תורת היחסות הפרטית
אחת משני תאוריות פיזיקליות שפותחו על ידי אלברט איינשטיין / ויקיפדיה האנציקלופדיה encyclopedia
תורת היחסות הפרטית[1] היא תאוריה מדעית פיזיקלית, מהפכנית בזמנה, שפותחה ופורסמה על ידי אלברט איינשטיין בשנת 1905 (שנת הפלאות). תורת היחסות באה לפתור את הסתירות שהתגלו בין המכניקה הקלאסית והתורה האלקטרומגנטית, והיא יוצאת מתוך שתי הנחות יסוד:
- מהירות האור בוואקום היא קבועה בכל מערכת ייחוס.
- חוקי הפיזיקה זהים בכל מערכות הייחוס.
אחת התוצאות המפתיעות הנובעות מהנחות אלו היא שאין זמן ומרחב מוחלטים – ככל שמערכת ייחוס נעה במהירות גבוהה יותר (עם מהירות האור כחסם עליון), ממד האורך של המערכת בכיוון התנועה מתכווץ ביחס לצופה נייח, והזמן המקומי שלה מתקדם לאט יותר מנקודת מבטו של אותו צופה. בשנת 1915 הרחיב אלברט איינשטיין את תורת היחסות על מנת להתמודד עם מושג התאוצה, ובכך יצר את תורת היחסות הכללית, אשר אחד ההישגים החשובים שלה הוא הסבר של כוח הכבידה מתוך התעקמות של המרחב-זמן. תורת היחסות הפרטית והכללית נענו בתגובות מעורבות של הקהילה המדעית לאחר פרסומם. בעוד מדענים חשובים כמו מקס פלאנק קיבלו את התורה בהתלהבות, רבים בקהילה הפיזיקלית שללו אותה מכול וכול. מסיבה זאת, כאשר הוחלט להעניק לאיינשטיין את פרס נובל לפיזיקה בשנת 1921, הפרס ניתן על ההסבר של האפקט הפוטואלקטרי ולא על תורת היחסות.
נקודת המפנה בקבלת תורת היחסות הייתה תצפית שנערכה בשנת 1919 על ידי משלחת שבראשה עמד ארתור אדינגטון שדיווחה שצפתה בהסטה במיקומם של כוכבים הנראית בזמן ליקוי חמה, שנובאה על ידי תורת היחסות הכללית. למעשה, תוצאות הניסוי לא היו חד משמעיות. פרסום הניסוי הפך את איינשטיין לדמות מוכרת ברחבי העולם. באופן דומה, הנוסחה E=mc2, המבטאת את שקילות המסה והאנרגיה, שהיא אחת מהתגליות המפתיעות של תורת היחסות הפרטית, הפכה לסמל תרבות ומדע. כיום תורת היחסות מקובלת על הרוב המוחלט של הקהילה הפיזיקלית, מהווה אבן בסיס של הפיזיקה המודרנית, ותוצאותיה נבדקות בתחומים רבים.
בסוף המאה ה-19 ניסח ג'יימס קלרק מקסוול את חוקי ההתפתחות של שדות חשמליים ומגנטיים, הקרויים היום על שמו. בין התוצאות החשובות של חוקים אלו היה גילוי קיומם של גלים אלקטרומגנטיים – גלים המבוססים על שדות חשמליים ומגנטיים המתנדנדים בזמן. בכך הצליח מקסוול לראשונה להסביר את האור, ואת מדע האופטיקה באמצעות חשמל ומגנטיות. חוקים אלו, שהתווספו על חוקי התנועה של ניוטון ועל חוקי התרמודינמיקה, הביאו מדענים רבים בסוף המאה ה-19 לחשוב שהפיזיקה מצאה את כל החוקים היסודיים של הטבע. ואולם מספר מדענים העירו שישנה בעיה בשילוב של חוקי מקסוול והמכניקה הניוטונית.
קרינה אלקטרומגנטית ומדידת מהירות האור
על פי המכניקה הקלאסית, כל גל מתקדם בתווך מסוים ומהירות ההתקדמות שלו (שנקבעת על פי משוואת הגלים) נמדדת ביחס לתווך. במאה ה-19 סברו שהאור נע בתווך שכונה "אתר", שהיה עשוי מחומר דק הממלא את כל היקום.
