אסטרונומיה

הגלקסיות והיקום המתרחב

איינשטיין יישם כמעט מייד את תורת הכובד שלו על היקום בכללותו, תוך שהוא מפרסם את העיתון הקוסמולוגי הראשון שלו בשנת 1917. מכיוון שהוא לא בקיא היטב ביצירותיו האחרונות באסטרונומיה, הוא הניח שהיקום היה סטטי ולא משתנה. אינשטיין הניח שהחומר מופץ בצורה אחידה ברחבי היקום, אך הוא לא הצליח למצוא פיתרון סטטי למשוואות השדה שלו. הבעיה הייתה שהגרביטציה ההדדית של כל החומר ביקום הייתה נוטה לגרום ליקום להתכווץ. לכן איינשטיין הציג מונח נוסף המכיל גורם Λ, "הקבוע הקוסמולוגי". המונח החדש סיפק כוח דוחה קוסמי אוניברסלי, שיכול לפעול במרחקים גדולים כדי לנטרל את השפעות הכובד. כשנודע לו מאוחר יותר על התפשטות היקום, איינשטיין תיאר את הקבוע הקוסמולוגי כחסר הגדול ביותר בקריירה שלו. (אך הקבוע הקוסמולוגי התגנב חזרה לקוסמולוגיה של המאה העשרים והמאה העשרים ואחת. אפילו כאשר איינשטיין טעה, לעתים קרובות היה במשהו עמוק.)

הפיתרון הסטטי של איינשטיין ייצג יקום בעל נפח סופי אך ללא קצוות, כאשר החלל התעקם על עצמו. כך, מטייל דמיוני יכול היה לנסוע לנצח בקו ישר ולעולם לא להגיע לקצה היקום. לחלל יש עקמומיות חיובית, כך שהזוויות במשולש מסתכמות ביותר מ- 180 מעלות, אם כי העודף יהיה ניכר רק במשולשים בגודל מספיק. (אנלוגיה דו-ממדית טובה היא פני כדור הארץ. היא סופית בשטח אך אין לה קצה.)

בתחילת המאה ה -20, עדיין האמינו רוב האסטרונומים המקצועיים כי שביל החלב הוא למעשה אותו דבר כמו היקום הנראה לעין. מיעוט האמין בתיאוריה של יקומי האי - כי הערפיליות הספירליות הן מערכות כוכבים אדירות, הדומות לשביל החלב, ומפוזרות בחלל עם מרחקים גדולים וריקים ביניהן. התנגדות אחת לתיאוריית יקומי האי הייתה שמעט ספירלות נראות סמוך למישור שביל החלב, מה שמכונה אזור ההימנעות. לפיכך, הספירלות חייבות להיות איכשהו חלק ממערכת שביל החלב. אולם האסטרונום האמריקני הבר קרטיס ציין כי כמה ספירלות שניתן לראות בקצהן מכילות כמובן כמויות עצומות של אבק במטוסיהן "המשוונית". אפשר גם לצפות שבדרך החלב יש כמויות גדולות של אבק בכל מטוסו, מה שיסביר מדוע אי אפשר לראות שם ספירלות עמומות; הראות פשוט מוסתרת בקווי הרוחב הגלקטיים הנמוכים. בשנת 1917 מצא קרטיס גם שלושה נובעים בתצלומי הספירלה שלו; התעלפות של נובלות אלה רמזה כי הספירלות היו במרחק גדול מאוד משביל החלב.

