עמוד הבית > מדעים > פיסיקה ומבנה החומר [כימיה] > אישים
מטח : המרכז לטכנולוגיה חינוכית


תקציר
הכרות עם אלברט איינשטיין ועם "תורת היחסות הכללית" שפיתח.



אלברט איינשטיין ותורת היחסות
מחבר: ישראל כהן


אלברט איינשטיין נולד וגדל בגרמניה, בסוף המאה התשע-עשרה. כילד הוא היה ביישן, בודד ופרוש מן העולם. מוריו חשבוהו למפגר, ודיווחו לאביו שהוא איטי מבחינה רוחנית, שהוא לא חברותי, ומרחף תדיר בחלומותיו ה"מטופשים". הקיסרות הגרמנית, שנשלטה בידי פרוסיה, נשענה הרבה על הצבא. מנהיגי האומה הופיעו תמיד במדים, האווירה בכל מקום, וגם בבית-הספר, הייתה אווירה של מצעדים צבאיים ושל פיקוד צבאי. אלברט הציב לעצמו מטרה - כבר בגיל צעיר - לעצב עצמו כישות נפרדת לחלוטין, ומושפעת מעט ככל האפשר מאנשים אחרים. בבית-הספר לא הסתגל אך גם לא התמרד, הוא פשוט התעלם מסמכות. קריאה בספרי מדע פופולאריים שכנעה אותו, שמרבית סיפורי האגדות והנסים סביב קדושים שונים הם בדותות. ספרי המדע עוררו אצלו מחשבות חופשיות, לצד התחושה שהנוער תמיד מרומה על-ידי השלטונות, חשדנות כנגד סמכות מכל סוג שהוא, וספקנות כלפי הדעות המקובלות בכל תחום. את ספרי המדע קיבל ממקס תלמי, סטודנט עני שהיה סמוך על שולחן הוריו, ואילו אלגברה וגיאומטריה למד מדודו, יעקב.

בהיותו כבן שש-עשרה היגרה משפחתו, מסיבות כלכליות, לאיטליה. אלברט, שהיה אמור להישאר בגרמניה כדי לסיים את לימודיו, לקה בהתמוטטות עצבים, ושוחרר מבית הספר. הוא החליט לוותר על אזרחותו הגרמנית, והצטרף למשפחתו באיטליה. שנה מאוחר יותר ניסה איינשטיין ולא הצליח להתקבל לבית-הספר הגבוה לטכנולוגיה ETH בציריך שבשוויץ. הוא נכשל בבחינות הכניסה בכל המקצועות, פרט למתימטיקה. אך לעומת זאת התקבל לבית-הספר הקנטונלי באראו. שם שמע ממורהו לפיזיקה, כי הבעיה המרכזית של הפיזיקה היא התאמת חוקי המכניקה של ניוטון לחוקים החדשים של האלקטרומגנטיות.

שנה לאחר מכן עבר איינשטיין בהצלחה את בחינות הכניסה ל-ETH והתקבל ללימודים. זה היה אחד המוסדות המהוללים בעולם בתחום הפיזיקה.
אופיו המיוחד של אלברט איינשטיין בלט גם ב-ETH: הוא נחשב שם לתלמיד מוכשר, אשר אינו מוכן לקבל דבר ממוריו. הוא נעדר לחלוטין מההרצאות. חייו החברתיים, מאידך, היו תוססים בתקופה ההיא - אז הכיר את אשתו הראשונה, מלבה מריק, מתימטיקאית מסרביה, ונשא אותה לאישה בהיותו כבן עשרים וארבע. ציריך הייתה אז מקום מקלט למהפכנים מרוסיה ומגרמניה, וכאן למד אלברט הרבה סוציאליזם מהפכני.

העולם המדעי שאלברט פגש, עת החל לעסוק במדע, היה שמרני ותוסס גם יחד. בתחום המכניקה - התחום העוסק בתנועה, גופים וכוחות - שררה שמרנות מוחלטת. חוקי המכניקה, שניסח ניוטון מאתיים שנה לפני כן, נחשבו ליצירה אלוהית בלתי מוטלת בספק כלשהו. מאידך הייתה המאה התשע-עשרה עת התגליות הגדולות בתחום האלקטרוניקה והאלקטרומגנטיות. פרדיי היה הראשון, שהצליח לייצר זרם חשמלי מתנועה מכנית של מגנט, ולתאר את התופעה המגנטית כשדה-כוח המתפשט בחלל. עשרים וחמש שנים אחריו טבע מקסוול את המונחים "שדה-מגנטי" ו"שדה-חשמלי", ופיתח מערכת משוואות, שניבאה כי שדות אלו מתפשטים בחלל כגלים, הנעים במהירות האור, וכי האור איננו אלא תופעה אלקטרומגנטית. התעוררה השאלה כיצד נעים גלים אלה בחלל ריק. והתשובה הייתה - החלל אינו ריק, אלא מלא בחומר מסתורי שנקרא "אתר", אשר מחד - גופים נעים בו ללא כל חיכוך, ומאידך - האור "מכה בו גלים". כל הנסיונות שבוצעו כדי לאמת את קיום האתר עלו בתוהו.

