המתמטיקאי שהבין את הכוכבים

סיפור ידוע בעולם הפיזיקה גורס כי בסיומו של כינוס מדעי של החברה המלכותית הבריטית, הפיזיקאי הפולני לודוויק סילברסטיין (Silberstein), שראה בעצמו מומחה לתורת היחסות ואף חיבר ספר בנושא, ניגש אל האסטרונום ארתור אדינגטון (Eddington), ואמר לו "פרופסור אדינגטון, אתה כנראה אחד משלושת האנשים היחידים בעולם שמבינים את תורת היחסות". כשאדינגטון התבונן בו בלי להשיב, אמר סילברסטיין "אל תצטנע", ואדינגטון השיב "להיפך. אני מנסה לחשוב מיהו האדם השלישי". 

הסיפור הזה, בין אם התרחש ובין אם לאו, אולי לא מתאר נאמנה את אופיו של אדינגטון, שלא היה ידוע דווקא בשחצנות, אבל כן היה אדם בעל חוש הומור. ובעיקר, הוא היה פיזיקאי שלא רק הבין את היחסות של איינשטיין, אלא גם היה הראשון שסיפק לה הוכחה תצפיתית, לצד עבודות פורצות דרך באסטרונומיה, וספרים שהשפיעו רבות על בני תקופתו, בהם גם מדענים חשובים. 

שני אנשים שבלי שום ספק מבינים את תורת היחסות. אדינגטון ואיינשטיין | Royal Astronomical Society

מתמטיקה ואסטרונומיה

ארתור סטנלי אדינגטון נולד ב-28 בדצמבר 1882 בצפון מזרח אנגליה. אביו, שהיה מנהל בית ספר, מת מטיפוס כעבור שנתיים, והאם נותרה לגדל לבדה את ארתור ואת אחותו הגדולה. כבר מילדות גילה אדינגטון נטייה למתמטיקה, כשהחליט לנסות לספור את המילים בתנ"ך. בהמשך שילב את המתמטיקה עם תחום עניין נוסף, אסטרונומיה, וניסה לספור את הכוכבים בשמיים. הוא היה תלמיד מצטיין, בעיקר בלט במתמטיקה ובספרות אנגלית, וכשסיים את לימודיו קיבל מלגה למכללת אוונס, שתהפוך לימים לאוניברסיטת מנצ'סטר. שם החל בלימודים כלליים, אך עד מהרה בחר בפיזיקה. בגיל 20 יצא משם עם תואר ראשון בהצטיינות ומלגה מלאה ללימודי המשך באוניברסיטת קיימברידג'. הוא סיים בהצטיינות את התואר השני ב-1905, לאחר שהיה לסטודנט הראשון בהיסטוריה שכבר בשנת הלימודים השנייה שלו  נבחר למצטיין האוניברסיטאי במתמטיקה. 

לאחר התואר החל לעסוק במחקר בפיזיקה, והתמקד בפליטה תרמיונית – החלקיקים הטעונים שנפלטים מאלקטרודה לוהטת בשל אנרגיית החום. ואולם, ייעודו המדעי השתנה כעבור זמן קצר, כשהתפנה תפקיד של עוזר בכיר לאסטרונום המלכותי הבריטי בגריניץ'. אדינגטון עבר למצפה הכוכבים שליד לונדון, ולצד העבודה השוטפת של המוסד – כמו תצפיות שנועדו לחשב את מידת העיוות האטמוספרי והשפעתו על דיוק הטלסקופים – ביצע גם מחקר משלו. עבודתו התמקדה בשנים הראשונות בתחום תנועת הכוכבים, שהיה אז בחזית האסטרונומיה. בזכות הרקע המתמטי החזק שלו הוא פיתח כלים סטטיסטיים לחקר התנועה של כוכבים רחוקים, הישג שזיכה אותו ב-1907 בפרס סמית היוקרתי מטעם אוניברסיטת קיימברידג'. בעקבות הפרס הגיעה גם משרת מחקר באוניברסיטה. עד 1912 חילק אדינגטון את זמנו בין האוניברסיטה לתפקידו בגריניץ', ולאחר מכן התמסר לאקדמיה. 

