תורת היחסות

תורת היחסות היא השם הכולל לשתי תאוריות של אלברט איינשטיין מתחילת המאה ה־20: תורת היחסות הפרטית ותורת היחסות הכללית. שתי התאוריות שינו את החיבור בין זמן, מרחב, מסה ואנרגיה.

איינשטיין אפילו אמר בצחוק שהוא מתנצל בפני אייזק ניוטון על שקרא לסדרי המכניקה הקלאסית תיקון. תורת היחסות הפרטית, שפורסמה ב־1905, פתרה סתירות בין המכניקה הקלאסית לתאוריה האלקטרומגנטית. ניסוי מייקלסון-מורלי, שניסה למדוד תנועה יחסית של אור, הראה תוצאות שלא הסתדרו עם הרעיונות הישנים.

התיאוריה נשענת על שני עקרונות פשוטים: מהירות האור קבועה לכל הצופים. מהירות האור, כלומר המהירות שבה אור נע בריק, מסומנת ב־c. בנוסף, חוקי הטבע זהים בכל "מערכות אינרציאליות", כלומר במסגרות שנעות במהירות קבועה.

מהעקרונות האלה נובעות כמה תופעות בלתי אינטואיטיביות. התארכות הזמן (time dilation) פירושה ששעון נע נראה איטי יותר לצופה נייח. התקצרות האורך אומרת שאורך גוף בתנועה נראה קטן יותר לצופה חיצוני. עליית המסה מתארת שמסת גוף בתנועה גבוהה יותר מהמסה במנוחה. לדוגמה, בתנועה במהירות של כחצי מהמהירות של האור, השעון של הנוסע מתקתק לאט בכ־15% פחות, האורך מתקצר בכ־13%, והמסה עולה בכ־15%.

עוד מסקנה חשובה היא שקילות מסה ואנרגיה: לכל מסה קשורה כמות אנרגיה עצומה. שקילות זו מתבטאת בשימושים טכנולוגיים ובתהליכים כמו התנגשות של חומר עם אנטי־חומר, שבהם הם מתאיינים ומשחררים אנרגיה רבה.

תורת היחסות הפרטית, בשילוב עם תורת השדות הקוונטיים, מהווה את הבסיס של המודל הסטנדרטי של פיזיקת החלקיקים. יחד עם תורת היחסות הכללית, הן מהוות את הבסיס התאורטי של רוב הפיזיקה המודרנית.

בשנת 1915 פרסם איינשטיין את תורת היחסות הכללית, שעוסקת באובייקטים מאמצים ובגבִרה, המשיכה בין גופים בעלי מסה. לפי התיאוריה כל מסה מעקמת את המרחב-זמן סביבה ויוצרת מעין "שקע" שמכתיב את תנועת החומר והאור. עיקום המרחב-זמן גורם לאור לסטות ממסלולו, תופעה הנקראת עידוש כבידתי (gravitational lensing).

התיאוריה חזה את קיומם של חורים שחורים והוכחה בניסויים רבים. עם זאת, היא אינה מתיישבת במלואה עם מכניקת הקוונטים, שמתארת תופעות בקנה מידה זעיר. המדע מנסה לפתח תורת כבידה קוונטית שתאחד בין שתי התיאוריות הללו.

תורת היחסות היא שתי תאוריות של איינשטיין מהתחלת המאה ה־20. הן שינו את הדרך שבה מבינים זמן, מרחב, מסה ואנרגיה.

התיאוריה הזאת אומרת שתי עובדות חשובות. ראשית, מהירות האור זהה לכל הצופים. מהירות האור היא המהירות שבה האור נע בריק. שנית, חוקי הטבע זהים במצבים שנעים במהירות קבועה.

מכאן נובעות תופעות מעניינות. זמן יכול לעבור לאט יותר עבור נוסע מהיר. דברים בתנועה יכולים להיראות קצרים יותר. מסת הגוף יכולה לגדול כשהוא נע מהר מאוד. כשחומר פוגש אנטי־חומר, הם נעלמים ומשחררים הרבה אנרגיה.

התיאוריה השנייה, משנת 1915, מסבירה את הכבידה. מסה מעקמת את המרחב-זמן סביבה, כאילו יוצרת גומחה. גומחה זו מכתיבה איך גופים ואור נעים. התיאוריה חוזה חורים שחורים. היא נבדקה ונמצאה נכונה בהרבה ניסויים. עדיין מנסים לחבר אותה עם חוקי המיקרו של הקוונטים. התחום הזה נקרא תורת כבידה קוונטית.