מהי תורת היחסות לבובות

תורת היחסות המיוחדת חוללה ממש מהפכה בעולם הפיזיקה ושינתה לחלוטין את הרעיונות המקובלים על העולם סביבנו.

פיזיקאים רבים עדיין עוסקים בדיונים סוערים הקשורים לתורת היחסות. בחומר זה אנסה להסביר בצורה ברורה ככל האפשר מהי תורת היחסות הזו.

תורת היחסות המיוחדת והכללית

עוד בשנת 1905 פרסם הפיזיקאי הגדול אלברט איינשטיין את עבודתו בשם Theory of Relativity (להלן SRT), בה הסבר כיצד לתאר את התנועות בין מסגרות התייחסות אינרציאליות שונות או, בפשטות רבה יותר, עצמים, הנעים זה בזה עם מסוים מְהִירוּת.

בעבודתו אמר המדען כי במהלך תנועה של שני עצמים במהירות קבועה אתה צריך ללמוד את התנועה שלהם ביחס זה לזה, ולא לקחת את אחד האובייקטים כמערכת מוחלטת ספירה לאחור.

במילים פשוטות, אם אסטרונאוטים קונבנציונליים טסים על חללית אחת, ואתה ובן הזוג שלך על אחר, אז בשביל על מנת להשוות את התצפיות שלך, הדבר היחיד שאתה צריך לדעת הוא המהירות ביחס זו לזו חבר.

תורת היחסות המיוחדת

זהו סעיף משנה ייחודי החוקר מקרה מיוחד אך ורק (לכן זה נקרא כך), בו התנועה אחידה וישרה.

במקרה שאובייקט חומרי מואץ או נע בקשת, אז מאה אינו חל. במקרה זה, הוא כבר בשימוש תורת היחסות הכללית (תורת היחסות הכללית), המתאר את תנועת הגופים בכל המקרים האחרים.

כל התיאוריה של איינשטיין מבוססת על ההנחות העיקריות הבאות:

1. עקרון היחסות. לדבריו, כל החוקים הפיזיקליים פועלים אפילו על עצמים שהם מסגרות ייחוס אינרציאליות (נעים יחסית זה לזה במהירות קבועה).
2. העיקרון של מהירות האור. מהירות האור זהה לכל האובייקטים לחלוטין, וזה לא משנה באיזו מהירות אובייקטים חומריים נעים יחסית למקור האור.

חיפוש אתרים ונתונים ניסיוניים

בסוף המאה ה -19, מדענים של אז חיפשו באופן פעיל את מה שמכונה האתר - המדיום שבו, על פי רעיונותיהם, גלי האור היו צריכים להתפשט. במקביל, נשקלה אנלוגיה עם גלי קול, והם זקוקים למדיום מסוים לצורך התפשטות.

כתוצאה מכך הייתה ההשתכנות שמהירות האור תשתנה בהתאם למהירות הצופה ביחס לאתר.

איינשטיין, בניגוד לעמיתיו, החליט לסמוך על תוצאות הניסויים ודחה את תיאוריית האתר כבלתי מתקבל על הדעת, והעלה את הנחתו על סמך ההשגה בניסוי נתונים.

והוא הגיע למסקנה שכל החוקים הפיזיקליים, כמו מהירות האור, הם קבועים ובשום אופן לא תלויים במהירות של הצופה עצמו.

הומוגניות של מרחב וזמן

לכן, על פי SRT, יש קשר בלתי משתנה בין מרחב לזמן. כולנו יודעים היטב כי ליקום שלנו יש שלושה ממדים מרחביים:

מטה ומעלה, שמאלה וימינה וקדימה ואחורה. לשלישייה הבלתי משתנה הזו מתווסף גם מימד הזמן שנקרא, וכעת ארבעת הממדים הללו הם הבסיס לרצף הזמן-מרחב שלנו.

אז אם אתה זז במהירות רבה, אז ספציפית התצפיות שלך לגבי זמן ו החלל יהיה שונה באופן משמעותי מהתצפיות של משקיפים אחרים הנעים עם פחות משמעותית מְהִירוּת. זה קשה, עכשיו אסביר זאת בדוגמה פשוטה.

אז, דמיין שתי חלליות. על אחד אתה ואתה מחזיק מצביע לייזר. אתה מפעיל אותו ומצביע אותו בזווית ישרה על מראה שנמצאת על התקרה, ומתבונן כיצד היא (קרן הלייזר), המשתקפת אנכית כלפי מטה, נופלת על הרצפה.

עכשיו דמיין שזו הספינה שלך שנעה במהירות עצומה של מחצית ממהירות האור. לכן, על פי התיאוריה המיוחדת של איינשטיין, מהירות זו תהיה בלתי נראית בעיניך לחלוטין.

אבל עבור משקיפים על החללית השנייה, שנמצאת במנוחה, ומתבוננים בניסוי שלך בלייזר, הם יראו תמונה אחרת לגמרי, כלומר:

צופה חיצוני יראה כי הקורה שתפלט תנוע באלכסון לכיוון המראה (ולא תחת ישיר זווית כמו במקרה שלך), ואז משתקף מפני השטח שלה, הוא גם ילך באלכסון לרצפה וייפול אוֹתוֹ.

במילים אחרות, מסלול קרן הלייזר יהיה שונה עבורכם ועבור צופה חיצוני. המשמעות היא שגם הזמן שלוקח לקורה לנוע במרחקים שונים יהיה שונה.

תופעה זו מכונה התרחבות זמן, כלומר זמן על ספינת הכוכבים שלך, נע במהירות רבה, יזרום לאט הרבה יותר מאשר עבור משקיפים מבחוץ.

ניסוי מחשבה זה מראה כי קיים קשר בלתי נפרד בין מרחב לזמן. ניתן לראות בבירור קשר זה רק כאשר מדובר במהירויות הקרובות למהירות האור.

שילוב מסה ואנרגיה

בנוסף, המדען הדגול גזר נוסחה לפיה למסה ולאנרגיה יש קשר בלתי נפרד:

לכן, על פי התיאוריה של הפיזיקאי הגדול, כאשר מהירות האובייקט העשוי מחומר מתקרבת למהירות האור, אז מסתו עולה. במילים אחרות, ככל שמהירותו של אובייקט גבוהה יותר, כך משקלו גדול יותר, כלומר קשה יותר ויותר לפזר אותו.

לכן כאשר אובייקט חומרי מגיע למהירות האור, אז המסה שלו תהיה שווה לאינסוף.

לכן, ככל שהגוף כבד יותר, יש צורך באנרגיה רבה יותר כדי להאיץ אותו, וכדי להאיץ גוף עם מסת אינסופית, נדרשת כמות אינסופית של אנרגיה.

מכאן נובע כי עבור עצמים חומריים מהירות האור אינה ניתנת להשגה באופן עקרוני.

לפני תיאוריה זו איש לא ראה קשר ברור בין אנרגיה למסה והיה זה איינשטיין שהוכיח זאת חוק שימור האנרגיה וחוק שימור המסה הם חלקים מחוק כללי אחד אנרגיה המונית.

אהבתם את החומר? ואז אנחנו אוהבים, נרשמים ומגיבים. תודה שקראת עד הסוף!