ידידו לשעבר. ב-1633 נשפט גלילאו באשמת כפירה, הודה ונידון למאסר שאותו ירצה בביתו. על פי המיתוס (שאינו סביר), הוא קם מכריעת-הכניעה שלו והכריז: "Eppur si muove!" – ולמרות זאת, היא נעה! אין ספק שהאמירה יוחסה לו כבר במאה ה-17, כי היא התגלתה כתובה על ציור ספרדי משנת 1640. תרגומה לעברית: "ואף על פי כן נוע תנוע" הושפע מישעיהו כ"ד 20: "נוֹעַ תָּנוּעַ אֶרֶץ כַּשִּׁכּוֹר, וְהִתְנוֹדְדָה כַּמְּלוּנָה."

מדידה של מהירות האור

• ב-1638 הציע גלילאו למדוד אם מהירות האור סופית, ע"י מדידה של הזמן שחולף בין שני נצנוצי פנסים שבידי שני צופים... ב-1667, 25 שנים אחרי מותו, האקדמיה של פירנצה ביצעה את הניסוי, והגיעה למסקנה שאם המהירות סופית, אז היא גדולה מ-10,000 קמ"ש.
• אולה רמר, אסטרונום דני שעבד במצפה של ברהה, קיבל משרה באקדמיה למדעים בפאריס, כדי שיוכל להתפנות למחקר, חפשי מגחמותיהם של מלכים או אפיפיורים. הוא פגש את ג'ובאני דומניקו קאסיני, תלמיד של גלילאו. זה סיפר לו על אי סדירויות בזמני ההופעה של הירח איו של צדק. שניהם שיערו שהתופעה נובעת ממהירותו הסופית של האור. לאחר 3 שנים של ניתוח התצפיות, ביצע רמר חישוב שממנו אפשר היה להסיק שמהירות האור היא כ-190,000 ק"מ בשניה – 37% פחות מהמהירות האמיתית, שהיא 299,792 ק"מ בשניה. (רמר לא חישב את המהירות באופן ישיר).

רמר פרסם את התוצאה במאמר, ולא נתן קרדיט לקאסיני. עקב כך, קאסיני הפך לראש המבקרים של רמר. אלה טענו, שמהירות האור אינסופית. בתגובה, פרסם רמר תחזית, שליקוי של איו, שחושב להתרחש ב-9 בנובמבר 1676, יאחר בכ-10 דקות מהמועד המחושב בהנחה שמהירות האור אינסופית. הליקוי אכן נצפה באיחור של מספר דקות. רמר פרסם גם את התוצאה הזאת במאמר. קאסיני היה בכיר מרמר, וגם מת אחריו, ולכן הצליח להביא לדיכוי המסקנה שלו למשך מספר שנים.

רמר פיתח סקאלה למדידת טמפרטורה. ב-1708 ביקר בביתו פרנהייט, ביקור שבעקבותיו שיפר פרנהייט את הסקאלה. גם היום, במדינות מפגרות מסוימות משתמשים בסקאלה של פרנהייט למדידת טמפרטורה. רמר גם שימש כראש המשטרה של קופנהאגן, והיה אחראי על רפורמות רבות בעיר, על בניית מדרכות ושיפור שירות כיבוי האש. הוא גם המציא את מנורות הרחוב הראשונות, שתודלקו בשמן.  

• אוטו פון גריקה. ממציא וראש עיריית מגדבורג שבגרמניה. המציא את משאבת הריק, והדגים את כוחה באמצעות שני חצאי כדור שחיבר, וש-16 סוסים לא הצליחו להתגבר על לחץ האוויר ולהפריד ביניהם. בניסוי אחר הוא רוקן שפופרת זכוכית שבתוכה היה פעמון מצלצל. ככל שהאוויר יצא מהשפופרת, כך נחלש קול הפעמון עד שנדם. הניסוי הוכיח שגלי קול נעים דרך האוויר, אבל שהאור לא זקוק לאוויר כתווך לנוע בו.

בין היתר, העובדה הזאת, שהאור נע בריק, חיזקה את האמונה הרווחת שקיים תווך בכל מקום, האתֶר. בין המאמינים המובילים בקיום האתר היה חתן פרס נובל לפיסיקה הראשון בין האמריקנים, מייכלסון.

אין אתר!

• אלברט אברהם מייקלסון. היגר בגיל שנתיים עם הוריו היהודיים מפרוסיה לארה"ב. למד באקדמיה של הצי באנאפוליס, מרילנד. גילה כישרון לאופטיקה אבל לא הצטיין בימאות. קיבל הערה מאחד המדריכים: ”אם בעתיד תקדיש פחות תשומת לב לכל הדברים המדעיים האלה, ויותר לתותחנות ימית, אולי יבוא יום ותוכל להביא תועלת כלשהי למולדתך.”

”The Superintendent, Rear Admiral John Warden: If in the future, you'd give less attention to those scientific things, and more to your naval gunnery, there might come a time when you would know enough to be of some service to your country”. כעבור 4 שנים, הוא מדד את מהירות האור בדיוק של 0.04%, טוב פי עשרים מהמדידה הקודמת. ב-1880 ערך ניסוי שמטרתו להוכיח את קיום האתר. הוא פיצל שתי קרני אור שנעו בניצב זו לזו, באמצעות מערכת של מקור אור קוהרנטי ומראות מדוייקות. כל המערכת צפה באמבטיה של כספית, כדי למנוע השפעה של רעידות. התוצאה: שתי הקרניים הגיעו במה שנמדד כפאזות זהות. במשך 7 שנים נעזר באדוארד מורלי כדי לשפר את הציוד, ללא הועיל. בלית ברירה, ב-1887 פרסמו את המסקנה: אין אתר. על כך זכה מייכלסון בפרס נובל לפיסיקה ב-1907. מה שהצליחו שני מדענים לעשות בעזרת ציוד מדידה יקר, עשה נער בן 16 בשם אלברט איינשטיין באמצעות ניסוי מחשבתי. בנאום באוניברסיטת שיקגו ב-1894, אמר מייכלסון: "כל העובדות וחוקי היסוד החשובים של הפיסיקה התגלו. האפשרות שהם יוחלפו אי פעם כתוצאה מתגליות חדשות – רחוקה ביותר... את התגליות העתידיות שלנו צריך לחפש במקום השישי אחרי הנקודה העשרונית." מייכלסון האריך ימים מספיק כדי לראות את תחזיתו מופרכת. ( Betelgeuse ?)

• אלברט איינשטיין

בשנת 1896 (בגיל 16) ביצע ניסוי מחשבתי (בגרמנית: gedankn experiment): אם עקרון היחסיות, שגילה עוד גלילאו, הוא נכון, וגם האור נע דרך האתר, אז איש לא יוכל לראות את עצמו במראה אם ינוע עם המראה במהירות האור, כי הצופה, וגם האור שיוצא ממנו, נעים שניהם דרך האתר באותה מהירות. (העובדה שלפי תורת היחסות, גוף בעל מאסה לא יכול לנוע במהירות האור אינה משנה לעניין הניסוי המחשבתי). מכיוון שהצופה לא יראה את עצמו במראה, היא יסיק שהוא נע – בניגוד לעיקרון היחסיות. איינשטיין הסיק מכך, שאין אתר. אמנם זה קרה 9 שנים אחרי מייכלסון ומורלי, אבל לא ברור לגמרי אם ידע עליהם בכלל. מיתוס נפוץ גורס, שהניסוי עורר את איינשטיין לעסוק בשאלה; אבל מאמרו מ-1905 משתמש בניסוי המחשבתי, וכלל לא מזכיר את הניסוי.

הוא אמר: "הדבר היחיד שמפריע לי ללמוד הוא החינוך שאני מקבל." מורהו בפוליטכניון של ציריך, הרמן מינקובסקי, יהודי מומר, כינה אותו "כלב עצל"; אם כי בהמשך יהפוך לידידו ולאחד מחסידיו. בזכותו, איינשטיין יכול היה להשתמש בחשבון הטנזורים, שהיה חיוני לפיתוח תורת היחסות הכללית. הוא גם עזר להמחיש את טרנספורמצית לורנץ, ע"י כך שנתן לה פירוש גיאומטרי. מורה אחר, היינריך וֶבֶר , אמר לו: "אתה פיקח מאד, אבל יש לך פגם אחד: אתה לא מוכן שיגידו לך שום דבר." ובר לא היה מוכן לקבל את הרעיונות החדשים בפיזיקה, לא כל שכן ללמד אותם, ומשום כך פנה אליו איינשטיין בתואר "הֶר וֶבֶּר" ולא "הֶר פרופסור וֶבֶּר." כתוצאה מכך לא נתן לו וֶבֶר מכתב המלצה, שבלעדיו לא יכול היה להתקדם באקדמיה. לכן הוא עבד ב-7 השנים הבאות כ"מומחה טכני ניסיוני, מדרגה ג'" במשרד הפטנטים בברן. זה אפשר לו להתפנות למחשבותיו ולמחקרו, מבלי לעסוק במאבקים אקדמיים ולהיות כבול לתפיסות מקובלות. במכתב לידיד תיאר את משרדו "מנזר מבודד, שבו אני דוגר על הרעיונות הכי יפים שלי". ב-1902 מת אביו הרמן, אחרי שהסכים לנישואיו של אלברט עם מילבה מאריץ'. הוא לא ידע, שכבר יש להם בת בשם ליזרל. הבת נמסרה לאימוץ בסרביה בגלל הבושה שבלידת בת לא חוקית. איינשטיין מעולם לא פגש אותה, וקיומה בכלל נודע רק ב-1986. ב-1905 פרסם 4 מאמרים בכתב העת המדעי המוביל אז, Annalen der Physik ("שנתון הפיזיקה"). המאמר אודות האפקט הפוטואלקטרי, על נקודת מבט היוריסטית בייצור והעברה של אור, זיכה אותו בנובל כעבור 16 שנה. אבל 3 המאמרים האחרים היו טובים יותר: על התנועה הנדרשת מהתורה הקינטית המולקולארית של החום...: ניתוח מבריק שחזה את התנועה הבראונית כתוצאה מקיומם של אטומים ומולקולות, שאז לא היה ברור לגמרי שהם קיימים. על האלקטרודינמיקה של גופים נעים: הצגה ראשונה של תורת היחסות הפרטית, על מרחב-זמן שלה, יחסיות הזמן, האינוורינטיות של מהירות האור. האם האינרציה של גוף תלויה בתכולת האנרגיה שלו? – השקילות בין מאסה לאנרגיה, ו-$E=mC^{2}$.

אבל תורת היחסות הפרטית כונתה ע"י איינשטיין "משחק ילדים" לעומת מה שבא אחר כך. במשך 8 השנים שבין 1907 ל-1915 נאבק בחישובים תאורטיים מפרכים וכמעט השתגע. העבודה על תורת יחסות כללית גרמה לו להרגיש כמו ב"רכבת של אש וגפרית." מבחן ראשון לתאוריה הגיע כשניגש להסביר את האנומליה של מסלולו של מרקורי (כוכב חמה). כבר ב-1859 גילה לה-ווריה (le Verrier) שמרקורי מקיף את השמש באליפסה שבעצמה סובבת סביב השמש, ונטייתה משתנה ב-1.383 שניות-קשת, או 0.00038 מעלות, בכל הקפה. ב-100 שנות ארץ, משלימה הפלנטה 415 הקפות, וסוטה ב-574 שניות-קשת. אי אפשר היה להסביר את הסטיה באמצעות תורת הכבידה של אייזק ניוטון. לכל היותר, השפעת פלנטות האחרות יכלו להסביר 531 שניות-קשת ב-100 שנה. תוך שימוש במשוואות היחסות הכללית איינשטיין חישב ויצא לו בדיוק 574. המדענים לא קיבלו זאת, והציעו שיש חגורת אסטרואידים פנימית בלתי נראית, כשלא גילו כזאת, הציעו תיקון לנוסחת הכבידה של ניוטון: להשתמש ב-$r^{2.00000016}$ במקום ב- r².