ב-1914 פרסם את ספרו הראשון, תנועות הכוכבים ומבנה היקום. בספר הוא סיכם לא רק את עבודתו שלו, אלא את הידע המדעי העדכני בנושא, והציג את אחת התכונות שילוו אותו לכל אורך הקריירה: היכולת להציג נושאים מדעיים מורכבים בצורה ברורה, גם לקהל רחב. 

ב-1915, לאחר שפרסם עוד כמה מאמרים על תנועות כוכבים והתפלגויות המהירות שלהם, הוא החל להתמקד בשני נושאים עיקריים: היחסות הכללית והמבנה הפנימי של כוכבים. שני התחומים לא היו קשורים ישירות זה לזה, והוא התייצב בחזית המחקר בשניהם. 

החל להתמקד בשני נושאים עיקריים: היחסות הכללית והמבנה הפנימי של כוכבים. ארתור אדינגטון | ויקימדיה,  Smithsonian Institution Libraries

האור המתעקם

ב-1915 חולל אלברט איינשטיין את אחת המהפכות הגדולות בפיזיקה, עם פרסומה של תיאוריית היחסות הכללית. אחרי שהראה ביחסות הפרטית שהמרחב והזמן הם גמישים, חיבר אותם איינשטיין זה לזה ותיאר את היקום כיישות אחת שאותה הוא כינה מרחב-זמן. לפי היחסות הכללית, הכבידה של גוף היא עיוות במרחב-זמן שנגרם בגלל המסה שלו. ככל שגוף גדול יותר, הוא יוצר עיוות גדול יותר, כלומר הכבידה שלו חזקה יותר. התיאוריה המהפכנית התקבלה בספקנות בקהילת הפיזיקאים, אף על פי שאחד מיישומיה המיידיים היה פתרון לתעלומה שהעסיקה אסטרונומים זמן רב, הנוגעת למסלולו של כוכב הלכת חמה (מרקורי), שסוטה מהמסלול החזוי לפי חוקי הפיזיקה של ניוטון. איינשטיין הבין שדרושה ראיה חזקה יותר כדי לשכנע את העולם, וכבר בשלב מוקדם היה לו רעיון איך לעשות זאת. 

אדינגטון היה המדען הראשון שתיווך את היחסות הכללית לקהילה המדעית בבריטניה. הימים היו ימי מלחמת העולם הראשונה, והמאמרים של איינשטיין התפרסמו בגרמניה, שהיתה מדינת אויב. אדינגטון התבסס על מאמרים שפרסם מדען הולנדי, ופרסם באנגלית מאמרים שבהם הסביר את משמעותה של התיאוריה. עד מהרה גם החל לתרום הצעות ופרשנויות להיבטים האסטרונומיים שלה. אחת המשמעויות של היחסות היה שעצמים בעלי כבידה חזקה מספיק יכולים לכופף גם קרני אור, ולגרום להן לנוע בקשת ולא בקו ישר. השמש היא גרם שמיים בעל כבידה כזו, ולכן כשהאור עובר לידה, הוא יתעקם, מה שיגרום לנו לראות כוכבים מסוימים במיקום שונה מעט מהרגיל, קרובים יותר לשפת השמש. כמובן, בשל האור החזק של השמש, אי אפשר לתעד כוכבים לידה - חוץ מאשר בעת ליקוי חמה מלא, כשהירח מסתיר את פניה במלואם. 

המשלחת לצילום ליקוי החמה יצאה לדרך ב-1919, עם ציוד מסורבל ולוחות צילום מזכוכית. חלק מהציוד בו השתמשה המשלחת | ויקימדיה, C. Davidson

איינשטיין ארגן משלחת שתצלם ליקוי חמה כזה בחצי האי קרים באוגוסט 1914, אך פרוץ המלחמה מנע מהצוות הגרמני להגיע לשטח שבשליטת רוסיה. אדינגטון מונה לעמוד בראש משלחת שתנסה לצלם במאי 1919 ליקוי חמה שנראה בברזיל ובמערב אפריקה. המינוי גם הציל אותו מענישה על סירובו לשרת בצבא מטעמי מצפון, בשל אמונתו כחבר בקהילת הקווייקרים: האסטרונום המלכותי פרנק דייסון (Dyson) שכנע את הממשלה כי משימתו המדעית תועיל לבריטניה יותר משירותו בשדה הקרב. אחרי הכנות ממושכות, ולמזלם גם אחרי סיום המלחמה, יצאה המשלחת לדרך, בניסיון להתמודד עם האתגר לצלם כמה שיותר תמונות במהלך הליקוי, עם ציוד מסורבל ולוחות צילום מזכוכית. אדינגטון וצוותו התמקמו באי פרינספה, וצוות נוסף בראשות דייסון ניסה לצלם את הליקוי בברזיל. יום הליקוי היה גשום ומעונן, אך הצוותים הצליחו לצלם כמה תמונות בין העננים. חלקן היו מטושטשות, באחרות לוחות הצילום התעוותו. למרות זאת, לאחר שובם לאנגליה הצליחו החוקרים למדוד את הסטייה במיקום כוכבים בהשוואה לצילומים של אותו אזור בשמיים כשהשמש לא נמצאת בו. הם הגיעו למסקנה שאיינשטיין צדק בתחזית שלו, וכבידת השמש עיקמה את האור ב-1.75 שניות קשת. 

לאחר שובם לאנגליה הצליחו החוקרים למדוד את הסטייה במיקום כוכבים בהשוואה לצילומים של אותו אזור בשמיים כשהשמש לא נמצאת בו. אחד הצילומים של ליקוי החמה | European Southern Observatory

פרסום הממצאים בנובמבר 1919 היה האישוש המשמעותי הראשון ליחסות הכללית, ונשא עמו גם משמעויות אסטרונומיות שעוד יתבררו בהמשך, כמו קיומם של חורים שחורים. אדינגטון המשיך לפרסם מאמרים על היחסות הכללית ומשמעותה, וכן מחקרי המשך. ב-1920 פרסם את הספר "חלל, זמן וכבידה" על עקרונות היחסות הכללית וב-1923 סיכם את הידע בנושא בספר "המתמטיקה של היחסות הכללית", שאיינשטיין שיבח אותו ואמר שזו "ההצגה הטובה ביותר של הנושא, בכל שפה". 

סיכום נוסף פרסם אדינגטון בפואמה קצרצרה בסגנון שירי ה"מרובעים" של עומאר אל כיאם (תרגום: איתי נבו): 

כוכבים מבפנים

במקביל לעבודותיו על היחסות הכללית החל אדינגטון להעמיק במחקר על המבנה הפנימי של כוכבים. בתחילת המאה העשרים גילו מדענים כי הגורם העיקרי במעבר חום ואור לשכבות החיצוניות של כוכבים הוא קרינה, ולא הסעת חום כמו שחשבו עד אז. אדינגטון הבין שאפשר פיזיקלית להתייחס לכוכבים כמסות עצומות של גז המוחזק יחד בזכות כוחות הכבידה. 

פריצת הדרך החשובה הזו הובילה שינוי של ממש בהבנת המבנה והאבולוציה של כוכבים. ב-1920, במאמר פורץ דרך על מבנה הכוכבים, העלה אדינגטון את האפשרות שמקור האנרגיה שלהם הוא תהליך שבו חומר הופך לאנרגיה על פי הנוסחה המפורסמת של איינשטיין, E=mc². הוא גם הציע את הרעיון שהכוכבים מורכבים בעיקר ממימן, ואטומי המימן הם חומר הגלם של התהליכים האלה, מה שלימים התברר כנכון. ההישג הזה מרשים במיוחד נוכח העובדה שתהליכים גרעיניים כמו ביקוע והיתוך עדיין לא התגלו אז. מחקריו של אדינגטון הובילו אותו להציע מודל שקושר בין המסה של כוכבים לבהירות שלהם – ככל שכוכב גדול יותר, כך הוא פולט יותר אור ונראה בהיר יותר. 

כמו בתחומים אחרים, גם במקרה זה הוא קיבץ את הידע הקיים בתחום, מעבודות שלו ושל חוקרים אחרים, לספר מקיף ומסכם על הנושא. "המבנה הפנימי של כוכבים" ראה אור ב-1926, והפך לאחר מספרי היסוד בתחום, שעליו גדלו דורות של אסטרופיזיקאים. 

אדינגטון גם השקיע מאמץ רב בניסיון לפתח תיאוריה פיזיקלית שתאחד את תורת הקוונטים, היחסות, הקוסמולוגיה והכבידה. גישתו התבססה בעיקר על מתמטיקה, על בסיס ההנחה שיש קבועים מסוימים בעלי חשיבות בכמה תחומים. ואולם בתחום הזה מאמציו לא נשאו פרי, והוא הצטרף לרשימה ארוכה ומכובדת של מדענים שניסו ללא הצלחה למצוא תיאוריה מאוחדת כזו, בראשם איינשטיין עצמו. 

אדינגטון כתב ספרים שהשפיעו רבות על בני תקופתו, בהם גם מדענים חשובים. שלושה מספריו

טבע העולם

אדינגטון עסק גם בפילוסופיה של המדע. בספר "טבעו של העולם הפיזי" שראה אור ב-1928, הוא דן בנושאים פיזיקליים לצד שאלות כמו מהות התודעה והאופן שבו אנו תופסים את העולם וחוקרים אותו. גם לספר הזה הייתה השפעה רבה. בין השאר, אלן טיורינג (Turing), לימים חלוץ מדעי המחשב, קרא את הספר בתיכון. כשמשפחת חברו הטוב של טיורינג, שמת בצעירותו, ביקשה ממנו לבחור ספר שיוענק לזוכים במלגה על שם בנם, בחר טיורינג בספרו של אדינגטון. הוא פרסם עוד שני ספרים על פילוסופיה של המדע בשנות השלושים. 

ב-1930 קיבל אדינגטון תואר אבירות, והפך להיות סר ארתור. הכבוד הזה הצטרף לשורת פרסים ועיטורים שהוענקו לו, בהם חברות באקדמיה האמריקאית למדעים, מדליית זהב מהחברה המלכותית הבריטית לאסטרונומיה, מדליה נוספת מהחברה המלכותית הבריטית למדעים, ועוד. 

אדינגטון מת מסרטן ב-22 בנובמבר 1944, בגיל צעיר יחסית, שבועות אחדים לפני יום הולדתו ה-62. הוא לא נישא מעולם ולא הביא ילדים. גופתו נשרפה לבקשתו ואפרו הוטמן בקברה של אמו בקיימברידג'. גם לאחר מותו הועתר עליו כבוד רב, בין השאר בצורת מכתש על הירח שקרוי על שמו, אסטרואיד הנושא את שמו, פרס על שמו שמעניקה החברה הבריטית המלכותית לאסטרונומיה, ועוד. למרבה הצער, כיום שמו אינו מוכר כמו בעבר, וזכור בעיקר בזכות הצילום שהדגים את עיקום האור כפי שחזה איינשטיין. ההישג הזה מאפיל קצת על התרומות החשובות שלו לאסטרופיזיקה, שבהחלט ראויות להיזכר בזכות עצמן.