זהו סיפורו של נפטון, אחינו למערכת השמש, שהתגלה היום לפני 175 שנה, לאחר שחישובים מדוקדקים ניבאו את קיומו.

הניסיון להבין את תנועת גרמי השמיים ליווה את האנושות מאז הרימו הקדמונים את מבטם השמיימה. לכל תרבות עתיקה המיתוסים שלה, אבל כולם שאלו את אותה שאלה: מה יש שם למעלה, ומה המקום שלנו בתוך זה?

הבנת המסלולים של גרמי השמיים לאורך ההיסטוריה מרתקת. נדגום אותה כאן ממש על קצה המזלג. 

המודלים הראשונים היו, באופן טבעי, גאוצנטריים, כלומר קבעו שכדור הארץ יושב במרכז היקום ללא ניע ושאר הגופים סובבים אותו. במרוצת השנים השתכלל המודל הגאוצנטרי וקיבל אופי מדעי (דהיינו, ניסיון להתאים במדויק לתצפיות), והגיע לשיאו במודל של תלמי. תלמי ידע לפתור התנגשויות עם התצפיות בדרכים מתמטיות עקלקלות, שסיבכו את המודל, ובלבד שכדור הארץ יישאר במרכז היקום.

המודל של תלמי שלט בכיפה (תרתי משמע) במשך כאלף וחמש מאות שנה. אולם התצפיות לא חדלו מלהיערם, עד שבמאה ה-16 שם המודל ההליוצנטרי של קופרניקוס את השמש במרכז ונתן לכדור הארץ דרור. 

אולם, גם למודל ההליוצנטרי של קופרניקוס היו בעיות. התפיסה באותה עת הייתה שישנם "כדורי שמיים" - מעין קליפות כדוריות מסתובבות בלתי נראות, שעליהן הגופים השמימיים משובצים [1]. זה נשמע יפה וציורי, אבל תפיסה זו כמובן שונה מזו שיש לנו היום. רק לאחר שקפלר עבר בדקדקנות על תצפיות שאסף ברהה עבור התנועה של מאדים, הוא זיהה שמסלולי כוכבי הלכת הם בכלל אליפטיים ולא מעגליים מושלמים, ובכך שלל את התפיסה של כדורי השמיים. בהמשך ניסח קפלר את שלושת חוקיו המפורסמים [2], הנלמדים עד היום, שמתארים את מסלולי כוכבי הלכת דרך קשרים מתמטיים פשוטים.

ראינו שההבנה של מסלולי כוכבי הלכת היא מאוד חמקמקה, אבל התצפיות, ולא הרצונות האישיים ומשאלות הנפש של האדם, קובעות איזו תאוריה תשרוד.

חוקי קפלר, וחוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון שבא אחריו [3], מאפשרים לחשב די בקלות את התנועה של שני גופים (כמו כוכב לכת ושמש) שמשפיעים זה על זה דרך כוח הכבידה. נשמע פשוט, לא? ובכן, לא ממש, כי במציאות יהיו יותר משני גופים בלבד במערכת. לדוגמה, המסלול של מאדים סביב השמש מושפע מכוח המשיכה של צדק, ובמידה פחותה גם משאר כוכבי הלכת, כתלות במסתם ובמרחקם ממנו בכל רגע נתון. זה הופך את הבעיה לקשה מזו שעמה התמודד קפלר. 

יחד עם המורכבות הזאת, נראה היה שהבנת המסלולים של כוכבי הלכת טובה למדי: אף שנצפו סטיות מהמסלול האליפטי הסגור שתיאר קפלר, ניתן היה להסביר אותן במסגרת תאוריית הכבידה של ניוטון, כאשר נלקחו בחשבון הפרעות מהגופים השכנים.

נחזור להיסטוריה של חקר מערכת השמש. שישה כוכבי לכת היו מוכרים לקדמונים: מרקורי, נגה, כדור הארץ, מאדים, צדק ושבתאי. עד שבשנת 1781 התבונן האסטרונום הרשל דרך עינית הטלסקופ החדיש שבנה ועקב אחר גוף שמימי מסקרן. מה שנראה לו תחילה ככוכב, ואז כשביט, התגלה ככוכב לכת שזכה לבסוף לשם אורנוס [4]. כוכב לכת שביעי התגלה, ובכך נשברה התפיסה המקובלת לפיה הקדמונים ידעו את כל מה שיש לדעת על מערכת השמש שלנו. 

