החוקר ששיווק את
החורים השחורים

"חור שחור" הפך במרוצת השנים לאחד המושגים המפורסמים ביותר בתחום האסטרופיזיקה, עד כי נדמה שאין אדם עם השכלה בסיסית שלא מכיר אותו. רבים גם ידעו להסביר שמדובר בכוכב שכוח המשיכה שלו חזק עד כדי כך ששום דבר לא יכול להימלט משדה הכבידה שלו – אפילו לא אור. אולם כיום רק מעטים זוכרים את האיש שהפך את המושג למטבע לשון כל כך פופולרי גם מחוץ למגדל השן האקדמי.

גיבור סיפורנו הוא ג'ון ארצ'יבלד וילר (Wheeler), בנם של ספרן ועקרת בית, יליד 1911. משפחתו נדדה ברחבי ארצות הברית בעקבות עבודתו של האב, והילד ג'ון שימש "נסיין" של ספרים שעזר לספריות להחליט אם לרכוש אותם. כך התגלגלו לידיו שלל ספרי מדע עיוני ומדע שימושי – כל כך שימושי, שהוא הצליח לבנות במו ידיו מנעול קומבינציה, רובה ומחשבון שיודע לבצע רק חיבור, והכול מעץ. באחד מניסיונותיו ההנדסיים כמעט איבד את ידו עקב שימוש לא זהיר בדינמיט.

בגיל 16 החל את לימודיו באוניברסיטת ג'ונס הופקינס, ותוך חמש שנים בלבד כבר השלים את לימודי הדוקטורט. לאחר מכן המשיך לשתי עבודות פוסט-דוקטורט, האחת באוניברסיטת ניו יורק והשנייה באוניברסיטת קופנהגן תחת אחד מאבות מכניקת הקוונטים, הפיזיקאי היהודי-דני זוכה פרס נובל נילס בוהר (Bohr). 

נער סקרן, חובב קריאה וניסויים בבית, שהשלים את לימודי הדוקטורט בפיזיקה בגיל 21. ג'ון ארצ'יבלד וילר | איור: מיכל ברקהיים

הכול חלקיקים

ב-1937 קיבל משרת מרצה בכיר באוניברסיטת צפון קרוליינה, אך מאחר שרצה לעבוד לצד גדולי המומחים בפיזיקת חלקיקים, הוא עבר כעבור שנה לאוניברסיטת פרינסטון. בראשית שהותו בפרינסטון ביקר בוהר בניו יורק והשניים פרסמו את מאמרם המכונן על מודל הטיפה (Liquid Drop Model), המתאר את התלות של מסת האטום בכמות הפרוטונים והניטרונים שבו.

המאמר פורסם ב-1 בספטמבר 1939, ביום שבו גרמניה הנאצית פלשה לפולין והחלה מלחמת העולם השנייה. המועד הזה אירוני, עקב התפקיד המרכזי שהמאמר מילא ביצירת הבסיס התיאורטי שאִפשר את ביקוע הגרעין. ב-1945 הסתיימה המלחמה אחרי שבצעד דרמטי הטילה ארצות הברית פצצות גרעין שבנתה במסגרת פרויקט מנהטן, על הערים היפניות הירושימה ונגסקי.

גם בפרויקט מנהטן עצמו מילא וילר תפקיד משמעותי. הפיזיקאי האמריקאי הנודע ארתור קומפטון (Compton) הזמין אותו להצטרף לאחת משלוחות הפרויקט שהוקמה באוניברסיטת שיקגו לצורך למידת תכונותיו של הפלוטוניום, יסוד רדיואקטיבי כבד ששימש בהמשך בסיס לפצצת הגרעין. ואכן, בינואר 1942 הצטרף וילר לקבוצת המחקר של הפיזיקאי ההונגרי-אמריקאי ממוצא יהודי יוג'ין ויגנר (Wigner), שעסקה בתכנון כורים גרעיניים להפקת פלוטוניום.

בהמשך אותה שנה הועברה האחריות על הכורים הגרעיניים המוקדמים מצבא ארצות הברית לידי חברת האנרגיה דופונט (DuPont). וילר החל לעבוד בחברה, ובמסגרת תהליכי בניית הכורים והפקת הפלוטוניום נדד עם משפחתו הצעירה ברחבי ארצות הברית. בערוב ימיו הוא כינה את התקופה הזאת בחייו המקצועיים "הכול חלקיקים", עקב התמקדותו בשנים האלה בחקר אטומים וחלקיקים תת-אטומיים.

יש מי שמייחסים את ההתגייסות הבלתי מתפשרת שלו לפרויקט הגרעין למוטיבציה אישית-משפחתית. אחיו הצעיר ג'ו, שלחם בקווי החזית באיטליה וידע על מעורבות אחיו בפרויקט, כתב לו באחת הפעמים בתמציתיות מצמררת, "מהרו (Hurry up)", עקב דוחק השעה והמלחמה הקשה באירופה. באוקטובר 1944 ג'ו נהרג, והותיר אחריו רעיה ובת, שלימים נישאה לפיזיקאי ג'יימס הרטל (Hartle). מותו זעזע את ג'ון, ותחושת האובדן שליוותה אותו כל חייו עמדה בניגוד גמור לאישיותו הנלהבת והאופטימית.

