באדיבות וויקיפדיה
איינשטיין התפעל מהכוח הבלתי נראה שהזיז את מחט המצפן בהיותו ילד בן חמש בשנת 1884. הסקרנות הובילה אותו ללמוד את מערך המשוואות האלגנטי, שהפיזיקאי הסקוטי ג'יימס קלרק מקסוול פיתח לתופעות מגנטיות וחשמליות בשנות ה- 60 של המאה ה- 19. משוואות מקסוול הובילו למסקנה כי אור וכל צורות הקרינה האלקטרומגנטית נגרמות כתוצאה מתנודה של שדות חשמליים ומגנטיים הכרוכים אחד בשני. מקסוול טען כי מהירות הקרינה מתגלה כקבוע אוניברסלי, ללא תלות בתנועת הצופה. תורת היחסות הפרטית של איינשטיין החלה בשאלה שהעלה בגיל הנעורים: איך היה נראה העולם אם הייתי רכב על קרן אור?
נבחן את דרך החשיבה של איינשטיין. נניח שאתה נוסע במכונית במהירות של 100 קמ"ש וזורק קדימה כדור במהירות של 50 קמ"ש, היית מצפה שהכדור ינוע לעבר מישהו שעומד על הקרקע במהירות 100 + 50 = 150 קמ"ש. באופן דומה, אם אתה נוסע במהירות של 80 קמ"ש ומשליך כדור אחורה במהירות של 60 קמ"ש, צופה נייח יראה את הכדור נע במהירות 60 – 80 = 20 קמ"ש. אלה הם כללי תנועה מוכרים שהוגדרו על ידי גלילאו וניוטון. אבל מה היה קורה אם היית נוסע בחללית במהירות שגודלה שליש ממהירות האור, 100,000 קמ"ש, ובידך פנס השולח קרן אור קדימה במהירות האור, 300,000 קמ"ש? האינטואיציה אומרת שצופה נייח הניצב לפי החללית היה מודד את מהירות האור כ- 300,000 + 100,000 = 400,000 ק"מ, בעוד שמהירות קרן האור הנשלחת אל צופה הניצב מאחורי החללית הייתה כ- 100,000 – 300,000 = 200,000 ק"מ בשנייה. כאן מופיע פרדוקס: או שמהירות האור תמיד קבועה כמו שטען מקסוול, או שיש לצרף או להחסיר מהירויות לפי הדרך של ניוטון. האם אי פעם נוכל להדביק קרן אור? מתברר שהתשובה שלילית.
באדיבות וויקיפדיה
התצפיות ותורת היחסות פרטית מגלות שמהירות האור זהה תמיד. בשנות השמונים של המאה ה-19 הראו הפיזיקאי האמריקני אלברט מיכלסון והכימאי אדוארד מורלי כי האור מכוכבים מגיע לכדור הארץ תמיד במהירות 300,000 ק"מ בשנייה. הוא מעולם אינו מראה תוספת או חיסור הנובעים מתנועת כדור הארץ, כאשר הוא מקיף את השמש. איינשטיין החליט שקביעות מהירות האור הוא חוק פיזיקלי. הוא גם טען כי חוקי הפיזיקה אינם תלויים במצב התנועה של הצופה. לכן, יש לזנוח מושגים ניוטוניים של מרחב וזמן מוחלטים.
לקביעות האוניברסלית של מהירות האור יש כמה תוצאות מרתקות. איינשטיין, ואלה שבאו אחריו, השתמשו בניסויים מחשבתיים, כדי לנסות ולהסביר באמצעות ניסויים שכאלה "מה היה קורה אם…".
ניסוי המחשבתי הראשון קשור לזמן ונובע ממחשבה שעברה במוחו של איינשטיין בזמן שנסע הביתה קרונית חשמלי. הוא ראה את מגדל השעון של ברן חולף מאחוריו ותהה כיצד יראה מגדל השעון ככל שהחשמלית תנוע מהר יותר ויותר. במהירות של 300,000 קמ"ש, החשמלית הייתה מתרחקת מהמגדל במהירות השווה למהירותו של גל האור, השעון בראש המגדל היה מוסיף להראות את השעה 6 בערב למשל – הזמן היה נותר קפוא! דרך נכונה יותר להסתכל על זה היא לזכור שכל הצופים רואים את אור נע באותו קצב. אם אתם טסים במקביל לקרן אור, הדרך היחידה שתוכלו לראות אותה נעה היא באותה מהירות שאדם נייח היה רואה אותה נעה, כלומר שעונך היה מתקתק לאט יותר. בדיוק כמו שאדם נייח שיבחין במכונית שנעה במהירות 60 קמ"ש צפונה, ואילו נהג שנוסע במהירות 50 קמ"ש צפונה יראה את המכונית נוסעת כל כך מהר יחסית להם אם השעון שלהם פועל ממש לאט.
