מי היה מאמין שעובד דואר קטן ישתנהיסודות המדע של זמנו? אבל זה קרה! תורת היחסות של איינשטיין אילצה אותנו לשקול מחדש את ההשקפה הרגילה של מבנה היקום ופתחה תחומים חדשים של ידע מדעי.
רוב התגליות המדעיות נעשות באמצעות ניסויים: מדענים חוזרים על הניסויים שלהם פעמים רבות כדי להיות בטוחים בתוצאות שלהם. העבודה בוצעה לרוב באוניברסיטאות או במעבדות מחקר של חברות גדולות.
אלברט איינשטיין שינה לחלוטין את התמונה המדעית של העולם מבלי לערוך ניסוי מעשי אחד. הכלים היחידים שלו היו נייר ועט, והוא ביצע את כל הניסויים שלו בראשו.
אור נע
(1879-1955) ביסס את כל מסקנותיו על תוצאות "ניסוי מחשבתי". ניסויים אלו יכלו להיעשות רק בדמיון.
המהירויות של כל הגופים הנעים הן יחסיות. המשמעות היא שכל העצמים זזים או נשארים נייחים רק ביחס לאובייקט אחר. לדוגמה, אדם, חסר תנועה ביחס לכדור הארץ, מסתובב במקביל עם כדור הארץ סביב השמש. או נניח שאדם הולך לאורך קרון רכבת נוסעת בכיוון התנועה במהירות של 3 קמ"ש. הרכבת נעה במהירות של 60 קמ"ש. יחסית לתצפיתן נייח על הקרקע, מהירותו של אדם תהיה 63 קמ"ש - מהירות אדם בתוספת מהירות רכבת. אם הוא היה הולך נגד התנועה, אז המהירות שלו ביחס לתצפיתנית נייחת הייתה 57 קמ"ש.
איינשטיין טען שלא ניתן לדון בדרך זו במהירות האור. מהירות האור תמיד קבועה, ללא קשר אם מקור האור מתקרב אליך, מתרחק ממך או עומד במקום.
כמה שיותר מהר, פחות
כבר מההתחלה, איינשטיין הניח כמה הנחות מפתיעות. הוא טען שאם מהירותו של עצם מתקרבת למהירות האור, גודלו פוחת, והמסה שלו, להיפך, גדלה. לא ניתן להאיץ גוף למהירות השווה או גדולה ממהירות האור.
מסקנתו האחרת הייתה מפתיעה עוד יותר ונראה היה שהיא סותרת את השכל הישר. תארו לעצמכם ששני תאומים, אחד נשאר על כדור הארץ, בעוד השני נסע בחלל במהירות קרובה למהירות האור. 70 שנה חלפו מאז ההתחלה על כדור הארץ. לפי התיאוריה של איינשטיין, הזמן זורם לאט יותר על סיפונה של ספינה, ולמשל עברו שם רק עשר שנים. מסתבר שאחד התאומים שנשאר על פני כדור הארץ התבגר בשישים שנה מהשני. אפקט זה נקרא " פרדוקס תאומים" זה נשמע פשוט מדהים, אבל ניסויי מעבדה אישרו שבאמת קיימת התרחבות זמן במהירויות הקרובות למהירות האור.
מסקנה חסרת רחמים
התיאוריה של איינשטיין כוללת גם את הנוסחה המפורסמת E=mc 2, שבו E היא אנרגיה, m היא מסה, ו-c היא מהירות האור. איינשטיין טען שניתן להמיר מסה לאנרגיה טהורה. כתוצאה מיישום תגלית זו בחיים המעשיים, הופיעו אנרגיה אטומית והפצצה הגרעינית.
איינשטיין היה תיאורטיקן. את הניסויים שהיו אמורים להוכיח את נכונות התיאוריה שלו הוא השאיר לאחרים. רבים מהניסויים הללו לא יכלו להיעשות עד שמכשירי מדידה מדויקים מספיק היו זמינים.
עובדות ואירועים
- הניסוי הבא בוצע: מטוס, שהותקן עליו שעון מדויק מאוד, המריא וטס סביב כדור הארץ במהירות גבוהה, נחת באותה נקודה. השעונים על סיפון המטוס היו שבריר שנייה זעיר מאחורי השעונים על פני כדור הארץ.
- אם תפיל כדור במעלית הנופל בהאצת נפילה חופשית, הכדור לא ייפול, אלא נראה כאילו הוא תלוי באוויר. זה קורה בגלל שהכדור והמעלית נופלים באותה מהירות.
- איינשטיין הוכיח שכוח המשיכה משפיע על התכונות הגיאומטריות של המרחב-זמן, אשר בתורו משפיע על תנועת הגופים במרחב זה. כך, שני גופים שמתחילים לנוע במקביל זה לזה ייפגשו בסופו של דבר בשלב מסוים.
