מאפיציקלים לחומר אפל הפשטה של תיאוריות מורכבות באסטרופיסיקה דוד פולישוק המחלקה למדעים פלנטריים אוניברסיטת ת"א "המטרה הראשית בתיאוריה מדעית היא להפוך אותה לפשוטה כמה שניתן , אבל לא.
Download ReportTranscript מאפיציקלים לחומר אפל הפשטה של תיאוריות מורכבות באסטרופיסיקה דוד פולישוק המחלקה למדעים פלנטריים אוניברסיטת ת"א "המטרה הראשית בתיאוריה מדעית היא להפוך אותה לפשוטה כמה שניתן , אבל לא.
מאפיציקלים לחומר אפל הפשטה של תיאוריות מורכבות באסטרופיסיקה דוד פולישוק המחלקה למדעים פלנטריים אוניברסיטת ת"א "המטרה הראשית בתיאוריה מדעית היא להפוך אותה לפשוטה כמה שניתן ,אבל לא פשוטה מדי". אלברט איינשטיין השיטה המדעית • • • • תיאוריות שונות מנסות להסביר את מה שאנו רואים. תיאוריות מדעיות שואפות להכללה :להסביר כמה שיותר מקרים מהטבע באותה הדרך. תיאוריות אלו מתבססות על ניסויים ,כלים מתמטיים, ועל הניסיון והאינטואיציה המדעית של החוקר – ובכלל זה הנחות (אקסיומות) שונות. לעיתים הנחות פשוטות מדי גורמות למורכבות גדולה מדי .לעיתים סיבוך קטן של הנחות הבסיס מפשט בצורה רבה את התיאוריה המדעית. תורת הכבידה של אריסטו • • • • • אריסטו ,בן המאה הרביעית לפני הספירה, מהפילוסופים הדגולים בהיסטוריה. העולם מורכב מארבעה יסודות: אדמה ומים – יסודות כבדים – ששואפים למטה. אש ורוח – יסודות קלים – ששואפים למעלה. גופים נוטים למנוחה .יש תנועה מאולצת (חץ) ויש תנועה טבעית. מה אפשר ללמוד מהכוכבים? צילום :נח פולברג כיצד נעים הכוכבים? יקום הספרות של אריסטו • • • • • הכוכבים הקבועים שבתאיהכבידה של אריסטו נבין שהכוכבים מתוך תורת צדק מאדים מחומר שמימי הקל מהאוויר. עשויים השמש נוגה חמה טהור ,ללא פגם ולכן אינו משתנה. הוא חומר זה כוכב הירח תנועה טבעית – תנועה מעגלית. לכוכבים הארץ יקום סביב הם נעוצים בתוך ספרות (כדורים) ,הנעות כדור הארץ שנמצא במרכז היקום.גיאוצנטרי כוכבי הלכת נעוצים על ספרות הנמצאות בין הארץ לבין הספרה האחרונה של כוכבי השבת. אחורה פנה! אפיציקלים פתולומי מאלכסנדריה, מאה 2לספירה אחורה פנה! אפיציקלים תאוריה מדעית כדוגמה דתית "...עשה ירח למועדים, שמש ידע מבואו"... (תהילים ,צ"ג ,א') "...דור הולך ודור בא והארץ לעולם עומדת"... (קהלת ,א' ,ד') "...ויאמר לעיני ישראל :שמש בגבעון דום וירח בעמק איילון .וידם השמש וירח עמד"... (יהושע ,י' ,י"ב) הרמב"ם מקורדובה אבן רושוד מספרד, מאה 12לספירה מאה 12לספירה תומס מאקווינס, מאה 13לספירה ואולי אנחנו אלו שמסתובבים? "על הסיבובים של כוכבי הלכת " יקום הליוצנטרי ניקולס קופרניקוס פולין ,המאה ה16- שיקוליו של קופרניקוס "על הסיבובים של כוכבי הלכת " • • • • • הארץ זעירה ביחס ליקום – למה שהוא יסתובב סביבה? אם הכוכבים רחוקים כל כך ,ונעים יחדיו בזמן קצר של 24שעות ,אזי מהירותם אינסופית. אם הכל שואף למנוחה – אז עדיף שהיקום הענק ינוח והארץ הקטנה תנוע. אם כוחות צנטרפוגליים לא מפזרים את הדברים שביקום לכל עבר ,הרי שאין סיבה שיפזרו דברים מהארץ שמסתובב במהירות קטנה בהרבה. אם השמש במרכז