מדידה של השפעת הכבידה על האור

ב-1912 החל לשתף פעולה עם ארווין פרוינדליך כדי לתכנן ניסוי בהסחת קרני אור. התברר שצדק, הכבדה פי 300 מהארץ, לא תספיק להסיח אור במידה שניתן יהיה להבחין בה. הוא כתב לו: "אילו רק נתן לנו הטבע פלטה גדולה מצדק!". הוא חשב על השמש, אבל הבעיה: לא ניתן להביט או לצלם כוכב בקרבת השמש. ב-1913 כתב לו שוב, והציע לבצע את הניסוי בעת ליקוי חמה מלא. ליקוי כזה עמד להתרחש ב-21 באוגוסט 1914. היה צורך לנסוע לאי קרים. איינשטיין היה מוכן לממן משלחת מכספו. הוא בא אל פרוינדליך לארוחת ערב, אכל מהר ושירבט שרטוטים על מפת השולחן. הגברת פרוינדליך כיבסה את המפה, שאחרת הייתה שווה מיליונים. פרוינדליך נסע מברלין לרוסיה ביולי 1914 והציב את הטלסקופים. מכיוון שחודש לפני כן נרצח הארכידוכס של סרייבו, פרצה מלחמת העולם הראשונה, ובזמן נסיעתו הכריזה גרמניה מלחמה על רוסיה. פרוינדליך נעצר, ושוחרר בעיסקת חילופי שבויים. המחקר המדעי נעצר לתקופת המלחמה, כי המדענים היו מגויסים. למשל, הנרי מוזלי, פיזיקאי גרעיני מאוקספורד, התנדב לצבא בעלות הברית, שם סבל מהתקפות זבובים נוראיות. הוא נהרג בקרב בגליפולי נגד הצבא הטורקי. קרל שוורצשילד, מנהל מצפה הכוכבים בפוטסדם, התנדב לצבא הגרמני. הוא המשיך במחקר בהיותו בחפירות, וכתב מאמר על תורת היחסות הכללית, שהוביל לתיאוריה של חורים שחורים. איינשטיין הגיש את המאמר לאקדמיה הפרוסית ב-1916. שוורצוולד נהרג בחפירות כעבור 4 חדשים. לעומתם, ארתור אדינגטון, קוויקר ופציפיסט אדוק, סירב להתגייס מטעמי מצפון. ועדת המצפון קיבלה בקשות לשחררו בטענה שיביא יותר תועלת כמדען, אבל דחתה. פרנק דייסון , האסטרונום המלכותי, ידע שצפוי ליקוי מלא נוסף ב-29 במאי 1919 . הוא הציע שאדינגטון יביא תועלת לארצו, אם יוכיח שתורת הכבידה האנגלית של ניוטון נכונה, ושהגרמנית שגויה. בסתר ליבו היה בעד איינשטיין, אבל הסתיר זאת כדי לשחרר את אדינגטון מהשירות.

אדינגטון היה תלמיד מצטיין בקיימברידג', Senior Wrangler. תמך בתורת היחסות הכללית מההתחלה, לימים כתב את Mathematical Theory of Relativity, שאיינשטיין הכתיר ב"ההצגה הטובה ביותר של הנושא בשפה כלשהי." הפיזיקאי לודוויג סילברסטיין , שראה בעצמו בר-סמכא בתורה, אמר לו: "אתה בוודאי אחד משלושת האנשים היחידים בעולם שמבינים את תורת היחסות הכללית." כששתק אדינגטון, אמר לו סילברסטיין לא להיות צנוע כל כך. אדינגטון אמר, "להיפך, אני מנסה לחשוב מי השלישי."

הוא היה גם בין המדענים היחידים שהיו בכושר פיזי (בגיל 34) להפליג לתצפית בליקוי החמה. במארס 1919 עזבו שתי משלחות את ליברפול לעבר סובראל (Sobral, Ceará) בברזיל (בראשות דייסון), ואל האי פרינסיפה (Príncipe) ממערב לאפריקה (אדינגטון). ביום הליקוי היו סערות מעל שניהם. השמים התבהרו שעה לפני הליקוי באי האפריקאי. הצוות צילם 16 לוחות צילום, רובם נכשלו בגלל העננים. רק לוח אחד הכיל צילום באיכות סבירה. הוא פותח מספר ימים אחרי הליקוי, ונתן תוצאה של 1.61 ±0.3 שניות-קשת. התחזית של איינשטיין הייתה 1.74, ושל ניוטון 0.87. אדינגטון הבריק באופטימיות זהירה: "מבעד לעננים, בתקווה. אדינגטון." הצוות בברזיל נהנה מתנאי ראות אידיאליים אחרי הגשם, אבל יכול היה לפתח את הצילומים רק בבית באנגליה. התוצאה שלו הייתה 1.98, שעדיין מכניסה את איינשטיין לתחום הטעות.

כשביקרה תלמידתו אילזה רוזנטל-שניידר , הראה לה מברק של אדינגטון, כאילו באדישות; כששאלה מדוע אינו נרגש, ומה היה אם התצפית הייתה נכשלת, ענה: ”אז הייתי מרחם על האל הטוב - התאוריה נכונה.”

ב-6 בנובמבר 1919 הציג אדינגטון את תוצאות המדידות בפגישה כפולה של החברה האסטרונומית המלכותית, ושל החברה המלכותית, כשברקע תלויה תמונתו של ניוטון על הקיר. הפגישה הדרמטית תוארה ע"י המתמטיקאי אלפרד נורת' וייטהד, והסטודנטית ססיליה פיין-גפושקין. למחרת כתב הטיימס של לונדון: "מהפכה במדע – תיאוריה חדשה של היקום – רעיונות ניוטוניים נוצחו." כעבור מספר ימים כתב הניו יורק טיימס: “Lights All Askew In The Heavens / Einstein Theory Triumphs” איינשטיין הפך לידוען. ב-1921 ערך מסע הרצאות בארה"ב. עיתונאי תיאר הרצאה שנתן במוזיאון הטבע בניו-יורק: "קבוצה של בחורים צעירים תקפה את ארבעת הסדרנים ששמרו על הדלת שהובילה אל אולם האינדיאנים הצפון-אמריקאיים... לאחר שהסדרנים נדחפו הצידה, הגברים, הנשים והילדים שהיו באולם המטאוריטים פרצו פנימה. הפחות זריזים הופלו ונרמסו. נשים צרחו. הסדרנים חשו לעזרה. השוער טילפן למשטרה, וכעבור מספר דקות מיהרו אנשים במדים אל תוך המוסד המדעי הגדול במשימה שהייתה חדשה בתולדות המשטרה – דיכוי מהומה מדעית."

היו עדיין ספקות, ולכן שלחו עוד: הליקוי של 1922 בהובלת (William Wallace Campbell) כבר הסיר את הספק.

התיאוריה של כבידה, גם של ניוטון, ניבאו יקום בלתי יציב, שיקרוס לתוך עצמו בהשפעת הכבידה. כדי למנוע זאת, ניוטון הציע התערבות אלוהית. איינשטיין השפינוזיסט היה חייב למצוא פתרון אחר כדי לשמור על יקום סטטי – הקבוע הקוסמולוגי, שנכנס למשוואות באופן מלאכותי, אמפירי, כדי ליצור כוח דחייה מנוגד למשיכת הכבידה. הוא עצמו הודה שזה פתרון "מכוער," והתייחס אליו כ"השגיאה הקשה של חייו" (“Biggest Blunder of my life”) בעקבות שיפור במדידות ב-1998, חוזר לתיאוריות החדשות גורם דומה ל"קבוע הקוסמולוגי" (כדי להסביר את האנרגיה אפלה).

הכבידה

• אייזיק ניוטון

אביו מת 3 חדשים לפני שאייזיק נולד, ואביו החורג סירב לקבלו. גדל להיות אדם ממורמר ואכזר. כשהתמנה למפקח על המטבעה המלכותית, שלח זייפנים לתליה, וציווה לבתר את גופותיהם. המציא שיטה להקשות על זיופי מטבעות, ע"י הטבעת חריצים בשוליהם. ב-1997 הונפק לכבודו מטבע בן 2 פאונד ועליו כתובת: "עומד על כתפי ענקים," ציטוט ממכתב ששלח לרוברט הוק (Hooke); לכאורה – ביטוי של ענווה, ולמעשה לעג מוסווה להוק (שסבל מעקמת בגב והיה קצר קומה), ולחוסר הערכתו לכישוריו המדעיים. הוק טען שניוטון גנב ממנו את משוואות הכבידה. ויכוח אחר ביניהם היה בנושא טבע האור: הוק טען שהוא גל, וניוטון הגה את רעיון חלקיקי האור. ניוטון גם הגה את רעיון האתר (? אייזק ניוטון#אופטיקה), כתווך בו עובר האור. תגליותיו הגדולות בחשבון האינפיניטסימלי, באופטיקה ובתורת הכבידה שלו אירעו במהלך שנה וחצי בין 1665 ל-1666. אולי שלא במקרה, בזמן זה נסגרה אוניברסיטת קיימבריג' בה למד בגלל מגפת דבר, וניוטון שהה בבית אמו בלינקונשייר, ושם למד לבד. שנת 1966 כונתה בתחילה שנת הפלאות. ניוטון ולייבניץ פיתחו את החשבון האינפיניטסימלי בנפרד. בשנים שאחר כך ניטש ויכוח מר שנמשך עשרות שנים, למי זכות הראשונים. הויכוח האט את המחקר למשך כמאה שנה. רק כעבור כ-200 שנה יושב הויכוח, והקרדיט ניתן לשניהם. סבורים שניוטון היה הראשון, אך לייבניץ פירסם ראשון וביתר פירוט. כיום המשפט היסודי של החשבון נקרא "משפט ניוטון-לייבניץ." יוהאן ברנולי הציג בפני ניוטון מספר בעיות שאיש לא הצליח לפתור, ביניהן "בעיית הבריסטוכרון." ניוטון פתר את הבעיות בתוך מספר שעות, באמצעות רעיונות שפיתח במסגרת "חשבון הוריאציות." הוא פירסם את הפתרון בעילום שם, וברנולי הנדהם אמר, שזה יכול להיות רק ניוטון, וכתב: "אני יכול לזהות את האריה לפי טביעת כף רגלו." ב-1669 התמנה לפרופסור בקתדרה למתמטיקה בקיימבריג'. היתה אז דרישה שכל בעל משרה בקיימבריג' ובאוקספורד יהיה כומר אנגליקני. ניוטון קיבל אישור מיוחד מצ'ארלס מלך אנגליה.

כתב גם כתבים דתיים, בהם פרשנויות למקרא, חישובי קץ הימים וחיפוש רמזים בתנ"ך, בהיקף גדול אף יותר מכתביו המדעיים. חלק מכתבי היד נמצאים בבית הספרים הלאומי בירושלים. ניסה לנבא אירועים קוסמיים באמצעות חישוב של מידות בית המקדש שקרא בתנ"ך. בגיל 50 לקה במחלת נפש, אולי בהשפעה של מתכות רעילות.

למרות מזגו המריר והלעג להוק, העיד על עצמו: ”I do not know what I may appear to the world, but to myself I seem to have been only like a boy playing on the sea-shore, and diverting myself in now and then finding a smoother pebble or a prettier shell than ordinary, whilst the great ocean of truth lay all undiscovered before me.”

היקום דינמי, לא סטאטי

• אלכסנדר פרידמן. מצעירותו היה מרדן בממסד. ארגן שביתות נגד ממשלת הצאר. באוניברסיטת סנט פטרסבורג זכה לחסות של פרופסור ולדימיר סטקלוב, גם הוא אנטי-צאריסט. במלחמה העולמית גם הוא התנדב למשימות הפצצה, והשתמש בכישורי המתמטיקה כדי לשפר את תוצאות ההטלה של הפצצות.

הבידוד הפוליטי של המדע הרוסי אולי דווקא הועיל לו. הוא קיבל את תורת היחסות, וניגש לבעית היקום הבלתי יציב ללא דעות קדומות, וללא קבוע קוסמולוגי. פיתח מודל מתמטי ומופשט, עם ערכים שונים לקבוע הקוסמולוגי. הראה, שהמודל תקף, לפחות מתמטית, גם כשערך הקבוע הוא 0. המסקנה: היקום דינמי ולא סטטי; ויש 3 אפשרויות: הוא מתפשט בלי סוף, כתוצאה ממאסה קטנה מדי; הוא יתפשט בקצב איטי יותר ויותר, כתוצאה ממאסה בדיוק בערך הקריטי; או שהתפשטותו תיעצר ושוב יתכווץ כתוצאה ממאסה גדולה. אינשטיין כפר בהתאמה הפיזיקאלית של המודל למציאות, אבל גם טען שהחישובים המתמטיים שגויים. אבל החישובים היו נכונים, ולכן הוא נאלץ לפרסם מכתב התנצלות, למרות שעדיין כפר במשמעות הפיזיקאלית שלהם. במכתב המקורי, איינשטיין ציין את הסתייגותו, אבל בגרסה הסופית ההסתייגות נמחקה, כנראה כדי לא לפגוע ברוח ההתנצלותית של המכתב. פרידמן נפטר ממחלה בטרם נולד בנו הראשון, וגם לפני שאדווין האבל הראה, שהוא צדק. רעיונותיו פורסמו, אבל לא עשו רושם, והוא לא קיבל כל עליהם הכרה בחייו. הם הומצאו מחדש, ללא קשר אליו, ע"י ז'ורז' למטר.

היקום דינמי

• ז'ורז' למטר, פיסיקאי תיאורטי וכומר קתולי (ובישופ של כבוד מטעם האפיפיור) מבלגיה. למרות שהאמין בבריאה, ותרם לתיאוריה את הרעיון של היווצרות היקום מנקודה סינגולרית – הוא עשה הפרדה מוחלטת בין שני התחומים.

