פרס נובל לפיזיקה של אלברט איינשטיין

תורת היחסות

תורת היחסות היא התיאוריה שכל החוקים הפיזיקליים זהים עבור כל צופה, לא משנה מה מצב התנועה שלהם. זוהי תיאוריה במובן שהיא עושה תחזיות הניתנות לזיוף ועמדה במבחנים רבים במהלך המאה האחרונה. רשימה קצרה של תחזיות כוללת את העובדה שזמן המרחב מעוקל, שלאור יש אופי חלקיקי, שהזמן הוא יחסי, ושחומר יכול ליצור שדות כבידה. תורת היחסות שונה מהמכניקה הקלאסית בכך שאינה מניחה מרחב מוחלט או זמן מוחלט. במקום זאת, הוא אומר שהמרחב הזמן הוא עקום. בעיקרו של דבר, תורת היחסות אומרת שמהירות האור זהה לכל הצופים, שהזמן הוא יחסי, ושחומר יכול ליצור שדות כבידה.

האפקט הפוטואלקטרי

תופעה זו שבה אלקטרונים נפלטים ממתכות כשהן מוארות באור נצפתה לראשונה ב-1887 על ידי הפיזיקאי היינריך הרץ. באותה תקופה, התיאוריה הרווחת הייתה שאנרגיה של אלקטרונים מופקת מהאצתם בשדה החשמלי של מקור אור. תיאוריה זו אוששה על ידי ניסויים רבים, אך היא לא הצליחה להסביר את התצפיות של הרץ. הניסויים של הרץ הראו שכאשר קרני אור פוגעות במתכת, נפלטים אלקטרונים עם אובדן אנרגיה קטן מאוד. האלקטרונים יוצאים עם לא פחות אנרגיה ממה שנדרש כדי לשבור את גרעין המתכת לגרעין חיובי. תוצאה מפתיעה זו הוסברה רק ב-1905 על ידי אלברט איינשטיין, שהראה שהתופעות נובעות מאינדוקציה אלקטרומגנטית. בהסבר זה, אנרגיית האלקטרונים אינה נגזרת מהאצת אלקטרונים על ידי שדה חשמלי, אלא ממקור האור עצמו. האלקטרונים נפלטים בגלל שאנרגיית האור הופכת לאנרגיה קינטית של אלקטרונים. תהליך זה נקרא האפקט הפוטואלקטרי.

E=mc2 - סיכום קצר של המשוואה

המשוואה המפורסמת של איינשטיין E=mc2 אומרת שהאנרגיה של משהו (E) שווה למסה של משהו (m) כפול מהירות האור בריבוע. המשוואה הזו הוכחה ככלי שימושי מאוד בפיזיקה, ושימשה לביצוע תחזיות מדויקות לגבי איך דברים עובדים. לדוגמה, זה מאפשר למדענים למדוד את המסה של דברים בצורה מדויקת באמת. המשוואה נבנתה על סמך תורת היחסות, המתארת כיצד מתנהגים חלקיקים וגלים אלקטרומגנטיים (כגון אור). המשוואה אומרת שכל צורות האנרגיה קשורות למסה, שהיא תכונה בסיסית של החומר.

גזירת E=mc2 מתורת היחסות

על מנת לגזור את המשוואה, נתבונן תחילה בניסוי מחשבתי בו צופה נמצא ברכבת נעה שעוברת רכבת אחרת. הצופה ברכבת הראשונה רואה את הרכבת השנייה נעה במהירות קבועה, וכל העצמים ברכבת זו נעים באותה מהירות. מכיוון שהעצמים נעים במהירות קבועה, המסה שלהם לא יכולה להשתנות. לכן, הצופה ברכבת הראשונה ימדוד את אותה מסה של העצמים ברכבת השנייה. כעת, בואו נבדוק מה קורה כאשר הצופה ברכבת הראשונה מודד את המסה של פוטון. הצופה ברכבת הראשונה שרואה את הרכבת השנייה נעה במהירות קבועה, ימדוד את הפוטון בעל אותה מסה. כעת, בואו נבדוק מה קורה כאשר הצופה ברכבת הראשונה מודד את המסה של אלקטרון נע. הצופה ברכבת הראשונה שרואה את הרכבת השנייה נעה במהירות קבועה ימדוד את האלקטרון הנע כדי שיהיה לו מסה גדולה יותר. לפיכך, הצופה ברכבת הראשונה רואה שלאלקטרון הנע יש מסה גדולה מזו שהאלקטרון היה לו אם הוא היה במנוחה. לכן, לאלקטרון הנע יש יותר "אנרגיה" מאלקטרון שאינו נע. במילים אחרות, לאלקטרון הנע יש מסה גבוהה יותר מהאלקטרון הנייח.

ביטול ה-"C" ב-E=mc2

מהירות האור היא קבועה רק אם מקור האור נייח או אם המקור והצופה נעים במהירויות קבועות ביחס זה לזה. במילים אחרות, מהירות האור זהה עבור כל הצופים במקרה זה. עם זאת, כאשר המקור והצופה נעים במהירויות לא קבועות זה ביחס לזה, מהירות האור תהיה שונה עבור צופים שונים. זו הסיבה שה-"c" ב-E=mc2 ניתן לזרוק ולא להשתמש בו באף אחת מהגזירות הבאות.