האסטרונום שהמציא
את המעלות

בעיר אופסלה בשבדיה, כ-70 קילומטר מצפון לסטוקהולם, נולד היום בשנת 1701 אַנְדֶרְשׁ צלזיוס (Celsius), נצר למשפחת מדענים, שגדל להיות מדען דגול בעצמו. כיום כמעט כל אחד בישראל, וברוב מדינות העולם, מכיר את שמו בזכות סולם מדידת הטמפרטורה המפורסם והשימושי שהוא פיתח. רק מעטים יודעים שצלזיוס עצמו כלל לא הכיר את הסולם המיוחס לו כיום, שכן הוא הגה אותו במבנה דומה אבל הפוך: 0 מעלות נקבעו כטמפרטורת הרתיחה של המים, ו-100 מעלות כנקודת הקיפאון. כך שככל שהטמפרטורה עולה, המעלות דווקא יורדות.

היום בשנת 1701 נולד אַנְדֶרְשׁ צלזיוס | ויקימדיה, Olof Arenius

כבן לאבא אסטרונום, ונכד לשני סבים שעסקו במתמטיקה ובאסטרונומיה, דרכו של אנדרש הצעיר לקריירה מדעית הותוותה לו מגיל צעיר. כבר בילדותו הפגין כישרון מתמטי ניכר, וכשגדל למד אסטרונומיה, מתמטיקה ופיזיקה באוניברסיטת אופסלה, ואף נבחר למזכיר האגודה המדעית שלה. בגיל 29 כבר נכנס לנעלי אביו ומונה למשרת הוראה ומחקר באסטרונומיה באותה אוניברסיטה. שנתיים לאחר מכן יצא למסע של ארבע שנים, שבמהלכו ביקר כמעט בכל מצפי הכוכבים הבולטים והחשובים באירופה, ועבד לצד רבים מגדולי האסטרונומים של תקופתו.

בין השאר חקר צלזיוס בתקופה הזאת את תופעת הזוהר הצפוני, או זוהר הקוטב. במהלך התצפיות הרבות שערך עם עוזרו אוֹלוֹף היורטר (Hiorter) הוא הבחין בדפוס יוצא דופן. ככל שהזוהר בשמיים היה חזק יותר, כך היו יותר הפרעות במצפן שלו, והמחט התקשתה למצוא את מקומה. מכאן הוא הסיק שתופעת הזוהר הצפוני קשורה לעוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ. היום אנחנו יודעים שצלזיוס צדק, ושזוהר הקוטב נוצר כשחלקיקים בעלי מטען חשמלי שמקורם ברוח השמש מגיעים לכדור הארץ במהירות גדולה מאוד. חלקיקים טעונים שנמצאים בתנועה מושפעים משדה מגנטי,  וכך השדה המגנטי של כדור הארץ מנתב אותם אל קטבי המגנט: הקוטב הצפוני והקוטב הדרומי. 

צלזיוס חקר בין שאר נושאים את זוהר הקוטב, והסיק שהתופעה קשורה לעוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ. זוהר הקוטב מעל כנסייה באיסלנד | Shutterstock, Sphototop

בין שמיים לארץ

בימינו נראה ברור שאסטרונומים ימקדו את מבטם אל השמיים, הרחק מכדור הארץ. אבל במאה ה-18 פני הדברים היו שונים ורבים מהאסטרונומים עסקו באופן שגרתי לגמרי גם במדידות גיאוגרפיות ובתצפיות מטאורולוגיות. זה מה שעשה גם צלזיוס אחרי שובו מסבב מצפי הכוכבים באירופה, כאשר הצטרף ב-1736 למשלחת המחקר שהוביל האסטרונום הצרפתי פייר לואי מופרטו (Maupertuis) ללפלנד, בצפון שבדיה.