הצטיין במלחמה נגד הגרמנים. הוסמך לכמורה, ואחר כך למד בקיימברידג' אצל אדינגטון. למד לתואר שלישי ב-MIT. חזר לאוניברסיטה הקתולית של ליובן בבלגיה. פיתח בנפרד את המודל של היקום המתפשט שפיתח כבר פרידמן; המודל היה מטריקה שהיוותה פתרון למשוואות תורת היחסות הכללית, ושהתיישב עם תצפיות היקום המתפשט. אבל למטר המשיך מעבר לכך והגה את הרעיון שהכל החל מנקודה אחת, אותה כינה "האטום הראשוני." השתמש בתצפיות חדשות על קרניים קוסמיות ועל התפרקות רדיואקטיבית, כדי לשלב אותן ברעיון שלו. התיאוריה שלו דיברה על נקודה בזמן שבה נוצר היקום, בלשונו: "יום בלי אתמול." פרסם את התיאוריה ב-1927, וזכה להתעלמות. באותה שנה הופיע בכנס סולווה#הכנס החמישי (1927) שם הסביר את רעיונותיו לאיינשטיין. זה אמר לו לראשונה, שפרידמן כבר פיתח מודל כזה, וש"החישובים שלך נכונים, אבל הפיזיקה שלך דוחה!". איינשטיין היה הסמכות האולטימטיבית, ודחייה שלו הייתה דחייה של כל הממסד המדעי. איינשטיין, שבעבר פיתח רעיונות מהפכניים בגלל שהיה מרדן בסמכות, קיבל עכשיו הזדמנות שניה לבחון את רעיון היקום המתפשט, ובפעם השניה דחה אותה. לימים הבין את האירוניה: "כדי להעניש אותי על הזלזול שלי בסמכות, הגורל הפך אותי בעצמי לסמכות."

המרחק אל הכוכבים

• ויליאם הרשל נולד לאב יהודי, ייתכן שגם אמו הייתה יהודיה. מוזיקאי מצליח ופורה; חיבר 24 סימפוניות. גילה, בין היתר, את הפלנטה אוראנוס. גילה גם את קרינת האינפרא-אדום. טבע את המונח אסטרואיד (מיוונית: "צורת-כוכב"). הראשון שמדד באופן גס את המרחקים לכוכבים, ואת מימדיה של גלקסית שביל החלב (Via Lactea). הוא הגדיר את המרחק לכוכב הבהיר ביותר בשמים, סיריוס, כ"סיריומטר" אחד; בהנחה שכל הכוכבים בהירים באותה מידה (= קירוב גס), ובידיעה שבהירות נראית יורדת עם המרחק בריבוע – העריך את המרחקים לכוכבים ע"י השורש של הבהירות הנראית שלהם. כך קבע את מימדי הגלקסיה: הוא הניח שצורתה כדיסקה, והעריך שקוטרה 1,000 סיריומטר, ועוביה 100. באשר לעובי, הוא טעה רק ב-14%.

• פרידריך בסל פיתח את "משוואות בסל," שהומצאו ע"י ברנולי, לצורה כללית. הראשון שמדד את המרחק לכוכב אחר מאשר השמש – 61 בברבור (Cygni 61), באמצעות הפרלאקסה, כלומר השינויים בזווית בה נראה הכוכב, משני קצוות של מסלול הארץ סביב השמש. ביצע שתי מדידות בהפרש של חצי שנה; באמצעות ידיעת הקוטר של מסלול הארץ, וע"י חישוב טריגונומטרי, העריך את המרחק לכוכב ב-1014 ק"מ, טעות של –7.4%. זכה לתגובות נלהבות – האסטרונום אלברס אמר: "המדידה מציבה את הרעיונות שלנו על היקום בפעם הראשונה על בסיס מוצק." גם ג'ון הרשל, בנו של ויליאם ובעצמו אסטרונום מכובד, אמר: "זה הניצחון הגדול ביותר והמפואר ביותר של האסטרונומיה המעשית."

• ויליאם פרסונס, "הרוזן ה-3 מ-רוס" . השקיע כמליון פאונד מכספו כדי לבנות את הטלסקופ הגדול בעולם עד אז, באורך של 16.5 מ', ומפתח של 1.8 מ'. ב-1845 פרצה מגיפת השידפון של תפוחי האדמה באירלנד, שהביאה למוות של כמעט מיליון אירים ברעב, ולהגירה של מיליון אחרים. הוא עצר את המדידות, ומימן מכספו עזרה לחקלאים. גם סירב לקבל דמי חכירה על אדמותיו.

גילה שה"ערפיליות" המסתוריות עד אז, היו למעשה גלאקסיות מרוחקות, לרובן צורת ספיראלה. אבל עדיין לא הייתה בכך הוכחה, כי היה צורך למדוד את המרחק.

• ג'ורג' הייל , בן למשפחה עשירה משיקאגו בנה טלסקופים גדולים יותר ויותר, הגדול בהם בן 100 אינץ' (2.5 מ'), על הר וילסון . הם איפשרו לראות יותר ויותר ערפיליות.

הצליח לגייס חצי מיליון דולר מצ'ארלס ירקס , טייקון תחבורה ונוכל מורשע לשעבר, שהייל שיכנעו לקבל כך הכרה בחברה המהוגנת. הוא שיכנע אותו שבכך יביס את אייל הנדל"ן ג'יימס ליק (Lick), שבנה את מצפה הכוכבים ליק בהר המילטון. כך נבנה המצפה "ירקס" באוניברסיטת שיקאגו, ליד העיירה ויליאמס ביי, שהוארה עדיין בנרות ובמנורות נפט, וכך לא הפריעה לצפיה.

"הויכוח הגדול," The Great Debate

כך נולד הוויכוח הגדול – האם הגלקסיה שלנו היא היחידה ביקום, או שה"ערפיליות" הן גלקסיות אחרות, מרוחקות. האקדמיה הלאומית למדעים בארה"ב ארגנה ויכוח פומבי, ב-1920, באולם מוזיאון הסמית'סוניאן בוושינגטון. נציגי שני המחנות היו: היבר קרטיס , ממצפה הכוכבים ליק בהר המילטון, קליפורניה, אסטרונום ותיק ומוערך; ו-הארלו שייפלי , בן לאיכר עני ממיזורי, צעיר מהמצפה בהר ווילסון. הוא הגיע לאסטרונומיה לאחר שקורס בעיתונות בקולג' שלו בוטל, והוא בחר קורס לפי ה-א' ב': "ארכיאולוגיה" היה בשבילו קשה להגיה, ולכן בחר "אסטרונומיה". שייפלי ייצג את הדעה שהערפיליות הן חלק משביל-החלב. הוא טען שאילו היו גלקסיות חיצוניות, הן היו צריכות להיראות בכל כיוון בשמיים. קרטיס טען שהערפיליות הן גלקסיות רחוקות; וש"איזור ההימנעות" שבו לא נצפו גלקסיות היה פשוט בתוך שביל-החלב, שהסתיר את הגלקסיות שמאחוריו. הם נפגשו ברכבת בדרך לאירוע, ונזהרו לא להתווכח כל הדרך מקליפורניה לוושינגטון. שייפלי הסתמך בין היתר על מדידה שביצע ואן מאאנן , שטען שמדד סיבוב של ערפילית אנדרומדה על צירה; אילו זה היה נכון, ובהנחה שהיא גלקסיה מרוחקת, הרי שנובע שחלקים ממנה נעו במהירות גדולה ממהירות האור. בנוסף, היתה בעיית הנובה של 1885 באנדרומדה; אילו הייתה זו גלקסיה מרוחקת, כי אז הנובה הייתה צריכה להיות בעלת בהירות מוחלטת במידה עצומה.

• ג'ון גודריק , חירש-אילם מבריק, בריטי ממוצא הולנדי, היה מסוגל להבחין בשינויי בהירות קלים של כוכבים, תוך התחשבות בתנאי מזג האויר ובשינויים באור הירח. שם לב שהכוכב אלגול (Algol, Beta Persei), משנה את בהירות באופן מחזורי, כל 68 שעות ו-50 דקות. הוא גילה שזהו "כוכב בינארי" – מערכת של 2 כוכבים. גודריק ושכנו (וקרוב-רחוק שלו), נתניאל (לא, הבן שלו אדוארד) פיגוט (Pigott), גילו גם שהכוכבים Eta Aquilae ו-Delta Cephei מנצנצים בתדירות קבועה. יכולתו למדוד בהירות בעין הביאה אותו לשרטט גרף של בהירות על ציר הזמן, גרף שנראה כמו שן-משור, כלומר – מחזורי! הוא גילה מה שהיום ידוע כ"כוכב קפאידי משתנה," גילוי שהביא לו את מדליית קופלי, וחברות בחברה המלכותית הבריטית, בגיל 21. גם כוכב הצפון הוא קפאידי משתנה, אבל שינויי הבהירות שלו קשים להבחנה.

• ג'ון הרשל, בנו של ויליאם הרשל. בין הראשונים שעשו שימוש בטכנולוגית הצילום על לוחות מתכת, מה שאיפשר להשוות באופן אובייקטיבי בין בהירויות של כוכבים, למדוד במדויק את מיקומם, וגם להבחין בכוכבים בלתי נראים אפילו בטלסקופ, ע"י חשיפה ארוכה.

הורחק מבית הספר היוקרתי "איטון" – אולי בגלל סבו היהודי – וסיים את לימודיו לבד. היה חבר של באבאג' (לוקאס פרופ') ופיקוק – לימים מתמטיקאים נודעים. היה גם מתמטיקאי, כימאי, בוטניקאי וחוקר ספרות. פגש את דארוין באמצע מסעו על ה"ביגל", והשפיע על הלידה של תיאורית האבולציה, ועל כך קיבל קרדיט בספר "מוצא המינים."

• אדוארד צ'ארלס פיקרינג, מנהל מצפה הכוכבים בהארוורד, יזם פרויקט ענק של צילום כל שמי הלילה, ומיון כל הכוכבים הנראים. האנשים ששכר כדי לקטלג חיפפו; הוא התעצבן עליהם ואמר, שהמשרתת הסקוטית שלו יכולה לעשות עבודה טובה יותר. כדי להוכיח זאת (לפי האגדה; למעשה, כנראה כדי לחסוך כסף ולהספיק יותר) - פיטר את כל הגברים ושכר רק נשים, ובאמת הפקיד עליהם את המשרתת שלו, וילמינה פלמינג.

מורה מסקוטלנד שהיגרה לאמריקה. כשהיתה בהריון, נטש אותה בעלה, והיא נאלצה לעבוד במשק בית אצל פיקרינג. כך הגיעה לתפקיד מנהלת צוות המקטלגות, וניהלה את מערכת צילומי השמיים הגדולה בעולם. הצוות כונה מחשבות הרווארד, ובלעג "ההרמון של פיקרינג" (Pickering's Harem). בנוסף לשכר (30 סנט לשעה, לעומת 50), הן היו דייקניות יותר. אנני ג'אמפ קאנון. אחת מהצוות, קיטלגה 5,000 כוכבים בחודש במשך 4 שנים; יצרה שיטה לסיווג ל-7 מחלקות, הקיימת עד היום: O, B, A, F, G, K, M, K, שניתנת לזכירה ע"י המשפט: Oh, Be A Fine Guy, Kiss Me.. הייתה האשה הראשונה שקיבלה תואר ד"ר לשם כבוד באוקספורד, והראשונה לזכות במדליית דרייפר מהאקדמיה האמריקאית למדעים (1931). בילדותה חלתה בסקרלטינה (שנית), שגרמה לה לחירשות כמעט מלאה.

• הנרייטה ליוויט. גם חרשת כתוצאה ממחלה. בזכות סבלנותה ללימוד כוכבים משתנים, גילתה יותר מ-2,400 מהם, כמחצית מכל הידועים אז. לכאורה לא הייתה דרך לדעת את הבהירות המוחלטת לפי הבהירות הנראית. אבל היא זיהתה 25 קפאידים משתנים רק ב"ענן מגלן הקטן," הניחה שבגלל המרחק הגדול לשם – כולם בערך באותו מרחק מאיתנו, וניגשה לשרטט את זמן המחזור של כל קפאיד כנגד בהירותו הנראית, המינימאלית והמקסימאלית (בהתאם למקום במחזור).טקסט נטוי על סקאלה לוגריתמית, היחס היה ישר. ליוויט הגדירה קשר מתמטי בין הבהירות המוחלטת (luminosity) לבין זמן המחזור. מעתה ניתן יהיה למדוד את המרחק אל כל קפאיד בשמים, לפי זמן המחזור שלו, ובהירותו הנראית (היורדת עם ריבוע המרחק); יש רק צורך למדוד מרחק לקפאיד אחד בלבד, ולהשוות אותו לכל השאר לפי נוסחת ליוויט. את המדידה האחת ביצעו שייפלי והרצשפרונג (Hertzsprung), בשילוב של פרלאקסה וטכניקות אחרות.

בעקבות עבודתם, קפאידים הם במעמד של נר תקני, Extragalactic Distance Scale או: Cosmic Distance Ladder, והמרחק אליהם מחושב ע"י: $5\cdot \log _{10}D=m_{app}-M-5,$; D הוא המרחק בקילו-פארסק, m_app הוא הבהירות הנראית (magnitude), ו-M היא הבהירות מוחלטת.

בגלאקסיות רחוקות מאד, שם לא ניתן להבחין בכוכבים רגילים, משמשות סופרנובה מסוג Ia כנרות תקניים. האסטרונום מארק פיליפס גילה זאת בשנת 1993.

