המודל שהסביר את תנועת כוכבי הלכת, ה"ספרייה" שמיינה את עולם החי והצומח, הטבלה שסיווגה את אבני הבניין של העולם, והפיזיקאים שאילפו את גן החיות של החלקיקים. המדע שעושה סדר במציאות

 
אולארצ'יק וסנדרסון אמנם לא ממש דייקו מבחינה היסטורית ומדעית בשיר המפורסם של להקת כוורת, אך בהחלט הצליחו לקלוע לאחדות מהשאלות שהעסיקו פילוסופים ומדענים במשך אלפי שנים. הם עסקו בהתפתחות תפיסת הזמן ("לא הבדילו בין מחר, שלשום ואמש"), במבנה היקום ("היו רבים איפה כדאי לשים ת'שמש") ובצורתה של הארץ. השאלות הללו ודומותיהן מסמלות את שאיפתו של האדם להבין איך העולם פועל.

אילו שאלות הטרידו אדם קדמון סקרן שחי לפני 10,000 שנה? השאלה הבסיסית ביותר הייתה כנראה מה יהיה לאכול מחר בבוקר, או איך לאחוז את השור בקרניו ולצאת מזה בחיים. אבל אחרי שסיפק את צרכיו הקיומיים לאותו יום, הוא הבחין בוודאי בהתנהגויות של העצמים המקיפים אותו.

מכאן נולדו שתי קבוצות של שאלות. האחת קשורה לגרמי השמיים הגדולים. למשל: איך השמש זזה? ומה בנוגע לכוכבים? מהי צורת הארץ? ואיך אפשר לדעת אם מחר בבוקר יירד גשם? הקבוצה השנייה שייכת לעולמם של הדברים הקטנים: איך אפשר לדעת אם צמח מסוים אכיל? האם אפשר למיין צמחים ובעלי חיים לקבוצות? האם יש אבני בניין יסודיות שמהן מורכב כל מה שסובב אותנו?

ייתכן מאוד שהתגובה הראשונית של האדם הקדמון הסקרן לשאלות הללו הייתה "איזה בלגן! אני לא מבין פה כלום, אבל לפחות אני יודע לצוד וללקט פירות וירקות, אז כנראה יהיה בסדר".

הבלגן הקדמון הזה ליווה את האנושות פחות או יותר עד למאה ה-16. הפילוסוף היווני אריסטו, שחי במאה הרביעית לפני הספירה, הציע הסברים מנומקים לחלק ניכר מהשאלות שהזכרנו, אך לימים התברר שהוא טעה בחלק ניכר מתשובותיו, והוליך שולל את אירופה כולה למשך כמעט אלפיים שנה. מאז ועד היום המדע עשה כברת דרך משמעותית בניסיון לעשות סדר בבלגן הקדמון. הכירו כמה מהמפעלים המדעיים שתרמו במיוחד למאמץ למצוא סדר בעולם.

כדור הארץ, השמש וראשית המהפכה המדעית

אלפי שנות תצפית בכוכבים הביאו להצטברות של ידע אסטרונומי עצום, שרבים ניסו לעשות בו סדר. עד המאה ה-16 התפיסה המקובלת הייתה שכדור הארץ נמצא במרכז היקום (התפיסה הגיאוצנטרית), והשמש וכוכבי הלכת מקיפים את כדור הארץ במסלולים מעגליים מושלמים. אולם ההסבר הזה למציאות, שאחד המייצגים העיקריים שלו היה כאמור אריסטו, פשוט לא הסתדר עם שתי תופעות שהיו ידועות כבר אז: העובדה שבהירותם של כוכבי הלכת אינה קבועה, ושחלק מכוכבי הלכת נעים מדי פעם לאחור בכיפת השמים. איך התצפיות האלו מתיישבות עם התפיסה הגיאוצנטרית?

גרסאות מאוחרות יותר של המודל הציעו פתרון פשוט לכאורה: הם הוסיפו למעגלים המושלמים של כוכבי הלכת מעגלי משנה, המכונים אפיציקלים. כדי להתאים את התצפיות האסטרונומיות עם התפיסה הגיאוצנטרית, נוספו למודל במשך השנים מעגלי משנה רבים, שהפכו אותו מסורבל מאוד. כאוס כבר אמרנו?

