איך להבין את תורת היחסות?
גילוי זה הוביל לראשונה משתי תיאוריות היחסות של איינשטיין: תורת היחסות המיוחדת ותורת היחסות הכללית.
כשאנשים שומעים את הביטוי "תורת היחסות," הם חושבים בדרך כלל של אלברט איינשטיין ואת משוואות מתמטיות מורכבות כמו e = mc2 {\ displaystyle e = mc ^ {2}} . אך מדענים רבים מילאו חלק בפיתוח התיאוריה. על ידי לימוד ההיסטוריה והיישומים המעשיים של תורת היחסות, תוכלו להבין את הנושא המסובך הזה.
שיטה 1 מתוך 4: לימוד תולדות היחסות
- 1התחל עם גלילאו. מדען המאה ה -16 גלילאו גליליי נחשב לאחד המייסדים של המדע המודרני. מחקריו על מכניקת חפצים נופלים וקליעים נעים הובילו לגיבוש תורת היחסות המודרנית הראשונה, והעלו את השאלה המכונה "בעיית היחסות". אז איך להבין את בעיית היחסות?
- דמיין ששני אנשים מתבוננים באותו אירוע. לדוגמא, שני אנשים במשחק בייסבול היושבים משני צידי האיצטדיון צופים בבלילה פוגעת בריצה ביתית. זמן ההפעלה הביתית יהיה זהה לשני המתבוננים בעוד שהמרחק מהם יהיה שונה. שני המעריצים היו עדים לאותו אירוע יחסית זה לזה.
- תארו לעצמכם אדם שנוהג ברכב שעובר 60 מייל לשעה. הנהג נוסע 0 מייל לשעה ביחס למכונית, אך לצופה חיצוני הנהג נוסע 60 קמ"ש. מהירות הנהג משתנה ביחס לנקודת מבטו של המתבונן.
- 2המשך עם סר איסאק ניוטון. בשנות המאה ה -17, אייזק ניוטון היה סטודנט באוניברסיטת קיימברידג '. כשקיימברידג 'נסגרה במשך שנתיים בגלל המגיפה השחורה, ניוטון המשיך ללמוד לבד מתמטיקה, פיזיקה ואופטיקה מורכבים. במהלך תקופה זו פיתח את המושג חשבון סופי אינסופי, והניח את הבסיס לשלושת חוקי התנועה שלו. בסופו של דבר ניוטון היה בוחן כיצד חוקי התנועה קשורים לתנועה של כדור הארץ, השמש והירח, מושג שהוא מכנה "כוח המשיכה". מהם חלק מהיישומים המעשיים של חוקי התנועה?
- לחוות את חוק התנועה הראשון במגרש המשחקים. חוק התנועה הראשון של ניוטון ידוע כחוק האינרציה, הקובע כי כל אובייקט יישאר במנוחה או בתנועה אחידה בקו ישר אלא אם כן פעל על ידי כוח חיצוני. לדוגמא, אדם בראש לוח הזזה יישאר שם עד שידחוף את עצמו (או נדחף) במורד הלוח. הם יישארו בתנועה עד שהם נעצרים כשהם מגיעים לתחתית השקופית.
- בצע את המתמטיקה לחוק התנועה השני. בחוק הראשון ניוטון הציג את התיאוריה לפיה אובייקט בתנועה נשאר בתנועה, ואובייקט במנוחה נשאר עד שכוח חיצוני משפיע עליהם. החוק השני של ניוטון לוקח את זה צעד קדימה על ידי קביעת הכוח הדרוש כדי לשנות את מצב האובייקט. הוא קובע כי אובייקט הנתון לכוח חיצוני יאיץ וכי כמות התאוצה פרופורציונאלית לגודל הכוח. לדוגמא, נגרר לטרקטור 40 טון ידרוש כוח רב יותר כדי להגיע למהירות של 60 מייל לשעה מכפי שתצטרך מכונית קומפקטית בת 2 טון. כמה כוח ניתן לקבוע בדיוק על ידי הנוסחה המתמטית כוח = תאוצה מסה x, בקיצור f = ma {\ displaystyle f = ma} .
- שמור על חוק התנועה השלישי. חוק התנועה השלישי של ניוטון קובע כי לכל פעולה קיימת תגובה שווה והפוכה. במילים פשוטות, אובייקט דוחף כנגד אובייקט אחר, האובייקט השני דוחף חזרה באותה מידה. לפעמים החוק השלישי אינו מובן מאליו, כמו כשאתה עומד במקום. כוח המשיכה דוחף את הקרקע, ואילו האדמה נדחקת לאחור בכוח שווה. מכיוון שאין תנועה, הכוחות מבטלים זה את זה. עם כוח רב יותר וחפצים מאסיביים יותר, החוק השלישי ניכר יותר, כמו בעת שיגרה רקטה. כשהמנוע שורף דלק, הדחף כלפי מטה דוחף את הרקטה כלפי מעלה.
