תורת היחסות היא השם הכולל שניתן לשתי תורות אותן פיתח אלברט איינשטיין בתחילת המאה ה-20:
(1). 1905; תורת היחסות הפרטית. (2). 1915; תורת היחסות הכללית.

(1). תורת היחסות הפרטית עסקה בעיקרה בשני נושאים מהותיים: (I). עקרון היחסות (II). מהירות האור.
ככלל תורת היחסות הפרטית עסקה רק במערכות הנאות בתנועה קבועה ללא תאוצה (במערכות מואצות עוסקת תורת היחסות הכללית).
עקרון היחסות של גלילאו קבע שמעבר בין מערכות יחוס שונות (לא מואצות) לא ישפיע על חוקי הפיסיקה. ההסבר הפשוט ביותר לעקרון זה הוא ההשוואה בין שני אנשים היושבים בקרונות אטומים לחלוטין לסביבה, אחד יושב בקרון נייח והאחר בקרון הנוסע במהירות קבועה (ללא תאוצה או תאוטה). שום ניסוי פיסיקאלי שיבצעו האנשים לא יכול לגלות להם באיזה קרון הם מצויים- הנייח או הנייד. הבעיה היא שמשוואות מקסוול העוסקות באלקטרומגנטיות סותרות את העיקרון הזה אלא אם כן מהירות האור קבועה בוואקום. איינשטיין קבע שמהירות האור בוואקום קבועה לכל צופה ללא תלות במהירותו וערכה קרוב ל 300,000 ק"מ בשנייה. כאשר אנו צופים באצן הרץ בתוך רכבת נוסעת המהירות בה האצן חולף על פנינו היא סכום מהירותו ומהירות הרכבת; במקרה של האור, חיבור המהירויות אינו תקף.  לצופה המביט מהצד בקטר הנוסע במהירות הקרובה למהירות האור, מהירות האור הנפלטת מקדמת הקטר תהייה זהה למהירות האור בקטר זהה שעומד במקום.

מתוך עובדה זו נגזרות מספר תופעות מפתיעות:
(א). גוף שינוע במהירות קרובה למהירות האור יתקצר! במידה ובתוך החללית יהיו אנשים הם לא יחושו בשינוי אך צופה חיצוני היה רואה זאת.
(ב). אדם שינוע במהירות גבוה מאוד, המתקרבת למהירות האור, הזמן עבורו יעבור יותר לאט אך הוא לא יחוש בכך. התופעה מוכרת בתיאור של תאומים זהים כאשר אחד נשאר על כדור הארץ בעוד השני יוצא למסע קצר במהירות הקרובה למהירות האור. כאשר התאום המטייל ישוב הוא יגלה שבעוד שעבורו חלפו מספר שעות הרי שאחיו הזדקן בחודשים ואף שנים (בתלות בכמה הייתה קרובה המהירות למהירות האור).
(ג). גוף שינוע במהירות קרובה למהירות האור מסתו תגדל. במידה ובתוך החללית יהיו אנשים הם לא יחושו בשינוי אך צופה חיצוני היה רואה זאת.

בנוסף, תורת היחסות הפרטית הביאה לעולם את אחת מהנוסחאות המפורסמות ביותר: E=MC², או במילים אחרות: שקילות מסה ואנרגיה.

(2). תורת היחסות הכללית עסקה במערכות מואצות וניסתה להסביר את הכבידה תוך כדי הביסוס של השקילות (זהות) בין תאוצה לכבידה. התיאוריה מסבירה שכל גוף בעל מסה יוצר עיוות במרחב החלל. ניתן לתאר זאת כיריעת גומי מתוחה עליה נניח כדור כבד, הכדור יצור שקע ביריעה ואם נניח גולה קטנה היא תתגלגל לכיוון השקע עד שתתנגש בכדור.


התמונה נלקחה מויקיפדיה

אחת התוצאות הנובעות מתורת היחסות הכללית היא קיומם של חורים שחורים. חורים אלו נמצאו רק שנים רבות מאוחר יותר, דבר שאישש את תורת היחסות הכללית.

