עמוד הבית > מדעי כדור-הארץ והיקום > אסטרונומיה [מדעי החלל]
האוניברסיטה העברית. המרכז להוראת המדעים ע"ש עמוס דה שליט


תקציר
חלל מהו? למה כוונתנו כשאנו אומרים שהחלל הוא תלת-ממדי? למה התכוון אלברט איינשטיין כאשר כתב על "עקמומיות החלל-זמן"?



לחיות בחלל
מחבר: פיטר הילמן


אדם מתקשה לדמיין לעצמו חיים "בחלל החיצון", כשם שהוא מתקשה לדמיין לעצמו חיים "מחוץ לזמן". אבל חלל מהו? למה כוונתנו כשאנו אומרים שהחלל הוא תלת-ממדי? למה התכוון אלברט איינשטיין כאשר כתב על "עקמומיות החלל-זמן"?
אנו יכולים אולי להגדיר בפשטות חלל באמצעות העצמים ש"בתוכו". כידוע, לכל עצם פיסיקלי יש שלושה ממדים. או שמא כל העצמים הם תלת-ממדיים מפני שהם נתונים בחלל תלת-ממדי? פילוסופים דנו רבות בשאלה זו, וקרוב לוודאי שימשיכו בכך עד קץ הזמנים.
ומדוע רק שלושה ממדים? קל לדמיין ולתאר תיאור מתמטי עולם בן שני ממדים; ולמעשה, מהנה מאוד לדמיין כיצד יהיו החיים בעולם כזה. מבחינה מתמטית ניתן לתאר עולם בן ארבעה ממדים או אף יותר. יש ספרים וכתבי-עת על עולמות כאלה. ייתכן שקיימים עולמות כאלה, ואולי נראה שלעולם לא נדע זאת.
איינשטיין עצמו הקשה על חיינו בהראותו שחלל וזמן הם בלתי נפרדים; שאי-אפשר למדוד מרחקים גדולים בחלל בלי להביא בחשבון את הזמן, ולהפך. הוא גם הראה שהכבידה "מעקמת" את החלל, או מוטב לומר שכבידה היא עקמומיות החלל, הנוצרת על-ידי עצמים בעלי מסה גדולה כגון כוכבי-לכת, כוכבי-שבת (שמשות) או חורים שחורים.

מאחר שקרני האור נעים במתווה שיוצר החלל, עקמומיות החלל מתבטאת במסלול עקמומי של קרני אור, והתצפית האסטרונומית על הסטת קרני אור ממסלול ישר היתה האימות המוחץ ביותר של תיאוריית איינשטיין.

מה גודלו של חלל היקום?

רעיון האינסוף הוא מפחיד וקשה לתפיסה. אפילו יוהנס קפלרר הגדול, שהיה הראשון שקבע את חוקי תנועת כוכבי-הלכת סביב השמש בתחילת המאה ה-17, חזר וקבע ש"האינסוף אינו מתקבל על הדעת". וכך, מאז ימי-קדם ועד לראשית המדע המודרני, התייחסו ליקום כאל חלל סגור וסופי מבחינת שיעור גודלו. הכוכבים היו משובצים בספירה גבישית נצחית, שמחוץ לה קיים רק אלוהים. האסטרונום הדני הגדול טיכו בראהה (Brahe) ניפץ בשנת 1572,
את מוסכמת הספירה הנצחית כשצפה ב"נובה", כוכב חדש שהתלקח ונעלם תוך כמה חודשים, והראה בכך שהחלל אינו בלתי משתנה, ופתח בכך את הדרך לתפיסה אינסופית שלו (אפילו בזמנים עתיקים צפו הסינים בתופעות של "נובה", אך הם פירשו אותם אחרת).
שאלת סופיותו או אינסופיותו של היקום ממשיכה להטריד את הקוסמולוגים ועדיין איננה פתורה. המבחן הקובע האם היקום סופי או אינסופי הוא צפיפות המסה הממוצעת ביקום. אם היא מעל גודל מסוים - היקום סופי, אך אם צפיפות היקום הוא מתחת לגודל זה - היקום אינסופי. ייתכן שהתשובה לבעיה תימצא בעשורים הקרובים. גם אם היקום סופי, הרי שהוא בלתי מוגבל.

ממה עשוי היקום?