כיפוף זמן ומרחב
עשר שנים מאוחר יותר, בשנים 1915-1916, איינשטיין פיתח תיאוריה חדשה של כוח הכבידה, שאותה כינה תורת היחסות הכללית. הוא טען שתאוצה (שינוי במהירות) פועלת על גופים באותו אופן כמו כוח הכבידה. אסטרונאוט לא יכול לקבוע לפי רגשותיו אם כוכב לכת גדול מושך אותו, או האם הרקטה החלה להאט.
אם חללית מאיצה למהירות הקרובה למהירות האור, אז השעון עליה מאט. ככל שהספינה זזה מהר יותר, השעון הולך לאט יותר.
ההבדלים בינה לבין תורת הכבידה של ניוטון מופיעים כאשר חוקרים עצמים קוסמיים בעלי מסה עצומה, כגון כוכבי לכת או כוכבים. ניסויים אישרו את כיפוף קרני האור העוברות ליד גופים בעלי מסות גדולות. באופן עקרוני, יתכן ששדה כבידה יהיה כה חזק שאור לא יכול לברוח מעבר לו. תופעה זו נקראת " חור שחור" "חורים שחורים" התגלו ככל הנראה בתוך כמה מערכות כוכבים.
ניוטון טען שהמסלולים של כוכבי הלכת סביב השמש קבועים. התיאוריה של איינשטיין חוזה סיבוב נוסף איטי של מסלולי כוכבי הלכת, הקשורים לנוכחות שדה הכבידה של השמש. התחזית אושרה בניסוי. זה היה באמת תגלית מעוררת עידן. חוק הכבידה האוניברסלית של סר אייזק ניוטון תוקן.
תחילת מרוץ החימוש
עבודתו של איינשטיין סיפקה את המפתח לרבים מסודות הטבע. הם השפיעו על התפתחותם של ענפים רבים בפיזיקה, מפיזיקה של חלקיקים יסודיים ועד לאסטרונומיה - מדע מבנה היקום.
איינשטיין לא עסק בחייו רק בתיאוריה. ב-1914 הפך למנהל המכון לפיזיקה בברלין. ב-1933, עם עליית הנאצים לשלטון בגרמניה, הוא, כיהודי, נאלץ לעזוב את הארץ הזו. הוא עבר לארה"ב.
ב-1939, למרות שהתנגד למלחמה, כתב איינשטיין מכתב לנשיא רוזוולט והזהיר אותו שניתן לייצר פצצה שתהיה לה כוח הרס עצום, ושגרמניה הנאצית כבר החלה לפתח פצצה כזו. הנשיא נתן הוראה להתחיל בעבודה. זה התחיל מרוץ חימוש.
תורת היחסות הכללית חלה על כל מערכות ההתייחסות (ולא רק על אלו הנעות במהירות קבועה זו ביחס לשנייה) ונראית מתמטית הרבה יותר מסובכת מזו המיוחדת (מה שמסביר את הפער של אחת עשרה השנים בין פרסומן). הוא כולל כמקרה מיוחד את תורת היחסות המיוחדת (ולכן את חוקי ניוטון). יחד עם זאת, תורת היחסות הכללית מרחיקה לכת הרבה יותר מכל קודמותיה. בפרט, הוא נותן פרשנות חדשה לכוח המשיכה.
תורת היחסות הכללית הופכת את העולם לארבע-ממדי: הזמן מתווסף לשלושת המימדים המרחביים. כל ארבעת המימדים אינם ניתנים להפרדה, ולכן כבר לא מדברים על המרחק המרחבי בין שני עצמים, כפי שקורה בעולם התלת מימדי, אלא על מרווחי המרחב-זמן בין אירועים, המשלבים את המרחק שלהם זה מזה - שניהם. בזמן ובמרחב. כלומר, מרחב וזמן נחשבים כרצף מרחב-זמן ארבעה ממדי או, פשוט, מרחב-זמן. ברצף זה, צופים הנעים זה ביחס לזה עשויים אפילו לא להסכים אם שני אירועים התרחשו בו-זמנית - או האם אחד קדם לשני. למזלנו העני, הוא לא מגיע עד כדי הפרת קשרי סיבה ותוצאה – כלומר, אפילו תורת היחסות הכללית אינה מאפשרת קיומן של מערכות קואורדינטות שבהן שני אירועים אינם מתרחשים בו-זמנית ובשונה. רצפים.
הפיזיקה הקלאסית ראתה את כוח הכבידה ככוח רגיל בין כוחות טבעיים רבים (חשמליים, מגנטיים וכו'). לכוח הכבידה נקבע "פעולה ארוכת טווח" (חדירה "דרך הריק") והיכולת המדהימה להקנות תאוצה שווה לגופים בעלי מסות שונות.