תוצאה אחרת הנובעת מהמשוואות של תורת היחסות הכללית היא שהיקום דינאמי. איינשטיין מאוד לא אהב תוצאה זו משום שהוא החזיק בדעה שהיקום הוא סטטי ולכן הוא המציא את ה"קבוע הקוסמולוגי" והוסיף אותו למשוואות. קבוע זה הוסיף גורם שאיזן את הכוחות המתוארים במשוואה ו"יצר" מצב סטטי.

יותר מאוחר, כאשר הוכח כי היקום איננו סטטי, איינשטיין התייחס לקבוע הקוסמולוגי כ"טעות הכי גדולה שלי".

מאת: ד"ר  מאיר ברק
המחלקה לביולוגיה מבנית
מכון ויצמן למדע

הערה לגולשים
אם אתם חושבים שההסברים אינם ברורים מספיק או אם יש לכם שאלות הקשורות לנושא, אתם מוזמנים לכתוב על כך בפורום. אנו נתייחס להערותיכם. הצעות לשיפור וביקורת בונה תמיד מתקבלות בברכה.

9 תגובות

  • זמיר

    עוות במרחב החלל

    1.אם המסה של גוף גדלה עם המהירות, הרי שלחלקיק הנע קרוב מאד למהירות האור היתה מסה כמעט אין סופית ולכן היה גורם לעוות המרחב. האם דבר כזה נצפה?
    2.תמונת הכדור על היריעה היא פשטנית מדי. העיקום המתואר אמור להיות כדורי מסביב למסת הכדור, דבר שהיה גורם לגוף או אור הנע בכוון הכדור "להתלבט" באיזה מסלול בדיוק לבחור כדי לעקוף את הכדור. אם מדובר למשל באור של כוכב שמוטה על ידי השמש, היינו אמורים לראות אותו מוטה בכל מיני כוונים בשמים ולאו דווקא כוון אחד. איך זה מתיישב עם הניסויים שעשו?

  • א.עצבר

    חקירת ההנחה הראשונה של תורת היחסות הפרטית.

    חקירת הנחת היסוד הראשונה של תורת היחסות הפרטית

    הנחה ראשונה : צופה הנמצא בקרון רכבת אטום לאור וקול , לא יכול לקבוע על ידי ניסוי , אם הקרון נע על הפסים , או נח על הפסים..
    את ההנחה הזו אפשר להפריך עם חוט הקשור לתקרת הקרון,ובקצהו התחתון קשורה משקולת ברזל
    קרון זה הולך ומתרחק ממרכז כדור הארץ, ולכן, חוט המשקולת יסטה קצת ממצב אנכי, והוא יגלה כי הקרון נע על הפסים . אם חוט המשקולת יהיה תמיד במצב אנכי, אז הקרון נח על הפסים .
    א.עצבר

  • שלמה ס.

    לא מדוייק. התופעה שאתה מתאר

    לא מדוייק. התופעה שאתה מתאר היא ניסוי להבדיל בין מערכת הנעה במהירות קבועה (יכולה להיות גם 0) לבין מערכת הנעה בתאוצה קבועה (שונה מ-0)

  • ד"ר לירן שמשי

    כל צופה מודד בצורה שונה.

    בשעה 7:00 השעונים היו מכוונים, והנוסע ברכבת עם שעונו היה בדיוק מול השעון ברציף בזמן זה. הרכבת מתרחקת מהשעון במהירות יחסותית ונאמר שהנוסע בוחן כל הזמן את השעון ברציף. כאשר השעה 7:04 בשעונו של הנוסע, הוא רואה כי שעון הרציף מראה רק 7:02. כיצד הדבר יייתכן? כיוון שייקח לאור זמן רב להגיע מהרכבת לשעון ברציף וחזרה, הרי שהנוסע יראה תמיד את השעון ברציף "באיחור". שים לב שאור זה יצא מהרכבת בהכרח לפני 7:04 לפי שעונו של הנוסע, כדי להספיק לחזור עד 7:04, כיוון שמהירות האור אינה אינסופית. האור שיוצא מהרכבת לכיוון הרציף ב-7:04 יחזור בהכרח מאוחר יותר.