"הויכוח הגדול," ההתפשטות

• אדווין ה-אהבל. ילד מבריק שקיבל טלסקופ מסבו, נאלץ ללמוד משפטים בלחץ אביו, שהצליח לפרנס משפחה בזכות עבודה יציבה כסוכן ביטוח. זכה במילגה לאוניברסיטת שיקאגו בה למד משפטים וקורסים בפיסיקה במקביל. למד שם אצל מייכלסון ומיליקן, שהמליץ עליו למלגת רודס היוקרתית, שסידרה לו לימודים באוקספורד. שם הפך לאנגלופיל, סיגל מבטא בריטי, מעיל טוויד ומקטרת. היה גם מתאגרף, וקצין תותחנים? (קירשנר).

קנה לו שם של צופה קפדן בטלסקופ, והוזמן למצפה בהר וילסון, ע"י מייסדו ג'ורג' הייל, שם התעמת עם האסכולה של שביל החלב ב"ויכוח הגדול," בראשות שייפלי. לבסוף עזב שייפלי כדי לנהל את המצפה בהארוורד, צעד שנחשב לקידום באותו זמן – אבל התגלה כטעות, כי בהר וילסון תתבצענה התצפיות החשובות ביותר ב-40 השנים הבאות. בכל פעם שהגיעה זמן משמרתו, היה עולה ל"מנזר" לכמה ימים. ב-4 באוקטובר 1923, בצילום של אזור "ערפילית" אנדרומדה, הבחין בכתם חדש, ולמחרת בעוד שניים. מהשוואה לצילומים קודמים התברר, שהשניים היו נובות, כלומר התפרצות של כוכב כפול. אבל השני התברר כקפאידי; הוא סימן אותו ב”VAR!”. מדידת המרחק אליו נתנה תוצאה לא צפויה – 900,000 שנות אור, פי 9 בערך מקוטר הגלאקסיה. תוצאה זו יישבה את ה"ויכוח הגדול." אנדרומדה היא בעצם גלאקסיה, שרבות כמותה עוד תתגלינה. המושג "ערפילית" נשאר כדי לציין ענני גז. בגלל המהפכנות של התוצאה, ובגלל שהיה מוקף במדענים מאסכולת הגלאקסיה היחידה, האבל המתין עוד מספר חדשים. במהלכם גילה עוד קפאיד, שמדידת המרחק אליו אישרה את התוצאה. בהמשך התגלה שרוב הגלקסיות רחוקות בהרבה מאשר אנדרומדה. החריגות היחידות הן גלקסיות קטנות כמו "ענני מגלן" הקטנים (שחקרה ליוויט). היום ידוע שזו גלקסית לויין קטנה של שביל החלב. היום גם ידוע, שבעיית הנובה של 1885 באנדרומדה מוסברת בכך שזו הייתה סופרנובה – אירוע שמאפיל על מליארדי כוכבים. ב-1952 חזר ואלטר באדה על מדידת המרחק לאנדרומדה, וגילה שהוא אפילו כפול ממה שמדד האבל. למרות שהממצא תמך בתיאורית היקום המתפשט, האבל ראה בכך פגיעה במוניטין שלו כמודד מיומן.

האבל הפך לידוען, ובילה במסיבות רבות בהוליווד, הקרובה להר וילסון, שם היה הטלסקופ הענק בן 100 האינץ'. הוא קיבל פרסים וכיבודים, וכולם חשבו שהוא כבר תרם את התרומה של פעם בחיים למדע. אך כעבור זמן קצר גילה תגלית עצומה עוד יותר: כל הגלקסיות מתרחקות זו מזו – כלומר, היקום אינו סטטי. נסללה הדרך לתיאורית המפץ הגדול.

האבל, שרצה כל חייו לקבל את פרס נובל, נלחם כדי להעניק פרסי נובל לפיסיקה גם לאסטרונומים (אסטרונומיה לא נחשבה חלק של הפיסיקה בעיני וועדת הפרס). מאבקו הצליח, והוא בעצמו נבחר לקבל את הפרס, אבל הוא נפטר משבץ במוח ולא הספיק. חברי ועדת הפרס, פרמי ו-צ'אנדרה, בצעד חריג, סיפרו על כך לאלמנתו.

טלסקופ החלל האבל

ספקטרוסקופיה – מד המהירות (וגם הכלי לניתוח כימי) של הגלקסיות; אוגוסט קונט (Comte) קבע ב-1842: "לעולם לא נוכל לדעת את המבנה הכימי של הכוכבים." שנתיים בלבד אחרי מותו, ב-1859, נמצאה שיטה לגילוי סוגי החומר שבכוכבים מרוחקים. הפיזיקאי הסקוטי תומאס מלוויל (Melvill) גילה שבקרבה של להבת אש, חומרים שונים בוהקים בצבעים שונים. למשל, גרגרי מלח בוערים בכתום, וכך גם פנסי רחוב שפועלים על נתרן – אותו יסוד שקיים במלח. זיקוקים שמכילים באריום פולטים אור ירוק, וכאלה שמכילים סטרונציום פולטים אור אדום. גוסטב קירכהוף (Kirchhoff) ואחרים בנו ב-1859 ספקטרוסקופ, ובעזרתו ניתחו את הספקטרום של אור השמש. בגלל אפקט בליעה, חסרים אורכי גל מסויימים, וכך הם גילו שיש באטמוספירה של השמש נתרן. קירכהוף המשיך לחפש בשמש מתכות כבדות יותר, כמו זהב. מנהל הבנק שלו שאל: "איזה שימוש יהיה לזהב בשמש אם אי אפשר להביא אותו לארץ?" כעבור שנים זכה קירכהוף במדלית זהב על מחקר שלו. הוא הביא את המדליה למנהל ואמר: "הנה זהב מהשמש." ב-1868 גילו האנגלי נורמן לוקייר וז'יל פייר ז'נסן יסוד שלא התגלה עדיין על הארץ. בגלל אל השמש הליוס נקרא היסוד החדש הליום. כעבור 25 שנה התגלה גם על הארץ, ולוקייר זכה בתואר אבירות. הזוג מרגרט וויליאם האגינס הצליחו להשתמש בספקטרוסקופיה כדי למדוד מהירות של כוכבים. עד אז מדדו רק תנועה צידית, וגם זה היה קשה מאד, כי זה עבד רק על כוכבים קרובים. מדידה של תנועה רדיאלית ביחס לכדור הארץ אפשרית רק באמצעות אפקט דופלר. צ'יזבאט של פיזיקאים מספר שאסטרונום שנתפס ע"י שוטר עובר צומת באור אדום, טען באזני השוטר שהוא חשב שהאור ברמזור היה ירוק, בגלל ההסחה לכחול שנגרמה בגלל התקרבותו לצומת. השוטר התנצל, מחק את סעיף אי-הציות לרמזור אדום, ובמקומו רשם דו"ח על מהירות מופרזת, עם קנס גדול פי 10, בגלל שכדי לגרום להסחה לכחול מהירותו הייתה אמורה להיות כ-200 מיליון קמ"ש.

• וסטו סלייפר , דיפלומט שהפך לאסטרונום, מדד מהירויות של עשרות גלקסיות, כולל אנדרומדה. בניגוד למה שציפו אז, כמעט כולן היו מוסחות לאדום, כלומר – מתרחקות מאיתנו וגם זו מזו. אמנם התגלה שאנדרומדה מתקרבת (ולכן אורה מוסח לכחול), אבל במהירות כזו שלא ייתכן שהיא "ערפילית גז" בתוך שביל החלב.

האבל החליט למדוד במדוייק מהירויות של גלקסיות. הוא נעזר בצלם מילטון הומאסון (Milton Humason), נער שליח במלון שהפך לנהג הפרדות של המצפה, אח"כ לאיש תחזוקה, לתלמיד במתמטיקה ולעוזר צלם, עד שהפך לצלם האסטרונומי הטוב בעולם. האבל העלה רעיון לבדוק את הקשר בין מהירות הגלקסיות למרחקן. ב-1929 הוא העלה את הנתונים של 20 גלקסיות על גרף של מהירות כנגד מרחק. הקורלציה הייתה ניכרת, אבל חלשה. האבל פרסם את הגרף במאמר צנוע בשם "יחס בין מרחק לבין מהירות רדיאלית בערפיליות אקסטרה-גלקטיות." האבל לא התעסק בשאלת המסקנות וההשלכות של התוצאה, אם היא נכונה, את זה השאיר לאחרים. אם המדידות נכונות, הפירוש היה מהפכה עצומה: היקום אינו סטטי, אלא מתפשט, ומתנהג כאילו הייתה לו התחלה בנקודה אחת. מדענים פקפקו בתוצאות, ולכן המשיך האבל למדוד באופן יותר מדויק. ב-1931 פרסם מאמר נוסף, עם גרף חדש. הפעם הקורלציה הייתה גדולה. תיאורית "המפץ הגדול" הייתה מוכנה להיוולד.

פרדימן ולמטר, בנפרד, כבר הציעו, כתיאורטיקנים, את מודל המפץ, אבל נדחו מפני הקונספציה הישנה. מכתבו של למטר לאדינגטון לא זכה לתשובה. אחרי שפורסמו תוצאות המדידות של האבל, כתב לו למטר שוב. הפעם הודה אדינגטון שהוא צדק כבר ב-1927. כדי לתקן את מה שקלקל, כתב לכתב העת Nature, ושיבח את עבודתו של למטר. הוא גם תירגם את מאמרו לאנגלית ופרסם אותו בעצמו. ב-1931, בהיותו בשבתון ב-Caltech, ביקר איינשטיין בהר וילסון כאורחו של האבל. הומאסון הראה לו את תצלומיו ואת הספקטרה של הגלקסיות. איינשטיין הודה שתיאורית היקום הסטטי שלו הייתה שגויה. ה"קבוע הקוסמולוגי" שהמציא, כדי לאזן את כוח המשיכה של הגלקסיות כך שלא תקרוסנה זו אל זו, הפך למיותר. איינשטיין חזר למשוואות תורת היחסות הכללית המקוריות. "הטעות הגדולה ביותר של חיי" הוא יכנה אותו. במכתב ללמטר כתב: "מאז שהנהגתי את המונח הזה היה לי תמיד מצפון לא נקי... אני לא יכול להאמין שדבר מכוער כזה יתקיים בטבע." בסוף המאה ה-20 הוחזר הקבוע הקוסמולוגי לתיאוריה, כדי להסביר את התצפיות החדשות, שלפיהן התפשטות היקום דווקא מואצת. ב-1932 הציג איינשטיין, יחד עם וילם דה-סיטר (Willem de Sitter) מודל של יקום מתפשט, ללא קבוע קוסמולוגי (?), ושטוח (איאוקלידי, לא עקום). במאמר שכתבו ניבאו את קיומו של חומר בלתי נראה – החומר האפל? עדיין, מדענים רבים ראו בתיאוריה הזאת נסיון של למטר, הכומר הקתולי הבלגי, לתת הצדקה פסבדו-מדעית לרעיון הבריאה. הגורם העיקרי שהפריע לאימוץ התיאוריה היה הערכת גילו של היקום. על פי החישובים שנבעו מהתצפיות של האבל, הוא הוערך ב-2 מיליארד שנה. אבל כמה מסלעי כדור הארץ היו בני 3.4 מיליארד שנים לפחות, לפי בדיקת יסודות רדיאקטיביים.

תיאוריות חלופיות הוצעו, כדי להסביר את ההסחה לאדום. פריץ צוויקי, בולגרי מעצבן וצייקן, טען שבדרך אלינו, האור מתעייף והצינור מתכופף. הוא חשב שהאור מאבד אנרגיה בהשפעת הכבידה, ולכן תדירותו יורדת (כי מהירותו חייבת להישמר). קראו לזה "תיאורית האור העייף." אגב, למרות מעצבנותו, היה גם מדען רציני בעל רעיונות יצירתיים; כבר בשנות ה-30 הוא העלה את בעיית המסה החסרה ביקום (שטרם נפתרה), והגה פתרון: החומר אפל, שהיום (2012) שוב בתוקף.

בעיית היווצרות היסודות

בעיה אחרת הייתה השכיחות היחסית של יסודות בטבע. מימן הוא היסוד השכיח ביותר, פי 10 מהיסוד השני הכי שכיח, שהוא הליום, השכיח יותר מפי 100 מאשר כל האחרים. היה צורך להסביר מדוע, אם היה מפץ גדול, נוצרו היסודות ביחסים כאלה.

