Skip to main content

איינשטיין – המדען

ליקוי חמה היסטורי

ב-7 בנובמבר 1919 דיווח ה"טיימס" מלונדון: "מהפכה במדע, תיאוריה חדשה של היקום, קרסו רעיונותיו של ניוטון."

רק ניסוי היה יכול להכריע בין התיאוריה של איינשטיין לזו של ניוטון. ליקוי חמה היה מאז ומתמיד אירוע מרהיב ומעורר רגשות, אבל זה שהתחולל בבוקרו של ה-29 במאי 1919 היה מיוחד במינו: הוא סתם את הגולל על האופן שבו תיאר אייזק ניוטון, באמצעות כוח הכובד, את תנועתם של גרמי השמים ביקום. בבואותיהם של כוכבים מוּכּרים אימתו אז את מה שחזתה תורת היחסות הכללית של איינשטיין: מסת השמש גורמת להתעקמות הזמן-מרחב עצמו בסביבתה. כתוצאה מכך, קרני אור המגיעות מכוכבים רחוקים סוטות בסמיכוּת לשמש, ובעת ליקוי חמה נראים כוכבים אלו על כיפת הרקיע במקומות שונים מהצפוי. המרחב לא נתפס עוד כ"במה פסיבית" שגרמי השמיים נעים בה, אלא כמרחב-זמן דינמי, המתעקם בנוכחות מסות וקובע את כל מסלולי התנועה בו, לרבות אלה של קרני האור. גם תנועת כדור הארץ סביב השמש משקפת תכונה זו של המרחב.

פרס נובּל

אם סברתם כי את פרס נובל קיבל איינשטיין על תורת היחסות שלו, טעות בידכם. תורה זו זכתה אמנם בהערכה גדולה, אך ועדת הפרס לא הסתפקה בכך, ודרשה ראיות נסיוניות המאששות את המסקנות התיאורטיות. פרס נובל לשנת 1921 (את סכום הפרס העביר לגרושתו מילווה) הוענק לאיינשטיין "על תרומתו לפיזיקה העיונית, ובפרט על גילוי החוק של האפקט הפוטואלקטרי" – פליטה של אלקטרונים ממתכת הנגרמת על ידי אור הפוגע בה. ההסבר של איינשטיין מבוסס על כך שהאור נבלע במתכת כאוסף של חלקיקים המכונים פוטונים, ומעניין כי דווקא כאן, בניגוד לנושאים כמו זמן, מרחב וכבידה, היתה תפיסתו של איינשטיין קרובה לזו של ניוטון.

חזונו של איינשטיין

האם ידעתם כי אור כל אור, גם זה הבוקע מנר דולק אינו אלא תופעה חשמלית ומגנטית? העובדה שחשמל, מגנטיות ואור הן תופעות הניתנות לתיאור מאוחד, עובדה שנתגלתה זמן לא רב לפני לידתו של איינשטיין, הלהיבה אותו עד מאוד. איינשטיין חיפש תמיד אחר האפשרות לאחֵד בין תיאורים שונים של הטבע. כמדען פעיל הוא המשיך בחיפוש זה, בדרכו העצמאית, עד אחרית ימיו. את העשורים האחרונים לחייו הקדיש איינשטיין למאמץ למצוא תיאור אחד, ב"תיאוריה מאוחדת גדולה", לכל כוחות הטבע ולכל התופעות הפיזיקליות בכל סדרי הגודל מן החלקיק התת-אטומי הזעיר ביותר ועד ליקום כולו, אך ללא הצלחה. למרות כישלון זה, חזונו של איינשטיין ממשיך להנחות פיזיקאים ברחבי העולם כולו וגם בישראל. החיפוש אחר תיאוריה המאחדת בין כוחות הטבע הוא אחד הנושאים ה"חמים" ביותר בפיזיקה של ימינו, ואף נרשמו בו כמה הצלחות.

