הישגיו של אלברט איינשטיין

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

יש לך הודעות חדשות (השווה לגרסה הקודמת).

ערך זה עוסק בהישגיו המדעיים של אלברט איינשטיין. לערך העוסק בקורות חייו, ראו אלברט איינשטיין.

תוכן עניינים

1 איינשטיין כפיזיקאי
2 לקריאה נוספת
3 קישורים חיצוניים

[עריכה] איינשטיין כפיזיקאי

אלברט איינשטיין, בהיותו סטודנט בשנתו השנייה בלימודי המתמטיקה והפיזיקה, שמע על תוצאות ניסוי מיכלסון-מורלי (שבוצע על ידי צמד מדענים, ביניהם הפיזיקאי היהודי אלברט אברהם מיכלסון) שבו התגלה שמהירות האור לא משתנה למרות השינוי בתנועה היחסית של כדור הארץ לעומת ה"אתר" - מדיום מסתורי שבו רוטטים ומתקדמים הגלים האלקטרומגנטיים. ניסוי זה סיקרן מאוד את איינשטיין יחד עם הסתירה הידועה שהייתה קיימת בין המכניקה הניוטונית לתורת החשמל והמגנטיות הקלאסית של ג'יימס קלרק מקסוול שהציקה לו מאוד. אלו היו בעיות היסוד שהביאו את איינשטיין לפיתוח תורת היחסות.

[עריכה] אנוס מירביליס

1905 היא שנה שנכנסה להיכל התהילה המדעי תחת השם Annus Mirabilis (שנת הפלאות). בשנה זו פרסם אלברט איינשטיין ארבעה מאמרים בכתב העת שנתון הפיזיקה (Annalen der Physik), כל אחד מהם היה חדשני ופורץ דרך בתחומו.

"Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt" ("על נקודת מבט היוריסטית בייצור והעברה של אור"), במאמר זה הציג איינשטיין את הקוונטיזציה של האור וחלוקתו למנות אנרגיה בדידות, המתנהגות כמו חלקיקים. איינשטיין הסיק זאת על סמך שיקולים תרמודינמיים כמותיים (חישובי אנטרופיה) ומאמרו של מקס פלאנק על קרינת גוף שחור. למרות שזה היה חלק משני במאמר, עיקר פרסומו בא לו מכך שהוא בעצם הסביר את האפקט הפוטואלקטרי שהתגלה בניסוי פרנק-הרץ ובו מתכת פולטת אלקטרונים רק כאשר מוקרן עליה אור מעל תדירות סף מסוימת. איינשטיין הסביר את התופעה באמצעות הטענה שהאנרגיה של האור באה במנות בדידות "קוונטות" שנישאות על ידי פוטונים (חלקיקי אנרגיה אלקטרומגנטית חסרי מסה) ושהאנרגיה שכל פוטון נושא פרופורציונית לתדירות שלו. ביחד עם המאמר של מקס פלנק בנוגע לקרינת גוף שחור, מאמר זה היווה את היסוד למכניקת הקוונטים ולתפיסה של דואליות גל-חלקיק של האור. על מאמר זה קיבל איינשטיין פרס נובל בשנת 1921.
"Ist die Trägheit eines Körpers von seinem Energiegehalt abhängig?", ("האם האינרציה [מסה, התמדה] של גוף תלויה בתכולת האנרגיה שלו?") במאמר זה ביסס איינשטיין את השקילות בין מסה לאנרגיה כמסקנה של תורת היחסות הפרטית. הסיכום הפופולרי והקצר ביותר של מאמר זה תהייה המשוואה E=mc² הניסוח המדויק של משוואה זו שונה, והוא: $\!\, E = \gamma m_0 c^2$ כאשר m₀ היא מסת המנוחה של החלקיק ו"גמא" הוא גורם לורנץ, התלוי במהירות החלקיק ושואף לאינסוף כאשר מהירות החלקיק שואפת למהירות האור ושווה ל 1 כאשר החלקיק במנוחה. לנוסחה זו היו יישומים רבים, המרכזי שבהם הוא כמובן פצצת האטום והפקת אנרגיה באמצעות תהליכים גרעיניים.
" Über die von der molekularkinetischen Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen" ("על התנועה - הנידרשת מהתורה הקינטית המולקולרית של החום - של חלקיקים קטנים השוהים על פניו של נוזל במנוחה") מאמר זה הסביר את התנועה של גזים וחלקיקי אבק שצפים בתוך נוזל, תופעה הידועה בשם תנועה בראונית. מאמר זה הניח את היסודות לתחום הפיזיקלי של מכניקה סטטיסטית וחיזק מאוד את האמונה בדבר ממשות קיומם של האטומים, שבאותו תקופה רבים ראו בהם רק פיקציות תיאורטיות שימושיות. מעניין לציין שאיינשטיין לא ידע על התופעה הנקראת תנועה בראונית בשעה שכתב את המאמר, אלא הציג את עבדתו כתוצאה תיאורטית הנובעת מההנחה שיש סטיות מדידות משיווי המשקל התרמודינמי של לודוויג בולצמן.
"Zur Elektrodynamik bewegter Körper" ("על האלקטרודינמיקה של גופים נעים"), במאמר זה הציג איינשטיין את תורת היחסות הפרטית. כפי ששם המאמר מרמז, מטרתה הראשונה של תורת היחסות הייתה לפתור את הסתירה שבתורה אלקטרומגנטית, בייחוד זו שנובעת מכוח לורנץ $\vec{F} = q\vec{E} + \frac{1}{c}\vec{v}\times\vec{B}$ שבה יש התייחסות למהירות של החלקיק אך לא ברור בדיוק לאיזה מהירות מדובר (כלומר, ביחס לאיזה מערכת היא נמדדת). יוצא שבמערכות ייחוס שונות - על החלקיק פועל כוח מגנטי שונה והוא יפתח תאוצה שונה! עוד לפני איינשטיין, פיזיקאי הולנדי בשם הנדריק לורנץ פיתח טרנספורמציות בין מערכות ייחוס שפותרות את הבעיה, אך הן "נתפרו" אמפירית במיוחד בשביל בעיה זו. הגישה של איינשטיין הייתה הרבה יותר רדיקלית. הוא הגדיר מחדש מהו הזמן ומהו המרחב ובאמצעות שני פוסטולטים: אינווריאנטיות מהירות האור (כלומר: כל צופה, בכל מערכת ייחוס, ימדוד את מהירות האור כ c) ושמירות כל חוקי הפיזיקה תחת כל מערכות הייחוס האינרציאליות, הראה איינשטיין כיצד אפשר לגזור את טרנספורמציית לורנץ שקושרת ביחד את המרחב והזמן למרחב-זמן (את הצגתו של מרחב-הזמן כמרחב וקטורי בעל 4-ממדים ביצע חברו של איינשטיין, המתמטיקאי היהודי הרמן מינקובסקי). תורת היחסות הפרטית הייתה מהפכנית מאחר והיא שינתה את כל התפיסות הקיימות לגבי זמן ומרחב, למשל: שני אירועים שקורים בו-זמנית במערכת אחת אינם קורים בו-זמנית במערכת ייחוס אחרת, התארכות הזמן והתקצרות האורך של גוף נע ועוד. הניגוד בין תורת היחסות לבין האינטואיציה הביאה לכמה פרדוקסים נחמדים, שרובם נפתרים כאשר נזכרים באובדן הסימולטניות. ראו עוד: תורת היחסות הפרטית.