הפתרון לבעיית היחסים הגיע מכוון מבנה האטום. ג'יי-ג'יי תומסון (J.J. Thomson) מקיימברידג', שגילה את האלקטרון, הציע את מודל "עוגת הצימוקים" למבנה האטום, שבו אלקטרונים מפוזרים באטום באופן אחיד בתוך "בצק" של מטען חיובי. ארנסט רת'רפורד (Rutherford) ביצע ניסוי בו הפציץ רדיד זהב בחלקיקי אלפא (המכילים זוגות של פרוטונים), אותה הוא גילה, שנוצרו בחתיכת רדיום רדיואקטיבית. בהיעדר גלאי קרינה, הגלאי היה מסך מאבץ גופרי. (אחד הסטודנטים שביצעו את הניסוי, האנס גייגר (Geiger) ימציא לימים את מונה הקרינה שייקרא על שמו). כדי לזהות את נצנוצי הפגיעה, הסטודנטים היו צריכים להמתין 30 דקות עד שעיניהם התרגלו לחושך. פעם אחת, רת'רפורד החליט, סתם בשביל הקטע, להעביר את הגלאי לצד השני, הצד של המקור. להפתעתו, התגלו חלקיקים שנרתעו לאחור. הוא סיפר: "זה היה האירוע הכי מדהים שקרה לי בחיי. זה היה מדהים כמעט כמו אם היית יורה כדור של 15 אינץ' בפיסת נייר טישו, והוא היה חוזר ופוגע בך." הניסוי הזה הוליד את המודל הפלנטרי של האטום, שבו כל המטען החיובי מרוכז בגרעין קטנטן. רת'רפורד היה הראשון שהביא לביקוע של אטום, בכך שהפציץ אטומי חנקן (מ.א. 7) בחלקיקי אלפא, והפך אותם לאטומי חמצן (8), והגשים את חלום האלכימאים. 11 מתלמידיו של רת'רפורד זכו בפרסי נובל. רת'רפורד חשד, שישנו חלקיק נוסף, חסר מטען. ג'יימס צ'דוויק, תלמיד של רת'רפורד, נלהב למצוא את החלקיק. בזמן מלחמת העולם ה-1 היה שבוי בגרמניה, והמשיך במחקר בעזרת משחת שיניים ששנורר מהשומרים, שהכילה תוריום רדיואקטיבי. ב-1932 גילה את הנייטרון.

• פריץ הוטרמנס , פיזיקאי אמיץ ובעל עקרונות, חישב את התנאים ליצירת תגובת היתוך גרעיני. התגובה צריכה לקרות כאשר פרוטונים מתקרבים מספיק, עד שהכוח הגרעיני החזק מתגבר על כוח הדחייה החשמלית ביניהם. הוטרמנס חישב שזה יקרה במרחק של 10-15 מטר. הוא כתב מאמר על ההיתוך המתרחש בכוכבים. בלילה שאחרי הפרסום, התפאר באזני נערה שאיתה יצא, שהתפעלה מזוהר הכוכבים: "מאז אתמול, אני יודע מדוע הם זוהרים." לימים נשא אותה לאישה. הוא חיכה עד שצ'אדוויק גילה את הניוטרון, ואז היה מוכן להשלים את התיאוריה שלו. אבל אז, ב-1933, הוטרמנס שהיה קומוניסט נאלץ לברוח מגרמניה לבריטניה. האוכל האנגלי הבריח אותו שוב ב-1934 לברית המועצות. באוקראינה המשיך את מחקרו, עד שנעצר במסגרת הטיהורים של סטאלין. ה-NKVD חקרו ועינו אותו, עד ששוחרר ב-1940 במסגרת ההסכם הנאצי-סובייטי. אז נעצר ע"י הגסטאפו, המשטרה החשאית הנאצית. בעקבות זאת יכול היה להשוות בין שיטות העינויים של שני הארגונים. "ה-NKVD היו יותר רציניים. כשנחקרתי בידי הגסטאפו, החוקר החזיק את התיק שלי פתוח לפניו. אבל אני יודע לקרוא במהופך. ה-NKVD לעולם לא היה עושה שגיאה כזאת."

אלפר, בתה, גאמוב

• האנס בתה הציע שתי אפשרויות להיווצרות של הליום ממימן. פוטר מאוניברסיטה בגרמניה בגלל שאימו היתה יהודיה, למרות שגודל כנוצרי. ברח לבריטניה ואח"כ לארה"ב. לבסוף נעשה לראש הקבוצה התיאורטית בפרוייקט מנהטן, שם פיתח את המודל התיאורטי של קריסת הפלוטוניום, וכן את חישובי המסה קריטית. אח"כ הצטרף לאיינשטיין בדרישה להימנע משימוש נוסף בפצצה. הציע ב-1939 שתי דרכים אפשריות להיווצרות הליום בכוכב מאסיבי: proton-proton chain, ו-CNO cycle. בשנות ה-40 התברר ששני התהליכים אכן מתקיימים בשמש. ב-1967 זכה על כך בפרס נובל. אחד הבודדים שפרסם מאמר מרכזי בכל אחד מ-6 העשורים בהם חקר, כולל בשנותיו האחרונות.

• ג'ורג' גאמוב נולד באודסה. כילד קיבל במתנה מאביו מיקרוסקופ, וביצע ניסוי בלחם ויין שקיבל בכנסיה, כדי לגלות אם הם יכולים להפוך לבשרו ולדמו של ישו. הניסוי נכשל אבל גאמוב מעיד שאז הפך למדען. בצעירותו למד אצל פרידמן, בזמן שפיתח את התיאוריה החדשה שלו על המפץ. בהמשך התעניין בכיוונים אחרים, הגיע להשגים ושימש ככלי תעמולה בידי המשטר הקומוניסטי. הפוליטיקה של המדע בברה"מ, שהתגלמה ברעיון המטריאליזם הדיאלקטי, פגעה לדעתו במחקר, והוא החליט לברוח עם אשתו למערב. הם ניסו לחתור בקיאק מרחק של 250 ק"מ בים השחור, אך נבלמו ע"י גלים גבוהים. לבסוף הצליחו לנסוע לכנס בבלגיה (גם אשתו הייתה פיסיקאית), ומשם ערקו לארה"ב.

גאמוב בחן את התיאוריה של למטר על היווצרות היסודות. למטר טען שהיסודות נוצרו מאטום ראשוני, שהתפרק לכל היסודות הידועים. הבעיה עם התיאוריה הייתה, שהיו אמורים להיות יותר מדי יסודות ביניים, כבדים. בפועל, היחס הנצפה בין מימן, הליום, חמצן, פחמן וכל השאר הוא 10,000 : 1,000 : 6 : 3 : 2, בערך. הרעיון של גאמוב היה, שהכל התחיל מ"מרק" של אטומי מימן, שהפכו להליום ולכל שאר היסודות בתהליכי היתוך (fusion). התהליכים שתיאר בתה לא יכלו להסביר זאת, כי בקצב היצור בכוכבים, היו דרושים כ-27 מיליארד שנים להיווצרות כל ההליום הנצפה. בנוסף, לא היו ידועים תהליכים גרעיניים בכוכבים, להיווצרות יסודות כבדים יותר. גאמוב החל לנסות לפתח תהליכים אפשריים להיווצרות יסודות בעת המפץ עצמו. אז גילה, שהוא כמעט היחיד במערב שעבד על כך. הסיבה הייתה, שכל מי שהבין משהו בפיזיקה גרעינית היה בלוס-אלאמוס. ואילו גאמוב לא התקבל לפרוייקט מנהטן, כי היה פעם קצין בצבא האדום. זה לא עזר לו שהוא קיבל דרגה רק כדי ללמד מתמטיקה, ושהיה מבוקש ע"י הסובייטים בעוון עריקה. גאמוב הסתבך בחישובים קשים, כי התנאים ברגעים הראשונים של המפץ השתנו במהירות, מצפיפות אינסופית וחום עצום, להתפשטות והתקררות. לא היה לו הידע המתמטי. מחשבים לא היו. אז פגש את רלף אלפר, סטודנט צעיר ומבריק. אלפר קיבל מלגה ל-MIT, אבל איבד אותה כשהתברר שמוצאו יהודי. גאמוב זיהה את כשרונו במתמטיקה וקיבל אותו כדוקטורנט – אולי גם בגלל שאביו של אלפר בא מאודסה, עירו של גאמוב.  

• רלף אלפר התבקש לבנות מודל מתמטי להליך הנוקליאוסינתזה. הוא הגביל אותו לחלון זמן קטן מאד: מיד אחרי המפץ, לפרוטונים ולניוטרונים הייתה מהירות גבוהה מכדי להיצמד לגרעינים. כשהניוטרונים היו חופשיים ליצור תגובות גרעיניות, הם גם התפרקו לפרוטונים בסיכוי מסויים, שגרם לזמן מחצית חיים של כ-10 דקות. מכאן שכעבור כשעה בלבד, נותרו רק 2% מהניוטרונים החופשיים. בנוסף, ישנה תגובה מסובכת שיוצרת ניוטרונים, ועוד בנוסף – חתך הפעולה שלהם הוא מסדר גודל של "בארן", שהוא 10-28 מ"ר. מקור היחידה הזאת: As big as a barn-door, ויש אומרים שהמילה שימשה צופן בפרוייקט מנהטן.

השלמות, יהודה בלו: "פרוטון שהתנגש בו פרוטון אחר יכול להיהפך לנויטרון," ב"רשימות מן התיבה הלבנה"

אחרי המלחמה, הסודיות סביב הפרויקט הוגמשה, ומדענם שיחררו מעט נתונים בדיוק כשאלפר היה זקוק להם. בשעות רבות ב-"Little Vienna", באר בשדרות פנסילבניה בוושינגטון, הם ניסחו מודל מתמטי מדוייק למפץ הגדול. אלפר העריך, שצריכים להיות בערך פי 10 גרעיני מימן מאשר גרעיני הליום, הערכה שתואמת את התצפיות היום. עד אז, אסטרופיזיקאים יכלו להסביר את קיום ההליום רק ע"י תהליך ההיתוך, אבל זה היה איטי מדי מכדי להסביר את הכמויות. גאמוב שלח את העבודה לפרסום ב-Physical Review ב-1 באפריל 1948. כדי להתחכם, הוסיף את שמו של האנס בתה, חברו הקרוב, כדי שהמאמר יכונה "המאמר של אלפר, בתה, גאמוב," (מה שאכן קרה), משחק מילים על α, β, γ. אלפר לא אהב את הטריק, במיוחד מפני שהוא השקיע עבודה רבה, ומכיוון שהיה דוקטורנט זוטר חשש שלא יקבל קרדיט; ואילו בתה הידוע יותר, לא תרם דבר למאמר. כשהתגלו קשיים במודל, הודיע בתה שהוא משנה את שמו לזכריאס, כדי שלא יתאים לכותרת.

אלפר הפך את המחקר לעבודת דוקטורט. את סופה של העבודה כתב במיטתו בעת שהיה חולה בחזרת קשה, בעזרתה של אשתו, סטודנטית לפסיכולוגיה. במקום בפני וועדה מצומצמת, כנהוג בד"כ, הוא הגן על העבודה מול קהל של מאות, ששמעו על פריצת הדרך של צעיר בן 27. את העיתונות תפסה בעיקר קביעתו של אלפר, שיצירת המימן וההליום ארכה 300 שניות בלבד. כותרת הוושינגטון פוסט מ-14 באפריל 1948 הייתה: "העולם התחיל ב-5 דקות." אלפר הפך לידוען לזמן קצר, אבל רוב המדענים הניחו שתרומתו למאמר הייתה זניחה, כפי שחשש, והוא נשכח. (כמו שחושש ניר יהב!)

המאמר היווה ציון דרך, כי הראה התאמה בין התיאוריה לנתון תצפיתי שני (אחרי ?): הכמות היחסית של מימן ושל הליום. אבל – הוא לא הצליח להסביר איך נוצרו יסודות כבדים יותר. בייחוד היה "מחסום חמשת הנוקליאונים," מפני שמימן עם 2 פרוטונים ו-3 ניוטרונים מתפרק מיד. הסיכוי להיווצרות אטום עם 6 נוקליאונים, ליתיום, הוא אפסי.

אלפר החל לעבוד עם מדען אחר ממוצא יהודי, רוברט הרמן (Herman). בהמשך פיתוח התיאוריה הם הסיקו, שהיקום היה במצב של פלאזמה עד זמן של כ-300 אלף שנה. אז היקום התפשט מספיק, כך שהפוטונים הפסיקו להיות באינטראקציה עם החלקיקים, והאור היה חופשי לנוע בחלל. הם ניבאו, שהפוטונים החופשיים צריכים להופיע כקרינה אחידה בכל הכיוונים (בגלל התפשטות היקום), ובטמפרטורה נמוכה (בגלל הזמן שעבר), של כ-3 (5?) מעלות קלווין. בניגוד לחיזוי של כמות המימן וההליום, שיכול היה להיות "תפור" לתוצאה ידועה – היחסים הנוכחיים בין שני היסודות – זאת הייתה תחזית אמיתית, כי הקרינה עדיין לא התגלתה. הם קיוו שמישהו יגלה קרינת הרקע הקוסמית של גלי מיקרו (CMB), אבל לא היו מדענים בעלי ידע בינתחומי שיכלו לחפש אותה, וממילא רוב המדענים לא לקחו את התיאוריה ברצינות. בין היתר, כי היה להם דימוי לא-רציני של מדענים טירונים בחסותו של הליצן גאמוב. גאמוב כתב חמשירים ופרסם טענות היתוליות, למשל שאלוהים נמצא במרחק 9.5 שנות אור מהארץ, בגלל שבמלחמה עם יפן הרוסים נשאו תפילות המוניות, ויפן נפגעה ברעידת אדמה קשה ב-1923, 9.5 שנים אחר כך.

התיאוריה הייתה בקשיים: ההסחה לאדום ניבאה יקום צעיר יותר מגיל הכוכבים הנצפים – הקושי של לוחות הזמנים; לא היה הסבר להיווצרות יסודות כבדים; ואיש לא חיפש את קרינת הרקע. גאמוב עבר לביוכימיה, אלפר עזב לתעשיה (GE), הרמן עבר ל-GM, ותיאוריה חלופית הפציעה בבריטניה, שתתגלה כיריבה הגדולה של תיאורית המפץ.