וכוכבי הלכת סובבים אותה יש הסבר לתנועה הנגדית ויש הסבר לשינוי בבהירות כוכבי הלכת ניקולס יקום הליוצנטרי קופרניקוס פולין ,המאה ה16- הוכחות לתורה ההליוצנטרית פרלקסה השביט של 1577 פשרה בין אריסטו לקופרניקוס טיכו ברהה, דנמרק ,המאה ה16- הוכחות לתורה ההליוצנטרית השימוש בטלסקופ לתצפיות בכוכבים מהווה מהפכה אדירה באסטרונומיה! גלילאו גלילי, איטליה ,המאה ה17- הוכחות לתורה ההליוצנטרית • מופעי נוגה • הירחים הגלילאנים • מכתשים על הירח • היקום כן משתנה • כתמי שמש • היקום איננו עשוי מחומר טהור • יש עוד הרבה כוכבים • הארץ איננה במרכז היקום התיקון האליפטי של קפלר • שלושת חוקי קפלר: – כוכבי הלכת נעים במסלולים אליפטיים ,כאשר השמש נמצאת באחד המוקדים – כוכב הלכת מכסה שטחים שווים בזמנים שווים – ריבוע מחזורו של כוכב לכת נמצא ביחס ישר לחזקה השלישית של מרחקו הממוצע מהשמש T2 / R3 = K יוהנס קפלר, גרמניה ,המאה ה17- אבל מהו המניע? • שלושת חוקי ניוטון: – כל גוף נוטה לנוע בקו ישר במהירות קבועה – כוח הפועל על גוף ,יאיץ אותו ביחס ישר לכוח ויחס הפוך למסתו)F = ma( . – כאשר גוף מפעיל כוח על גוף אחר ,הגוף השני יפעיל כוח זהה בכיוון הפוך על הגוף הראשון אייזק ניוטון, אנגליה ,המאה ה17- אבל מהו המניע? למדענים בני תקופתו היה מוזר שכוח יכול להיות מופעל מרחוק ללא מגע כוח הכבידה F = G*M1*M2 / r2 הכוח הפועל הינו ביחס ישר למסות הגופים וביחס הפוך לריבוע המרחק ביניהם Gהוא קבוע קוסמולוגי אייזק ניוטון, אנגליה ,המאה ה17- מסקנות מהמהפכה הכבידתית • • • • לא לקדש תורות מדעיות – גם אם הן מוצלחות (התורה האריסטוטלית). הטבע איננו תמיד אסטטי – מעגל>-אליפסה ,חומר שמימי>-חומר ארצי. אין צורך להמציא חומרים שאינם נראים (ספרות) כדי להבין כוחות ותנועה. יש יתרון להכללה ואיחוד של תופעות שונות הנראות בחלל ובארץ (תנועת כוכבי הלכת ותנועה על הארץ). חקר החשמל והמגנטיות המכניקה הניוטונית מסבירה תופעות חשמליות כוח הכבידה F = G*M1*M2 / r2 הכוחבנג'מין פרנקלין,ביחס ישר הפועל הינו המאה ה- המושבות, 18הפוך וביחס הגופים למסות לריבוע המרחק ביניהם Gהוא קבוע קוסמולוגי הכוח החשמלי F = k*q1*q2 / r2 אמפר, קולון אנדרה ביחס ישר שארלהינו הכוח הפועל המאההה19-- המאה צרפת,, צרפת 18הפוך וביחס הגופים למטעני לריבוע המרחק ביניהם kהוא קבוע בעיות בהסבר הניוטוני לתופעות בחשמל ומגנטיות • • • • • • ניסוי אורסטד :זרם חשמלי מפעיל כוח על מחט מגנטית בכיוון מאונך – כלומר זרם חשמלי מייצר "כוח" מגנטי. מהירותו של מטען חשמלי תחת "כוח" מגנטי קובעת את הכוח הפועל עליו (כוח לורנץ) – המכניקה מדברת על מיקום ולא על מהירות. פאראדיי חוקר את החשמל והמגנטיות (ממציא דינמו ועוד) .