תורת היחסות המיוחדת, שפורסמה ב-1905 על ידי איינשטיין והכללה חשובה של מספר השערות מוקדמות יותר, היא אחת היפותזות המהדהדות והנדונות בפיזיקה.
אכן, קשה לדמיין שכאשר עצם נע במהירות של כמעט אור, תהליכים פיזיקליים מתחילים להתנהל עבורו בצורה יוצאת דופן לחלוטין: אורכו פוחת, המסה שלו גדלה והזמן מאט. מיד לאחר הפרסום החלו ניסיונות להכפיש את התיאוריה, שנמשכים גם היום, למרות שחלפו יותר ממאה שנים. זה לא מפתיע, כי השאלה מה השעה הדאיגה את האנושות מזמן ומשכה את תשומת הלב של כולם.
מהו רלטיביזם
מהות המכניקה היחסותית (היא גם תורת היחסות המיוחדת, להלן SRT) וההבדל שלה מהמכניקה הקלאסית בא לידי ביטוי בצורה חיה בתרגום הישיר של שמה: הלטינית relativus פירושו "יחסי משפחה". SRT מניח את הבלתי נמנעת של הרחבת זמן עבור אובייקט כשהוא נע ביחס למתבונן.
ההבדלשל תיאוריה זו, שהוצעה על ידי אלברט איינשטיין, מהמכניקה הניוטונית ונמצאת בעובדה שכל התהליכים המתמשכים יכולים להיחשב רק ביחס זה לזה או לצופה מבחוץ. לפני שמתארים מהי הרחבת זמן רלטיביסטית, יש צורך להעמיק מעט בשאלת היווצרות התיאוריה ולקבוע מדוע ניסוחה הפך לאפשרי ואף חובה בכלל.
מקורות היחסות
עד סוף המאה ה-19, מדענים הבינו שחלק מהנתונים הניסויים אינם מתאימים לתמונת העולם המבוססת על מכניקה קלאסית.
סתירות יסוד הביאו לניסיונות לשלב את המכניקה של ניוטון עם משוואות מקסוול המתארות את תנועתם של גלים אלקטרומגנטיים בוואקום ובמדיה רציפה. כבר היה ידוע שאור הוא בדיוק גל כזה, וצריך להתייחס אליו במסגרת האלקטרודינמיקה, אבל זה היה בעייתי ביותר להתווכח עם מכניקה ויזואלית והכי חשוב, בדוקה בזמן.
הסתירה, לעומת זאת, הייתה ברורה. נניח שפנס קבוע מול רכבת נוסעת, שזורח קדימה. לפי ניוטון, המהירויות של הרכבת והאור המגיע מהפנס חייבות להסתכם. המשוואות של מקסוול במצב היפותטי זה פשוט "נשברו". היה צורך בגישה חדשה לגמרי.
יחסיות מיוחדת
זה יהיה לא נכון להאמין שאיינשטיין המציא את תורת היחסות. למעשה, הוא פנה לעבודות ולהשערות של מדענים שעבדו לפניו. עם זאת, המחבר ניגששאלה מצד שני ובמקום המכניקה של ניוטון זיהתה את המשוואות של מקסוול כ"נכונות אפריורית".
בנוסף לעקרון היחסות המפורסם (למעשה, שנוסח על ידי גלילאו, לעומת זאת, במסגרת המכניקה הקלאסית), גישה זו הובילה את איינשטיין לאמירה מעניינת: מהירות האור קבועה בכל המסגרות של התייחסות. והמסקנה הזו היא שמאפשרת לנו לדבר על האפשרות לשנות את תקני הזמן כאשר האובייקט זז.
קביעות מהירות האור
נראה שהאמירה "מהירות האור קבועה" אינה מפתיעה. אבל נסו לדמיין שאתם עומדים במקום וצופים באור מתרחק מכם במהירות קבועה. אתה עוקב אחרי האלומה, אבל היא ממשיכה להתרחק ממך בדיוק באותה מהירות. יתרה מכך, בהסתובב וטס בכיוון ההפוך מהקרן, לא תשנו את מהירות המרחק שלכם זה מזה בשום אופן!
איך זה אפשרי? כאן מתחילה השיחה על ההשפעה היחסית של הרחבת הזמן. מעניין? אז המשך לקרוא!
הרחבת זמן יחסי לפי איינשטיין
כאשר מהירותו של אובייקט מתקרבת למהירות האור, הזמן הפנימי של האובייקט מחושב להאט. אם נניח שאדם נע במקביל לקרן השמש במהירות דומה, הזמן עבורו יפסיק לרוץ כלל. יש נוסחה להרחבת זמן רלטיביסטית, המשקפת את הקשר שלו עם מהירות האובייקט.
עם זאת, כאשר לומדים את הנושא הזה, יש לזכור ששום גוף בעל מסה לא יכול להגיע אפילו תיאורטית למהירות האור.
פרדוקסים הקשורים לתיאוריה
תורת היחסות המיוחדת היא עבודה מדעית ולא קלה להבנה. עם זאת, התעניינות ציבורית בשאלה מהו השעה מולידה באופן קבוע רעיונות שברמה היומיומית נראים כפרדוקסים בלתי פתירים. לדוגמה, הדוגמה הבאה מבלבלת את רוב האנשים שמתוודעים ל-SRT ללא כל ידע בפיזיקה.