באדיבות pixabay
בחיי היומיום, האטת שעון זו אינה משמעותית. נוסע מתמיד שמבלה כ- 100 שעות בחודש במטוסים עשוי להרוויח 1/1000,000 שניה בסוף השנה! אתה צריך לנוע ממש מהר כדי שתוכל להבחין בהאטת הזמן. גילם של אסטרונאוטים שנעים במהירות השווה ל- 90% ממהירות האור יקטן לחצי מגיל האנשים שנשארו בכדור הארץ. מכאן עולה הרעיון שגופים הנעים קרוב למהירות האור, או במהירויות יחסותיות, סובלים מכיווץ פיזי, אורכם מתקצר בכיוון התנועה. התקצרות זו מתרחשת באופן שישמור על קביעות מהירות האור. בייסבול שנע במהירות גבוהה במיוחד היה נראה לצופה נייח כמשטח בצורת לביבה.
האפקט השלישי של היחסות הוא שהמסה של גוף גדילה כשהוא מתקרב למהירות האור. ראינו שלמסה יש אנרגיה השווה E = mc2. ככל שכל חפץ מואץ לעבר מהירות האור, האנרגיה שנוספת לו גורמת להגדלת המסה שלו ולא להגברת מהירותו. עצמים הנעים במהירות גבוהה מגדילים את ההתמד שלהם; הם מתנגדים לכל שינוי בתנועתם, והם לעולם אינם יכולים להשיג את מהירות האור, נדרשת לשם כך אנרגיה אינסופית!
לפיכם ניסוי מחשבתי שיעזור לכם להבין זאת. מישהו שצפה בכדורים הנזרקים בחללית הנעה בתנועה מהירה יראה שהם נעים לאט יותר – ככל שתקתוק השעון מאט, כך גם מתרחשות הפעילויות יום-יומיות, בחללית הכל מתרחש לאט יותר. אם מישהו בחללית יפיל כוס, היא תראה למתבונן מבחוץ נעה לאט מאוד בשל כוח הכבידה המלאכותי שקיים בחללית. אבל האסטרונאוטים היו רואים את אותה הכוס נופלת בדיוק כפי שהיא הייתה במטבח שלך בכדור הארץ. מכיוון שבמטבח שלכם הזכוכית ככל הנראה תתנפץ, גם הצופה הנייח וגם האסטרונאוטים היו רואים אותה נשברת. אבל אם הנפילה כל כך איטית מנקודת המבט של הצופה הנייח, מדוע היא נשברת? ובכן, אם ההאצה לכיוון האדמה יורדת, המסה צריכה לגדול כדי שתתרחש אותה תוצאה. מנקודת מבטם של האנשים הנייחים כוס זכוכית נפלה לאט מאוד אך היא הייתה כבדה מאד מפני שהתכווצה בכיוון התנועה ואז התנפצה.
אף אחת מההשפעות המוזרות של תורת היחסות איננה טריק או אשליה; אלה תופעות פיזיות אמתיות. פיזיקאים הראו כי חלקיקים הנעים במהירות גבוהה יחסית "מתכווצים" בכיוון התנועה ויש להם אנרגית-מסה גדולה יותר. ניסויים אישרו כי שעונים אטומיים מדויקים שהוטסו במטוס סילון נעים בקצב איטי במקצת בהשוואה לשעון זהה בכדור הארץ. התחזיות של היחסות הפרטית זוכה לאישורים במעבדות הפיזיקה אלפי פעמים ביום. למרות שתורת היחסות הפרטית מחליפה את חוקי התנועה של ניוטון, ההשפעות הבלתי שגרתיות שלה באות לידי ביטוי רק קרוב למהירות האור. לפיכך, ניתן לראות בקושי תופעות יחסותיות כאשר המהירות v נמוכה בהרבה מ- c, או v / c «1. אילו הם המקרים של חלליות ומכוניות מהירות. במהירויות נמוכות יומיומיות, המשוואות הניוטוניות עובדות היטב.
Author: Chris Impey