וילר מילא תפקיד בפרויקט מנהטן והצטרף ב-1942 לקבוצת מחקר שעסקה בהפקת פלוטונים. פצצת ביקוע גרעיני "איש שמן" מהסוג שהופל על נגסקי באוגוסט 1945 | Los Alamos National Library, Science Photo Library

הכול שדות

אחרי המלחמה שב וילר לפרינסטון ועבר להתמקד בתורת היחסות הכללית. התיאוריה, שפרסם אלברט איינשטיין בשנת 1915, שינתה במידה ניכרת את האופן שבו אנו מבינים את היקום ודנה בין השאר באופן שבו הכבידה מעקמת את המרחב והזמן. השינוי הזה דרש מהפכה של ממש בפיזיקה, שבה עקמומיות המרחב-זמן תתפוס את מקומו של כוח הכבידה הניוטוני.

במסגרת מחקרו פיתח וילר גישה המכונה גיאומטרודינמיקה, שחיפשה דרכים לתאר כבידה באופן גיאומטרי לחלוטין. בנוסף, הוא שאף לפתח תיאוריה מאוחדת של תורת הקוונטים ותורת היחסות. בנושא הזה השיג וילר התקדמות מוגבלת בלבד, אם כי חשובה. ב-25 באוגוסט 1967 פרסם עם עמיתו ברייס דה-ויט (DeWitt) את משוואת וילר-דה ויט, שנחשבת לצעד חשוב אך לא מספק להגשמת המטרה. על המאמר היה חתום בפועל דה-ויט בלבד, אך הוא ציין כי מדובר בפרי שיחות משותפות של שניהם. החיפוש אחרי תיאוריה מאוחדת אחת, נחשב גם כעת לגביע הקדוש של הפיזיקה המודרנית. את התקופה הזאת בחייו כינה וילר בדיעבד "הכול שדות", מאחר שעיקר עיסוקו בה היה בשדות כבידה.

תלמידיו ועמיתיו של וילר. משמאל: יובל נאמן, ברייס דה-ויט, קיפ ת'ורן, 1972, בבית הספר הגבוה לפיזיקה בלז-אוש, צרפת | מקור: A.T. Service, Wikipedia

החור השחור

במהלך העבודה בתחום הכבידה נכנס וילר לעולמם של גופים כבדים ומסתוריים, שעקב המסה העצומה שלהם שום דבר לא יכול להימלט משדה הכבידה שלהם – לרבות אור, שדבר ביקום לא נע מהר ממנו. מאחר שהם לא פולטים אור, הם נראים שחורים לחלוטין, ואפשר לראות רק את השפעת הכבידה העצומה שלהם על סביבתם הקרובה. עקב כך קוראים להם כיום בשם הקליט "חורים שחורים".

בשל כובדם העצום, הגופים האלה ממלאים תפקיד מפתח בהבנת תורת היחסות הכללית, שכן הם מביאים לעיקום ממשי של המרחב-זמן סביבם. הזמן בקרבתם של הגופים הללו מאט יותר ויותר ככל שמתקרבים למרכזם. במרכז עצמו, המכונה סינגולריות (ייחודיות), הפיזיקה מנבאת שהזמן יעמוד במקום.

ידועים כיום כמה מנגנונים ליצירת חורים שחורים. חלקם נוצרים כשכוכבים בטווח מסות מסוים מגיעים לסוף חייהם וקורסים לתוך עצמם מכוח הכבידה העצמי שלהם. יש גם חורים שחורים קדמוניים שנוצרו כנראה בראשית היקום, כשכל החומר היה דחוס וצפוף במיוחד. מנגנון שלישי, שמביא ליצירת חורים שחורים המכונים "על-מסיביים", עדיין לא הובהר עד סופו.

עד 1967 לא היה שם אחיד ומקובל לתופעה הזאת, למרות המחקר הרב שהוקדש לה. בסדרת הטלוויזיה הפופולרית מסע בין כוכבים, למשל, קראו לזה "כוכב שחור". שם נוסף היה "כוכב קפוא". אך אז, באחת מהרצאותיו הפופולריות של וילר בנושא, זרק סטודנט שישב בקהל את השם "חור שחור". וילר, שהפגין חיבה יתרה למתן שמות ומושגים, הפך את השם הזה ל... כוכב. הוא החל להשתמש בו דרך קבע בפרסומיו המדעיים והפופולריים ובהרצאותיו, ועד מהרה השם נקלט.

לימים התברר כי המונח חור שחור כבר הופיע בפרסומי מדע פופולרי כמה שנים קודם לכן, ומיוחס לפיזיקאי רוברט דיקי (Dicke). האסטרופיזיקאי הונג-יי צ'יו (Chiu) סיפר כי בעיר כלכותה (כיום קולקטה) בהודו היה צינוק ידוע לשמצה, שכונה "החור השחור של כלכותה". הצינוק הזה העניק השראה לדיקי כשביקש לתאר קריסה של עצמים למעין כלא שאי אפשר לצאת ממנו.