המצב היציב

• פרד הויל, ילד גאון שברח מביה"ס אחרי שהוכרח ללמוד ספרות רומיות, והביא פרח מסויים לכיתה שהוכיח את טעותו של המורה לטבע. למד לקרוא באולם הקולנוע מהכתוביות לסרטים אילמים, במחיר של פני אחד – זול יותר מביה"ס. הצטיין כדוקטורנט בקיימבריג', אבל מלחה"ע ה-2 קטעה את יצירתיותו. שירת בצוות מכ"מ של הצי, שם פגש את תומס גולד והרמן בונדי. השלושה עסקו בשעות הפנאי בדיונים על התגליות האחרונות של האבל על היקום המתפשט. אחרי המלחמה פנו לקרירות נפרדות, אבל גרו בקיימבריג' והמשיכו להיפגש.

בעקבות צפייה בסרט "אמצע הלילה" (Dead of Night), בריטניה 1945 (סרט האימים הראשון שנעשה שם אחרי הסרת הצנזורה על יצירות הפוגעות במורל), העלה גולד את הרעיון שהיקום עשוי להיות בנוי כך, כמערכת סטציונרית, הזורמת אבל נשארת במצב יציב, כמו נהר. הגלאקסיות מתרחקות, אבל חומר חדש נוצר ביניהן כל הזמן. הויל חישב, שמספיק שייוצר אטום אחד כל 100 שנה, בנפח של כמה אלפי קוב. התאוריה נקראה תאוריית המצב היציב. כדי לאשש את התיאוריה, היה צורך לצפות בכוכבים וגלאקסיות צעירים קרוב אלינו, ולא רק רחוק מאיתנו. לא ניתן היה לצפות זאת באמצעים הטכניים של התקופה. בינתיים החליפו ביניהם הערות עוקצניות, כמו זו של גאמוב: תיאוריה של מצב יציב אופיינית למדענים בריטיים, כי בריטניה שמרנית מבחינה פוליטית; זה לא היה נכון, כי השלושה היו מורדים בטבעם. כחתרן נגד הממסד, הויל אפילו תקף תיאוריות שכבר היו ממוסדות, כמו האבולוציה. ידועה אימרתו, שהסיכוי שחיים מורכבים יווצרו באופן ספונטאני דומה לסיכוי שסופת טורנדו תעבור במגרש גרוטאות, ובמקרה יורכב מהן מטוס ג'מבו.

הויל, בונדי וגולד שהיו אסטרונום, מתמטיקאי ופיזיקאי, הותקפו ע"י האסטרונום ויליאמסון, שאמר שרק מי שעוסק בתצפיות אסטרונומיות יכול למתוח ביקורת על תיאוריות מקובלות. בונדי ענה: "זה כמו להגיד שרק לשרברבים ולחלבנים מותר לדבר על הידרודינמיקה." את מה שמקובל כעובדה אסטרונומית הוא כינה "בסך הכל כתם מטושטש על לוח צילום."

גאמוב והויל הצליחו שניהם ככותבים של ספרות מדע פופולרי. בסדרת תכניות רדיו ב-BBC ב-1950, כינה הויל בלעג את "מודל ההתפתחות הדינאמי" בשם "The Big BANG", "הדפיקה הגדולה"; היריב הגדול ביותר של התיאוריה נתן לה את שמה המקובל.

ב"ועידה הכנסייתית למדעים," 1951, האפיפיור פיוס ה-12 (זה שהואשם בכך שלא התנגד מספיק לנאציזם), אמר בנאומו שתיאורית המפץ מהווה הוכחה לאמיתות סיפור הבריאה. אלמר דייויס העיר על כך, שמגיע להאבל ידידו תואר של קדוש מטעם הכנסיה. גאמוב הליצן והאתיאיסט ציטט את האפיפיור ב-Physical Review. רוב הממסד המדעי נחרד מערבוב התחומים בין דת למדע, כולל למטר, הכומר הקתולי וחבר האקדמיה הכנסייתית למדעים. למטר הצליח לשכנע את האפיפיור לחדול מהצהרות מדעיות.

במזרח לעומת זאת רדפו את חסידי התיאוריה, למרות שפרידמן היה בין מייסדיה. תיאוריה שנתמכה ע"י האפיפיור נחשבה לתיאוריה המניחה שיש בורא לעולם, כלומר אנטי-קומוניסטית, בורגנית וגם מערבית. בעקבות ביקור של הויל בברה"מ, כתב: "גם קתולים וגם קומוניסטים מתווכחים על פי דוֹגמה. האנשים האלה שופטים טיעון כ'נכון' מפני שלדעתם הוא מבוסס על הנחות 'נכונות', ולא מפני שהוא מוביל לתוצאות שמתאימות לעובדות. אם העובדות לא תהיינה בהתאם לדוֹגמה, אז זאת בעיה של העובדות."

הויל לא זכה בפרס נובל לפיסיקה, למרות שזכה בו שותפו לפיתוח תהליכי הנוקליאוסיתזה, ויליאם אלפרד פולר. הסיבה כנראה הייתה אופיו המרדני והדוגרי. הוא למשל התלונן שג'וסלין בל, אחת השותפות לגילוי הפולסרים, לא זכתה בפרס.

בעיית לוחות הזמנים

ואלטר בָעַדֵין Baade, ו-אלאן סאנדייג' התקדמו לפתרון הבעיה, ע"י תיקון המדידות של האבל. באדה, מהגר מגרמניה שגר כבר עשור באמריקה, עדיין נחשד כזר ולא הורשה להצטרף לפרויקטים צבאיים. כך קרה שבמשך המלחמה הוא זכה לעבוד כמעט לבד על טלסקופ ה-100 אינץ' בהר וילסון, ואח"כ על ה-200 אינץ' בפאלומר. הוא גילה שקפאידים מתחלקים לשתי אוכלוסיות שונות, בדרגות בהירות שונות. כך הראה, שההנחה שכל הכוכבים בהירים בממוצע באותה מידה – שגויה, ולכן אנדרומדה, וכל שאר הגלאקסיות, מרוחקות פי שניים. גיל היקום נקבע מעתה על 3.6 מיליארד שנים, במקום 1.8.

סאנדייג' הוסיף עוד מרחק למדידות, אחרי שגילה ענני גז בהירים יותר מכוכבים, אזורי H II, שנחשבו קודם לכוכבים. ב-1954 נקבע גיל היקום המינימלי ל-5.5 מיליארד שנים, ובהמשך ליותר מ-10 מיליארד.

בעיית היווצרות היסודות - המשך

בעיה זו הייתה משותפת לשתי התיאוריות, ונפתרה כמעט לגמרי ע"י הויל. במשך כמה שנים חישב והראה, שכוכבים רבים עוברים מספר שלבים של קריסה פנימה, שבכל שלב מעורבים לחצים וטמפרטורות גבוהים יותר, וכך גם תנאים להיווצרות יסודות כבדים יותר. הבעיה היחידה שנותרה הייתה, איך נוצר הפחמן. הויל הציע, שפחמן רגיל (משקל אטומי 12) נוצר מהיתוך של הליום רגיל (4) עם בריליום (8), שבעצמו נוצר משני אטומי הליום; אבל, בריליום אינו יציב, ובנוסף המאסה של פחמן לא זהה למאסות של המרכיבים. הויל הציע שצריכה להיות צורה שונה של פחמן-12, עם אנרגיה מתאימה בדיוק למאסה העודפת. ב-1953, בהיותו בשבתון בקלטק, פנה לויליאם אלפרד פולר, אחד הנסיינים הטובים בעולם, בבקשה לחפש מצב מעורר של פחמן, שיש לו 7.65 MeV יותר מהידוע. בתחילה פולר סירב, אבל בעבודה של מספר ימים של הסטודנטים שלו, נמצא המצב המדויק. מאמר מפורסם שנקרא B2FH על שם מחבריו מתאר בפירוט את התהליכים, שהבנתם ארכה כעשור. מבין ארבעת המחברים – בני הזוג Burbidge, הויל ופולר, רק האחרון זכה בנובל ב-1983. אפילו גאמוב הכיר בתרומתו של יריבו הויל, והקדיש לו את ההומורסקה "בראשית".

AT&T

חברת AT&T הקימה את מעבדות בל בניו ג'רזי, על שם אלכסנדר גראהם. התבצע שם מחקר תיאורטי, שהם האמינו שיוביל ליישומים מסחריים, מה שאכן קרה. בתקופה ההיא יצאו משם 6 פרסי נובל בפיסיקה, שהתחלקו בין 11 מדענים: בין היתר, בארדין, בראטיין ושוקלי על המצאת הטרנזיסטור; ושטורמר ואחרים, על ההסבר של אפקט הול.

ב-1928 החלה AT&T לספק שירות טלפון טראנס-אטלנטי מבוסס רדיו, שמחירו היה $75 (של אז!) לשלוש דקות. הם ביקשו מהמעבדות לחקור את הפרעות הרקע לשידורים, משימה שהוטלה על קארל יאנסקי , חוקר צעיר. הוא בנה אנטנה ענקית ומסתובבת, כדי לגלות אותות באורך גל 15 מ'. האנטנה הסתובבה כדי לגלות אותות מכל כיוון שהוא, וילדים תפסו עליה סיבובים עד שהיא כונתה "הקרוסלה של יאנסקי." הוא גילה אותות חלשים מאד ממקור לא ידוע, שחזרו על עצמם כל 23 שעות, 56 דקות ו-4 שניות (במקום כל 24 שעות). כל מהנדס אחר היה מתעלם מהם, בגלל חולשתם. אבל המחזוריות המוזרה סיקרנה אותו. מלווין סקלט, דוקטורנט באסטרונומיה, הסביר לו שזמן המחזור הזה הוא בדיוק היממה הכוכבית (sidereal day). בגלל סיבוב כדור הארץ גם סביב השמש, "יממה" לא מוגדרת בדיוק כזמן סיבוב שלם של כדור הארץ סביב צירו, אלא כזמן שדרוש לסיבוב של כדור הארץ סביב צירו כך שהשמש נראית באותו מקום בתחילה ובסוף הסיבוב. זמן זה, 24 שעות, הוא מעט ארוך יותר מזמן הסיבוב השלם האמיתי, שהוא ה"יממה הכוכבית" – 23 שעות ו-56 דקות. זה גם הזמן שימדוד צופה מחוץ למערכת השמש. מכאן שהאותות שגילה יאנסקי הגיעו כנראה מחוץ למערכת השמש. החוקר הצעיר גילה שיש מקור של גלי רדיו באזור מרכז הגלקסיה שלנו. מסקנתו, הנכונה, הייתה שהקרינה מגיעה אי-משם במרכז שביל החלב. ה"ניו יורק טיימס" פרסם את הידיעה והסביר שאין הוכחה שגלי הרדיו נשלחו על ידי חוצנים. ואכן, לימים התברר שהסיבה היא שדות מגנטיים שדרכם עוברים אלקטרונים חפשיים.

תגליתו של יאנסקי ייסדה את הרדיו-אסטרונומיה. אמנם בעת ההיא לא היה לו תקציב, והוא זנח את מחקרו. אבל לימים התפתחו אמצעי החישה, והיום יש רדיו-טלסקופים, טלסקופים של קרני X, של אינפרא-אדום, ועוד.

למשל, התגלה שהשמש פולטת גלי רדיו, וגם זה במקרה. מורה בית הספר סטנלי היי , שבמלחמה שירת ביחידת מכ"מ, התבקש לעזור לפתור בעיה שהתגלתה כשצגי המכ"מ התמלאו בנצנוצים, שהפריעו לזהות את המטוסים הגרמנים. בתחילה חשבו שהגרמנים פיתחו שיטה לשדר אותות רדיו חזקים כדי לבלבל את המכ"מ. היי גילה, שהנצנוצים הופיעו בבוקר ממזרח, ובערב ממערב. כך גילה שמקור גלי הרדיו הוא בשמש, מפני ששנת 1942 הייתה שיא של מחזור 11 השנה של כתם שמש, הפולטים רדיו. כעבור שנתיים שוב גילה במקרה, שמטאורים פולטים רדיו, כשכיוון את המכ"מ מעלה כדי לגלות טילי V-2.

לאחר המלחמה נותר ציוד רדיו רב ללא שימוש, וגם מומחים בשימוש בו. היי ובנפרד ממנו מרטין רייל מקיימברידג' החלו להשתמש בו לחקר החלל. הבעיה העיקרית עם גלי רדיו הייתה, שלא ניתן היה לגלות את הכיוון המדויק ממנו הגיעו. רייל סייע לפתח שיטה שנקראת אינטרפרומטריה, המשלבת אותות מטלסקופים שונים כדי לגלות את הכיוון. סקר השמיים הראשון שעשה, הידוע כסקר קיימברידג' הראשון או C1, גילה כ-50 מקורות רדיו בכיוונים שבהם לא נראה דבר. רייל סבר שמדובר בכוכבים חדשים; לעומתם, תומאס גולד, תומך בתאוריית המצב היציב, חשב שהמקורות הן גלקסיות. רייל זכה במשרה של ראש קבוצת האסטרונומיה של הרדיו של אוניברסיטת קיימברידג', על חשבון גולד, וכך נוצרה ביניהם גם עוינות אישית. הקבוצה הצליחה לסמן את מיקומו של אחד ממקורות הרדיו, זה הידוע בכינוי "סיגנוס A" , בדיוק מספיק כך שואלטר באדה בהר פאלומר כיוון לשם את טלסקופ ה-200 אינץ', והתמונה שצילם גילתה שם גלקסיה בהירה במיוחד. התברר שרוב מקורות הרדיו הן גלקסיות שלמות, שעל כן כונו גלקסיות רדיו. בכנס של אסטרונומים, כשהראה באדה את התמונות לרייל, הוא התמוטט בבכי. מושפל, הוא החליט לנקום בגולד ע"י כך שימצא ראיות חדשות נגד תאוריית המצב היציב.