חוק הכבידה האוניברסלי של ניוטון אומר לנו שבין כל שני גופים ביקום יש כוח משיכה הדדי. מנקודת מבט זו, כדור הארץ מסתובב סביב השמש, שכן כוחות משיכה הדדיים פועלים ביניהם.
אולם תורת היחסות הכללית מאלצת אותנו להסתכל על תופעה זו אחרת. לפי תיאוריה זו, כוח הכבידה הוא תוצאה של דפורמציה ("עקמומיות") של המרקם האלסטי של המרחב-זמן בהשפעת המסה (ככל שהגוף כבד יותר, למשל השמש, כך "מתכופף" יותר מרחב-זמן תחת הוא ובהתאם לכך, ככל ששדה כוח הכבידה שלו חזק יותר). דמיינו לעצמכם קנבס מתוח בחוזקה (מעין טרמפולינה) שעליו מונח כדור מאסיבי. הקנבס מעוות תחת משקל הכדור, ומסביבו נוצר שקע בצורת משפך. על פי תורת היחסות הכללית, כדור הארץ סובב סביב השמש כמו כדור קטן ששוגר כדי להתגלגל סביב חרוט של משפך שנוצר כתוצאה מ"דחיפה" של מרחב-זמן על ידי כדור כבד - השמש. ומה שנראה לנו ככוח הכבידה הוא בעצם ביטוי חיצוני גרידא של עקמומיות המרחב-זמן, וכלל לא כוח בהבנה הניוטונית. נכון להיום, אין הסבר טוב יותר לטבע הכבידה מאשר תורת היחסות הכללית נותנת לנו.
ראשית, נדון השוויון של תאוצות כבידה עבור גופים בעלי מסות שונות (העובדה שמפתח מסיבי וגפרור קל נופלים באותה מהירות מהשולחן אל הרצפה). כפי שאיינשטיין ציין, תכונה ייחודית זו הופכת את כוח המשיכה לדומה מאוד לאינרציה.
למעשה, המפתח והגפרור מתנהגים כאילו הם נעים בחוסר משקל על ידי אינרציה, ורצפת החדר נעה לעברם בהאצה. כשהגיעו למפתח ולגפרור, הרצפה תחווה את ההשפעה שלהם, ואז לחץ, בגלל לאינרציה של המפתח והגפרור תהיה השפעה על האצה נוספת של הרצפה.
לחץ זה (קוסמונאוטים אומרים "עומס יתר") נקרא כוח האינרציה. כוח כזה מופעל תמיד על גופים במסגרות ייחוס מואצות.
אם רקטה עפה בתאוצה השווה לתאוצת הכבידה על פני כדור הארץ (9.81 מ' לשנייה), אז הכוח האינרציאלי ישחק את תפקיד המשקל של המפתח וההתאמה. כוח המשיכה ה"מלאכותי" שלהם יהיה זהה לחלוטין לזה הטבעי על פני כדור הארץ. המשמעות היא שההאצה של מסגרת הייחוס היא תופעה די דומה לכוח המשיכה.
להיפך, במעלית הנופלת בחופשיות, הכבידה הטבעית מתבטלת על ידי תנועה מואצת של מערכת הייחוס של תא הנוסעים "במרדף" אחר המפתח והגפרור. כמובן, הפיזיקה הקלאסית אינה רואה את ההופעה וההיעלמות האמיתית של כוח הכבידה בדוגמאות אלה. כוח הכבידה מחוקה או מפוצה רק על ידי האצה. אבל בתורת היחסות הכללית הדמיון בין אינרציה לכוח הכבידה מוכר כהרבה יותר עמוק.
איינשטיין הציג את העיקרון המקומי של שקילות האינרציה והכבידה, וקבע כי בקנה מידה קטן מספיק של מרחקים ומשכים לא ניתן להבחין בין תופעה אחת לאחרת בשום ניסוי. לפיכך, תורת היחסות הכללית שינתה את ההבנה המדעית של העולם ביתר שאת. החוק הראשון של הדינמיקה הניוטונית איבד את האוניברסליות שלו - התברר שתנועה על ידי אינרציה יכולה להיות עקמומית ומואצת. לא היה עוד צורך במושג מסה כבדה. הגיאומטריה של היקום השתנתה: במקום מרחב אוקלידי ישר וזמן אחיד, הופיע מרחב-זמן עקום, עולם עקום. ההיסטוריה של המדע מעולם לא ראתה מבנה מחדש כה דרמטי של השקפות על היסודות הפיזיים של היקום.