בשנת 1887 ביצעו הפיזיקאי אלברט אברהם מייקלסון ועמיתו אדוארד מורלי את הניסוי המפורסם – ניסוי מייקלסון-מורלי. מטרתם הייתה לבדוק את מהירות כדור הארץ באתר. מטרתם לא הייתה להוכיח או להפריך את קיום האתר, משום שקיומו נחשב במאה ה-19 לעובדה מדעית שמעטים פקפקו בה. כדי למדוד את מהירות כדור הארץ הם השתמשו בשיטה אופטית-התאבכותית הידועה בשם "אינטרפרומטריה". הרעיון מאחורי הניסוי היה לצרף שתי קרני אור, אשר אחת מהם נעה בכיוון התקדמות כדור הארץ, ואחת מהם נעה בניצב אליו. בהנחה שהאור מתקדם באתר ושכדור הארץ נע ביחס אליו, צריך להיות הבדל במהירות של אותן שתי קרניים, והאינטרפרומטר של מייקלסון מורלי היה רגיש מספיק בשביל למדוד הבדל זה. ממדידת ההבדל ניתן היה, לפי הנחתם, להסיק את מהירות כדור הארץ.
אולם, תוצאות הניסוי העלו שמהירות האור שנמדדה בשני הכיוונים הייתה זהה. תוצאה זו זכתה לפרשנויות שונות. מייקלסון ומורלי סברו שהמכשור לא היה רגיש דיו, וניסו לחזור על הניסוי בווריאציות שונות, ואילו הפיזיקאים הנדריק לורנץ וג'ורג' פיצג'רלד הציעו ב-1892 כי הגופים הנעים מתכווצים בכיוון התנועה באתר, השערה הדומה מאוד לעקרונות היחסות שיתגלו בהמשך. לאחר שאיינשטיין פרסם בשנת 1905 את תורת היחסות הפרטית, פורש ניסוי מייקלסון-מורלי בדיעבד כאישוש שלה וכהפרכת קיומו של האתר, על אף שבשעתו הוא לא נתפס כך כלל. אף על פי כן, היו שהמשיכו להתנגד לה, כמו הפיזיקאי האמריקאי דייטון מילר (1866–1941) שהמשיך לבצע שחזורים של ניסוי מייקלסון-מורלי באמצעים מדויקים יותר עד אמצע שנות השלושים, ואף פרסם ממצאים שמדדו, לטענתו, שינוי במהירות האור ביחס לאתר, ובכך הפריכו לכאורה את תורת היחסות. אולם בשלב זה תורת היחסות הייתה מקובלת היטב והקהילה המדעית איבדה ברובה עניין בניסוייו.
ייתכן כי איינשטיין התוודע לניסוי מייקלסון מורלי ולתוצאותיו מתוקף היותו סטודנט לתואר ראשון לפיזיקה. מיתוס היסטורי נפוץ מתייחס לכישלונם של מייקלסון ומורלי למדוד שינוי במהירות האור ביחס לתנועת כדור הארץ באתר כגורם העיקרי שהביא את איינשטיין לפיתוח תורת היחסות הפרטית. אולם ככל הנראה הוא שגוי או לכל הפחות מוגזם. איינשטיין לא הזכיר את הניסוי במאמרו משנת 1905, שם פיתח את תורת היחסות הפרטית משיקולים תאורטיים טהורים. מידת השפעתו של ניסוי מייקלסון-מורלי על איינשטיין שנויה במחלוקת בקרב היסטוריונים של המדע, אף כי בכל מקרה מקובל לחשוב שהיא פחותה ממה שהנרטיב המקובל מניח.
א-סימטריה בתורת האלקטרומגנטיות
במאמר שפרסם על יחסות פרטית, שנקרא "על האלקטרודינמיקה של גופים נעים", כתב איינשטיין שהמניע אשר דחף אותו לפתח את התורה היה חוסר הסימטריה שביסודה של תופעה אלקטרומגנטית בסיסית. מדובר בתופעה שבה תנועה יחסית בין מוליך לשדה מגנטי יוצרת זרם חשמלי במוליך. לתופעה זו הציעה האלקטרומגנטיות הקלאסית שני הסברים שונים לחלוטין:
- אם המוליך זז ביחס לשדה, הרי שהמטענים נעים במהירות כלשהי ולכן פועל עליהם כוח לורנץ הגורם להם לנוע בתוך המוליך ובכך יוצר זרם.
- אם השדה המגנטי משתנה ביחס למוליך, אזי השטף המגנטי שדוגם המוליך משתנה, ולפי חוק פאראדיי נוצר כוח אלקטרו-מניע במוליך שגורם למטענים לנוע כזרם.