[עריכה] תורת היחסות הכללית

ערך מורחב – תורת היחסות הכללית

למרות יופיה האדיר של תורת היחסות הפרטית חש איינשטיין שהיא לא שלמה. תורת היחסות הפרטית הייתה מוגבלת רק למערכות ייחוס אינרציאליות (כלומר: נעות במהירות קבועה אחת ביחס לשנייה) ולא דיברה על מערכות מואצות.

בשנת 1915 פיתח איינשטיין את תורת היחסות הכללית שמיסדה את השקילות בין תאוצה לכבידה ובין שדה כבידה לגאומטריה של המרחב (שנקבעת עפ"י העקמומיות שלו). איינשטיין גם הסיק וגזר שעקמומיות המרחב בנקודה מסוימת עומדת ביחס ישיר לצפיפות המסה והאנרגיה בנקודה זו. הניסוח המתמטי של קביעה זו הוא מסובך ביותר ומצריך שימוש באלגברה טנזורית המטפלת בגדלים שנשמרים תחת טרנספורמציות לינאריות מסוימות ונקראים טנזורים. בסיועו של חברו, הרמן מינקובסקי, ושימוש בטנזור המטרי של רימן.

לתורת היחסות הכללית של איינשטיין היו מספר ניבויים מדהימים, שונים לגמרי מהמכניקה הקלאסית ותורת הכבידה של ניוטון, הנה כמה מהם:

השפעתו של שדה הכבידה איננה מיידית, אלא מוגבלת למהירות האור.
שדה הכבידה משפיע גם על האור וגורם לעיקום במסלולו. למעשה שדה הכבידה מעקם את המרחב ובמרחב העקום הזה שהאור עובר בו הגיאודזה (שבמרחב אוקלידי שטוח היא קו ישר) היא בעצם קו עקום. מסקנה מכך היא שהאור מתעקם בנוכחות מסות גדולות, דבר שגורמת לתופעה הידועה בשם "עידוש כבידתי" או Gravitational Lensing באנגלית.
תיקונים ביחס למסלולו הצפוי של כוכב חמה (מרקורי).
אפשרות תיאורטית לקיומם של חורים שחורים ונקודות סינגולריות במרחב-זמן.
קוסמולוגיה: מודל להתפשטות היקום והוספת הקבוע הקוסמולוגי.

בשנת 1919, בשעת ליקוי חמה משלחת לדרום אפריקה בראשות הפיזיקאי הבריטי ארתור אדינגטון מדדה את הסטייה במקומות של כוכבים כתוצאה מתחזיותיה של תורת היחסות הכללית ביחס לעידוש כבידתי והטיית קרני אור. בניסוי זה אוששה לראשונה תורת היחסות הכללית ואלברט איינשטיין נהפך למפורסם בעל שם עולמי בן לילה. למעשה, בגלל שגיאות המדידה הגדולות, הניסוי לא נתן גושפנקא חד-משמעית לתורת היחסות הכללית, אך זה לא שינה עבור ההמון והעיתונות הרחבה. ניסויים מאוחרים יותר איששו את תחזיות התורה מעל כל צל של ספק.