בשנת 1895, כשהיה אלברט איינשטיין סטודנט לפיזיקה ב-ETH הוא התענין, כמו הרבה אחרים, בשאלת התפשטות האור - אחת הבעיות הבוערות של התקופה. אולם איינשטיין לא היה אדם רגיל. הוא ניחן בתכונה מיוחדת במינה - היכולת להתעלם מסמכות, והנכונות לתקוף כל שאלה מן היסוד, מבלי להתייחס ביראת קודש לכל דעה הקיימת לגביה. אלברט לא היה מורד. הוא לא התנגד לסמכות (אלו היה כזה - לא היה יכול ללמוד במוסד כלשהו). אלברט התעלם מן הסמכות, הוא ביקר כל צעד באמצעות שכלו, וקיבל אותו רק אם עבר ביקורת זו. הוא לא היסס להתעלם מדעה מקובלת, ואף מקודשת, אם לא התאימה לדעתו הוא. למעשה, הוא הכיר בסמכות אחת - שכלו שלו - ומצויד בסמכות זו, שאל את עצמו שאלה יסודית: "מה יקרה אם אחזיק בידי מראה ואנוע במהירות האור?"

על-פי תורת הגלים, אין מהירות התפשטות הגל תלויה במהירותו של הגוף, היוצר את הגל. לכן, אם אלברט נע במהירות האור, הוא נע יחד עם גלי האור היוצאים מפניו, וכך נעה גם המראה שהוא אוחז במרחק מה לפניו. כלומר - גלי האור היוצאים מפניו לא יגיעו אל המראה, ולא תיראה בה בבואתו.

מאידך, אם נתעלם מתורת הגלים, ונניח שגלי האור עוזבים את פני אלברט במהירות כלשהי ומגיעים למראה, פירושו של דבר שמהירות האור תהיה שונה לגבי אלברט ולגבי צופה נייח, המביט בהם מן הצד צופה זה יראה את האור נע במהירות כפולה. שתי התוצאות גם יחד לא התקבלו על דעתו של אלברט. הוא חשב, שגם אם ינוע במהירות האור, לא תיעלם בבואתו מן המראה(!), ואילו הצופה הנייח (העומד על מקום אחד) יצפה באור הנע במהירות זהה לזו שיצפה בה אלברט, הצופה הנע. כלומר - מהירות האור שווה לגבי כולם! אלו לכאורה שני רעיונות, שאינם מתיישבים זה עם זה. אולם ב-1905, לאחר שהפך בסוגיה זו כעשר שנים, פרסם אלברט את פתרונו לבעיה, שנודע בשם "תורת היחסות המיוחדת".

גליליאו גליליי היה הראשון שניסח עיקרון שנודע בשם "עקרון היחסיות": "כל תנועה במהירות קבועה היא יחסית, ואין להבחין בה בלי להתייחס לנקודה חיצונית." איינשטיין טען שאם ינוע במהירות האור ובבואתו תיעלם - יהיה זה בניגוד לעקרון היחסיות, שכן הוא יוכל להבחין בדרך זו בתנועתו מבלי להתייחס לנקודה חיצונית כלשהי. למשל: איננו מבחינים בתנועת כדור-הארץ סביב צירו, מכיון שזו תנועה במהירות קבועה. וכך גם תנועת כדור הארץ סביב השמש. או למשל: נוסע בעמידה באוטובוס יכול לעמוד בנחת כל זמן שהאוטובוס נוסע במהירות קבועה. רק שינויים במהירות, כמו האטה או האצה, יגרמו לו טלטול ותחושת נסיעה. הדרך היחידה לחוש בתנועה במהירות קבועה היא להסתכל מן החלון החוצה.

עקרון היחסיות של גליליאו הביא את איינשטיין למסקנה, שמהירות האור קבועה לגבי כל צופה, בלי קשר לתנועתו, אחרת - יכול היה הצופה להיווכח בתנועתו במהירות קבועה על-ידי מדידת מהירות האור.

כתוצאה מכך הגיע איינשטיין למסקנה, כי יש לשנות את מושגי הזמן, החלל והמסה. הוא העז להעלות את הטענה, כי שני מאורעות, הנצפים כבו-זמניים במסגרת התייחסות אחת, עשויים להיצפות בהפרש זמן זה מזה במסגרת התייחסות אחרת. למשל, צופה יושב במרכז של קרון רכבת, שנוסעת במהירות כלשהי. צופה אחר יושב על הרציף. הצופה שברכבת שולח שתי אלומות של קרני אור, אשר פוגעות בדלתות, הנמצאות בקצה הקרון, וגורמות לפתיחתן. וראה זה פלא: אם נקבל את העיקרון שמהירות האור זהה עבור שני הצופים, הרי שהצופה שברכבת יצפה בפתיחת שתי הדלתות בו-זמנית, ואילו הצופה שברציף יצפה בפתיחת הדלת האחורית לפני הדלת הקדמית, שכן זו נוסעת לעברו, וזו מתרחקת ממנו! כלומר - איננו יכולים לדבר על בו-זמניות מוחלטת, אלא רק על בו-זמניות יחסית למערכת התייחסות כלשהי. וכתוצאה מכך, איננו יכולים לדבר על אורך מוחלט, אלא על אורך יחסי - אורכו של קרון הרכבת שונה לגבי הצופה שבקרון ולגבי הצופה שעל הרציף.