בדיקת תורת היחסות הכללית היא קשה מכיוון שבתנאי מעבדה רגילים, התוצאות שלה זהות כמעט בדיוק למה שחוק הכבידה של ניוטון מנבא. עם זאת, בוצעו מספר ניסויים חשובים, ותוצאותיהם מאפשרות לנו לשקול את התיאוריה המאושרת. בנוסף, תורת היחסות הכללית עוזרת להסביר את התופעות שאנו רואים בחלל, דוגמה אחת היא קרן אור העוברת ליד השמש. גם המכניקה הניוטונית וגם תורת היחסות הכללית מכירים בכך שהיא חייבת לסטות לכיוון השמש (סתיו). עם זאת, תורת היחסות הכללית חוזה פי שניים את תזוזת האלומה. תצפיות במהלך ליקוי חמה הוכיחו שהתחזית של איינשטיין נכונה. דוגמה אחרת. לכוכב הלכת מרקורי, הקרוב ביותר לשמש, יש סטיות קלות ממסלולו הנייח, בלתי מוסברות מנקודת המבט של המכניקה הניוטונית הקלאסית. אבל זה בדיוק המסלול שניתן על ידי החישוב באמצעות נוסחאות היחסות הכללית. הרחבת הזמן בשדה כבידה חזק מסבירה את הירידה בתדירות תנודות האור בקרינה של ננסים לבנים - כוכבים בעלי צפיפות גבוהה מאוד. ובשנים האחרונות, השפעה זו נרשמת בתנאי מעבדה. לבסוף, תפקידה של תורת היחסות הכללית גדול מאוד בקוסמולוגיה המודרנית - מדע המבנה וההיסטוריה של היקום כולו. בתחום הידע הזה נמצאו גם הוכחות רבות לתורת הכבידה של איינשטיין. למעשה, התוצאות שנחזו על ידי תורת היחסות הכללית שונות במידה ניכרת מאלו שנחזו על ידי חוקי ניוטון רק בנוכחות שדות כבידה חזקים במיוחד. משמעות הדבר היא שכדי לבחון את תורת היחסות הכללית במלואה, אנו זקוקים למדידות אולטרה-מדויקות של עצמים מאסיביים מאוד, או לחורים שחורים, שאף אחד מהרעיונות האינטואיטיביים הרגילים שלנו אינו ישים אליהם. כך שפיתוח שיטות ניסוי חדשות לבדיקת תורת היחסות נותרה אחת המשימות החשובות ביותר של הפיזיקה הניסויית.
גם בסוף המאה ה-19, רוב המדענים נטו לנקודת המבט שהתמונה הפיזית של העולם נבנתה ביסודה ותישאר בלתי מעורערת בעתיד – רק הפרטים נותרו להבהיר. אבל בעשורים הראשונים של המאה העשרים השתנו השקפות פיזיות באופן קיצוני. זו הייתה תוצאה של "מפל" של תגליות מדעיות שנעשו במהלך תקופה היסטורית קצרה ביותר, המכסה את השנים האחרונות של המאה ה-19 ואת העשורים הראשונים של המאה ה-20, שרבות מהן לא תאמו לחלוטין את ההבנה של החוויה האנושית הרגילה. דוגמה בולטת היא תורת היחסות שנוצרה על ידי אלברט איינשטיין (1879-1955).
תורת היחסות- תיאוריה פיזיקלית של מרחב-זמן, כלומר תיאוריה המתארת את תכונות המרחב-זמן האוניברסליות של תהליכים פיזיקליים. המונח הוצג בשנת 1906 על ידי מקס פלאנק כדי להדגיש את תפקידו של עקרון היחסות
בתורת היחסות הפרטית (ובהמשך, בתורת היחסות הכללית).
במובן הצר, תורת היחסות כוללת תורת היחסות הפרטית והכללית. תורת היחסות המיוחדת(להלן - SRT) מתייחס לתהליכים החוקרים בהם ניתן להזניח שדות כבידה; תורת היחסות הכללית(להלן מכונה GTR) היא תיאוריה של כבידה שמכלילה את זה של ניוטון.
מיוחד, או תורת היחסות המיוחדת
היא תיאוריה של מבנה המרחב-זמן. הוא הוצג לראשונה בשנת 1905 על ידי אלברט איינשטיין בעבודתו "על האלקטרודינמיקה של גופים נעים". התיאוריה מתארת את התנועה, את חוקי המכניקה, כמו גם את יחסי המרחב-זמן שקובעים אותם, בכל מהירות תנועה,
כולל אלה הקרובים למהירות האור. מכניקה ניוטונית קלאסית
במסגרת SRT, מדובר בקירוב למהירויות נמוכות.