מטרת המשלחת הייתה לבצע מדידות של כדור הארץ כדי לקבוע את צורתו – כלומר להכריע אם כדור הארץ הוא כדור מושלם. המשלחת ערכה את מדידותיה בקרבת הקוטב הצפוני, והנתונים שאספה הושוו לאלה של משלחת אחרת שערכה מדידות דומות באקוודור, סמוך לקו המשווה. לאחר כשנה של מדידות בקור חודר העצמות של החוג הארקטי, הגיעו החוקרים למסקנה שכדור הארץ אינו כדור מושלם, ובכך איששו את קביעתו של מגלה חוק הכבידה אייזק ניוטון, שקבע כי כדור הארץ פחוס יותר בקטביו וצורתו אליפטית.

צלזיוס הצטרף למשלחת המחקר שהוביל האסטרונום הצרפתי פייר לואי מופרטו ללפלנד, כדי לקבוע את צורתו של כדור הארץ. ציור של המשלחת מבצעת מדידות | Sheila Terry / Science Photo Library

השתתפותו במשלחת העניקה לצלזיוס מעמד מכובד ופרסום רב בשבדיה, שהוא ידע לנצל כדי לשכנע את הממשלה להקים מצפה כוכבים מודרני באופסלה. ואכן, בתוך חמש שנים נחנך מצפה הכוכבים, שצלזיוס איבזר במכשירים מתקדמים שרכש במהלך מסעותיו.

במשך השנים ערך צלזיוס תצפיות רבות על גרמי שמיים. הוא פיתח שיטה פוטומטרית למדידת עוצמת אור הכוכבים, וקטלג בקפידה את נתוניהם של מאות כוכבים. כדי למדוד את עוצמת האור של הכוכבים הוא נעזר בלוחות זכוכית שקופים זהים. הוא צפה בכוכב דרך הלוחות, והשווה את עוצמת אורם של הכוכבים לפי מספר לוחות הזכוכית שנדרשו להסתרתם המלאה. למשל כדי לכבות את סיריוס, הכוכב הבהיר ביותר בשמים, הוא נזקק לכמות נכבדת של 25 לוחות זכוכית.

ב-1741 נחנך מצפה הכוכבים באופסלה, שצלזיוס איבזר במכשירים מתקדמים שרכש במהלך מסעותיו. ציור שמראה את ביתו של צלזיוס, עם מצפה הכוכבים על הגג | ויקימדיה, JavierMC

מן החם אל הקר

בחג המולד של שנת 1741, כל תושבי אופסלה היו עסוקים בפתיחת מתנות סביב האח הבוערת ובצפייה בשלג שנערם ברחובות. כולם פרט לצלזיוס. בערב החגיגי הזה הוא ערך את התצפית הראשונה שלו בעזרת מד הטמפרטורה החדש שהגה במהלך התצפיות המטאורולוגיות שלו.

עבור מד הטמפרטורה שלו בחר צלזיוס שתי נקודות ייחוס קלות למדידה – טמפרטורת הרתיחה של מים שבה הנוזל הופך לגז, כלומר לקיטור, וטמפרטורת הקיפאון של המים, שבהם הם הופכים מנוזל למוצק, כלומר קרח. משמדד את הנקודות האלה באמצעות מדחום כספית, הוא העניק להן את הערכים 0 ו-100, חילק את הטווח ביניהן למאה מרווחים זהים וכך קבע מה גודלה של המעלה. הבחירה לא היתה מקרית – צלזיוס חיפש נקודות ייחוס שתהיינה טבעיות ואחידות ככל האפשר. אומנם טמפרטורת הרתיחה של המים משתנה כתלות בלחץ האוויר, אך בגובה פני הים היא תהיה תמיד אותה טמפרטורה, או קרוב אליה מספיק בשביל שמכשירי המדידה של אותם ימים לא יוכלו להבחין בהבדל. בסולם המקורי של צלזיוס, 0 ציין את  נקודת הרתיחה של המים, ו-100 את נקודת הקיפאון. לא, אין פה טעות. צלזיוס חשב שזו תהיה הדרך הנוחה ביותר, משום שבחורף השוודי קר מאוד והוא העדיף להימנע משימוש יומיומי בערכים שליליים של מעלות.