תורת היחסות הכללית היא אחת מהתורות המוצלחות ביותר של הפיזיקה אי-פעם, גם מהבחינה הניסיונית. מאות ניסיונות נעשו ובכולם התוצאות שהתקבלו התאימו באופן מוחלט לתחזיות התיאורטיות. תורת היחסות הכללית גם הצליחה להסביר סטיות שנחזו בתנועתו של כוכב הלכת החמה ושהיו בניגוד לתורת הכבידה של ניוטון. תורת היחסות הכללית היא מאוד מעשית, עד כדי כך שמתכנני לוויני GPS חייבים להתחשב בה בשביל שהלוויינים ומערכת הניווט יעבדו כשורה.

[עריכה] מכניקת הקוונטים

למרות שהתנגד בחריפות לתוצאות ההסתברותיות שנבעו ממכניקת הקוונטים (פרשנות קופנהגן של תורת הקוונטים) נמנה איינשטיין עם מייסדיה ומעצביה החשובים. את היסודות הניח עוד בשנת 1905 במאמרו על האפקט הפוטואלקטרי והקוונטיזציה של האור.

איינשטיין עודד ועזר ללואי דה ברויי וארווין שרדינגר לפתח את מכניקת הגלים שממנה נבעה משוואת שרדינגר המרכזית במכניקת הקוונטים. ב 1906, בעקבות ניסויים המדדו את הספקטרום של אטום מימן ומצאו ספקטרום בדיד של קווי בליעה ופליטה, הציע איינשטיין לקוונטט את המצבים שבהם יכול אטום מימן להימצא.

איינשטיין התקשה להשלים עם רעיונותיה המהפכניים של מכניקת הקוונטים, חרף תרומתו לפיתוחה בתחילת דרכה. התקפותיו החריפות על מכניקת הקוונטים והפירוש ההסתברותי של נילס בוהר (מאבות מכניקת הקוונטים וחתן פרס נובל גם הוא) ואינספור ניסויי המחשבה שהציע תרמו רבות לעיצובה וניסוחה של מכניקת הקוונטים ולהבהרת הנקודות הבעייתיות בה.

איינשטיין לא אהב את הניסוח ההסתברותי של מכניקת הקוונטים וטען שזה מעיד על חוסר שלמות של התאוריה ולא על תכונה מהותית של הטבע (בניגוד לגישה של בוהר). על האקראיות, שבבסיסה של תורה זו, אמר כי "אלוהים אינו משחק בקוביה" ודחה בהתנגדות עזה כל מחשבה בדבר כך.

בניסיון החריף ביותר להתקיף את מכניקת הקוונטים, פיתח איינשטיין ביחד עם עוד שני פיזיקאים את הפרדוקס של איינשטיין-פודולסקי-רוזן (EPR) ובו הראה שמכניקת הקוונטים סותרת את הלוקליות ומחייבת קיומה של השפעה כלשהי הנעה מהר יותר ממהירות האור. זאת הוא עשה באמצעות ניצול תופעת השזירה Entanglement, תופעה שעד היום לא הובנה לעומקה ומתאימה לגישה הפילוסופית הנקראת אקטואליזם שטוענת ש"גודל פיזיקלי לא קיים עד אשר מודדים אותו" (איינשטיין דחה גישה זו כמגוחכת). ברם, ניסויים שבהם בוצע בפועל הניסוי המחשבתי שהציעו איינשטיין וחבריו, הראו שהטבע נוטה לצד התחזיות של מכניקת הקוונטים לפיכך למעשה מה שנקרא "הפרדוקס של איינשטיין-פודולסקי-רוזן" אינו פרדוקס כלל.

למרות הכשלון הזה, מצב EPR , שבו השתמש איינשטיין בפרדוקס, התגלה כחיוני ליישומים מודרנים מתקדמים של מכניקת הקוונטים כגון חישוב קוונטי, הצפנה קוונטית ותורת אינפורמציה קוונטית.

[עריכה] תרומות נוספות

במאמר משנת 1924 תיאר איינשטיין את עקרונות הפעולה של הלייזר, דבר שהיווה את הבסיס לייצור קרן לייזר במעבדה. הלייזר הוא אחת הטכנולוגיות השימושיות ביותר במדע ובתעשייה כיום.

ביחד עם הפיזיקאי סאטיאנדרה נאת' בוזה פיתח איינשטיין את ההתפלגות הסטטיסטית של חלקיקים הידועים כבוזונים. ההתפלגות, הידועה כסטטיסטיקת בוזה-איינשטיין מאפשר הצטברות בלתי מוגבלת של בוזונים ברמת היסוד וידועה כעיבוי בוזה איינשטיין. תופעה זו נצפתה בניסויים רק בעשור האחרון.