אסטרונומים כבר העריכו שגלקסיות הרדיו צעירות באופן מובהק מהממוצע. אסטרונומיה של רדיו פחות רגישה לעננים מאשר טלסקופים אופטים, ולכן אפשר היה להשתמש בה באנגליה הסגרירית. גולד הפך את קיימברידג' למרכז עולמי של השיטה. עד 1961 הוא סקר 5,000 גלקסיות רדיו, וגילה שהתפלגותן תאמה את מודל המפץ. כדי ליצור דרמה, הזמין את הויל, המתנגד הגדול, למסיבת עיתונאים, שם הכריז על תגליתו. העיתונים יצאו בכותרות "התנ"ך צדק!", הויל ומשפחתו הוטרדו בטלפון.

אסטרונומים רבים חצו את הקווים למחנה המפץ. דניס סיאמה (Sciama) שהתאכזב מהפרכת מודל המצב היציב, אבל קיבל את הדין, כתב: "במצב היציב יש תנופה ויופי, שמסיבה לא מוסברת כלשהו אדריכל היקום התעלם מהם. היקום הוא עבודה גרועה, אבל נצטרך להשלים ולהפיק מכך את המיטב." יאנסקי לא זכה בקרדיט בחייו, אבל אחרי מותו נקרא יחידת שטף הרדיו על שמו. ומעבדות בל שבהן עבד יארחו את הממצא הגדול ביותר בתולדות השיטה, התגלית של פנזיאס ו-וילסון, 1964

קרינת הרקע הקוסמית

ארנו פנזיאס, בן לפליטים יהודים מגרמניה, נמלט משם עם הוריו לבריטניה, ומשם באוניית קיטור לניו-יורק. ראה את אביו, סוחר אמיד לשעבר, עובד כשרת בבניין, והחליט ללמוד בקולג' כדי לחיות חיים טובים יותר. סיים את סיטי קולג' בעיר, וקיבל דוקטורט מקולומביה. היה אסטרונום הרדיו היחיד במעבדות בל שבניו-ג'רזי, עד לבואו של וילסון. סייע למהנדסים לקלוט אותות מ"טלסטאר", לווין התקשורת המסחרי הראשון מתוצרת בל, ע"י ניצול הידע שלו בקרינה מגלקסיות רדיו. ביחד עם רוברט וילסון, תלמיד של הויל מקאלטק, קיבלו רשות להשתמש בטלסקופ בלתי שמיש כדי לחקור רעשי רדיו. הם קלטו רעש ברמה גבוהה מהצפוי, ולא הצליחו למצוא לו כל מקור: לא רעש עירוני, לא תוצאה של חריוני יונים (הם קראו לו "חומר דיאלקטרי לבן"), ולא מתוך הטלסקופ עצמו. הרעש היה בעוצמה קבועה בכל זמן ובכל כיוון, כולל כשכיוונו את הטלסקופ לעיר ניו-יורק. הם בדקו כל רכיב במערכת, חיזקו חוטים בסרט הדבקה, וה"רעש" נשאר. הם גילו את קרינת הרקע הקוסמית, CMB.

למעשה, גאמוב אלפר והרמן חזו ב-1948 שכ-300,000 שנה אחרי המפץ, בזמן שנקרא שיחבור (recombination), היקום התקרר מספיק כדי שהחלקיקים כבר לא יצרו אטומים, והאור התחיל להתפשט בכל הכיוונים. כתוצאה מכך צריכה הייתה להיווצר קרינת רקע, באורך גל גדול יותר בפקטור של התפשטות היקום עד אז, כלומר כ-1 מ"מ, או גלי מיקרו. לאחר שהחיזוי נשכח, ב-1964 דיקי ופיבלס (Dicke, Peebles) מפרינסטון פירסמו חיזוי דומה מאד, מבלי לדעת על הממצא של פנזיאס ווילסון. פנזיאס סיפר על הגילוי לברנרד ברק (Burke) מ-MIT, וזה סיפר לו על החיזוי החדש. עכשיו הבין פנזיאס את חשיבות התגלית. הוא התקשר לדיקי, ותפס אותו באמצע ארוחת צהריים שבמהלכה דנו בבניית גלאי לקרינה. דיקי ניתק ואמר: "חבר'ה, הקדימו אותנו!" למחרת נסעו את המרחק הקצר מפרינסטון למעבדות בל ובדקו את המדידות.

ב-1956 קיצצו מעבדות בל את התקציב למחקר ברדיו-אסטרונומיה, ונותרה רק משרה אחת; אך פנזיאס ו-וילסון החליטו להמשיך במחקר, כל אחד בחצי משרה, במקביל לעבודה על פרוייקטים אחרים.

בקיץ 1965 פרסמו שני הצוותים, בנפרד, שני מאמרים קצרים בירחון Astrophysical Journal. האחד, מאת פנזיאס ווילסון, סקר את הממצאים ללא התיאוריה (הוכתר בזהירות בכותרת "על גילוי רעש בלתי מוסבר באנטנת רדיו"), והשני פירש אותם. גאמוב, אלפר והרמן לא הוזכרו במילה במאמר. וילסון, תלמידו של הויל, הצטער על מותה של תאוריית המצב היציב. הוא הודה שלא ממש האמין במפץ הגדול, ולכן לא ציפה לראות בקרינה עדות למפץ הגדול. יש ראיות שגם אמיל לה-רו מצרפת, ושמאונוב מאוקראינה גילו בשנות ה-50 את הקרינה, אבל הם לא שמו לב. לעומתם וילסון ופנזיאס, שהתעקשו לבדוק את המדידות, זכו בנובל על תגליתם ב-1978. רק בנאום הנובל נתן פנזיאס קרדיט לאלפר הממורמר. מבין כל המדענים שהגו את תיאורית המפץ, רק למטר זכה לחיות ולשמוע על תגליתם, כששכב בבית חולים, מתאושש מהתקף לב. הוא מת כעבור שנה.

התגלית סימנה את התקבלותה של תיאורית המפץ. במוזיאון האוויר והחלל הלאומי בוושינגטון מצוינת התגלית ע"י הצגת בקבוק ה"קואנטרו", ליקר התפוזים, של גאמבו ואלפר, ואת מלכודת היונים של פנזיאס ו-וילסון.

הפרדוקס של אולברס שנטבע ע"י וילהלם אולברס (Olbers) ב-1823 שואל מדוע, אם היקום אינסופי, אין כמות אינסופית של אור ביקום, ולכן מדוע הלילה שחור. "המפץ" הוא ההסבר הטוב ביותר לכך – היקום סופי, ומהירות האור סופית, ולכן גם כמות האור הנראה.

עדיין, נותרה השאלה איך נוצרו הגלקסיות, ביקום הומוגני. חומר המפוזר באופן אחיד לא יכול להימשך ולהתגבש לכוכבים ולגלקסיות, וליצור מצב שבו ברוב היקום יש צפיפות של פי 30–10 מאשר 1 גרם לסמ"ק, שהיא הצפיפות של המים וגם של השמש. ההנחה הייתה שחוסר אחידות ביקום הקדום יתבטא בהבדלים קטנים בקרינה הנמדדת מכיוונים שונים. בשנות ה-70, כשהקרינה נמדדה בדיוק רב יותר, המכשירים עדיין יכלו למדוד רק הבדלים קטנים פי 100 (–40 dB) מהקרינה עצמה. זה לא הספיק. היה צורך למצוא שיטת מדידה מדויקת יותר.

אי-סדירויות

ג'ורג' סמוט, בתחילה הציע להעמיס גלאי על בלון, אבל במהרה התייאש. חלק מהבלונים התרסקו, הציוד ניזוק מהקור, או שלא התגלו הבדלים. אז הציע להטיס גלאי במטוס. כדי למדוד ביעילות את הקרינה, היה צורך במטוס שיגיע גבוה, וגם ישהה שם הרבה זמן. הוא בחר במטוס הריגול לוקהיד U-2, ולהפתעתו חיל האויר האמריקאי הסכים. גילו לו גם סוד, שיש במטוס תא עם חופה שבמקור יועד לצפות בטיל בליסטי בין-יבשתי. בטיסה הראשונה ב-1976 התגלו הבדלים בקרינה, אבל כאלה שלא לימדו על חוסר אחידות ביקום הקדמון. ההבדלים נבעו פשוט מאפקט דופלר, כתוצאה מתנועת הגלקסיה שלנו דרך היקום. מכאן ניתן היה לחשב לראשונה את מהירותה ביחס לשאר החומר ביקום – כמיליון מייל לשעה. אך בניכוי האפקט, לא התגלתה אי הסדירות המצופה. בגלל הפרעות האטמוספרה, וקרינת גלי מיקרו ארצית, השיטה הזו הניבה רק דיוק של 1 ל-1000, (רזולוציה של 60– dB); מכאן הסיקו שההבדלים קטנים יותר. סמוט תכנן גלאי שישוגר בתוך לווין. נאס"א חיפשה ניסויים לתוכנית אקספלורר, ניסויים בתקציב נמוך. צוותים מברקלי, JPL מפסאדינה, וג'ון מאד'ר המון שפות!) הגישו הצעות לגלאי קרינת רקע. נאס"א איחדה את כל הרעיונות, ומימנה בנייה של 3 גלאים, שכל אחד ימדוד היבט אחר של הקרינה. זה היה קובי (לוויין), ו-8 שנים אחרי הרעיון, ב-1982, החל התכנון. שיגור הלוויין במעבורת חלל נקבע ל-1988. אבל ב-1986 אסון מעבורת החלל צ'לנג'ר, כתוצאה מדליפה של גזים דרך אטם שנפגם באוויר הקר ביום שלפני השיגור. כל השיגורים בוטלו למשך שנה וחצי, ולוח הזמנים נפגע. המשימה של "קובי" בוטלה. הצוות חיפש אמצעי שיגור חלופי, ועלה הרעיון להשתמש בטיל חד-פעמי כמו ה"אריאן" הצרפתי. נאס"א טירפדה את המהלך, כדי שגורם חיצוני לא יקבל קרדיט. האפשרות לשיגור על גבי טיל רוסי לא באה בכלל בחשבון. לחברת "מקדונלד-דאגלאס" הייתה סדרה של טילי "דלתא" עודפים, אחרי שייצורם של טילים חדשים הופסק. הם שמחו למצוא שימוש לטילים, אבל משקלו של "קובי" היה 5 טון, ו"דלתא" יכול היא לשאת רק מחצית מזה. "קובי" תוכנן מחדש, בתוך 3 שנים בלבד. לשיגור ב-18 בנובמבר 1989 מבסיס ואנדנברג בקליפורניה הוזמנו אלפר והרמן, וגם סמוט. כשבחן את הטיל, ראה מעט חלודה, טלאים וגם תיקוני אטמים בדבק. אבל השיגור דווקא עבר בהצלחה, הלוויין פעל היטב, אבל התוצאות, אפילו ברמת דיוק של 1 חלקי 10,0000 עדיין לא הראו הבדלים. התחיל להתגנב ספק, ומדענים החלו שוב לחפש אלטרנטיבות לתיאוריה. רק לאחר שנתיים של מיליוני מדידות, חישובים וניתוחים סטטיסטיים, החלו להיראות הבדלים בשיעור של 1 ל-100,000. במסיבת עיתונאים אחרי ההכרזה בכנס של החברה הפיזיקאלית האמריקאית, אמר סמוט: "אם אתם דתיים, אז זה כמו לראות את פניו של אלוהים." הכותרת בניוזויק הייתה: "כתב ידו של אלוהים." תמונת ההדמיה של ההבדלים, הגם שלא הייתה נכונה כי כללה הפרעות בתחום המיקרו מהגלאי, פורסמה בעיתונים. התוצאה האמיתית התקבלה רק בתוספת שיקולים סטטיסטיים מסובכים. סטיבן הוקינג הגדיר את הממצא "התגלית של המאה, אם לא של כל הזמנים." למחרת, הכותרת הראשית של העיתון היומי הבריטי אינדיפנדנט הייתה: "איך התחיל היקום," והיא לוותה באיור ענק המסביר את המודל. תיאוריית המפץ זכתה לאישוש הכמעט סופי.

היקום מאיץ את התפשטותו!

