אדוארד ויקטור אפלטון: האיש שנתן שם למראה הנסתרת של השמיים
בליל חורף בשנת 1924, ישב פיזיקאי יליד ברדפורד בצריף קליטה מחוץ לאוקספורד, סובב באיטיות את החוגה של משדר של ה-BBC במרחק שישים מייל משם, וצפה באות מתחזק ונחלש במקצב שלא היה קשור לגלי הקרקע. אדוארד אפלטון הוכיח זה עתה שהשמיים עצמם עשויים משכבות מחזירות של חלקיקים טעונים — ובכך נתן לרדיו, למכ"ם, ובסופו של דבר לקרב על בריטניה, הזדמנות להילחם.
ילדות בברדפורד
אפלטון היה בנו של מחסנאי בברדפורד, יורקשייר, וסלל את דרכו מחוץ למסלול הרגיל בזכות מלגות: תחילה לבית הספר לדקדוק של בנים על שם הנסון (Hanson Boys' Grammar School), ולאחר מכן, בגיל שמונה-עשרה, מלגת אייזק הולדן נשאה אותו לקולג' סנט ג'ון שבאוניברסיטת קיימברידג'. הוא השלים את התואר במדעי הטבע ב-1913 ונשאר לתואר שני בפיזיקה, כשהוא נשאב למסלולם של שניים מהנסיינים המכוננים של התקופה, ג'. ג'. תומסון (J. J. Thomson) וארנסט רתרפורד (Ernest Rutherford), במעבדת קוונדיש (Cavendish Laboratory). מלחמת העולם הראשונה קטעה את לימודיו: הוא גויס ללגיון המהנדסים המלכותי בינואר 1915, ובילה את שנות המלחמה בהכשרת מפעילי אלחוט צבאיים במחסן האיתות בפיני סטרטפורד, תפקיד לא זוהר שהפך אותו בכל זאת למומחה מעשי בתחומי הרדיו.
מרדף אחרי האות הדועך
בחזרה בקיימברידג' לאחר המלחמה, הצטרף אפלטון לעמיתי המחקר של רתרפורד והחל לתהות על בעיה שכל מהנדס שידור כבר הכיר ואף אחד לא יכול היה להסביר: מדוע אותות רדיו מתחזקים ונחלשים לאחר החשיכה, ולעיתים נעלמים כליל. בשנת 1924, בעת שהיה פרופסור לפיזיקה על שם ויטסטון בקינגס קולג' לונדון, הוא וסטודנט שלו, מיילס ברנט (Miles Barnett), ביצעו את הניסוי שהקנה לו את שמו. תוך שימוש בתחנת שידור של ה-BBC ושינוי אורך הגל שלה בעודו מנטר את הקליטה באוקספורד, גילה אפלטון תבנית התאבכות בין גל הקרקע הישיר לבין אות שני שהגיע מלמעלה — הוכחה לכך שגלי רדיו ניתזים משכבה מיוננת באטמוספירה העליונה. הוא חישב את גובהה באמצעות טכניקת אפנון תדר שפיתח בעצמו, ואז הרחיק לכת: ב-1926 הוא מצא שכבה שנייה וגבוהה יותר, שזכתה מאוחר יותר לשם שכבת אפלטון לכבודו, השוכנת בגובה של 300 עד 400 קילומטרים ומסוגלת להחזיר את גלי הרדיו הקצרים המאפשרים שידורי גלים קצרים למרחקים ארוכים. אפלטון הוא שהעניק לכל אזור זה באטמוספירה את שמו המקובל כיום: יונוספירה.
Twenty questions, eight minutes on the clock, and a percentile measured against everyone who has taken it. No sign-up.
Take the IQ test →מפיזיקה לעבודה מלחמתית
המשמעות המעשית של תגלית זו הפכה לבלתי נמנעת בשנות ה-30. התאוריה המגנטו-יונית של אפלטון, שנבנתה על האלקטרומגנטיות של לורנץ (Lorentz) ומקסוול (Maxwell), אפשרה למהנדסים לחזות כיצד יתנהגו גלי רדיו בשמיים המיוננים — ידע שהזין ישירות את פיתוח המכ"ם של רוברט ווטסון-וואט (Robert Watson-Watt). כאשר ועדת פרס נובל סיכמה מאוחר יותר את ההשלכות, הם היו ישירים לגבי זה: ללא עבודתו של אפלטון, המכ"ם "היה מגיע מאוחר מכדי להיות בעל תועלת מכרעת בקרב על בריטניה". אפלטון לא עצר במחקר טהור. בשנת 1936 הוא הפך למנהל בפועל של מעבדת קוונדיש לאחר מותו הפתאומי של רתרפורד, וב-1938 מונה למזכיר המחלקה למחקר מדעי ותעשייתי, מה שהציב אותו למעשה כאחראי על גיוס המדע הבריטי למלחמה המתקרבת. החל מ-1941 הוא ניהל את Tube Alloys, פרויקט הנשק האטומי של בריטניה, ומינה את ג'יימס צ'דוויק (James Chadwick) לעמוד בראש המשלחת הבריטית שהוטמעה בפרויקט מנהטן האמריקאי, ובהמשך המליץ על ג'ון קוקרופט (John Cockcroft) להקמת מוסד מחקר האנרגיה האטומית של בריטניה שלאחר המלחמה. בדרך, המחלקה שלו גם מצאה זמן לעסוק בסירות נחיתה, פצצות מקפצות, דבקים למטוסים והתפלת מי ים — המנגנונים הלא זוהרים של מלחמה טוטאלית.
