תורת היחסות המיוחדת, שבתחילת המאה שעברה הפכה רעיונות מקובלים על העולם, עדיין ממשיכה לרגש את מוחם ולבם של אנשים. היום ננסה להבין ביחד מה זה.
בשנת 1905 פרסם אלברט איינשטיין את תורת היחסות המיוחדת (SRT), אשר הסבירה כיצד לפרש תנועה בין מסגרות התייחסות אינרטיות שונות - במילים פשוטות, אובייקטים הנעים במהירות קבועה ביחס זה לזה.
איינשטיין הסביר שכאשר שני עצמים נעים במהירות קבועה, יש להתייחס לתנועתם ביחס זה לזה, במקום לקבל אחד מהם כמסגרת התייחסות מוחלטת.
לכן, אם שני אסטרונאוטים, אתה, למשל, הרמן, טסים על שתי חלליות ורוצים להשוות את התצפיות שלך, הדבר היחיד שאתה צריך לדעת הוא מהירותך ביחס זה לזה.
תורת היחסות המיוחדת מחשיב רק מקרה מיוחד אחד (מכאן השם), כאשר התנועה ישרה ואחידה. אם גוף חומרי מאיץ או פונה לצד, חוקי ה- SRT אינם חלים עוד. ואז נכנסת לתוקף תורת היחסות הכללית (GTR), המסבירה את תנועות הגופים החומריים במקרה הכללי.
התיאוריה של איינשטיין מבוססת על שני עקרונות בסיסיים:
1. עקרון היחסות: חוקים פיזיקליים נשמרים גם לגופים שהם מסגרות התייחסות אינרטיות, כלומר, נעים במהירות קבועה ביחס אחד לשני.
2. עקרון מהירות האור: מהירות האור נשארת ללא שינוי עבור כל הצופים, ללא קשר למהירותם ביחס למקור האור. (פיזיקאים משתמשים באות c למהירות האור.)
אחת הסיבות להצלחתו של אלברט איינשטיין היא שהוא שם נתונים ניסיוניים מעל תיאורטיים. כאשר מספר ניסויים חשפו תוצאות הנוגדות את התיאוריה המקובלת, פיסיקאים רבים החליטו שניסויים אלה טועים.
אלברט איינשטיין היה אחד הראשונים שהחליטו לבנות תיאוריה חדשה המבוססת על נתונים ניסיוניים חדשים.
בסוף המאה ה -19 פיזיקאים חיפשו אתר מסתורי - מדיום שבו על פי הנחות מקובלות, גלי אור צריכים להתפשט, כמו גלים אקוסטיים, שאליהם יש צורך להתפשט או מדיום אחר - מוצק, נוזלי או גזי. האמונה בקיום האתר הביאה לאמונה שמהירות האור צריכה להשתנות בהתאם למהירות הצופה ביחס לאתר.
אלברט איינשטיין נטש את מושג האתר והציע שכל החוקים הפיזיקליים, כולל מהירות האור, יישארו ללא שינוי ללא מהירות הצופה - כפי שהראו ניסויים.
הומוגניות של מרחב וזמן
תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין מניחה קשר בסיסי בין מרחב לזמן. ליקום החומרי, כידוע, יש שלושה ממדים מרחביים: למעלה ולמטה, ימינה ושמאלה, קדימה ואחורה. נוסף לו עוד מימד אחד - הזמני. יחד, ארבעת הממדים הללו מהווים את הרצף של זמן-מרחב.
אם אתה נע במהירות גבוהה, התצפיות שלך ביחס למרחב ולזמן יהיו שונות מאלו של אנשים אחרים הנעים במהירות איטית יותר.
התמונה למטה מציגה ניסוי מחשבתי שיעזור לך להבין רעיון זה.תארו לעצמכם שאתם על ספינת חלל, יש לכם לייזר בידיים, בעזרתו אתם שולחים אלומות אור לתקרה שעליה קבוע מראה. האור, המוחזר, נופל על הגלאי, אשר רושם אותם.
נניח שהספינה שלך נעה במהירות קבועה השווה למחצית ממהירות האור (0.5 ג). על פי ה- SRT של איינשטיין, זה לא משנה לך, אתה אפילו לא שם לב לתנועה שלך.
עם זאת, הרמן, שצופה בך מחללית מנוחה, יראה תמונה אחרת לגמרי. מנקודת מבטו, אלומת האור תעבור באלכסון אל המראה שעל התקרה, תשתקף ממנה ותיפול באלכסון אל הגלאי.
במילים אחרות, מסלול קרן האור יראה אחרת עבורך ועבור הרמן, ואורכה יהיה שונה. לכן, משך הזמן שלוקח לקרן הלייזר לעבור את המרחק אל המראה ולגלאי ייראה לך שונה.
לתופעה זו קוראים התרחבות הזמן: הזמן על ספינת כוכבים הנעת במהירות גבוהה, מנקודת מבטו של צופה על כדור הארץ, זורם הרבה יותר לאט.
דוגמה זו, כמו רבות אחרות, מדגימה בבירור את הקשר הבלתי נפרד בין מרחב לזמן. קשר זה בא לידי ביטוי עבור הצופה רק כאשר מדובר במהירויות גבוהות, קרוב למהירות האור.
ניסויים מאז פרסם איינשטיין את התיאוריה הגדולה שלו אישרו כי מרחב וזמן נתפסים למעשה באופן שונה בהתאם למהירות התנועה של אובייקטים.
שילוב מסה ואנרגיה
במאמרו המפורסם שפורסם בשנת 1905 שילב איינשטיין מסה ואנרגיה בנוסחה פשוטה שהייתה ידועה לכל תלמיד מאז: E = mc ^ 2.
על פי התיאוריה של הפיזיקאי הגדול, כאשר מהירותו של גוף חומרי עולה, המתקרבת למהירות האור, מסתו גם עולה. הָהֵן. ככל שהאובייקט זז יותר, כך הוא הופך להיות כבד יותר. במקרה של הגעה למהירות האור, מסת הגוף, כמו גם האנרגיה שלו, הופכים לאינסופיים. ככל שהגוף כבד יותר, כך קשה יותר להגדיל את מהירותו; כדי להאיץ גוף בעל מסת אינסופית, נדרשת כמות אינסופית של אנרגיה, ולכן אי אפשר שחפצים חומריים יגיעו למהירות האור.
לפני איינשטיין, מושגי המסה והאנרגיה בפיסיקה נחשבו בנפרד. המדען המבריק הוכיח שחוק שימור המסה, כמו חוק שימור האנרגיה, הם חלקים מחוק כללי יותר של המוני-אנרגיה.
בשל הקשר המהותי בין שני מושגים אלה, ניתן להפוך חומר לאנרגיה, ולהיפך - אנרגיה לחומר.