 

זמן

שירות הרכבות של שווייץ, כמו השעונים המיוצרים שם, ידוע בדיוקו אבל איינשטיין הטיל ספק אף בכך. לשאלה הנדושה "מה השעה?" התייחס איינשטיין ברצינות רבה במאמר המפורסם שבו ניסח את תורת היחסות הפרטית: "כאשר אני אומר כי הרכבת מגיעה לכאן בשעה 7:00, כוונתי היא למשהו כמו "ההצבעה של המחוג הקטן בשעוני על הספרה 7 והגעתה של הרכבת הן אירועים סימולטניים".
נדיר למצוא בכתיבה המדעית המקצועית מאמרים הפותחים בשאלה כה יומיומית ומתארים בשפה פשוטה ושווה לכל נפש את עיקרי הרעיון שהמאמר עומד לעסוק בו. נדמה כאילו מדובר בשאלה כה פשוטה, שכל אחד היה יכול לעסוק בה לכאורה!

איינשטיין הגיע לשאלה על מהות הזמן על סמך קביעתו כי מהירות האור היא בעלת ערך זהה לכל הצופים המודדים אותה ואינה תלויה בתנועתו של מקור האור ביחס לאותם צופים. קביעה זו הובילה את איינשטיין למסקנה המהפכנית, שעמדה בניגוד מוחלט לזו של ניוטון, כי מדידות של אורך וזמן אינן מוחלטות, אלא תלויות במהירות התנועה היחסית של סרגלים ושל שעונים (כמו "שעון האור" המופיע בתערוכה). מכאן הגיע איינשטיין למסקנה ששעונו של הנוסע ברכבת (אם זו נעה במהירות המתקרבת למהירות האור) יפגר אחרי זה הנמצא ברציף, גם אם אוּפּסו יחדיו קודם לכן.

ניסויים רבים מאששים הן את קביעתו של איינשטיין ביחס לקביעוּת מהירות האור והן את המסקנות בדבר יחסיותם של הזמן והאורך. כך למשל, הניסוי שערכו מייקלסון ומורלי (ניסוי שמומחש ב"פסל האור" בתערוכה) כדי למדוד את תנועת כדור הארץ ביחס ל"אתר"  התָווך שבו, לפי ההשערה, נעים גלי האור - הראה שאין הבדל במהירות האור הנמדדת בכיוונים שונים. תוצאה זו תאמה לחלוטין את עקרונותיה של תורת היחסות הפרטית. מיחסיות הזמן עולה תוצאה מוזרה ומעניינת המכונה "פרדוקס התאומים": אם ניתן לתאוֹם אחד מבין זוג תאומים לטוס במהירות עצומה למרחק רב, הרי שבעת חזרתו יהיה צעיר יותר מאחיו התאום שנשאר על כדור הארץ! אפילו מסקנה מוזרה זו אושרה בניסוי שבו הופרדו שני שעונים אטומיים מדויקים להפליא ומתואמים: האחד הועלה על מטוס, ולאחר ששב, נמצא כי הוא מפגר במעט בהשוואה לזה שנשאר על הקרקע.

 

אור

האם האור הוא תופעה גלית או חלקיקית? ניוטון האמין באפשרות השנייה אך שורה של ניסויים, כמו מעֲבָר של אור דרך שני סדקים קטנים, הצביעה דווקא על כך שהאור מתקדם במרחב כגל ותפיסתו של ניוטון נזנחה.

איינשטיין לא קיבל זאת. הוא הראה כי אי אפשר להסביר באמצעות גלים תוצאות של ניסויים מסוימים שבהם נבדקה השפעת האור על החומר, וכי הסבר לתופעות אלו חייב להניח כי האור נבלע בחומר ונפלט ממנו כחלקיקים של אנרגיה – פוטונים. כך הצליח איינשטיין להסביר את האפקט הפוטואלקטרי  פליטה של אלקטרונים ממתכת הנגרמת על ידי אור הפוגע בה. על הישגו זה קיבל איינשטיין את פרס נובל. מעניין לציין כי מסקנותיו של איינשטיין לא ביטלו לחלוטין את ההנחה בדבר ההתנהגות של האור כגל, והוא נתפס כבעל אופי דוּאלי גלי וחלקיקי.