    אם הצופה על הרציף מסתכל על שעון הרכבת ברציפות מ-7:00 על-פי שעונו הוא, הוא רואה את אותו הזמן, כיוון שהמרחק ביניהם אפסי. בהמשך, כאשר הרכבת מתרחקת, לוקח זמן עד אשר האור מגיע אליו, וזמן זה ילך ויאריך ככל שהרכבת מתרחקת ולכן מבחינתו שעון הרכבת מתקתק לאט יותר, כך שלמשל האור שיצא מהרכבת ב-7:04, יגיע אליו מאוחר יותר מ-7:04.

  • אליהו

    צופה ברציף מול צופה ברכבת

    "אינשטיין מניח כי במערכת הייחוס של הצופה ברציף, הרי הוא הנייח והרכבת היא שנעה ולפיכך כאשר שעונו של הצופה מראה על 7:04 השעון שברכבת מורה רק על 7:02 לפי חישוביו של הצופה. [בזמן שבשבע השעונים היו מכוונים] מאידך במערכת הייחוס של הנוסע שברכבת הרי הוא יכול להניח כי הוא נח והרציף נע כלפיו ואם כן בזמן ששעונו מורה על 7:04 השעון ברציף מורה רק על 7:02 לפי חישוביו של מי שברכבת. אם כן השאלה היא פשוטה הבה ונבדוק מי צודק נציב שעון גדול ברציף, בשעה 7:04 בשעון הרכבת נשלח קרן לייזר אל עבר השעון שברציף ונקבל תשובה מה כתוב שם האם 7:02 או 7:08. ברציף גם כן יבחינו בקרן הלייזר שנשלחה מהקרון, לפי מה שמתואר למעלה, התוצאה שתתקבל 7:02 ואילו מי שברציף יראה כי בשעה 7:08 פגעה הקרן בשעון. כיצד יתכן הדבר".

  • מאיר ברק

    תשובה

    ה"שקע" הוא לא הנחה או הוכחה אלא דוגמא או דרך ייצוג להשפעה של מסה על המרחב.
    מסה גורמת לעיוות של המרחב והדוגמא של כדור ויריעה באה להמחיש את העיוות. אבל צריך לזכור שהיריעה היא דו-ממדית ואילו היקום שלנו הוא בעל שלושה מימדי מרחב.

    נושא החורים השחורים נחזה עוד הרבה לפני תורת היחסות.
    כבר בסוף המאה ה 18 מושגים כמו כבידה (כבידה ניוטונית) ומהירות מילוט היו ידועים ובוצע חישוב מקורב (לפי נתוני התקופה), על מהי המסה שתמנע מהאור להימלט מפניה.

    הפתרון הראשון של משוואות אינשטיין (תורת היחסות הכללית) הוצע ע"י פיסיקאי בשם קרל שוורצשילד. פתרון זה ניתן לעקמומיות המרחב סביב מסה כדורית. במידה והמסה כולה מרוכזת בנקודה אחת בעלת צפיפות אינסופית (מסה נקודתית) הרי שנקבל חור שחור.

  • אבי

    האם ניתן לקבל הסבר נוסף?

    תורת היחסות הפרטית:
    האם ג' הינו תוצר של א'?

    תורת היחסות הכללית:
    1. האם השקע הינו הנחה או הוכחה?
    2. איך מתקשרים לנושא חורים שחורים?
    3. איך מתורת היחסות נובע שהיקום מתפשט?

    תודה מראש
    אבי

  • מאיר ברק

  • ליאור

    קשה להבין, יש הסבר יותר פשוט

    מאיר ההסבר כל כך מפורט אבל כל כך קשה לי להבין את הדברים האם יש הסבר במילים יותר פשוטות??