אופיו הסטטי של היקום אתגר במהרה. בשנת 1912, במצפה הכוכבים של לואל באריזונה, החל האסטרונום האמריקאי וסטו מ. סליפר למדוד את המהירות הרדיאלית של ערפיליות ספירליות. הספירלה הראשונה שבדק סליפר הייתה ערפילית אנדרומדה, שהתבררה כמסובבת כחולה - כלומר, נעים לכיוון שביל החלב - עם מהירות גישה של 300 ק"מ (200 מיילים) בשנייה, המהירות הגדולה ביותר שנמדדה אי פעם לכל שמיימי אובייקט עד אותו זמן. בשנת 1917 היו לסלייפר מהירויות רדיאליות ל -25 ספירלות, חלקן גבוהות כמו 1,000 ק"מ (600 מיילים) לשנייה. חפצים שנעים במהירות כזו כמעט לא היו יכולים להשתייך לדרך החלב. אף כי מעטים הוסבו בכחול, הרוב המכריע הופנה לאדום, התואם לתנועה הרחק משביל החלב. אולם אסטרונומים לא הגיעו למסקנה שהיקום מתרחב. במקום זאת, מכיוון שהספירלות של סליפר לא הופצו באופן אחיד סביב השמיים, אסטרונומים השתמשו בנתונים כדי לנסות להסיק את מהירות השמש ביחס למערכת הספירלות. מרבית הספירלות של סליפר היו בצד אחד של שביל החלב ונסוגו, בעוד שמעטים היו בצד השני והתקרבו. מבחינת סליפר, שביל החלב היה עצמו ספירלה, נע ביחס לשדה ספירלות גדול יותר.

בשנת 1917 המתמטיקאי ההולנדי וילם דה סיטר מצא פיתרון קוסמולוגי סטטי נוסף לכאורה של משוואות השדה, שונה מזה של איינשטיין, שהראה מתאם בין מרחק לשינוי אדום. אף על פי שלא היה ברור שהפתרון של דה סיטר יכול לתאר את היקום, מכיוון שהוא נטול חומר, זה אכן הניע את האסטרונומים לחפש קשר בין מרחק לשינויים אדומים. בשנת 1924 אסטרונום שבדי קארל לונדמרק פרסם מחקר אמפירי שהעניק יחס ליניארי בערך (אם כי עם הרבה פיזור) בין המרחקים והמהירות של הספירלות. הקושי היה לדעת מספיק את המרחקים. לונדמרק השתמש במציצות שנצפו בערפילית אנדרומדה כדי לקבוע את המרחק של אותה ערפילית על ידי ההנחה שלנאומים אלו תהיה אותה בהירות מוחלטת ממוצעת כמו נולות בנתיבי החלב שמרחקיהן היו ידועים בערך. עבור ספירלות רחוקות יותר, לונדמרק העלה את ההנחות הגסות שלפיהן הספירלות צריכות להיות בעלות קוטר ובהירות זהה לערפילית אנדרומדה. לפיכך, המוזיאונים תפקדו כנרות סטנדרטיים (כלומר חפצים בעלי בהירות מוגדרת), ולגבי ספירלות רחוקות יותר, הפכו הספירלות עצמן לנר הסטנדרטי.

בצד התיאורטי, בין 1922 ל- 1924 המתמטיקאי הרוסי אלכסנדר פרידמן חקר פתרונות קוסמולוגיים לא-סטטיסטיים למשוואותיו של איינשטיין. אלה חרגו מהמודל של איינשטיין בכך שהם מאפשרים התרחבות או התכווצות של היקום ומעבר למודל של דה סיטר בכך שהם מאפשרים ליקום להכיל חומר. פרידמן הציג גם מודלים קוסמולוגיים עם עקמומיות שלילית. (בחלל מעוקל שלילית, זוויות המשולש מסתכמות בפחות מ- 180 מעלות.) לפתרונות של פרידמן לא הייתה השפעה כמעט מיידית, בין השאר בגלל מותו המוקדם בשנת 1925 ובחלקו בגלל שהוא לא קישר את עבודתו התיאורטית לתצפיות אסטרונומיות. זה לא עזר כי איינשטיין פרסם פתק שטען כי בעיתון של פרידמן משנת 1922 היה שגיאה מהותית; לימים משך אינשטיין את הביקורת הזו.

מקור היקום