יום ראשון, 9 במאי 2010

התגליות הגדולות מכולן

הגיליון ה-100 של גליליאו (דצמבר 2006) הוקדש לבחירת התגליות הגדולות בתחומי המדע השונים. הוצע לי לכתוב את המאמר העוסק בתגליות הגדולות בפיזיקה ובאסטרונומיה. הבחירה הייתה קשה. תחילה רשמתי לי 22 תגליות, ואז התחלתי לצמצם, עד שנשארו עשר בלבד.
הנה הפתיחה ואחריה שתי התגליות הראשונות. אגב, לא סידרתי לפי סדר חשיבות, אלא משיקולי רצף קריאה.


התגליות הגדולות בפיזיקה ובאסטרונומיה

סקרנות היא הדלק שמניע את גלגלי הפיזיקה, והפיזיקה לא מסתפקת בשאלות טריוויאליות, אלא מנסה להסביר תהיות מהותיות: מה הן אבני היסוד של החומר? איך בנוי היקום? איך הכול התחיל? ואיך זה יסתיים? ניסיון צנוע להשיב לשאלות אלו ניתן בחמש התגליות שחותמות רשימה זו. המדען, מצדו, מעלה שאלות נוספות ומנסה להבין את התהליכים עצמם, לפתח תאוריות ולא פחות חשוב - לבדוק אותן בניסוי. חמש התגליות הראשונות עוסקות בשאלות כאלו, ויחד הן משלימות תמונה מורכבת של הפיזיקה ושל האסטרונומיה, שבה ניסוי ותאוריה שזורים זה בזה. עשר התגליות המובאות להלן הן בעיני נקודות חשובות בזמן ובהבנה, וכל אחת מהן פותחת צוהר לעולם מופלא ומגוון של ידע, תעוזה ויותר מכל - סקרנות.

1. חוקי ניוטון
את המסע שלנו לעבר התגליות הגדולות של הפיזיקה נתחיל עם גלילאו גליליי (1564-1642), מגדולי המדענים בכל הזמנים. אמנם גלילאו לא היה הראשון שמתח ביקורת על התפישה של אריסטו, ולפיה גוף יכול לנוע רק בתנאי שפועל עליו כוח, ועם זאת הוא היה הראשון שהצליח להבין לעומק את מושג ההתמדה (אינרציה) ולנסח אותו בצורה המוכרת כיום בתור החוק הראשון של ניוטון: גוף יתמיד במהירותו ובכיוון תנועתו, אלא אם כן יפעל עליו כוח חיצוני.
החוק השני של ניוטון, החוק הבסיסי של המכניקה, מגדיר את מושג המסה. ניוטון טען שתכונה זו, הייחודית לכל גוף, קובעת את יכולתו להתנגד לשינוי מהירות בהשפעת כוח חיצוני. על-פי החוק השלישי, חוק הפעולה והתגובה, הפעלת כוח על גוף אחר תלווה תמיד בכוח הפוך בכיוונו ושווה בגודלו. חוקי ניוטון, שפורסמו בשנת 1687, מספקים לא רק הבנה אינטואיטיבית של גדלים פיזיקליים בסיסיים, אלא גם מהווים כלי דידקטי ממעלה ראשונה, ויתרה מכך, הם מאפשרים לראשונה לבצע חישובים מכניים מדויקים.
ראוי לחתום פרק זה במשפט של אייזק ניוטון, המהווה לדעתי את תמצית המדע: "אני רואה את עצמי כילד המשחק על חוף הים, ומשתעשע, פעם באבן חלקה יותר ופעם בצדף יפה יותר, בעוד האוקיינוס הענק של האמת משתרע מול עיניי וצופן את סודותיו". גלילאו וניוטון יככבו גם בתגלית השנייה, שתעסוק בתורת הכבידה, אלא שהפעם יצטרף אליהם לא אחר מאשר אלברט איינשטיין.