איינשטיין לא היה מוכן להשלים עם אי-הסימטריה לעיל אשר מספקת הסברים שונים לחלוטין לתופעה אחת.
ניסיונו למצוא הסבר אסתטי וסימטרי לתופעה היה אחד ממניעיו לפיתוח תורת היחסות. איינשטיין הבין ששורש הבעיה מצוי בכך שמושגים כמו מרחב וזמן לא הוגדרו היטב.
בבסיס ההסבר שנתנה תורת היחסות הפרטית לתופעות שנידונו לעיל עומדים שני עקרונות יסוד:
- עקרון היחסות:
- חוקי הפיזיקה אינם משתנים כאשר עוברים ממערכת ייחוס אינרציאלית אחת למערכת ייחוס אינרציאלית אחרת. כך לדוגמה, אדם הנמצא בקרון רכבת אטום לא יכול באמצעות שום ניסוי או מדידה פיזיקלית לקבוע האם הקרון נע במהירות קבועה או ניצב במנוחה.
- אינווריאנטיות מהירות האור:
- מהירות האור (c) קבועה לכל צופה, בלא תלות במהירות היחסית שלו (v) ביחס לגוף שפלט את האור, או במהירות שלו ביחס לכל גוף אחר.
באמצעות דרישות אלה הסביר איינשטיין כיצד להגדיר את המרחב והזמן כך שבאמצעות סנכרון שעונים הגדיר מחדש את המושג של סימולטניות ("בו-זמניות"). מהניתוח שביצע איינשטיין עולה שהסימולטניות היא לא גודל שנשמר בין מערכות ייחוס אינרציאליות הנעות במהירויות שונות. כלומר: שני צופים הנמצאים בתנועה יחסית ביניהם, ומודדים את אותו צמד אירועים, עשויים שלא להסכים ביניהם בשאלה האם אירועים אלו התרחשו בו זמנית. מדרישות אלה ומעקרון הלוקליות גזר איינשטיין את טרנספורמציות לורנץ שהחליפו את טרנספורמציית גליליי ככלי מדויק לתרגם גדלים פיזיקליים במעבר בין מערכות ייחוס שונות. עם זאת, במהירויות נמוכות בהרבה ממהירות האור טרנספורמציית גליליי מנבאת תוצאות בדיוק טוב מאוד, כך שניתן להתייחס אל טרנספורמציית גלילי כקירוב של טרנספורמציית לורנץ בגבול מהירויות נמוכות .
תורת היחסות הפרטית מטפלת רק במערכות ייחוס אינרציאליות, כלומר מערכות ייחוס הנעות זו ביחס לזו במהירות קבועה. על אף שאפשר לדבר בתורה על תאוצה כגודל קינמטי, הטרנספורמציות בין מערכות ייחוס נעשות רק בין שתי מערכות אינרציאליות זו לזו. שילוב מערכות ייחוס מואצות (כגון למשל מערכת ייחוס מסתובבת) איננו דבר פשוט ובעיה קשה זו מצאה פתרון שלם רק ב-1915 – כאשר איינשטיין ניסח את תורת היחסות הכללית, שמהווה הכללה לתורת היחסות הפרטית ומטפלת גם במערכות מואצות כאשר היא מזהה תאוצה עם שדה כבידה.
הזמן על פי תורת היחסות
מהו זמן ואיך מודדים אותו
בשלב הראשון, ניגש איינשטיין לטפל בזמן וניתח מה הוא בדיוק ה"זמן" שאנו מודדים. ראשית, איינשטיין פתר את המקרה הפשוט שבו מודד הזמן נמצא באותו מקום בו קרה האירוע.
- "הרכבת הגיעה בשעה שבע" – כלומר, האירוע שבו הרכבת הגיעה לתחנה התרחש בו-זמנית במערכת הייחוס של התחנה יחד עם האירוע שבו השעון של המודד, הנמצא נייח בתחנה, הראה את השעה 7.
בשלב השני בחן איינשטיין את השאלה: "מה קורה אם האירועים אינם קורים באותו מקום?" במקרה זה, יש להכין את מערכת המדידה מראש.