הראשון שהבין שמשהו עקרוני לקוי בתפיסה הגיאוצנטרית היה האסטרונום ניקולאוס קופרניקוס. קופרניקוס נולד בפולין בשנת 1473, ולצד הכשרתו המקצועית כאיש כנסייה עסק בזמנו החופשי בקריאת כתבים אסטרונומיים ובתצפיות אסטרונומיות. בהדרגה הוא הבין שהמודל הגיאוצנטרי פשוט לא מסתדר עם התצפיות, ולכן הציע הסבר חלופי: השמש נמצאת במרכז היקום, ולא כדור הארץ. בעזרת המודל הזה (המכונה "הליוצנטרי", כלומר "השמש במרכז") הוא הצליח להסביר בין השאר את התנועה לאחור של כוכבי הלכת בלי צורך במעגלי משנה. הוא טען שכדור הארץ עוקף את אותם כוכבי לכת בזמן שהוא מקיף את השמש, ולכן לצופה נדמה שהם נעים לאחור.

קופרניקוס ארגן את רעיונותיו בספר "על תנועתם של גרמי השמים", שראה אור סמוך למותו בשנת 1543. המודל שפיתח אמנם לא היה מדויק לכל פרטיו, אך תצפיות שביצע בראשית המאה ה-17 המדען האיטלקי גלילאו גליליי, בעזרת טלסקופ, סיפקו ראיות חותכות לכך שקופרניקוס צדק. קצת לפניו האסטרונום הגרמני יוהנס קפלר, שהתבסס על תצפיות שערך טיכו ברהה, פרסם חוקים שמתארים את תנועת גרמי השמיים, ולפיהם כוכבי לכת נעים במסלול אליפטי, ולא במעגל מושלם. התפיסה של קופרניקוס קיבלה אישוש נוסף מקיף יותר כשאייזק ניוטון גילה את חוקי הכבידה.

לדעת רבים, השינוי התפיסתי שהציע קופרניקוס הניח את התשתית למהפכה המדעית. קופרניקוס לקח תפיסה מדעית מקובלת, בחן אותה לאור נתונים שהוא ואחרים אספו והבין שאין ברירה אלא לעדכן את התפיסה המדעית כך שתתאים לנתונים. על כן, פרסום המודל ההליוצנטרי לא רק העלה את האסטרונומיה על הדרך הנכונה ליצירת סדר בכאוס הגדול של הכוכבים, אלא גם סלל את הדרך להתקדמות ההבנה שלנו בתחומי ידע רבים נוספים.

תרשים של המודל הגיאוצנטרי ובו השמש (SOLIS) היא אחר הגופים החגים סביב הארץ | מקור: Science Photo Library
תרשים של המודל הגיאוצנטרי ובו השמש (SOLIS) היא אחר הגופים החגים סביב הארץ | מקור: Science Photo Library

מיון עולם החי

באחת השבתות האחרונות יצאתי עם בני הבכור לגן המשחקים עירוני וביקשתי שימצא כמה שיותר עצי פרי שונים. העץ הראשון שהוא מצא היה לימון, שאותו זיהה על פי הפרי המוכר לו היטב. לאחר מכן ראינו עץ נוסף, עם פרי צהוב בצורה אחרת. בתחילה בני טען שמדובר בעץ אגסים. מדוע? מכיוון שצורתו של הפרי הזכירה אגס. לאחר מכן שינה את דעתו וטען ששוב מדובר בלימון, מכיוון שהפרי צהוב. אולם, ה"אגסים" וה"לימונים" על העץ היו גדולים מאוד, והתברר בהמשך שאלה היו פומלות.

האתגר הקטן שהצבתי בפני בני בן החמש בשבת אחר הצהריים, ממחיש את האתגר העצום שניצב בפני כל מי שניסו למיין ולסווג את מיני הצמחים ובעלי החיים המוכרים להם.

אחד הדברים הראשונים שעלינו לעשות כשאנחנו מנסים להבין איך העולם עובד הוא לקבוע בו כללים ולסדר אותו לקבוצות. דמיינו למשל שאתם רוצים לפתוח ספרייה. כדי שתהיה יעילה, לכל כותר צריך להיות שם ברור, והספרייה צריכה להיות מסודרת לפי כללים ברורים. אחרת לא נוכל למצוא בה ספרים בקלות ולהוסיף אליה ספרים חדשים. אבל איך תסדרו אותה? לפי שם המשפחה של המחבר? לפי גיל הקוראים? צבע הכריכה? גודל הספר? השפה שבה נכתב?