- 3נסיעה דרך האתר.
- להתפתח למאה ה -19. מאז תקופתו של אייזיק ניוטון מדענים תיאורטו כי היקום מלא במדיום שהם כינו אתר. גלי אור ורדיו עברו דרך האתר באותו אופן שבו גלי קול עוברים באוויר. עד המאה ה -19 מדענים פיתחו דרכים למדידת תכונות האתר, וקיוו ליצור תיאוריה המתארת את היקום.
- מדוד את האור. בשנת 1887 ניסו הפיזיקאים אלברט מיכלסון ואדוארד מורלי להוכיח את קיומו של האתר באמצעות מכשיר שתוכנן על ידי מיכלסון המכונה אינטרפרומטר, המורכב מפלטת זכוכית חצי כסופה, שתי מראות וטלסקופ. על ידי כיוון קרן אל לוחית הזכוכית, הקורה הייתה מפוצלת ושתי הקורות היו מגיעות לשתי המראות בזמנים שונים, תלוי לאיזה כיוון הם נוסעים ביחס לאתר. התוצאה הבלתי צפויה הייתה ששתי הקורות הגיעו למראות בו זמנית, ולא הצליחו להוכיח את קיומו של האתר. מיכלסון התייחס לניסוי שלו ככישלון. אבל זה יהיה חלק מרכזי בעבודתו של פקיד צעיר במשרד הפטנטים השוויצרי.
- 4הכירו את אלברט איינשטיין. בשנת 1905 עבד אלברט איינשטיין במשרד הפטנטים בברן, שוויץ. באותה תקופה פרסם איינשטיין ארבעה מאמרים שקבעו את מהירות האור קבועה בוואקום, מה שהפריך גם את קיומו של האתר. גילוי זה הוביל הראשון של היחסות שתי התיאוריות של איינשטיין: תורת היחסות הפרטית ואת תורת היחסות הכללית.
תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין נקראת כך מכיוון שהיא חלה על המקרה המיוחד של עצמים הנעים במהירות קבועה.
שיטה 2 מתוך 4: הבנת תורת היחסות המיוחדת
- 1גלה את מסגרת ההתייחסות שלך. מחקריו של איינשטיין הראו כי אין שום מסגרת התייחסות "מוחלטת" בעולם הטבע. כל עוד אובייקט נע בקו ישר במהירות קבועה (ללא תאוצה), חוקי הפיזיקה זהים לכולם.
- דמיין שאתה נמצא ברכבת. כשמסתכלים מהחלון רואים רכבת אחרת שנראית נעה. בהתבסס על תצפית זו בלבד, אי אפשר לדעת אם הרכבת שלך או הרכבת השנייה נוסעים. הדבר נכון לגבי כל אחד ברכבת שאתה צופה בה.
- 2להבין את מהירות האור. ניסוי מיכלסון-מורלי לא הצליח להוכיח את קיומו של האתר, אך הוכיח כי האור נע במהירות קבועה של מהירות, ללא קשר למסגרת ההתייחסות של הצופה. אינשטיין הוסיף כי כאשר אובייקט מתקרב למהירות האור, מסתו תגדל, ובסופו של דבר תהפוך לאינסופית ככל שהגיע למהירות האור.
- 3להבין מרחב-זמן. כאשר איינשטיין חקר את תכונות האור, הוא הבין שאם מהירות האור היא קבועה מוחלטת, אז הזמן והמרחב חייבים להיות משתנים. בעולם היומיומי נראה שהזמן הוא ישות אחת שזורמת בקצב קבוע, כאשר למעשה היא למעשה חלק ממערכת מורכבת יותר המקושרת למרחב. לכן, כאשר אובייקט נע במרחב הוא נע גם בזמן, המואט ביחס ישר לקצב המהירות בו האובייקט נע. מאפיין זה מכונה הרחבת זמן.
- באוקטובר 1971 הוכח הקשר בין זמן למרחב על ידי ניסוי שערכו הפיזיקאי ג'וזף סי האפלה והאסטרונום ריצ'רד א 'קיטינג. הם לקחו ארבעה שעונים אטומיים וטסו ברחבי העולם בחברת תעופה מסחרית והשוו את הזמן שהוצג בשעונים עם אחרים שנותרו במצפה הימי של אירופה. שתי קבוצות השעונים הראו זמנים שונים, התואמים את התחזיות של תאוריית המרחב-זמן.