התברר שהשכן החדש והמסתורי אורנוס מתגורר במרחק רב משאר דיירי מערכת השמש. למעשה, גילוי אורנוס הכפיל את קוטר מערכת השמש שהייתה מוכרת עד אז. ובכן, אם הוא כל כך רחוק משאר כוכבי הלכת, השפעתם על המסלול שלו אמורה להיות זניחה. אבל אז ראו דבר מוזר: המסלול של אורנוס סטה באופן בלתי צפוי מהמסלול הפשוט שניבאה לו התיאוריה. מה השתבש? האם התיאוריה הניוטונית כבר לא תקפה בשטחי המרעה של כוכב הלכת החדש?

עם תיאוריה שעבדה כל כך טוב עד אז, האסטרונומים אורבן לה-ווריה הצרפתי וג'ון קאוץ' אדמס הבריטי הטו אוזן ושאלו מה יש לה לומר הפעם. לאחר חישובים מפרכים ועבודה מול המסלול המתועד היטב של אורנוס, הצביעו הסטיות מהמסלול הצפוי שלו על קיומו של כוכב לכת שמיני במרחק ובמסה מסוימים. כוכב לכת תיאורטי כזה עשוי היה להסביר את המסלול של אורנוס, שנראה כאילו מופעלת עליו משיכה קלה בנקודות שונות במסלולו. (ראו איור)

באיור: קיומו של כוכב לכת שמיני, במסלול מרוחק יותר מזה של אורנוס סביב השמש, הוצע על מנת להסביר את הסטיות ממסלולו הצפוי של אורנוס. לפי החוק השלישי של קפלר, כיוון שכוכב לכת שמיני זה נמצא במסלול מרוחק יותר, הוא גם ינוע לאט יותר במסלולו. על כן, ברגע אחד אורנוס יהיה "מאחורי" כוכב הלכת השמיני (א), וברגע מאוחר יותר הוא כבר ישיג את כוכב הלכת השמיני ו"יקדים" אותו (ב). עתה, התבוננו בחצים השחורים שמסמנים את כיוון הכוח המופעל על אורנוס: ברגע "א" אורנוס יימשך מעט קדימה במסלולו, וברגע "ב" הוא יימשך מעט אחורנית. וזה בדיוק מה שראו בתצפיות! איור: נעה זילברמן

ובכן, הצעה של הסבר לתופעה זה דבר יפה, אבל כל עוד אין הוכחות במציאות - כל זה נותר בגדר ספקולציה. למרבה המזל, החיפוש אחר כוכב הלכת השמיני הסתיים בהצלחה ב-23.9.1846, אז איתר האסטרונום הגרמני יוהן גוטפריד גלֶה את החשוד ממש באזור שבו ציפו למוצאו [5]. לאחר ויכוח בין צרפתים לבריטים ובין צרפתים לצרפתים (צפוי, לא?) קיבל הדייר החדש במערכת השמש את השם נפטון, אל הים במיתולוגיה הרומית, על שום צבעו הכחלחל [6].

זה היה ניצחון מרשים מאוד לחוקי הכבידה הניוטונית ולמדע בכלל - הניבוי והגילוי של כוכב לכת מתוך המשוואות. לעומת החלק הראשון של הסיפור, שעסק בהתאמת המודל לתצפיות, הפעם הקדימה התיאוריה את הגילוי.

אבל ניצחון זה, כדרכם של ניצחונות, היה זמני. אותה תורה ניוטונית ששימשה לגילוי נפטון מתוך הסטייה של אורנוס ממסלולו, נכשלה בהסברת הסטייה של מרקורי ממסלולו. גם את הסטייה הזאת ניסה לה-ווריה להסביר על ידי קיומו של כוכב לכת נוסף [7], אבל הפעם - כוכב הלכת התאורטי לא התגלה, וההצלחה הכבירה שבגילוי נפטון לא שוחזרה. בשלב זה פינתה התורה הניוטונית את מקומה לתורה אחרת, שדווקא צלחה בהסבר זה: תורת היחסות הכללית. אבל זה, ידידיי, כבר סיפור לפוסט אחר.

עריכה: ינון קחטן

למקורות וקריאה נוספת:

[1] על התפיסה הקדומה של "כדורי שמיים", בויקיפדיה האנגלית

[2] על כוח הכבידה וחוקי קפלר בעמוד מדע גדול, בקטנה

[3] סיפור חוק הכבידה של ניוטון באתר מדע גדול, בקטנה

[4] על גילוי כוכב הלכת השביעי, אורנוס. גללו כדי לראות שם איור של הטלסקופ שבו השתמש הרשל!

[5] מאמר שגולל את סיפור גילויו של נפטון, סיפור של מדע וחולשות אנושיות

[6] עוד על כוכב הלכת נפטון ותכונותיו, מצבעו ועד ירחיו, באתר נאס"א

[7] על כוכב הלכת התאורטי, וולקן, שהציע לה-ווריה לפתרון הסטייה במסלול מרקורי