99.999 אחוזים מנפח היקום הוא כנראה חלל ריק, או ואקום, המלא רק בשדות כבידה, בשדות אלקטרומגנטיים, וכן בקרינה אלקטרומגנטית (כגון אור נראה) שהיא למעשה שטף של פוטונים, בחלקיקים (כגון אלקטרונים ופרוטונים) ובאבק. במשך מאות שנים הניחו שהחלל חייב להיות מלא במשהו שקראו לו "אתר". לאחר שנתגלה, לפי כמאתיים שנים, שהאור הוא בעל תכונות גליות, הניחו שמדובר בגלים באתר, כשם שגלי קול נישאים באוויר.
(עד היום המשתמשים בביטוי המטעה - "גלי האתר" בעת שמדברים על שידורי רדיו...).
אך תיאוריית האתר הפכה חיש מהר לבעייתית. אם אכן הוא ממלא את החלל, ניתן לצפות שתנועת כדור-הארץ ביחס לחלל תגרום לזרימת האתר על פני כדור-הארץ ולהגברת מהירות האור הנע עם זרם האתר, ולהאטת מהירות האור הנע כנגד זרם האתר, ממש כשם ששחיין השוחה בנהר מתקדם מהר יותר כאשר הוא שוחה עם הזרם מאשר נגדו.
אפקט כזה נמצא בקול אך לא באור, ולאחר שמייכלסון ומורלי שהוכיחו בניסוי, ב-1887, שאין אתר, נאלצו מדענים להגיע לידי מסקנה שהאור אינו זקוק לתווך שישא אותו. עתה סבורים שאור הינו גל אלקטרומגנטי אשר אינו נישא על-ידי שום תווך חומרי, הוא נע בריק, ומהירותו קבועה ובלתי תלויה בתנועת מקור האור או במהירות נקודת התצפית בו. זו היתה, אולי, ההשערה המהפכנית ביותר של איינשטיין - ובוודאי שאינה מקלה עלינו את החיים.

הים הבלתי מוגבל

האתר, אם כך, אינו קיים; אבל בשנות ה- 30 הראה הפיסיקאי האנגלי פול דירק (Dirac) שהחלל (הריק) מלא למעשה ב"ים" אינסופי של מצבי אנרגיה (שליליים!), המתאימים ל"ים" אינסופי של אלקטרונים. לאלקטרונים אלו אין לאן לנוע, הם מפגינים את נוכחותם בעולם הרגיל שלנו, של מצבי האנרגיה החיוביים, בדרך אחת בלבד: כאשר נוצר "חור" בים זה על-ידי הוצאת אלקטרון אחד מתוכו, יתנהג ה"חור" יתנהג בדיוק כמו אלקטרון, אלא שהוא יהיה בעל מטען חשמלי הפוך. "חור" כזה אכן נתגלה והוא קרוי בשם פוזיטרון או אנטי-אל-טרון.
כאשר אלקטרון פוגש פוזיטרון, היינו נופל ב"חור" אשר בים מצבי האנרגיה השליליים, שניהם נעלמים, תוך שהאנרגיה שלהם הופכת לזוג פוטונים. תהליך זה מיושם בשנים האחרונות במחקר רפואי ובאיבחון באמצעות טכניקה הקרויה טומוגרפיית פליטת פוזיטרונים (Positron Emission Tomography). חומר רדיואקטיבי הפולט פוזיטרונים מוזרק לגוף ונספג באופן בררני (סלקטיבי), למשל בגידולים סרטניים. הפוטונים הנוצרים כתוצאה מהתנגשויות הפוזיטרונים באלקטרונים נקלטים בגלאים מיוחדים ויוצרים תמונה המעידה על מיקום הגידולים, על גודלם וטיבם. טכניקות ה- PET מיושמות גם במחקר חדש ורב עניין על פעילות חלקי המוח בתפקידיהם השונים.