- 4תבין כיצד זה מוביל ליצירת תיאוריה חדשה. משני העקרונות הללו תיאר איינשטיין כי חומר ואנרגיה היו קשורים בדרכים שמעולם לא הבינו מדענים. בסופו של דבר איינשטיין הסיק שחומר ואנרגיה הם אותו דבר בצורות שונות, ועל ידי האצת חומר מספיק, זה יהפוך לאנרגיה. זה הביא לנוסחה המתמטית המפורסמת e = mc2 {\ displaystyle e = mc ^ {2}} , או אנרגיה = מסה x מהירות האור בריבוע.
לקח עשר שנים עד שאינשטיין הרחיב את התיאוריה שלו כך שתכלול תאוצה, תיאוריה שזכתה לכינוי תורת היחסות הכללית.
שיטה 3 מתוך 4: הבנת תורת היחסות הכללית
- 1הוסף בתאוצה. תורת היחסות המיוחדת של איינשטיין נקראת כך מכיוון שהיא חלה על המקרה המיוחד של עצמים הנעים במהירות קבועה. אך אובייקטים לא תמיד שומרים על מהירות קבועה. לקח עשר שנים עד שאינשטיין הרחיב את התיאוריה שלו כך שתכלול תאוצה, תיאוריה שזכתה לכינוי תורת היחסות הכללית.
- 2הגדר כוח משיכה. כאשר סר אייזק ניוטון הגדיר לראשונה את תורת הכבידה, הוא האמין שמדובר בכוח מולד שיכול להשפיע על מרחקים. כוח הכבידה יהיה חזק יותר עבור עצם מסיבי כמו השמש, מה שהסביר מדוע הוא משך אליו עצמים קטנים יותר כמו כדור הארץ שמקיף אותו. עם זאת, כאשר איינשטיין ניסה להסביר את כוח המשיכה בצורה מתמטית, הוא גילה שכוח המשיכה אינו כוח שעבר בחלל, אלא הוא עיוות של זמן-זמן. ככל שאובייקט מסיבי יותר, כך הוא מעוות את זמן-הזמן.
- דמיין את היקום כטרמפולינה. אם תשים כדור באולינג על הטרמפולינה, זה יגרום לטרמפולינה להתכופף. חפצים קטנים יותר כמו בייסבול יתגלגלו לעבר כדור הבאולינג בגלל העיוות שהוא גרם בטרמפולינה. הוכח כי הדבר חל גם על זמן-זמן.
מחקריו על המכניקה של חפצים נופלים וקליעים נעים הובילו לגיבוש תורת היחסות המודרנית הראשונה, והעלו את השאלה המכונה "בעיית היחסות".
שיטה 4 מתוך 4: החלת תורת היחסות לחיי היומיום
- 1מצא את עמדתך עלי אדמות. זה היה שככל שאובייקט נע מהר יותר, הזמן מאט יותר. לווייני GPS מודדים זמן בקצב קטן אך איטי יותר למדידה מאשר הזמן בכדור הארץ. על ידי חישוב הזמן שלוקח לאות שנשלח מלווייני ה- GPS המקיפים את כדור הארץ למכשיר שלך, ניתן לקבוע את מיקומך על פני כדור הארץ.
- 2לכו על הזהב. מרבית המתכות מבריקות מכיוון שהאלקטרונים שלהם קופצים לרמות שונות המכונות אורביטליות. עם זהב, האלקטרונים הקרובים לגרעין האטום חייבים לנוע במהירות גבוהה גבוהה, כמחצית ממהירות האור, כדי להימנע מלהיקלט בגרעין. על מנת לעבור למסלול אחר, על האלקטרונים לספוג אור. רוב האור הנספג הוא לכיוון הספקטרום הכחול, ואילו האור קרוב יותר לספקטרום הצהוב משתקף, וכתוצאה מכך הצבע הצהוב המפואר של המתכת.
- 3תן לכספית לזרום. כמו זהב, כספית היא אטום כבד שהאלקטרונים הפנימיים שלו נעים במהירות גבוהה. ככל שהמהירות שלהם עולה המסה שלהם עולה באופן יחסי. התוצאה היא שיש קשר חלש בין אטומי כספית, והמתכת במצב נוזלי בטמפרטורות ממוצעות.
- 4תן לשמש לזרוח. הודות לעיקרון המתמטי של e = mc2 {\ displaystyle e = mc ^ {2}} , אנרגיה סולארית וגרעינית אפשריות. בלי שאנרגיה וחומר היו קשורים זה לזה, לא תהיה שום אנרגיה ואור.
קרא גם: איך ללמוד למבחן גדול?