- נניח שבדוגמה שלנו, מודד הזמן נמצא מחוץ לתחנה וכן נניח שיש ברשותו אמצעי להעברת מידע במהירות האור בין התחנה אליו. כדי למדוד מתי הגיעה הרכבת עליו להכין שני שעונים (אחד בתחנה ואחד אצלו) וכן למדוד את המרחק בין התחנה אליו (נניח שמרחק זה הוא L). כעת, כאשר הרכבת מגיעה לתחנה, השעון שבתחנה שולח אות במהירות האור אל המודד. אם השעון בתחנה יראה 7 בעת הגעת הרכבת, השעון של המודד יראה . כדי לדעת מתי הגיעה הרכבת עליו לקזז משעונו את הזמן שלקח למידע להגיע. כך פתר איינשטיין את בעיית הזמן גם עבור אירועים שאינם קורים באותו מקום.
מהניתוח לעיל, עולה שכדי לקבל מדידה אחידה עבור צופים במרחקים שונים, בכל מקום יש לסנכרן את השעונים כך שהמחוג יקזז את הזמן שלוקח למידע להגיע (בדוגמה שלנו: המודד צריך לכוון את השעון שלו זמן אחורה כדי שגם השעון שלו יראה שהרכבת הגיעה ב־7 לתחנה, כמו שהשעון בתחנה מראה). באופן תאורטי אידיאלי, בכל מקום במרחב יש שעון מסונכרן כזה.
אולם, מסתבר שבעיית סנכרון השעונים איננה פשוטה כל כך. בשביל לסנכרן שני שעונים יש לשלוח קרן אור משעון A לשעון B, לתת לקרן לחזור ולמדוד את משך הזמן שלקח לה לחזור, באופן מתמטי – אם קרן האור יצאה ב־ וחזרה בזמן אזי .
כעת, זה מפתה לומר שהזמן שלוקח לאור לטייל מ־A ל־B הוא (מטעמי סימטריה) אבל אין שום ערובה ניסיונית לכך שזה אכן המצב. למעשה, נוכל לקבוע שבכיוון אחד לקח לאור להגיע רק זמן לעבור, ולא נוכל להפריך זאת בניסוי כי הזמן במקומות שונים מוגדר באמצעות הגודל שאותו אנו רוצים למדוד, ואי אפשר למדדו בלי הגדרה טובה של הזמן במקומות שונים. דבר זה קשה להבנה וקשור לתפיסה האקטואליסטית הקאנטיאנית שהיוותה השראה לאיינשטיין בעת ניסוח התאוריה. ברם, בגלל עקרון היחסות, בחר איינשטיין באפשרות הטבעית, , אך במאמרו הדגיש שבחירה זו היא "בחירה שרירותית" ומהווה בעצם "עניין של הגדרה".
בתגובה לניתוח העמוק והמסובך לעיל העיר הפיזיקאי ריצ'רד פיינמן בבדיחות ש"איינשטיין בעצם גילה שאת הזמן מודדים עם שעון".
לאחר הגדרת מושג הזמן בכל נקודה במרחב, כך שבכל מקום במרחב מונח שעון כשכל השעונים מסונכרנים, ניתן לבחון כיצד תלוי קצב תקתוקו של השעון במהירות התנועה של מערכת הייחוס שבה הוא נמצא.
שעון במערכת הנעה במהירות קבועה והתארכות הזמן
על פי תורת היחסות, זמן אינו גודל מוחלט, אלא תלוי במערכת ייחוס. כלומר, אצל צופה אחד הזמן יעבור במהירות שונה מהזמן אצל צופה שני, הנע ביחס לראשון. ככל שמתקרבים למהירות האור, היחס שואף לאינסוף, ועל כן, מנקודת המבט של הצופה, הזמן בגוף הנע ביחס אליו במהירות האור עומד מלכת.
נניח ש- (זמן עצמי) הוא פרק הזמן בין שני תקתוקי שעון במערכת שבה שני תקתוקי השעון קורים באותו מקום – "המערכת הנייחת" (מתוארת באיור הימני). נניח ש- הוא פרק הזמן העובר בין שני תקתוקים כאשר שני התקתוקים קרו במקומות שונים, עקב תנועת מערכת הייחוס במהירות קבועה ביחס למערכת הנייחת, בניצב לכיוון התקדמות האור (מתוארת באיור השמאלי).
לפי תורת היחסות, הקשר שיתקיים ביניהם הוא:
או
כאשר הוא הזמן העצמי (הזמן במערכת ייחוס שבה שני האירועים מתרחשים באותו מקום, "המערכת הנייחת") ו־ הוא הזמן במערכת ייחוס הנעה במהירות ביחס אליה. היא מהירות האור. הזמן העצמי הוא גודל אינווריאנטי בתורת היחסות. ניתן לראות כי כאשר , אזי שואף לאינסוף. תופעה זו ידועה בשם "התארכות הזמן" (Time dilation). כלומר, ככל שהצופה נע במהירות גבוהה יותר ביחס למערכת הייחוס, כך השעון שלו מתקתק לאט יותר. במהירויות השואפות למהירות האור, ייקח לשעונו של הצופה הנע זמן אינסופי להשלים תקתוק שני, ולכן ידמה לו כאילו הזמן עומד מלכת.