לכאורה אין לכך תשובה אחת נכונה. אבל כל עוד הכללים ברורים ומוגדרים היטב לקוראים המיועדים, אפשר להסתדר.

הבעיה עם עולם החי היא שמדובר ב"ספרייה" עם מיליוני פריטים, שהקוראים שלה לא תמיד הסכימו אפילו לגבי שמות הפריטים שבה. למשל, במהלך המאות ה-16 וה-17, כשארצות חדשות התגלו לאירופאים, נחשפו בפני הקהילה המדעית שלל בעלי חיים וצמחים שלא היו מוכרים עד אז. אך חוקרים ממדינות שונות נתנו לפריטים החדשים שמות שונים, וכך נוצר מצב שלאותו פריט היו כמה שמות. חוסר האחידות הזה איים ליצור כאוס מוחלט. בעיה אחרת הייתה שגם כשכבר הסכימו על השמות, פשוט לא היו שום כללים לאופן שבו ניתן לסדר את עולם החי והצומח.

הראשון שפיתח שיטה מדעית לסיווג עולם החי והצומח היה הבוטנאי השוודי קרל לינאוס (Linnaeus), שנולד ב-1707. מגיל צעיר התעניין לינאוס בצמחים ובגיל חמש כבר הכיר בעל פה את שמם הלטיני של אלפים מהם. מכיוון שלא היו בזמנו לימודי בוטניקה באוניברסיטה, הוא נרשם ללימודי רפואה באוניברסיטת אופסלה, מתוך כוונה להתמקד בצמחי מרפא. במהלך טיול בגן הבוטני של האוניברסיטה פגש את אולוף צלזיוס, דודו של אנדרס צלזיוס שפיתח את סולם הטמפרטורות הקרוי על שמו. צלזיוס התרשם מאוד מהידע הבוטני הרחב של לינאוס והפך לפטרונו האקדמי. בעידודו הפך לינאוס למומחה בלתי מעורער בתורת הצמחים.

כשהוא מצויד בידע בוטני רחב היקף פרסם לינאוס בשנת 1735 את המהדורה הראשונה של ספרו "מערכת הטבע" (Systema Naturæ). הוא הציג בו לראשונה שיטה חדשה לסיווג עולם החי בצורה היררכית. לפי שיטתו, כל האורגניזמים מחולקים לממלכות, שכל אחת מהן מתחלקת למערכות, ובהמשך למחלקות, סדרות, משפחות, סוגים ומינים. הלימון, למשל, שייך לממלכת הצומח, למערכת בעלי הפרחים, מחלקת הדו-פסיגיים, סדרת הסבוננאים, משפחת הפיגמיים, סוג ההדרים והמין לימון. השם המדעי של כל פריט נקבע לפי מינו וסוגו. לכן, השם המדעי של הלימון הוא Citrus limon. שיטת מתן השמות הזאת נקראת בינומלית (שני שמות).

שיטת הסיווג שפיתח לינאוס עשתה סדר בכאוס ששרר בעולם החי והצומח, ואפשרה להוסיף למערכת הסיווג גם צמחים ובעלי חיים חדשים. בנוסף, היא  מנעה את המצב הבעייתי שבו לפריט מסוים יש כמה שמות שונים. כיום, כשחוקר מגלה מין חדש, הוא בוחר את שמו ומשייך אותו לסוג המתאים לפי כללים ברורים.

הסדר שלינאוס יצר בעולם הטבע הניח את התשתית להתפתחויות חשובות אחרות במדע, בהן האבולוציה והגנטיקה.

סדר בטבע. מיון הקבוצות של בעלי החיים בטבלה של לינאוס מ-1735 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל
סדר בטבע. מיון הקבוצות של בעלי החיים בטבלה של לינאוס מ-1735 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל

הטבלה המחזורית של היסודות

אז עשינו סדר בתנועת גרמי השמיים ובממלכות החי והצומח, אבל עוד לא גילינו ממה הם מורכבים. האם יש יחידות קטנות בסיסיות שמהן מורכב כל החומר ביקום? אריסטו ובני תקופתו סברו שכן, ושהעולם מורכב מארבעה יסודות בלבד: אוויר, אש, מים ואדמה. התפיסה הזאת משלה בכיפה מאות שנים, עד שבמהלך המאה ה-18 החלו מדענים לגלות רכיבים קטנים יותר. בעקבות שורה של מחקרים על תכונותיהם הפיזיקליות של גזים שונים המדען האנגלי ג'ון דלטון טען לראשונה מאז ימי יוון העתיקה שהעולם מורכב מאטומים – כלומר יחידות קטנות ביותר שאינן ניתנות לחלוקה.