אחת הסיבות להצלחתו של אלברט איינשטיין היא שהוא העריך נתונים ניסויים על פני נתונים תיאורטיים. כאשר מספר ניסויים חשפו תוצאות הסותרות את התיאוריה המקובלת, פיסיקאים רבים החליטו שהניסויים הללו שגויים.
אלברט איינשטיין היה מהראשונים שהחליטו לבנות תיאוריה חדשה המבוססת על נתונים ניסויים חדשים.
בסוף המאה ה-19 חיפשו פיזיקאים את האתר המסתורי - מדיום שבו, לפי ההנחות המקובלות, גלי האור צריכים להתפשט, כמו גלים אקוסטיים, שהתפשטותם דורשת אוויר, או מדיום אחר - מוצק, נוזלי או גזי. האמונה בקיומו של האתר הובילה לאמונה שמהירות האור צריכה להשתנות בהתאם למהירות הצופה ביחס לאתר. אלברט איינשטיין נטש את מושג האתר והניח שכל החוקים הפיזיקליים, כולל מהירות האור, נשארים ללא שינוי ללא קשר למהירות הצופה – כפי שהראו ניסויים.
SRT הסביר כיצד לפרש תנועות בין מסגרות ייחוס אינרציאליות שונות - במילים פשוטות, עצמים שנעים במהירות קבועה ביחס זה לזה. איינשטיין הסביר שכאשר שני עצמים נעים במהירות קבועה, יש לשקול את התנועה שלהם זה ביחס לזה, במקום לקחת אחד מהם כמסגרת התייחסות מוחלטת. אז אם שני אסטרונאוטים טסים על שתי חלליות ורוצים להשוות את התצפיות שלהם, הדבר היחיד שהם צריכים לדעת הוא המהירות ביחס זה לזה.
תורת היחסות המיוחדת מתייחסת למקרה מיוחד אחד בלבד (ומכאן השם), כאשר התנועה ישרה ואחידה.
בהתבסס על חוסר האפשרות לגלות תנועה מוחלטת, אלברט איינשטיין הגיע למסקנה שכל מערכות הייחוס האינרציאליות שוות. הוא ניסח שתי הנחות חשובות ביותר שהיוו את הבסיס לתיאוריה חדשה של מרחב וזמן, המכונה תורת היחסות המיוחדת (STR):
1. עקרון היחסות של איינשטיין - עקרון זה היה הכללה של עקרון היחסות של גלילאו (קובע את אותו הדבר, אך לא לגבי כל חוקי הטבע, אלא רק לגבי חוקי המכניקה הקלאסית, ומשאיר פתוחה את שאלת התחולה של עקרון היחסות על אופטיקה ואלקטרודינמיקה) לכל אלה פיזיים. זה קורא: כל התהליכים הפיזיקליים באותם תנאים במערכות התייחסות אינרציאלית (IRS) מתנהלים באותו אופן. המשמעות היא ששום ניסוי פיזי שבוצע בתוך ISO סגור לא יכול לקבוע אם הוא במצב מנוחה או נע בצורה אחידה וישרה. לפיכך, כל ה-IFR שווים לחלוטין, והחוקים הפיזיקליים אינם משתנים ביחס לבחירת תקני ה-IFR (כלומר, למשוואות המבטאות חוקים אלה יש אותה צורה בכל מערכות ההתייחסות האינרציאלית).
2. עקרון הקביעות של מהירות האור- מהירות האור בוואקום קבועה ואינה תלויה בתנועת מקור ומקלט האור. זה אותו הדבר בכל הכיוונים ובכל מסגרות ההתייחסות האינרציאליות. מהירות האור בוואקום היא המהירות המגבילה בטבע -זהו אחד הקבועים הפיזיקליים החשובים ביותר, מה שנקרא קבועי עולם.
התוצאה החשובה ביותר של SRT הייתה המפורסמת הנוסחה של איינשטיין על הקשר בין מסה לאנרגיה E=mc 2 (כאשר C היא מהירות האור), שהראתה את אחדות המרחב והזמן, המתבטאת בשינוי משותף במאפיינים בהתאם לריכוז המסות ותנועתן ומאושר על ידי נתוני הפיזיקה המודרנית. זמן ומרחב הפסיקו להיחשב ללא תלות זה בזה והרעיון של רצף ארבע-ממדי מרחב-זמן עלה.
לפי התיאוריה של הפיזיקאי הגדול, כאשר מהירותו של גוף חומרי עולה, מתקרבת למהירות האור, גם המסה שלו עולה. הָהֵן. ככל שעצם זז מהר יותר, כך הוא נהיה כבד יותר. אם מגיעים למהירות האור, מסת הגוף, כמו גם האנרגיה שלו, הופכים לאינסופיים. ככל שהגוף כבד יותר, כך קשה יותר להגביר את מהירותו; האצת גוף בעל מסה אינסופית דורשת כמות אינסופית של אנרגיה, ולכן לא ייתכן שעצמים חומריים יגיעו למהירות האור.