בשעון הכוונה היא לכל מערכת פיזיקלית המשתנה בזמן (אם המערכת היא בעלת התנהגות מחזורית היא יכולה לשמש כשעון לכל צורך מעשי). גם לב האדם, הפועם בקצב קבוע הוא סוג של שעון, ומאחר שגם פעילותו הגופנית והמנטלית של הצופה הנע ביחד עם המערכת מאטות ביחד עם השעון, הוא לא ירגיש בהאטת הזמן.
תוצאה מעניינת מהמסקנות לעיל היא פרדוקס התאומים, ניסוי מחשבתי שבו תאום אחד נשלח לחלל במהירות גבוהה מאוד וכאשר הוא חוזר לכדור הארץ הוא מגלה שאחיו הזדקן מאוד, בעוד שהוא נותר צעיר. הסיבה לאי-הסימטריה בין שני התאומים נעוצה בכך שאחד מהם שינה בפועל את מהירותו (כאשר הוא הסתובב לחזור בחזרה אל עבר כדור הארץ) ובכך ביצע "קפיצה" בין שתי מערכות ייחוס אינרציאליות שונות ביחס לתאום שבכדור הארץ.
פרדוקס מעניין אחר הוא פרדוקס הסולם והאסם שמראה סימטריה בין שתי מערכות ייחוס אינרציאליות והיחסיות של הסימולטניות.
תורת האינווריאנטים
בניגוד למה שניתן להבין משמה, תורת היחסות לא קובעת שהכל יחסי, אלא מנסה למצוא אינווריאנטים של הטבע, כלומר: גדלים שלא משתנים תחת מעבר בין מערכת ייחוס אינרציאלית אחת למערכת ייחוס אינרציאלית אחרת. איינשטיין יצא מהדרישה שחוקי הפיזיקה הם אינווריאנטים כאלה. גדלים פיזיקליים שנשמרים תחת מעבר זה נקראים גם "אינווריאנטים לורנץ" כי הם נשמרים תחת טרנספורמציות לורנץ. דוגמאות לאינווריאנטים הן:
- מהירות האור – תימדד כ־ בכל מערכת ייחוס.
- האינטרוול (ריבוע הזמן העצמי) - ובפרט, גם הזמן העצמי הוא אינווראנטי לורנץ.
- פאזת גל אלקטרומגנטי.
- מסת מנוחה.
דיאגרמת זמן וקונוס האור
דיאגרמת זמן (נקראת גם "גרף t-x") הוא דרך פופולרית וטובה לתאר את המרחב-הזמן היחסותי. גרף זה מורכב מציר אופקי x המתאר את המרחב (הצמצום לממד מרחבי אחד נעשה מטעמי פשטות ונוחות השרטוט) ומציר אנכי t המתאר את הזמן.
להלן הסברים על הגרף ומשמעות רכיביו:
- הקווים המקווקווים הם היפרבולות האינטרוול. על כל היפרבולה שכזו, האינטרוול ds² הוא קבוע.
- הקווים האדומים ידועים בשם "קונוס האור" והם מייצגים גופים (B) שנעים במהירות האור.
- התחום שבתוך הקונוס מעל הראשית (קונוס העתיד) הוא התחום של כל המאורעות (A) שעליהם המאורע בראשית יכול להשפיע, התחום שבתוך הקונוס ומתחת לראשית (קונוס העבר) הוא תחום כל המאורעות שיכלו להשפיע (D) על המאורע בראשית O.
- כל התחום הלבן שמחוץ לקונוס האור מכיל מאורעות שלא יכולים להשפיע או להיות מושפעים מהמאורע בראשית (הם נקראים "מופרדים מרחבית"). הסיבה לכך היא שאם הם יכלו להיות מושפעים מהמאורע בראשית עקרון הסיבתיות היה מופר, שכן טרנספורמציית לורנץ – המזיזה נקודות לאורך היפרבולת האינטרוול שלהן – תוכל להעביר את המאורעות (למשל את C) למערכת ייחוס אחרת שבה C התרחש לפני O.
- הזמן מציין את הזמן העצמי לאורך היפרבולת האינטרוול.