ישנם שני מטוסים, אחד מהם טס ישר, והשני ממריא ולאחר שתיאר קשת במהירות קרובה למהירות האור, מדביק את הראשון. כצפוי, מסתבר שהזמן של המנגנון השני (שטס במהירות כמעט אור) עבר לאט יותר מאשר לראשון. עם זאת, בהתאם להנחת ה-SRT, מסגרות ההתייחסות לשני המטוסים שוות. המשמעות היא שהזמן יכול לעבור לאט יותר עבור מכשיר אחד וגם עבור מכשיר אחר. נראה כי מדובר במבוי סתום. אבל…
פתרון פרדוקסים
למעשה, המקור לפרדוקסים מסוג זה הוא אי הבנה של מנגנון התיאוריה. ניתן לפתור את הסתירה הזו באמצעות ניסוי ספקולטיבי ידוע.
יש לנו סככה עם שתי דלתות היוצרות מעבר עובר ומוט מעט ארוך יותר מאורך הסככה. אם נמתח את המוט מדלת לדלת, הם לא יוכלו להיסגר או שהם פשוט ישברו לנו את המוט. אם המוט, עף לתוך האסם,תהיה מהירות קרובה למהירות האור, אורכו יקטן (זכור: עצם שנע במהירות האור יהיה באורך של אפס), וכרגע שהוא בתוך האסם, נוכל לסגור ולפתוח את דלתות מבלי לשבור את האביזרים שלנו.
מצד שני, כמו בדוגמה עם המטוס, האסם הוא זה שצריך לרדת ביחס למוט. הפרדוקס חוזר על עצמו, ולכאורה אין מוצא - שני העצמים מצטמצמים באופן סינכרוני לאורכם. עם זאת, זכור שהכל יחסי, ופתור את הבעיה על ידי שינוי השעה.
יחסיות של סימולטניות
כאשר הקצה הקדמי של המוט בפנים, מול דלת הכניסה, נוכל לסגור ולפתוח אותה, וברגע שהמוט יעוף לתוך הסככה לגמרי, נעשה זאת גם עם הגב. דלת. נראה שאנחנו לא עושים את זה במקביל, והניסוי נכשל, אבל כאן העיקר מתברר: בהתאם לתורת היחסות המיוחדת, רגעי הסגירה של שתי הדלתות ממוקמים באותה נקודה על הדלת. ציר זמן.
זה קורה מכיוון שאירועים המתרחשים בו-זמנית במסגרת ייחוס אחת לא יהיו בו-זמנית באחרת. הרחבת הזמן היחסית באה לידי ביטוי ביחסי אובייקטים, ואנו חוזרים להכללה היומיומית לחלוטין של התיאוריה של איינשטיין: הכל יחסי.
יש עוד פרט אחד: שוויון מערכות ההתייחסות רלוונטי ב-SRT, כאשר שני האובייקטים נעים בצורה אחידה ומיושרת. ברגע שאחד הגופים מתחיל להאיץ או להאט, מסגרת ההתייחסות שלו הופכת ייחודיתאפשרי.
פרדוקס התאומים
הפרדוקס המפורסם ביותר שמסביר את הרחבת הזמן הרלטיביסטית "בצורה פשוטה" הוא ניסוי מחשבתי עם שני אחים תאומים. אחד מהם עף משם בחללית במהירות קרובה למהירות האור, בעוד השני נשאר על הקרקע. עם החזרה, האח האסטרונאוט מגלה שהוא בעצמו הזדקן 10 שנים, ואחיו, שנשאר בבית, הגיע לגיל 20.
התמונה הכוללת אמורה להיות ברורה לקורא כבר מההסברים הקודמים: עבור האח בחללית, הזמן מאט כי מהירותו קרובה למהירות האור; איננו יכולים לקבל את מסגרת ההתייחסות ביחס לאח-על-קרקע, מכיוון שהיא תתברר כלא אינרציאלית (רק אח אחד חווה עומסים).
ברצוני לציין עוד משהו: לא משנה לאיזו מידה מגיעים המתנגדים בסכסוך, העובדה נשארת בעינה: הזמן בערכו המוחלט נשאר קבוע. לא משנה כמה שנים אח טס בחללית, הוא ימשיך להזדקן בדיוק באותו קצב ככל שיעבור הזמן במסגרת הייחוס שלו, והאח השני יזדקן בדיוק באותו קצב - ההבדל יתגלה רק כאשר הם נפגשים, ולא בכל מקרה אחר.
הרחבת זמן הכבידה
לסיכום, יש לציין שקיים סוג שני של הרחבת זמן, שכבר קשור לתורת היחסות הכללית.
אפילו במאה ה-18, מיטשל חזה את קיומו של האדוםתזוזה, כלומר כאשר חפץ נע בין אזורים עם כוח משיכה חזק וחלש, הזמן עבורו ישתנה. למרות הניסיונות ללמוד את הנושא של לפלס וזולדנר, רק איינשטיין הציג עבודה מלאה בנושא זה ב-1911.
השפעה זו מעניינת לא פחות מהרחבת הזמן היחסותית, אך היא דורשת מחקר נפרד. וזה, כמו שאומרים, סיפור אחר לגמרי.