גם הזמן הוא יחסי: נתאר לעצמנו שעוני אור, המורכבים מפנס, מראה וקולט בצורה הבאה:
הפנס פולט קרן אור בקצב קבוע. הקרן פוגעת במראה וחוזרת לקולט, אשר משמיע "קליק". נציב שעון אחד על הרציף, ואת השני - בקרון. כל זמן שהקרון נייח יחסית לרציף, עובדים השעונים באותו קצב. נניח עתה שהקרון נע במהירות קבועה יחסית לרציף. אצל אף אחד מהצופים לא ישתנה דבר בפעולות השעון. אולם שעונו של הצופה שברציף פועל מהר יותר מן השעון שבקרון:

שעון הקרון לגבי צופה ברציף (א)

שעון הרציף לגבי צופה הרציף או שעון הקרון לגבי צופה הקרון (ב)

לגבי הצופה ברציף, קרן האור של שעון הקרון עוברת מרחק גדול יותר מן הפנס לקולט מאשר קרן האור של שעון הרציף, ולכן יישמעו ה"קליקים" בקצב איטי יותר!

כלומר, לגבי כל צופה בנפרד קצב ה"קליקים" אינו משתנה בשעה שהקרון נמצא בתנועה (אחרת, יכול צופה הרכבת לדעת שהוא בתנועה בלי להסתכל החוצה - בניגוד לעקרון היחסיות). אולם שעון הקרון פועל לאט יותר משעון הרציף, לגבי הצופה שעל הרציף. אפשר לחשב כי אם הקרון נע במהירות שהיא 0.8 ממהירות האור יחסית לרציף, הרי בזמן שיחלפו חמישים שנה על הרציף, יחלפו בקרון שלושים שנה בלבד!!!

אחת המסקנות החשובות של "תורת היחסות המיוחדת" הייתה הנוסחה E=mc² , שעל-פיה מסת הגוף מהווה מדד לכמות האנרגיה האצורה בו, וכמות זו היא עצומה!

ב-1916 פרסם איינשטיין את "תורת היחסות הכללית", וב-1921 זכה בהכרה עולמית ובפרס נובל לפיזיקה. תורתו הולידה דור שלם של מחקרים חדשים, שזרו אור חדש על הפיזיקה והפיזיקה הגרעינית. אחת ההתפתחויות המעניינות באותה תקופה הייתה "תורת הקוונטים", ואיינשטיין התנגד לה בשל אופיה ה"הסתברותי": לדברי תורה זו אינך יכול לדעת בדיוק היכן נמצא אלקטרון - אתה יכול רק לנחש. איינשטיין הגיב על כך באמירה "אינני מאמין כי אלוהים משחק בקוביה..."

אלברט היה פעיל לא רק במדע אלא גם בחברה, כסוציאליסט מושבע. עד יום מותו ב-1955 התנגד למקרתיזם, ופעל לפירוק הנשק. מעולם לא נטש את מודעותו הפוליטית ואת יהדותו, וזכר את העובדה שהיה בן למיעוט נרדף. הוא ביקר בשנת 1923 בארץ ישראל והיה ער לבעיותיה של מדינת ישראל. בשנות ה-50 הוצע לאלברט איינשטיין להציג את מועמדותו למשרת נשיא המדינה כמחווה לאישיותו הדגולה ולתרומתו למדע ולאנושות. אך הצעה זו נדחתה על-ידי איינשטיין תוך הבעת רגשי הוקרה ותודה .

ביבליוגרפיה:


  1. אנטוני סטור, תרגום: יהודית כפרת ושושנה שוורץ, הדינמיקה של היצירה מודלים חדשים של היקום, עמ' 88-73, הוצאת ספרים פועלים, הקיבוץ הארצי השומר הצעיר, 1983.

  2. Schwartz, Joe, Einstein For Beginners, Panteon Books, New York, 1979.


ביבליוגרפיה:
כותר: אלברט איינשטיין ותורת היחסות
מחבר: כהן, ישראל
שם  הספר: תיגר : מרד חופש ויצירה
עורכת הספר: יפתח, אילה
תאריך: 1990
הוצאה לאור: מטח : המרכז לטכנולוגיה חינוכית
הערות: 1. ריכוז פיתוח ועריכה: אילה יפתח.
2. מדריך לתלמיד, מאמרים, סיפורים.
הספרייה הוירטואלית מטח - המרכז לטכנולוגיה חינוכית