בתורת היחסות, "שני חוקים - חוק שימור המסה ושימור האנרגיה - איבדו את תוקפם ללא תלות זה בזה והתברר שהם משולבים לחוק אחד, שניתן לכנותו חוק שימור האנרגיה או חוק שימור האנרגיה. מסה." הודות לחיבור היסודי בין שני המושגים הללו, ניתן להפוך חומר לאנרגיה, ולהיפך - אנרגיה לחומר.
תורת היחסות הכללית- תורת הכבידה שפרסם איינשטיין ב-1916, עליה עבד במשך 10 שנים. זוהי התפתחות נוספת של תורת היחסות המיוחדת. אם גוף חומרי מאיץ או מסתובב הצידה, חוקי STR אינם חלים יותר. אז נכנס לתוקף GTR, שמסביר את התנועות של גופים חומריים במקרה הכללי.
תורת היחסות הכללית מניחה שהשפעות כבידה אינן נגרמות כתוצאה מאינטראקציית הכוח של גופים ושדות, אלא מהדפורמציה של המרחב-זמן עצמו שבו הם נמצאים. דפורמציה זו קשורה, בחלקה, לנוכחות של אנרגיה המונית.
תורת היחסות הכללית היא כיום תורת הכבידה המוצלחת ביותר, הנתמכת היטב על ידי תצפיות. GR הכליל SR לאלו מואצים, כלומר. מערכות לא אינרציאליות. העקרונות הבסיסיים של תורת היחסות הכללית מסתכמים בדברים הבאים:
- הגבלה של תחולתו של עקרון הקביעות של מהירות האור לאזורים שבהם ניתן להזניח את כוחות הכבידה(כאשר כוח המשיכה גבוה, מהירות האור מואטת);
- הרחבת עקרון היחסות לכל המערכות הנעות(ולא רק אינרציאליים).
ב-GTR, או בתורת הכבידה, היא יוצאת גם מהעובדה הניסיונית של השקילות של מסות אינרציאליות וכבידה, או שקילות של שדות אינרציאליים וכבידה.
עקרון השקילות ממלא תפקיד חשוב במדע. אנחנו תמיד יכולים לחשב ישירות את ההשפעה של כוחות אינרציאליים על כל מערכת פיזיקלית, וזה נותן לנו את ההזדמנות לדעת את ההשפעה של שדה הכבידה, בהפשטה מההטרוגניות שלו, שלעתים קרובות היא חסרת משמעות.
מספר מסקנות חשובות התקבלו מתורת היחסות הכללית:
1. תכונות המרחב-זמן תלויות בחומר נע.
2. קרן אור, שיש לה מסה אינרטית, ולכן, כבידה, חייבת להיות כפופה בשדה הכבידה.
3. תדירות האור בהשפעת שדה הכבידה אמורה לעבור לכיוון ערכים נמוכים יותר.
במשך זמן רב, היו מעט עדויות ניסיוניות לתורת היחסות הכללית. ההסכמה בין תיאוריה לניסוי טובה למדי, אך טוהר הניסויים מופר על ידי תופעות לוואי מורכבות שונות. עם זאת, ניתן לזהות את ההשפעות של עקמומיות המרחב בזמן אפילו בשדות כבידה מתונים. שעונים רגישים מאוד, למשל, יכולים לזהות התרחבות זמן על פני כדור הארץ. כדי להרחיב את בסיס הניסוי של תורת היחסות הכללית, בוצעו ניסויים חדשים במחצית השנייה של המאה ה-20: נבדקה השקילות של מסות אינרציאליות וכבידה (כולל באמצעות טווח לייזר של הירח);
באמצעות מכ"ם, הובהרה תנועת הפריהליון של מרקורי; הסטייה הגרביטציונית של גלי רדיו על ידי השמש נמדדה, ומכ"ם בוצע על כוכבי הלכת של מערכת השמש; הוערכה השפעת שדה הכבידה של השמש על תקשורת רדיו עם ספינות חלל שנשלחו לכוכבי הלכת הרחוקים של מערכת השמש וכו'. כולם, כך או אחרת, אישרו את התחזיות שהתקבלו על בסיס תורת היחסות הכללית.
אז, תורת היחסות המיוחדת מבוססת על ההנחות של הקביעות של מהירות האור ואותם חוקי הטבע בכל המערכות הפיזיקליות, והתוצאות העיקריות אליהן היא מגיעה הן כדלקמן: תורת היחסות של תכונות החלל. -זְמַן; תורת היחסות של מסה ואנרגיה; שקילות של מסות כבדות ואינרטיות.