סופרנובה מסוג Ia הן נר תקניים, והן הגופים היחידים הנצפים בגלקסיות מרוחקות מאד. בריאן שמידט, סול פרלמוטר ואדם ריס חקרו אותן, בהנחה שקצב ההתפשטות מואט בגלל משיכת הכבידה. המטרה הייתה לגלות באיזו מידה מואטת ההתפשטות, כדי להסיק אם היא תיעצר או לא. הקבוצות ידעו זו על זו, והתחרו מי יפרסם ראשון. ב-1998 הצטברו מספיק נתונים: לפרלמוטר מלורנס ברקלי היו יותר סופרנובות (42), אבל לשמידט ולריס (מ-UCB) הייתה רמת דיוק גבוהה יותר. הם פרסמו בהפרש של מספר שבועות. התוצאות הדהימו: היקום אינו מאט, הוא מאיץ. התוצאה נחשבה לאמינה, כי הגיעו אליה שתי קבוצות בלתי תלויות ומתחרות; וגם - כי הם ציפו לתוצאה הפוכה. מאז אוששה המסקנה במדידות נוספות של Ia ושל CMB. ההסבר שהוצע לכך הוא האנרגיה אפלה אחת התיאוריות הנובעות מכך היא שבהמשך תקרע האנרגיה האפלה גלקסיות, כוכבים ואפילו אטומים, במה שמכונה "הקריעה הגדולה" – The Big Rip. בשנת 2011 זכו השלושה בפרס נובל בפיסיקה.

תוצאות מיפוי קרינת הרקע הקוסמית בתדר 94 גיגה-הרץ על ידי לוויין המחקר WMAP

תוצאות מהזמן האחרון

לוויין המחקר WMAP מדד את הקרינה ברזולוציה גבוהה פי 35 מזו של COBE. התוצאות (מזמן 400 אלף שנה ליקום) פורסמו בשנת 2003, ואיששו את המסקנות הקודמות, כולל תיאוריית האינפלציה הקוסמית. מהנתונים חושבו פרמטרים שונים בדייקנות גבוהה יותר. לפיהן, גיל היקום מוערך ב-13.7 מיליארד שנים (בטווח טעות של כ-0.2 מיליארד). היקום מכיל כ-4% חומר רגיל, 23% חומר אפל, ו-73% אנרגיה אפלה. החישובים של WMAP תומכים בסברה, שה"אנרגיה האפלה" נובעת מקבוע קוסמולוגי בעל ערך חיובי וקטן: 10-29 Λ= גרם לסמ"ק. לפי הגירסה הזאת לתיאוריה, היקום שטוח (1=Ω). ועדיין, "הסתירה החמורה בהיסטוריה של הפיסיקה" היא שעוצמת האנרגיה האפלה, לפי חישוב זה, היא פי $10^{120}$. מהדרוש להתפשטות הנצפית...

שילוב

הלוויין פלאנק של סוכנות החלל האירופית (שוגר ב-2009) סיפק ב-2013 תמונות טובות יותר. על פי הלווין פלאנק, חלוקת החומר ביקום היא: כ-4.9% חומר רגיל, 26.8% חומר אפל, ו-68% אנרגיה אפלה.

• מתוך הספר:

"מי המציא את מודל המפץ... הפיתוח, הבדיקה, התיקון וההוכחה של מודל המפץ השלם הצריכו כמה שלבים תיאורטיים, ניסויים ותצפיתיים, ולכל אחד מהם גיבורים משלו. איינשטיין ראוי לחלק מהקרדיט על הסברת הכבידה באמצעות תורת היחסות הכללית שלו, שבלעדיה לא היה יכול להתפתח שום מודל קוסמולוגי רציני. אלא שבהתחלה הוא נלחם נגד הרעיון של יקום מתפתח, ולכן הוא השאיר ל-למטר ולפרידמן לפתח את תיאורית המפץ. עבודתם לא הייתה זוכה להתיחסות רצינית בלי התצפיות שעשה האבל, שהראה כי היקום מתפשט. אבל האבל אינו יכול לטעון לכתר מגלה המפץ, בגלל העובדה שהוא סירב להסיק מסקנות קוסמולוגיות כלשהן מן המחקר שלו עצמו. מודל המפץ היה נותר כאבן שאין לה הופכין אלמלא תרומתם התאורטית של גאמוב, אלפר והרמן והתצפיות של רייל, פנזיאס, וילסון וצוות הלווין קובי. אפילו פרד הויל, אביר "המצב היציב", תרם תרומות תיאורטיות להבנת תהליך הנוקליאוסינתזה, וסייע כך שלא בכוונה לחיזוק תאורית המפץ. ברור שאי אפשר לייחס את מודל המפץ לשום אדם אחד ויחיד."

שאלות פתוחות

השינויים הקטנים בצפיפות החומר, שנוצרו כ-300,000 שנה אחרי המפץ – מדוע נוצרו? מדוע היקום שטוח, אם הוא שטוח, ולא עקום? מה מהווה את החומר האפל?

פתרונות שהוצעו

אלן גות' הציע (1979, בעת עבודתו על דוקטורט בסטנפורד) את תיאורית האינפלציה הקוסמית: מיד אחרי המפץ, היקום הכפיל את גודלו כ-100 פעמים, ולכן אי האחידות של הצפיפות, שהייתה כבר בהתחלה, היא היום כמעט בלתי נראית, כמו הקמטים על פני כדור הארץ, שגודלם זניח לעומת קוטרו. ביקורת: התיאוריה לא מסבירה, בין היתר, מדוע פסקה האינפלציה. אלן גות': "לעיתים קרובות אומרים, שאין ארוחות חינם. אבל ייתכן שהיקום עצמו הוא ארוחת חינם," בהתייחס לתיאוריה שהיקום נוצר מהאין, בהבלחה של גל קוונטי. ג'ים פיבלס : "אם האינפלציה מוטעית, אלוהים הפסיד טריק טוב! האינפלציה היא רעיון יפהפה. אלא ששישנם הרבה רעיונות יפים שהטבע החליט לא להשתמש בהם." מועמדים לחומר אפל:

• Massive compact halo objects, MACHOs: גופים לא מאירים, כמו חורים שחורים, אסטרואידים ופלנטות גדולות
• Weakly interacting massive particles, WIMPs: חלקיקים בלתי מורגשים, פרט לכבידתם
• אנטי-חומר?

האופציות להמשך ההתפשטות של היקום

פרוגנוזה	צפיפות החומר הקוסמית, Ω	סוג היקום	אנלוגיה תלת מימדית למרחב ה-4 מימדי
התפשטות עד עצירה	1	שטוח	מישור
התפשטות נצחית אבל מואטת	>1	פתוח	היפרבולה
עצירה וקריסה	1>	סגור	כדור
ריבאונד – יקום מתפשט ומתכווץ לנצח
ההתפשטות מואצת, בגלל האנרגיה האפלה	n/a
התפשטות מואצת, ו"הקריעה הגדולה"	n/a

ששת הקבועים: מרטין ריס , האסטרונום המלכותי של בריטניה, מסביר שמבנה היקום כולו תלוי בערכים קריטיים של שישה פרמטרים בלבד:

1. N: היחס בין קבוע הצימוד של האינטראקציה האלקטרומגנטית: , לקבוע הצימוד של הגרביטציה; N=1036
2. ε: קבוע הצימוד של הכח הגרעיני החזק, או: חלק המאסה של 4 פרוטונים שמשתחרר כאנרגיה גרעינית בעת היתוך לגרעין הליום; 0.007=ε
3. Ω: היחס בין צפיפות היקום, לבין הצפיפות הקריטית הדרושה לעצירת התפשטותו. אם Ω גדול מ-1, היקום יתפשט לנצח; אחרת, הוא יתכווץ; לפי הערכתו, 0.3≈Ω
4. λ: היחס בין צפיפות האנרגיה ביקום, כתוצאה מהקבוע הקוסמולוגי, לבין הצפיפות הקריטית; 0.7≈λ
5. Q: האנרגיה הדרושה לבקע את הגוף הגדול ביותר הידוע, צביר גלקטי, מבוטאת כחלק מסך אנרגית המנוחה של אותו גוף; Q≈10–5
6. D: מספר המימדים במרחב המאקרוסקופי; D=3

פירוש העולמות המרובים, שבהם ערכי הקבועים שונים מאלה - היקומים האחרים מפסיקים להתקיים (?).

תוספות

• המודל התקבע בקהילה המדעית בעיקר בשל מאמר שהתפרסם בידי רוג'ר פנרוז וסטיבן הוקינג בשנת 1970. (?)
• ג'יימס הארטל , "המפץ הגדול" הוא שם בעייתי מאד; הוא נוצר כאמצעי ללעוג לתאוריה, ויש לו קונוטציה גסה.

המגזין Sky & Telescope הכריז על תחרות למציאת שם מתאים יותר. כ-13,000 הצעות נשלחו. בין ההתחכמויות שהוצעו: Hubble Bubble, Bertha D. Universe, Scientific Awestruck by God’s Awesome Nature (SAGAN). (קארל סאגאן היה חבר בוועדה); הוועדה דחתה את כל ההצעות.

מתוך הבלוג של יהודה בלו, אספן של ידיעות היסטוריות: [2] "...היקום הלך והתקרר, אך עדיין היתה קיימת אנרגיה רבה שאפשרה לפרוטון ולאלקטרון להתנגש זה בזה וליצור נויטרון ואנטי-נויטרינו. אולם, נויטרון במצב חופשי הוא חלקיק בלתי יציב, המתפרק בממוצע בתוך 15 דקות לשלושה חלקים: פרוטון, אלקטרון ואנטי-נויטרינו. לפנינו, אם כך, שני תהליכים הפוכים המתרחשים בו זמנית – מחד מתפרקים הנויטרונים, ומאידך פרוטונים ואלקטרונים מתנגשים זה בזה ויוצרים נויטרונים באמצעות האנרגיה ששררה אז. כך נוצר שיווי משקל בין מספר הפרוטונים למספר הנויטרונים. ברם, הנויטרון כבד מהפרוטון, ועובדה זו פירושה שיש צורך במעט יותר אנרגיה כדי ליצרו. אם לא תהיה לאלקטרון אנרגיה מספקת, הוא לא יוכל ליצור נויטרון ואנטי-נויטרינו בהתנגשות עם אחד הפרוטונים. על כן, כאשר היקום התקרר עוד יותר והטמפרטורה הלכה וירדה, לחלקיקים היתה פחות אנרגיה קינטית, וכשזו ירדה אל מתחת לסף מסוים לא נוצרו עוד נויטרונים מתולדה של אלקטרונים ופרוטונים, והתקיים לכאורה רק תהליך התפרקותם. לפי הנחה זו, לאחר זמן מה לא היה נותר אפילו נויטרון אחד ביקום. אלא שהתרחשות נוספת אירעה כאשר הצפיפות היתה גבוהה למדי, והיא התנגשותם של הפרוטונים זה בזה. פרוטון שהתנגש בו פרוטון אחר יכול להיהפך לנויטרון, תוך פליטת פוזיטרון הנושא את המטען החשמלי החיובי שלו. אז קיים לפרוטון זה או אחר סיכוי ללכוד את הנויטרון שעתה נוצר, בטרם יספיק הוא להתפרק, ולהתחבר עימו ליצירת גרעין של דויטריום (איזוטופ של מימן שמכיל פרוטון ונויטרון). גרעין הדויטריום עצמו יכול להתלכד עם פרוטון אחר וליצור גרעין של הליום 3, וזה בתורו יכול להתלכד עם עוד נויטרון וליצור גרעין הליום (שני פרוטונים ושני נויטרונים), או להתחבר לגרעין הליום 3 נוסף וליצור גרעין הליום תוך פליטת שני פרוטונים. מעת שהנויטרונים לכודים בתוך גרעין ההליום הם אינם מתפרקים עוד. התנהלה, אפוא, מעין תחרות בין תהליך התפרקות הנויטרונים לבין תהליך התחברות הנויטרונים עם הפרוטונים לשם יצירת גרעין דויטריום וממנו ליצירת גרעין הליום. אם תהליך התפרקות הנויטרונים מהיר ביותר אזי לא ייווצרו כמעט גרעיני הליום, ואילו אם התחברות הפרוטונים והנויטרונים מהירה ביותר אזי תיווצר כמות גדולה מאד של גרעיני הליום. ככל שהיקום הלך והתפשט כך התקשה פרוטון אחד לפגוש פרוטון שני בכדי ליצור גרעין דויטריום וממנו גרעין הליום. לכן קצב התפשטות היקום קבע בסופו של דבר כמה פרוטונים הצליחו ללכוד פרוטונים אחרים. לפי חישובים שערך תלמידו של גאמוב, ראלף אלפר (Ralph Alpher), נמצא כי לפי מספר אטומים צריך היה להיווצר גרעין הליום אחד על כל תשעה גרעיני מימן בתום הנוקלאוסינתזה הקוסמית – בשלוש הדקות הראשונות של המפץ. "

מקורות

• הסבר מצויין של המודל הסטנדרטי
• "החיפוש אחר כוכבי לכת," הרצאות אודיו, פרופ' צבי מאז"ה
  • צבי מאז"ה ויצחק גולדמן גילו מערכת כוכבי לכת, דומה לשלנו, סביב הכוכב HD41004?
• הבלוג של יהודה בלו: [3]
• C:\a\ideas\SCIENSE\Physics\for_Education\Universe_accelerating.docx

הערות שוליים

שגיאות פרמטריות בתבנית:הערות שוליים
פרמטרים [ טורים ] לא מופיעים בהגדרת התבנית