פרס נובל והשנים המאוחרות
בשנת 1947 הוענק לאפלטון פרס נובל לפיזיקה "עבור מחקריו על הפיזיקה של האטמוספירה העליונה, ובמיוחד עבור גילוי מה שנקרא שכבת אפלטון". עד אז הוא כבר קיבל תואר אבירות, בשנת 1941, וזכה לכבוד מממשלות מנורווגיה ועד איסלנד וארצות הברית על מנהיגותו המדעית בזמן המלחמה. בשנת 1948 הוא עזב את ניהול המחקר כדי להפוך למנהל וסגן-קנצלר של אוניברסיטת אדינבורו, תפקיד בו כיהן עד מותו. הוא פיקח על צמיחת האוניברסיטה מפחות מ-4,000 סטודנטים ליותר מ-7,000, הוציא לפועל את הפיתוח מחדש השנוי במחלוקת של ג'ורג' סקוור למתחם אוניברסיטאי מודרני, ושמר על המדע פעיל על ידי ייסוד ועריכת כתב העת Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics. הוא המשיך לפרסם מאמרים בשנות השישים לחייו, וזיהה ב-1954 שהתנהגות היונוספירה משתנה לפי קו רוחב מגנטי, תוך השוואת נתונים מדלהי ומבאטון רוז'. הוא מת מהתקף לב באדינבורו באפריל 1965, רק שבועות ספורים לאחר שנישא לאשתו השנייה, הלן אליסון, מזכירתו האישית לשעבר.
מדוע אדוארד נחשב לגאון
הטיעון לקריאה לאפלטון גאון נשען על סוג מסוים וניתן לאימות של תובנה: הוא לקח מטרד — הדעיכה המטריפה של אותות רדיו ליליים שכל מהנדס אלחוט בתקופתו פשוט סבל — וזיהה בה את החתימה של מבנה פיזי שאף אחד לא מדד ישירות. תכנון שיטת אפנון התדר כדי למדוד זמן וגובה של ההחזרה היה מעשה של כושר המצאה מדויק וכמותי, לא ניחוש בר מזל, והמבנה הדו-שכבתי שהוא מיפה (והתאוריה המגנטו-יונית שבנה כדי להסביר זאת) עמדו במבחן כידע הנדסי שמיש, ובאופן המשמעותי ביותר במכ"ם. השפה של ועדת פרס נובל עצמה — המייחסת לעבודתו עזרה בניצחון בקרב על בריטניה בזמן — היא הערכה חיצונית חזקה ככל שניתן לקבל בתחומי הפיזיקה. טיעון הנגד הכן הוא שאפלטון לא היה חזון תאורטי בודד במתכונת של איינשטיין או דיראק: פריצת הדרך שלו הייתה ניצחון של ניסוין, שנבנה על האלקטרומגנטיות הקיימת של מקסוול-לורנץ ובוצע בעזרת סטודנט תוך שימוש במשדר שידור רגיל. הקריירה המאוחרת שלו, מרשימה ככל שהייתה, השתייכה יותר לניהול ומדינאות מדעית — ארגון Tube Alloys, ניהול אוניברסיטה — מאשר לתגליות מקוריות נוספות. הגאונות, כזו או אחרת, יושבת באופן צר ומדויק בשנים 1924 עד 1926: הזיהוי, השיטה והענקת השם לשכבת שמיים שאף אחד לא ידע על קיומה.
מורשת
שמו של אפלטון מסמן כיום מכתש על הירח, מגדל באדינבורו, ומעבדת רתרפורד אפלטון, שהוקמה ב-1979 על ידי מיזוג תחנת מחקר הרדיו ששמה שונה עם המעבדה הנושאת את שמו של רתרפורד — זיווג, כראוי, בין מורה לתלמיד. היונוספירה שמיפה נותרה הבסיס העבודה של הרדיו בגלים קצרים ושכבת יסוד, פשוטו כמשמעו, של הפיזיקה האטמוספרית המודרנית.