התוצאה המשמעותית ביותר של תורת היחסות הכללית מנקודת מבט פילוסופית היא ביסוס התלות של תכונות המרחב-זמן של העולם הסובב במיקום ובתנועה של מסות משיכה. זה הודות להשפעת הגוף
עם מסות גדולות, השבילים של קרני האור מכופפים. כתוצאה מכך, שדה הכבידה שנוצר על ידי גופים כאלה קובע בסופו של דבר את תכונות המרחב-זמן של העולם.
תורת היחסות המיוחדת מופשטת מפעולת שדות כבידה ולכן מסקנותיה ישימות רק לאזורים קטנים של מרחב-זמן. ההבדל הקרדינלי בין תורת היחסות הכללית לתיאוריות הפיזיקליות היסודיות שקדמו לה הוא דחיית מספר מושגים ישנים וניסוח של חדשים. ראוי לומר שתורת היחסות הכללית עשתה מהפכה של ממש בקוסמולוגיה. על בסיסו, הופיעו דגמים שונים של היקום.
SRT, TOE - קיצורים אלה מסתירים את המונח המוכר "תורת היחסות", המוכר כמעט לכולם. בשפה פשוטה אפשר להסביר הכל, אפילו אמירה של גאון, אז אל תתייאשו אם אינכם זוכרים את קורס הפיזיקה של בית הספר שלכם, כי למעשה, הכל הרבה יותר פשוט ממה שזה נראה.
מקור התיאוריה
אז, בואו נתחיל את הקורס "תורת היחסות עבור בובות". אלברט איינשטיין פרסם את עבודתו ב-1905, והיא עוררה סערה בקרב מדענים. תיאוריה זו כיסתה כמעט לחלוטין רבים מהפערים וחוסר העקביות בפיזיקה של המאה הקודמת, אך בנוסף לכל השאר, היא חוללה מהפכה ברעיון החלל והזמן. לרבות מהצהרותיו של איינשטיין היה קשה לבני דורו להאמין, אבל ניסויים ומחקרים רק אישרו את דבריו של המדען הגדול.
תורת היחסות של איינשטיין הסבירה במילים פשוטות עם מה אנשים נאבקו במשך מאות שנים. זה יכול להיקרא הבסיס של כל הפיזיקה המודרנית. אולם לפני המשך השיחה על תורת היחסות, יש להבהיר את סוגיית המונחים. בוודאי רבים, שקוראים מאמרי מדע פופולרי, נתקלו בשני קיצורים: STO ו-GTO. למעשה, הם מרמזים על מושגים מעט שונים. הראשונה היא תורת היחסות המיוחדת, והשנייה מייצגת "תורת היחסות הכללית".
סתם משהו מסובך
STR היא תיאוריה ישנה יותר, שהפכה מאוחר יותר לחלק מ-GTR. זה יכול לשקול רק תהליכים פיזיקליים עבור עצמים הנעים במהירות אחידה. התיאוריה הכללית יכולה לתאר מה קורה לעצמים מאיצים, וגם להסביר מדוע קיימים חלקיקי גרביטון וכוח המשיכה.
אם צריך לתאר את התנועה וגם את היחס בין מרחב וזמן כשמתקרבים למהירות האור, תורת היחסות המיוחדת יכולה לעשות זאת. במילים פשוטות ניתן להסביר זאת כך: למשל, חברים מהעתיד נתנו לך חללית שיכולה לטוס במהירות גבוהה. על אפה של החללית יש תותח המסוגל לירות פוטונים על כל מה שבא מלפנים.
כאשר נורתה ירייה, יחסית לספינה החלקיקים הללו עפים במהירות האור, אך, באופן הגיוני, צופה נייח צריך לראות את הסכום של שתי מהירויות (הפוטונים עצמם והספינה). אבל שום דבר כזה. הצופה יראה פוטונים נעים במהירות של 300,000 מ"ש, כאילו מהירות הספינה הייתה אפס.
העניין הוא שלא משנה כמה מהר חפץ נע, מהירות האור עבורו היא ערך קבוע.
אמירה זו היא הבסיס למסקנות לוגיות מדהימות כמו האטה ועיוות זמן, בהתאם למסה ולמהירות של האובייקט. עלילותיהם של סרטי מדע בדיוני רבים וסדרות טלוויזיה מבוססות על כך.
תורת היחסות הכללית
בשפה פשוטה אפשר להסביר את תורת היחסות הכללית נפחית יותר. מלכתחילה, עלינו לקחת בחשבון את העובדה שהמרחב שלנו הוא ארבעה מימדי. זמן ומרחב מאוחדים ב"נושא" כזה כמו "רצף המרחב-זמן". במרחב שלנו ישנם ארבעה צירי קואורדינטות: x, y, z ו-t.