בשנת 1808 פרסם דלטון טבלה שבה הוא סידר את עשרים היסודות שהכיר וציין ליד כל אחד את משקלו יחסית לאטום הקל ביותר - המימן.

במהלך המאה ה-19 התגלו יסודות רבים נוספים, אך איש לא הצליח לסדר אותם בצורה הגיונית. אם רוצים לסווג בעל חיים חדש, אפשר להסתכל עליו, לבדוק כמה רגליים יש לו, האם הוא יונק, מה גודלו וכן הלאה. אבל איך נאפיין יסודות? האטומים זעירים ואי אפשר לראות אותם בעין בלתי מזוינת, אך אפשר ללמוד את תכונותיהם בדרכים עקיפות: למשל כמה שוקל אטום מסוים? האם  הוא יוצר תרכובות עם אטומים אחרים? מה מצב הצבירה שלו בטמפרטורת החדר?

הראשון שהצליח לעשות סדר אמיתי בבלגן האטומי הזה היה הכימאי הרוסי דמיטרי מנדלייב. הוא יצר ב-1869 טבלה חדשה שבה סידר את 63 היסודות שהכיר על פי המשקל של כל אטום יחסית לאטום המימן ועל פי תכונות כימיות נוספות. בשונה מקודמיו הוא גם השכיל להשאיר בטבלה מקומות פנויים ליסודות שהוא לא הכיר אך צפה שיתגלו בהמשך. במרוצת השנים כל החורים הללו התמלאו, וכיום טבלת היסודות המלאה כוללת 118 אטומים שונים.

הטבלה המחזורית של היסודות משמשת עד היום להצגה כוללת וסדורה של כל היסודות המוכרים בטבע. לפי מקומו של כל אטום בטבלה אפשר לדעת רבות מתכונותיו. למשל כל האטומים בעמודה השמינית של הטבלה המחזורית הם גזים אצילים שאינם מגיבים עם אף אטום אחר. הטבלה מכילה מידע רב נוסף על כל אטום – כמה פרוטונים יש לו בגרעין (המספר האטומי שלו), מה משקלו הממוצע (המשקל האטומי) וכמה אלקטרונים מקיפים את גרעין האטום. למעשה, אף על פי שמנדלייב כלל לא היה מודע לקיומם של חלקיקים קטנים יותר מאטום, הטבלה המחזורית הייתה מודל מוצלח עד כדי כך שכשנודע בהמשך על קיומם של החלקיקים התת-אטומיים, המידע החדש השתלב בה בצורה מושלמת.

סדר בטבע. מיון הקבוצות של בעלי החיים בטבלה של לינאוס מ-1735 | מקור: ויקיפדיה, נחלת הכלל
הראשון שהצליח לעשות סדר אמיתי בבלגן האטומי של היסודות. דמיטרי מנדלייב | מקור: Science Photo Library

המודל הסטנדרטי של הפיזיקה הגרעינית

בראשית המאה ה-20, בזכות עבודתם של הפיזיקאים ג'יי ג'יי תומסון (Thomson), ארנסט רת'רפורד (Rutherford), נילס בוהר (Bohr) ואחרים, החל להיווצר הרושם שאנו מבינים לא רע את מבנה האטום. המודל העדכני קבע שבמרכז האטום נמצא גרעין המורכב משני סוגים של חלקיקים כבדים – פרוטונים בעלי מטען חשמלי חיובי וניטרונים חסרי מטען. את הגרעין מקיפים אלקטרונים – חלקיקים בעלי מטען שלילי שמסתם נמוכה בהרבה מהחלקיקים שבגרעין.