גישתו של איינשטיין לאופי החלקיקי של האור היתה אחד הנדבכים הראשונים ליצירתה של פיזיקה חדשה תורת הקוונטים, התיאוריה המקובלת בין הפיזיקאים עד היום לתיאור קרינה וחומר. אלא שכאן טמון אחד הסיפורים המרתקים בביוגרפיה של איינשטיין: אף על פי שהיה בין מניחי היסודות לתורת הקוונטים ואת פרס נובל קיבל בעצם על תרומתו לה, הוא סירב לקבל את מסקנותיה כפי שפותחו על ידי אלה שבאו בעקבותיו. על פי תורת הקוונטים, לכל ניסוי יש מספר רב של תוצאות אפשריות, וניתן רק לחשב את ההסתברות לקבל כל אחת מהן, אבל לא לקבוע בוודאות איזו מהתוצאות אכן תתקבל. לרעיון זה התנגד איינשטיין בכל מאודו, ובעת ויכוח מפורסם עם הפיזיקאי הדֶני הדגול נילס בוהר, הביע בדרכו הציורית את מורת רוחו ושאל, "האם אלוהים משחק בקוביה?"

איינשטיין המשיך להביע את דעתו העצמאית, גם אם עמדה בניגוד לזו המקובלת על רבים, אך מעולם לא ניצל את מעמדו להטלת צל או מורא על מדענים צעירים שבאו בעקבותיו. הוא המשיך לנהל עמם ויכוחים סוערים כשווה בין שווים.

 

אנרגיה

האם אפשר לנוע מהר מהאור? לפי חוקי ניוטון, כל עוד דוחפים כדור, הוא מאיץ ומהירותו הולכת וגדלה. מדוע אי אפשר להמשיך בתהליך זה כרצוננו, עד שמהירות הכדור תעבור את מהירות האור? איינשטיין הראה כי הדבר אינו אפשרי, משום שהאנרגיה המושקעת בהאצת הכדור מתבטאת גם בעלייה במסה שלו ולכן יש להגדיל בהתאם את הכוח הדרוש כדי לשמור על תאוצת הכדור. בסופו של דבר, תידרש אנרגיה אינסופית כדי להביא את הכדור למהירות האור. על סמך הקשר בין אנרגיה למסה הראה איינשטיין כי גם לגוף הנמצא במנוחה ניתן לייחס אנרגיה לפי הנוסחה המפורסמת E=mc2, כאשר E היא האנרגיה, m היא מסת הגוף המצוי במנוחה ו-c היא מהירות האור. אף שנוסחת איינשטיין לא היתה מִרשם לבניית פצצות, היא הסבירה את כמות האנרגיה המשתחררת בעת תהליך הביקוע הגרעיני.

 

כבידה

מדוע נופלים גופים אל הארץ? מדוע נעים כוכבי הלכת סביב השמש? המדען המהולל אייזק ניוטון הסיק מתנועתם של כוכבי הלכת סביב השמש כי בין כל שני גופים בעלי מסה פועל כוח משיכה הקובע, בהיעדר כוחות אחרים, את אופן תנועתם. איינשטיין לעומתו הראה בתורת היחסות הכללית, כי מסלולי התנועה בחלל נקבעים על ידי הגיאומטריה של הזמן-מרחב, כלומר העקמומיות שלו במקומות שונים. עקמומיות זו נקבעת על ידי מָסַת הגופים הממלאים את החלל. לפיכך, מאחר שהאור אינו יכול "לצאת מהחלל", גם מסלולו נקבע על ידי הזמן-מרחב שבו הוא נע. איינשטיין חישב את מידת ההתעקמות של הזמן-מרחב סביב השמש ואת הסטייה הצפויה של קרני האור העוברות בסמוך אליה. סטייה זו נמדדה בעת ליקוי חמה ונמצאה מתאימה בדיוק רב לערך שחישב איינשטיין - פי שניים מן הערך המחושב על פי תורת הכבידה של ניוטון.

תורת היחסות הכללית של איינשטיין מנבאה כי ייתכנו כוכבים בעלי מסה גדולה כל כך, שהתעקמות המרחב סביבם לא תאפשר אפילו לאור, שאין גוף היכול לנוע מהר ממנו, לצאת מהם. גופים כאלה מכונים "חורים שחורים", מפני שחומר או קרינה יכולים להגיע אליהם, אך מהם לא בוקע דבר.


 

נוצר בתאריך: 02/06/08
עודכן בתאריך: 17/01/11