אבל בני אדם אינם יכולים לתפוס ישירות ארבעה מימדים, בדיוק כפי שאדם שטוח היפותטי החי בעולם דו-ממדי אינו יכול להרים את מבטו. למעשה, העולם שלנו הוא רק השלכה של מרחב ארבע-ממדי לתוך מרחב תלת-ממדי.
עובדה מעניינת היא שלפי תורת היחסות הכללית, גופים אינם משתנים כאשר הם נעים. אובייקטים של העולם הארבע-מימדי הם למעשה תמיד ללא שינוי, וכאשר הם זזים, רק ההשלכות שלהם משתנות, מה שאנו תופסים כעיוות של זמן, הקטנה או עלייה בגודל וכו'.
ניסוי במעלית
ניתן להסביר את תורת היחסות במונחים פשוטים באמצעות ניסוי מחשבתי קטן. דמיינו שאתם במעלית. התא החל לזוז, ומצאת את עצמך במצב של חוסר משקל. מה קרה? יכולות להיות שתי סיבות: או שהמעלית נמצאת בחלל, או שהיא נמצאת בנפילה חופשית בהשפעת כוח המשיכה של כוכב הלכת. הדבר המעניין ביותר הוא שאי אפשר לגלות את הסיבה לחוסר משקל אם לא ניתן להסתכל החוצה מקרונית המעלית, כלומר שני התהליכים נראים אותו הדבר.
אולי לאחר ביצוע ניסוי מחשבתי דומה, אלברט איינשטיין הגיע למסקנה שאם שני המצבים הללו אינם ניתנים להבדלה זה מזה, אז למעשה הגוף בהשפעת כוח הכבידה אינו מואץ, זו תנועה אחידה שמתעקלת בהשפעה של גוף מסיבי (במקרה זה כוכב לכת). לפיכך, תנועה מואצת היא רק השלכה של תנועה אחידה לתוך המרחב התלת מימדי.
דוגמא טובה
עוד דוגמה טובה לנושא "יחסות לדומים". זה לא לגמרי נכון, אבל זה מאוד פשוט וברור. אם אתה שם חפץ כלשהו על בד מתוח, הוא יוצר "סטייה" או "משפך" מתחתיו. כל הגופים הקטנים יותר ייאלצו לעוות את מסלולם בהתאם לעיקול החדש של החלל, ואם לגוף יש מעט אנרגיה, ייתכן שהוא לא יתגבר כלל על המשפך הזה. עם זאת, מנקודת המבט של האובייקט הנע עצמו, המסלול נשאר ישר הם לא ירגישו את כיפוף החלל.
כוח המשיכה "ירד בדרגה"
עם הופעתה של תורת היחסות הכללית, כוח הכבידה חדל להיות כוח וכעת מסתפק בהיותה תוצאה פשוטה של עקמומיות הזמן והמרחב. תורת היחסות הכללית אולי נראית פנטסטית, אבל היא גרסה עובדת והיא מאושרת על ידי ניסויים.
תורת היחסות יכולה להסביר דברים רבים שנראים מדהימים בעולמנו. במילים פשוטות, דברים כאלה נקראים השלכות של תורת היחסות הכללית. לדוגמה, קרני אור שעפות קרוב לגופים מסיביים כפופות. יתרה מכך, עצמים רבים מהחלל העמוק מוסתרים זה מאחורי זה, אך בשל העובדה שקרני האור מתכופפות סביב גופים אחרים, עצמים בלתי נראים לכאורה נגישים לעינינו (ליתר דיוק, לעיני טלסקופ). זה כמו להסתכל דרך קירות.
ככל שכוח המשיכה גדול יותר, הזמן זורם לאט יותר על פני השטח של עצם. זה לא חל רק על גופים מסיביים כמו כוכבי נויטרונים או חורים שחורים. ניתן לראות את ההשפעה של התרחבות הזמן אפילו על כדור הארץ. לדוגמה, מכשירי ניווט לווייניים מצוידים בשעונים אטומיים מדויקים ביותר. הם נמצאים במסלול של כוכב הלכת שלנו, והזמן מתקתק שם קצת יותר מהר. מאות השניות ביום יצטברו לנתון שייתן עד 10 ק"מ של שגיאה בחישובי המסלול על פני כדור הארץ. תורת היחסות היא שמאפשרת לנו לחשב את השגיאה הזו.
במילים פשוטות אפשר לנסח זאת כך: תורת היחסות הכללית עומדת בבסיס טכנולוגיות מודרניות רבות, ובזכות איינשטיין נוכל למצוא בקלות פיצרייה וספרייה באזור לא מוכר.