מושג נוסף מוכר שטבע וילר היה "חור תולעת": קרע היפותטי במרחב-זמן שמאפשר מעבר ישיר בין נקודות רחוקות זו מזו. בשונה מהחורים השחורים, הנושא הזה תופס מקום שולי למדי במחקר האסטרונומי המקובל בימינו, אך שימש מקור השראה לשורה של סרטים, סדרות וספרים.

חוקר היחסות הכללית פרופ' ברק קול ממכון רקח לפיזיקה באוניברסיטה העברית מתאר את וילר כמופת ליצירתיות וסקרנות מדעית: "הבנתו העמוקה אפשרה לו ליצור שורה של מונחים ומטבעות לשון בתחום שזכו להתקבל בשפת המדענים, ובראשם מושג החור השחור, שהפך לאחד מהמושגים המדעיים המוכרים ביותר בתרבות בכלל. תכונתו זו של וילר מצדיקה להחשיב אותו בתור הקופירייטר הבולט ביותר בפיזיקה, בזמנו ומעבר לו". 

בעל הבנה עמוקה שאפשרה לו לטבוע מונחים ומטבעות לשון בתחום הפיזיקה, וזיכתה אותו בשורה של פרסים יוקרתיים במדע. ג'ון וילר ב-1985 | מקור: Emielke, Wikipedia

הכול מידע

עוד בחייו זכה וילר להערכה רבה כמדען, כמנחה וכמרצה. הוא העמיד דורות של תלמידים, שרבים מהם היו לשם דבר בפני עצמם. הבולט שבהם הוא ללא ספק ריצ'רד פיינמן (Feynman), אחד מגדולי הפיזיקאים של המאה ה-20. עם תלמידיו האחרים נמנים הפיזיקאי הישראלי יעקב בקנשטיין, שהגה את רעיון האנטרופיה של חורים שחורים, וחתן פרס נובל קיפ ת'ורן (Thorne). "וילר התבונן הרחק מעבר לגבולות הידע האנושי, ושאל שאלות שהדורות הבאים של הפיזיקאים יכלו לקחת ולפתור. הוא היה המנחה המשפיע ביותר שאי פעם הכרתי עבור מדענים צעירים", סיפר עליו ת'ורן.

וילר הטביע את חותמו גם על מושגי מכניקת הקוונטים, כשנתן את השם "סכום על היסטוריות" למשוואות הקרויות אינטגרלי פיינמן. במשך שנים התבססה מכניקת הקוונטים על תיאור מכני של תנועת האלקטרונים. פיינמן הציע נקודת מבט אחרת: במקום לבחון את הדינמיקה של חלקיק אחד ויחיד הוא בחר להסתכל על אוסף כל המסלולים האפשריים – ה"היסטוריות" – שיעבור האלקטרון מנקודת התחלה לנקודת סיום כלשהי. אם נסכום את כל ההיסטוריות יחד, נוכל להבין מהי התנהגותו הכוללת של האלקטרון כמעין אסופה של היתכנויות שונות.

בשנת 1976 יצא וילר לגמלאות מפרינסטון ומונה למנהל המרכז לפיזיקה תיאורטית באוניברסיטת טקסס באוסטין. הייתה זו תחילתו של השלב המחקרי השלישי בחייו, שאותו הוא כינה "הכול מידע", עקב התמקדותו בתחום המתמטיקה השימושית הקרוי "תורת המידע". בתקופה זו הציע כמה ניסויים מחשבתיים במכניקת הקוונטים, בהם ניסוי הבחירה המושהית שמעלה שאלות עקרוניות על טבעו של הפוטון. אלה הן תרומות נוספות שקשה להפריז בחשיבותן.

במהלך חייו זכה וילר בשורה ארוכה של פרסים יוקרתיים ובהם מדליית איינשטיין ופרס וולף. הספר "פיזיקה של מרחב-זמן", שנכתב עם אדווין טיילור (Taylor) ופורסם בשנת 1992, היה לקריאת חובה של סטודנטים לפיזיקה. "וילר בלט בין הפיזיקאים של המאה ה-20 בזכות החזון שלו – יכולתו הייחודית לזהות שאלות עמוקות ופוריות, וראייתו החודרת וארוכת הטווח", מסכם קול. "הוא זיהה שאלות עמוקות ויצר אסכולה שמילאה תפקיד מרכזי בתנופה המחקרית במהלך שנות ה-60 וה-70, המוכרת כתור הזהב בחקר החורים השחורים".

בשנת 2008, כשהוא שבע ימים ומעשים, הלך וילר לעולמו בגיל 96. רעייתו ג'נט נפטרה מעט לפניו, אחרי יותר משבעים שנות נישואין. הם היו הורים לשתי בנות ובן, שלושתם חברי סגל באקדמיה האמריקאית.