2. תורת היחסות הכללית
גלילאו היה הראשון שהבין את "עקרון השקילות", שלפיו מסה כבידתית, הגורמת למשיכה בין שני גופים, זהה למסה האינרציאלית, המוגדרת בחוק השני של ניוטון. הניסוי המפורסם שבו גליליאו מפיל שני גופים ממגדל פּיזה, האחד כבד מהשני, ושניהם מגיעים יחד לקרקע, היה כנראה ניסוי מחשבתי בלבד, משום שגליליאו הבין שהתנגדות האוויר תמנע ממנו לערוך את הניסוי כהלכה. בכל זאת, רעיון זה הוא הביטוי הראשון לעקרון השקילות, וחשיבותו בכך שסתר את הגישה האריסטוטלית, שלפיה גוף כבד נופל מהר יותר.
נדלג שלוש מאות שנה קדימה. בשנת 1907, בעודו יושב במשרד הפטנטים בברן, עלתה בראשו של איינשטיין מחשבה, שאותה הוא תיאר לימים בתור "המחשבה המאושרת בחיי". "אדם שנופל מגג של בניין, לא מרגיש את המשקל של עצמו", הסיק איינשטיין מעקרון השקילות, ובעזרת רעיון נוסף, הקרוי עקרון מאך, שלפיו כל גוף ביקום נמצא בנפילה חופשית יחסית לשאר הגופים, הצליח איינשטיין בתוך שמונה שנים לגבש את תורת היחסות הכללית. על רגל אחת, תורה זו אומרת, שהמרחב-זמן קובע כיצד המסה תנוע, ואילו המסה קובעת איך המרחב-זמן יתעקם, ואידך זיל גמוֹר...
הבדלים משמעותיים בין הכבידה של ניוטון ובין תורת היחסות הכללית באים לידי ביטוי רק עבור כבידה חזקה, כמו למשל בחורים שחורים, אותם גופים שאפילו אור לא יכול להשתחרר משדה הכבידה שלהם, וקיומם מוסבר רק על ידי תורתו של איינשטיין. אולם, כאשר דרוש דיוק גבוה אז גם בתנאי כבידה חלשה יש להתחשב ביחסות כללית, ולכן לוקחים אותה בחשבון בעת תכנון מסלולי חלליות ואפילו במערכת ה-GPS. מכאן נפנה לכוח בסיסי אחר, שבדומה לכבידה טווח פעולתו אינסופי - הכוח האלקטרומגנטי.


תמונה שצילמתי בפיזה ובה נראה מגדל הפעמונים הנטוי של העיר, שעל פי הסיפור גלילאו גליליי זרק מראשו גופים שונים על מנת להוכיח את עקרון השקילות


המשך המאמר: עשר התגליות הגדולות בפיזיקה ובאסטרונומיה
פרויקט אבני דרך - בחירת התגליות הגדולות בתחומי המדע השונים

נזכרתי היום במאמר כשחיפשתי מסמך שהכנתי כמה חודשים מאוחר יותר ובו רשימת התגליות הפיזיקליות העתידיות, שלפי הערכתי עשויות להתגלות במהלך המאה ה-21. על כך בפוסט הבא.

6 תגובות:

Ehoud אמר/ה...

אריה

מה דעתך על התגלית של בולצמן כי החומר מורכב מאטומים. דומני שהיה זה פיינמן שאמר שלו היה בכוחינו להשאיר שורה אחת המכילה את מירב הידע המדעי ברשותינו היה משאיר את המשפט "הכל מורכב מאטומים". התגלית של בולצמן היא תוצר טהור של החשיבה האנושית שכן עד שבה אינשטיין והראה כיצד ניתן להעריך את מסת האטומים מתנועה בראונית הייתה התאוריה של בולצמן בחזקת תאורחיה בלבד.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

אכן התלבטתי אם להזכיר את עבודתו של בולצמן בתורה הקינטית ובמכניקה סטטיסטית שבעצם משתמשות בהנחה שהחומר מורכב מאטומים ומולקולות ומראות כיצד ניתן להבין את תכונות החומר על סמך הנחה זו.

בסופו של דבר כתבתי על בולצמן בהקשר של אנטרופיה והחוק השני של התרמודינמיקה. ג'ון דלטון והתורה האטומית של החומר מוזכרים במאמר הדן בתגליות הגדולות בכימיה:
http://www.ifeel.co.il/page/3316

אני מקווה שבולצמן יסלח לי על כי האספקט החשוב והמרכזי הזה בעבודתו המדעית לא זכה לאזכור במאמר :-)

Ehoud אמר/ה...

אריה

לא יפה... הרי היה זה חוסר הכרה מסוג זה שגרם לבולצמן להתאבד.

אריה מלמד-כץ אמר/ה...

:-)

YanivH אמר/ה...

מחכה בקוצר רוח לרשימה הבאה... :)

אנונימי אמר/ה...

זה היה מאוד מעניין לקרוא. אני רוצה לצטט את ההודעה שלך בבלוג שלי. זה יכול? ואתה ואח חשבון ב Twitter?