אולם בשנת 1928 צץ סימן ראשון לקיומה של בעיה במודל. הפיזיקאי האנגלי פול דיראק (Dirac) פיתח משוואה שתיארה במדויק תכונות פיזיקליות של האלקטרון. להפתעתו, המשוואה שלו קבעה שצריך להיות חלקיק נוסף, הדומה לאלקטרון בכל תכונותיו פרט לכך שמטענו החשמלי חיובי. החלקיק הזה כונה "פוזיטרון", על שם מטענו החשמלי החיובי. בהמשך התברר כי החלקיק הזה אכן קיים, ועם התפתחותם של מאיצי חלקיקים, עד שנות ה-60 כבר התגלו עשרות חלקיקים תת-אטומיים חדשים, במה שדמה למעין "גן חיות של חלקיקים". קיומו של גן החיות הזה הטריד פיזיקאים רבים, והם ניסו למצוא חוקים פשוטים שיסבירו איך הוא מסודר.

בשנת 1964 הציעו בנפרד הפיזיקאי היהודי-אמריקאי מארי גל-מן (Gell-Mann) והפיזיקאי הישראלי יובל נאמן הסבר חדש. לפי גישתם, חלקיקי החומר הגדולים מורכבים ממספר מצומצם של אבני בניין זעירות שנקראות "קווארקים". כשקווארקים מסוגים מסוימים מתחברים הם יכולים ליצור לא רק חומר, אלא גם כוחות שפועלים בין חלקיקי החומר. גל-מן זכה על העבודה בפרס נובל בפיזיקה, אך נאמן קופח.

ההסבר הזה עבר עם השנים שדרוגים ועדכונים, וכיום מקובל להסביר את גן החיות של החלקיקים בעזרת המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. באופן קצת פשטני אפשר לומר שיש שני סוגים בסיסיים של חלקיקים: פרמיונים שמרכיבים את החומר, ובוזונים שנושאים את הכוחות שפועלים בין פרמיונים. בהתאם לכך, האלקטרון, שמקיף את גרעין האטום, הוא פרמיון, ואילו הפוטון – חלקיק אור – הוא בוזון.

אחד הבוזונים המרכזיים במודל הסטנדרטי הוא בוזון היגס, שלפי תחזיותיו של הפיזיקאי הבריטי פיטר היגס (Higgs) אמור להיות אחראי לכך שלחומר יש מסה. בשנת 2012 תחזיותיו של היגס אומתו, כשחוקרים במאיץ החלקיקים CERN בשווייץ הוכיחו את קיומו של בוזון היגס. כעבור שנה חלק היגס את פרס נובל בפיזיקה עם הפיזיקאי הבלגי  פרנסואה אנגלרט (Englert) על "תרומתם להבנת מקור המסה בחלקיקים תת-אטומיים".

המודל הסטנדרטי מצליח להסביר תכונות רבות של חלקיקים תת-אטומיים, וגם את הכוחות הפועלים בין החלקיקים. "העבודה שעשיתי, וקצת יותר מאוחר הגיע אליה גם גל-מן, דומה למה שעשו מנדלייב בכימיה ולינאוס במדעי החיים – מציאת סדר בים מצטבר של פריטים שנתגלו בניסויים, ללא תמונה עיונית", סיפר נאמן לימים. למרות הצלחתו המרשימה של המודל בהכנסת סדר בכאוס ששרר בגן החיות של החלקיקים, המודל הסטנדרטי אינו שלם. למשל, הוא עדיין אינו מסביר את קיומו של החומר האפל, שמרכיב כנראה כ-85 אחוז מהיקום.

ממשיכים לחפש סדר

עבודתם של מדענים מורכבת במידה רבה מלנסות למצוא חוקים שמתארים תופעות הקיימות ביקום. ההישגים המשמעותיים שסקרנו כאן אכן תרמו רבות ליצירת סדר בתחומים רבים במדע. ועדיין, ככל שהידע שלנו מתרחב אנחנו מגלים כמה מעט אנחנו באמת מבינים. על כן המשימה המדעית שהעסיקה כבר את האדם הקדמון – ליצור סדר מתוך הכאוס – רלוונטית גם היום, יותר מאי פעם.

בהכנת הכתבה נעזרתי בפודקאסט "עושים היסטוריה" של רן לוי, שעסק בקרל לינאוס ובקווארקים.

3 תגובות

  • לביא

    תודה!

  • אנונימי

    תורות

    הכתבה מציגה באופן יפה את המטרה של התורה המדעית:לתת מסגרת מסודרת לתופעות הטבע ו להסביר אותן באופן עקבי ומאוחד על ידי מספר עקרונות בסיסיים.

  • לביא

    תודה!