יוצר את המונח שדה. השדה המגנטי הוא זה שמסובב את המחט של אורסטד. שדה מגנטי מייצר זרם חשמלי (בשינוי שטף השדה בלולאת מוליך). חשמל ומגנטיות קשורים זה בזה – השדה האלקטרומגנטי. חקר החשמל והמגנטיות • • • • קלרק מקסוול הצליח לנסח את רעיונותיו של פאראדיי בדרך מתמטית ( 4משוואות מקסוול). מגלה שתנודות בשדה אלקטרומגנטי נעות ב... מהירות האור. מסקנה :האור הוא גל אלקטרומגנטי. אז האור הוא חלקיקים (שמוסברים ע"י מכניקה ניוטונית) או גלים? קלרק מקסוול חקר החשמל והמגנטיות • רעיון השדה היה מוזר וקשה לקבלה ע"י הפיסיקאים – מה זה שדה שאין בו כלום? • צריך שיהיה תווך שיאפשר לאור לנוע (כמו גלים במים). • מסקנה :האור הוא גל אלקטרומגנטי. קלרק מקסוול האתר ובעיותיו • אם יש אתר – הוא צריך להימצא בתווכים אחרים (כמו זכוכית, מים ,אוויר) שמאטים את מהירות האור. • אם יש אתר -הוא צריך להיות מספיק צמיג כדי להעביר תנודות אלקטרומגנטיות וגם מספיק עדין כדי לא לגרום התנגדות וחיכוך כאשר הארץ וכוכבי הלכת עוברים דרכו. • אם יש אתר – אין יחסיות לתנועה אלקטרומגנטית. עקרון יחסיות התנועה • במדידה מכנית האסטרונאוט לא יכול לדעת מי נע ומי נייח. קיימת אי-התאמה בין התורה המכנית של ניוטון לתורה האלקטרומגנטית • במדידה אלקטרומגנטית האסטרונאוט ימדוד באיזה מהירות ביחס לאתר האור יתרחק ממנו – וכך יקבע מי נע ומי נייח. ניסוי מייכלסון מורליי • • • • ניסיון למדוד את מהירות האתר ביחס לארץ. אם יש אתר -קרן אחת תגיע לפני השניה. אם נסובב את המערכת ב 90-מעלות, התוצאה תתחלף. אבל אין שינוי – כדור הארץ לא נע ביחס לאתר. תורת היחסות הפרטית של איינשטיין • • • • • "על האלקטרודינמיקה של גופים נעים".1905 , עיקרון יחסיות התנועה הוא עיקרון כללי. אין אתר. מהירות האור קבועה בכל כיוון ובכל מהירות של המודד. לא ניתן לנוע מהר יותר ממהירות האור. השלכות תורת היחסות הפרטית • • • • תנועה במהירות גבוהה (מאד) מקצרת את המרחק ומאריכה את הזמן (למודד שמחוץ למערכת). פרדוקס התאומים. מסקנה :ממד הזמן הוא יחסי. מדענים רבים (לורנץ ,פואנקרה ,מייכלסון) התקשו לקבל את השינוי בהנחה הבסיסית ,ועד סוף ימיהם האמינו בקיומו של האתר. מסקנות מהמהפכה היחסותית • לא להתעקש על תורות מדעיות – גם אם הן מוצלחות (כפיית המכניקה הניוטונית על האלקטרומגנטיות). • יש יתרון להכללה ואיחוד של תופעות שונות הנראות בחלל ובארץ (עיקרון יחסיות התנועה ,אין סתירה בין אלקטרומגנטיות למכניקה). • אין צורך להמציא חומרים שאינם נראים (תווך האתר) כדי להבין כוחות ותנועה. הצד האפל של היקום חומר אפל חורים שחורים אנרגיה אפלה כוח אפל עדויות לקיומו של חומר אפל מדידת מהירות סיבוב גלקסיה עדויות לקיומו של חומר אפל מהירות ממוצעת בצביר גלקסיות עדויות לקיומו של חומר אפל מדידת טמפרטורת הגז בצביר עדויות לקיומו של חומר אפל עידוש כבידתי עדויות לקיומו של חומר אפל יצירת המבנים הגדולים ביקום לאחר המפץ הגדול מועמדים לחומר אפל חומר בריוני: חורים שחורים ננסים חומים פלנטות שביטים מועמדים לחומר אפל MACHOs Massive Compact Halo Objects מועמדים לחומר אפל חומר לא בריוני: אנטי חומר ניוטרינו חומר אפל ואולי הנחת הבסיס פשוטה יותר? • • • • לא להתעקש על תורות מדעיות – גם אם הן מוצלחות (יחסות כללית והמפץ הגדול). אין צורך להמציא חומרים שאינם נראים (חומר אפל) כדי להבין כוחות ותנועה. MOND – MOdified Newtonian Dynamics )F = maµ(a/a0