החלל החיצון

לרבים מאיתנו, "חלל" פירושו החלל החיצון, המתחיל במקום שבו מידללת בהדרגה ומסתיימת אטמוספירת כדור-הארץ, וכתבות אחדות בחוברת זו דנות בדברים "שם בחוץ", כגון כוכבי-לכת, שביטים, וכן חקר החלל וניצול החלל בידי האדם.
ואולם חלל חיצון הינו גם המקום היחיד שבו אנו יכולים לנוע במהירות מספקת סביב האדמה (ללא חיכוך של האוויר המאט את התנועה), כך שמבחינת האסטרונאוט המצוי בחללית, הכוח הצנטריפוגלי, הפועל עליו בכיוון הפוך למרכז מעגל התנועה, מאזן את כוח הכבידה של כדור-הארץ, והוא מסוגל לרחף בכוח משיכה אפסי; ומאחר שאין חיכוך, אין צורך באנרגיה כדי להחזיק חללית או לוויין בתנועה סביב כדור-הארץ. אלה הם, אפוא, כלים נפלאים כדי לצפות באמצעותם בכוכבים ללא צעיף האטמוספירה של האדמה (וכך אמנם עושה טלסקופ החלל על שם האבל ועושות חלליות תצפית אחרות), וכן לצפות על פני כדור-הארץ ולהעביר תמסורות תקשורת וטלוויזיה.
לפעמים מרוב עצים אין רואים את היער, ואז יש צורך לעלות על פיסגת הר כדי לקבל תמונה רחבה. לוויינים בחלל ממפים עתה בעניין שבשיגרה את פני כדור-הארץ, אך לא רק את צורתה, אלא גם את תבניות מזג-האוויר, הטמפרטורה, מצב שכבת האוזון, תצפיות גיאולוגיות, אתרים ארכיאולוגיים, תפוצת יבולים חקלאיים, אסונות אקולוגיים וכיוצא באלה.

חללים ומרחב

כתבות אחרות בגיליון זה דנות במערות, בערים תת-קרקעיות ובחללים בתוך עצמות העופות, שהופכים אותן לקלות יותר. ארכיטקטים מייחדים זמן רב לעיצוב ולתיכנון חללים למגורים - בתוך בתים. קיים ענף מתמטי שלם העוסק, למשל, במילוי החלל בכדורים.
למילה חלל יש משמעויות רבות, ומרשים הדבר שלשונות אירופיות משתמשות באותה מילה במשמעויות שונות: החלל החיצון; חללים הפתוחים לרווחה; חללים ארכיטקטוניים; "מרחב המחיה" הנודע לשמצה באידיאולוגיה
ההיטטלראית; הרווחים שבין האותיות, ואפילו רווחי זמן. לעברית יש לפחות שתי מילים, למשמעויות אלה - "חלל" ו"מרחב" במילה חלל משתמשים לגבי נפחים מוגבלים כגון מערות ובתים, ובמילה מרחב משתמשים לגבי חללים פתוחים, ואולי האבחנה אינה ברורה די צורכה.

חלל מסוג אחר

כל אחד יכול ליצור את החלל שלו - בתוך מחשב. חללים קיברנטיים אלה המוצגים בצג המחשב, או באמצעות קסדה המיוחדת בתוכנות של מציאות מדומה - הם בדרך כלל תלת-ממדיים רק מפני שהם נוחים ונעימים לנו. על צג המחשב הם נראים כעולמות אמיתיים אפשריים, אף כי אדם יכול לשנות את החוקים של הפיסיקה בעולמות הללו כרצונו - למשל לסלק מהם את כוח הכבידה. במציאות המדומה אדם יכול להיכנס לחלל הקיברנטי ולסייר בו, כשם שאדם מסייר בעולם אמיתי, וזאת ביתר קלות ובפחות מאמץ, בלי לזוז מן הכיסא.
ובכן, תפסתי מספיק חלל בעיתון (או בזמנכם), לכן אניח לכם לקפוץ לתוך כל מיני החללים שגיליון זה דן בהם. אני מאחל לכם הנאה מרובה במסעי החלל שלכם.

ביבליוגרפיה:
כותר: לחיות בחלל
מחבר: הילמן, פיטר
תאריך: סתיו 1997 , גליון 16
שם כתב העת: כמעט 2000 : כתב עת למדע וטכנולוגיה
בעלי זכויות : האוניברסיטה העברית. המרכז להוראת המדעים ע"ש עמוס דה שליט
הוצאה לאור: האוניברסיטה העברית. המרכז להוראת המדעים ע"ש עמוס דה שליט; מוזיאון המדע החדש ע"ש בלומפילד
הערות לפריט זה: 1. תירגם מאנגלית: אברהם פלג.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית