בדומה לבני האדם הנאבקים כדי להבין את היקום שסביבם, כך אנו החוקרים נמצאים על אי מוזר בים בלתי ידוע. בשלב זה העלו החקירות שלנו מידע על האי, הוא עשוי סלעים וגרגרי חול. אנחנו יודעים מה גודלו של האי, אנחנו יודעים שהים גדול, ואנחנו יודעים שיש בו גם הרבה איים נוספים. עולה סדרת שאלות עמוקות יותר על המרחב הגדול העוטף אותנו. האם האיים נמשכים בכל המרחב? האם הים יתקיים לנצח? האם לעולם שבו אנו חיים יש קצה, או שהוא נמשך לאינסוף? אלו הן שאלות שהאסטרונומים רק החלו לענות עליהן במידת ביטחון מסוימת.
הקוסמולוגיה היא תיאוריה העוסקת בגודל ומבנה היקום – במילים אחרות, "הגיאוגרפיה" של היקום כמערכת אחת. הנושא שלנו היקום, מוגדר כחומר ואנרגיה בכל מקום, שחלקו ניתן לצפייה וחלקו בלתי ניתן לצפייה. השיטה המדעית המתוחה על פני היקום, מכילה ספקולציות לא מעטות. ככל הידוע לנו, היקום שלנו הוא ייחודי. איננו יכולים ללמוד על כך בעזרת השוואה ישירה ליקומים אחרים, כפי שאנו יכולים לעשות זאת עם פלנטות, כוכבים וגלקסיות. במקום זאת, הקוסמולוגים מטפלים בנושא זה על ידי ביצוע הנחות פשוטות ובדיקתן באמצעות תיאוריות, המתארות את המצב הנוכחי, ועסוקות במוצא ובגורל היקום. ספקולציות אלה מתבססות על תצפיות, והתיאוריות חייבות להתאים לחוקים פיזיקליים ידועים.
באדיבות Astropedia Textbook
הקוסמולוגיה מתחילה בכמה שאלות בסיסיות על הטבע, הזמן והמרחב, המסה והאנרגיה. באמצעות מענה לשאלות אלה, הקוסמולוגים הובילו כמה רעיונות מדהימים בנושא היקום, רעיונות רחוקים אלה נמצאים מחוץ לחוויה היומיומית. קוסמולוגיה אינה תחום שבו עוסקים מדענים בלבד. במשך אלפי שנים, משוררים, כמרים ופילוסופים בחנו את היקום וניסו להבין את טבעו. שהרי טבענו המולד מכיל סקרנות חסרת מנוחה, רצון להבין את סביבתנו ולדעת מאין באנו.
הקוסמולוגיה עתיקה החלה ברגע שבו הקדמונים הסתכלו בכוכבים בשמי הלילה החשוכים. היקום מתואר בכתבים הראשונים ששרדו בתרבות הבבלית, המצרית, היוונית, הסינית וההודית. על פי האגדה ההודית, היקום הוא ביצה ענקית המכילה אדמה, מים, בעלי חיים, אלים, וכן הלאה, שהובאו כולם מן המים הקדומים על ידי האל הבורא פראגאפאטי. מסורת טהיטית אומרת כי בורא, טארואה, היה קיים במרחב החלל לפני שקיים כל היקום, וכי מאוחר יותר הוא בנה את השמים ואת היסודות הסלעיים של כדור הארץ. אוסף של מיתוסים נורדיים מניח כי בהתחלה לא היה שום דבר, עם אזורים של כפור מצפון ואש בדרום. החום המס חלק מן הכפור, ומטיפות הנוזל גדל ענק, ימר שמו, שיצר את כל תושבי העולם. השלב המוקדם הזה של הקוסמולוגיה המיתולוגית קשר את התופעות השמימיות לחיים הרוחניים של בני האדם. נמצאו מיתוסי בריאה כמעט בכל התרבויות; הקוסמולוגיות האלה מספקות לנו קשר מתמשך עם אבותינו הקדומים.
השלב האמיתי הראשון של הקוסמולוגיה החל בערש המחקר מדעי במאה השישית לפני הספירה, בחופי אסיה הקטנה. היוונים הקדומים, החלו את תורת הקוסמולוגיה הפילוסופית, שסימנה יישום ראשון לכוח התבונה ביקום. התצפיות לא היו מרכזיות בקוסמולוגיה היוונית; הטלסקופ טרם הומצא ויחלפו עוד 2000 שנה עד בואו. במקום זאת, ההוגים היוונים התקדמו באמצעות השערות נועזות, לוגיקה והגיון מופשט. אנקסימנדר האמין כי היקום התפתח ממצב של כאוס ראשוני לסדר ולמבנה שאנו רואים כיום. אחרים, כמו אריסטו, חשבו שהיקום מסודר לחלוטין ובלתי משתנה. הנושאים התאומים של הכאוס וקוסמוס, או אי-סדר והרמוניה, מוצאים הד חזק גם בקוסמולוגיה המודרנית.
באדיבות וויקיפדיה
כבר במאה השלישית לפנה"ס, ההיגיון המתמטי הפך לחלק מאסטרונומיה. עד אז, רוב האנשים האמינו שהכוכבים מונחים על קליפה דו-ממדית, וממוקמים סביב כדור הארץ. אוקלידס כינס יחד את משפטי הגיאומטריה והניח את הבסיס לרעיון של שטחים אינסופיים. משולשים אוקלידיים מדומים התרחבו לחלל; כך ניתן היה למדוד מרחקים לגופים שמימיים. אריסטרכוס השתמש בגיאומטריה האוקלידית כדי להציג קוסמולוגיה שבמרכזה השמש, אך חלפו כמעט 1800 שנה עד שקוסמולוגיה זו פותחה לבסוף ע"י קופרניקוס. היוונים גם נאבקו עם המשמעויות הבלתי-נוחות של היקום האינסופי. עמיתו של אפלטון, ארצ'יטוס, סיכם זאת כך: "אם אני נמצא בקצה השמים המכוכבים, האם אני לא יכול למתוח את ידי, או את גופי? זה מגוחך להניח שאני לא יכול: ואם אני יכול, מה שמחוץ לקצה זה חייב להיות גם הוא גוף או מרחב".
במאה ה -17, בסיוע אייזיק ניוטון, נכנס המדע לשלב של קוסמולוגיה פיזיקלית. ניוטון תיאר את כוח הכבידה ככוח שבו כל חלקיק ביקום מושך כל חלקיק אחר. הוא הבין שעיקרון זה עשוי לאפשר תיאור פשוט של מבנה היקום כולו. תורת הכבידה של ניוטון הייתה מבריקה בפשטותה. לראשונה בתולדות האנושות, התנועות הארציות של גופים על פני כדור הארץ אוחדו עם מסלולי גופים שמימיים. ניוטון ראה את הקוסמוס כאינסופי בממדיו ומלא בכוכבים הנעים באופן אקראי. הוא טען כי שום הנחה אחרת לא תהיה הגיונית. אם היקום לא היה אינסופי, או אם הכוכבים היו מתרכזים בחלק אחד של היקום, הכבידה הייתה גורמת בסופו של דבר לכל החומר להתכנס למקום אחד. אפשרי רק יקום אינסופי, שבו כל חלקיק מרגיש כוחות כבידה מאוזנים מכל הכיוונים, בשל פיזור החלקיקים בכל מרחביו. יש תנועה בקוסמולוגיה של ניוטון, אבל היקום הוא סטטי ומראהו אינה משתנה לאורך זמן.
באדיבות וויקיפדיה
היו בעיות מושגיות רציניות עם הקוסמולוגיה של ניוטון. כוח הכבידה יורד עם הגידול במרחק אך יש לו טווח אינסופי. כאשר כוחות כבידה הפועלים על מספר אינסופי של גופים הפרושים במרחב אינסופי מתחברים, עוצמת כוח הכבידה גם היא אינסופית! התנגדות נוספת לקוסמולוגיה של ניוטון נובעת משאלה פשוטה: "מדוע שמי הלילה חשוכים?" שאלה זו הועלתה לראשונה על ידי תומס דיגס בשנת 1576, אבל שם הפרדוקס נקשר בשמו של רופא ואסטרונום גרמני, וילהלם אולברס, שפעל 250 שנים מאוחר יותר. נתאר בקצרה את פרדוקס של אולברס. ביקום אינסופי מלא כוכבים, כל קו ראייה חייב בסופו של דבר להגיע אל כוכב. מעבר לכדור הארץ, בהירות הכוכב פוחתת כמו ההופכי של ריבוע המרחק (F ∝ R-2). עם זאת, מספר הכוכבים בכל קליפה כדורית (אשר 4πR2ΔR נפח הקליפה, ו- ΔR הוא עובי הקליפה) עולה ביחס ישר לריבוע המרחק. התוצאה היא שכמות האור המגיעה מכל קליפה שווה, ללא קשר למרחק אליה. תרומת האור מכוכבים בקליפות רחוקות ממשיכה להיאסף. ביקום אינסופי, סך כל האור מכוכבים רחוקים הוא אינסופי: לכן, שמי הלילה צריכים להיות לזהור באור נגוהות!
התגובה המודרנית לפרדוקס של אולברס היא מתוחכמת, ועוסקת בהתפתחות היקום ובהתרחקותן של גלקסיות רחוקות. ראשית, יש מרחק שמעבר לו איננו יכולים לראות גלקסיות או כוכבים. המרחק הזה אינו מייצג את קצה היקום, אלא מרחק המתאים לזמן התנועה של האור במשך 12 עד 13 מיליארד שנה. מעבר למרחק זה איננו רואים שום גלקסיות, משום שאף אחת מהן לא יצרה אור לפני זמן כה רב. במילים אחרות, המספר הכולל של הפוטונים הנפלטים על ידי הגלקסיות בתקופת החיים הסופית שלהן נמוך מדי כדי ליצור סוג של אור זוהר המתפשט בכל רחבי היקום, כפי שתואר על ידי אולברס. השפעה משנית המסייעת להסביר את פרדוקס אולברס היא התפשטות היקום. ההסחות לאדום של הגלקסיות המתרחקות גורמות לאנרגיות של הפוטונים המגיעים מהן להראות דליי אנרגיה. פוטונים בעלי אורך גל קצר ואנרגיות גבוהות מומרים לפוטונים בעלי אורכי גל ארוכים ואנרגיות נמוכות. זאת, מפני שהפטונים "נמתחים" בחלל המתרחב. האנרגיה של פוטונים המגיעים מגלקסיות בעלות היסטים אדומים הקרובים למהירות האור דלה ביותר.
תורת הכבידה של ניוטון הותירה שאלה בסיסית מאוד. מהו בדיוק הכוח הזה שפועל במרחקים עצומים בעוברו דרך החלל הריק? ניוטון היה מודע מאוד לנושא, והרחיק לכת עד כדי כך שקרא לרעיון הכבידה שפועל מיד במרחקים גדולים – "אבסורד". הוא פטר את עצמו מהבורות שהפגין בהתעלמות מהסיבה לדרך פעולת כוח הכבידה באומרו: "לא הצלחתי לגלות את הסיבה לתכונות הכבידה, ולכן אניני מציג השערה". לא זכינו להבנה מעמיקה יותר של כוח הכבידה עד ראשית המאה ה -20. לא ניתן היה לפתח את הקוסמולוגיה המודרנית ללא הבסיס התיאורטי של תורת היחסות הכללית.
Author: Chris Impey