בחג המולד ערך צלזיוס את התצפית הראשונה שלו בעזרת מד הטמפרטורה החדש שהגה. התרמומטר המקורי של צלזיוס באופסלה | Scandinavie 2012, CC BY-NC-SA 2.0, flickr

בתקופה ההיא עדיין היו בשימוש סולמות רבים למדידת טמפרטורה, שכל אחד מהם התבסס על נקודות ייחוס אחרות ועל יחידות מידה שונות. סולם ראומיר, שהיה אחד הסולמות הנפוצים יחסית, נבנה כך ש-0 מעלות ראומיר ייצגו את נקודת הקיפאון של המים, אך נקודת הרתיחה הוגדרה בו דווקא כ-80 מעלות. בסולם פרנהייט, שנמצא בשימוש גם בימינו, נקבעו במקור שתי נקודות ייחוס: הראשונה היא טמפרטורת ההתכה של תערובת של מלח וקרח ביחס שווה, שנקבעה כ-0 מעלות, והשנייה  היא טמפרטורת הגוף של אדם בריא, שנקבעה בתחילה כ-90 מעלות ולאחר מכן כ-96. אלא שלפרנהייט הייתה רק הערכה גסה למדי של טמפרטורת הגוף, והיום היא מוערכת כ-98.6 מעלות פרנהייט - המקבילה ל-37 מעלות צלזיוס.

ריבוי הסולמות שהיו בשימוש בתקופה ההיא הקשה מאוד להשוות בין מדידות שונות, בהיעדר אחידות. בהדרגה תפס סולם צלזיוס את הבכורה ברוב חלקי העולם, כנראה משום שהיה פשוט ונוח יותר לשימוש ממתחריו. תרמו לכך החלוקה של הטווח בין שתי נקודות הייחוס למאה מעלות – מספר נוח לשימוש בשיטה העשרונית, והשימוש בתכונות בסיסיות של מים, שהם משאב זול וזמין.

בניגוד לבחירתו המקורית של צלזיוס, היום כולנו משתמשים בסולם צלזיוס בצורתו ההפוכה – אפס היא נקודת הקיפאון של המים ומאה היא נקודת הרתיחה. הצורה הזו התקבלה רק לאחר מותו של אנדרס, והוביל אותה הבוטנאי השבדי קרולוס לינאוס (Linnaeus), שלפי התיעוד הקיים היה בין הראשונים שהשתמשו בסולם ההפוך שאנו מכירים כיום, כשנעזר בו לתיעוד הטמפרטורה בחממה שלו.

הסולם גם לא נקרא  מיד על שמו של צלזיוס. בערך במאתיים השנים הראשונות לקיומו נהגו לקרוא לו "סולם מאה המעלות" (Centigrade). אך השם הזה היה בעייתי מאחר שבחלק מהשפות האירופיות, כגון ספרדית וצרפתית, נמצאת בשימוש מילה דומה שפירושה יחידת מידה של זווית. בשנת 1948 החליטו הוועדה הבינלאומית למידות ומשקלות להעניק לסולם הטמפרטורה את השם "צלזיוס" ולסמן כל מעלה באות C°. במדע נהוג כיום להשתמש דווקא בסולם קלווין, שמבוסס על סולם צלזיוס, אך מתחיל באפס המוחלט, כך שנקודת הקיפאון של מים בו היא 273.15 מעלות, ולא אפס. כך נמנע לחלוטין השימוש במעלות שליליות.

מדחום צלזיוס הראשון:

אנדרש צלזיוס לא זכה לחזות בהצלחת הסולם שהגה. באפריל 1744 הוא מת משחפת, בגיל 42 בלבד. הוא נקבר סמוך לקברו של סבו, מגנוס צלזיוס, בכנסייה באופסלה, עיר הולדתו ומגוריו.