השנה המופלאה של אינשטיין
השנה המופלאה של אינשטיין
בשנת 1905 פרסם פקיד בן 26 שעבד במשרד פטנטים ארבעה מאמרים מדעיים. שמו היה אלברט אינשטיין. המאמרים שפרסם שינו את תפיסת היקום בעינינו — מאבני הבניין הזעירות ביותר ועד לגלקסיות אדירות הממדים. חלק מן המאמרים הללו הפכו קרש קפיצה להמצאות רבות שנֶהגו במאה השנים האחרונות וששינו את חיינו לבלי הכר.
”אין כמעט שום מושג יסוד חשוב בפיסיקה המודרנית”, אמר חתן פרס נובל לפיסיקה, איזידור רבי, ”שאינו נובע לפחות בחלקו מאינשטיין”. מה בדיוק גילה אינשטיין לפני מאה שנה?
פענוח סודות האור
המאמר שפרסם אינשטיין במרס 1905 חשף מספר תעלומות ביחס לטבעו של האור. עוד קודם לכן גילו המדענים כי האור נע בחלל כאדוות קלות על פני המים. ואולם, תורת הגלים לא יכלה להסביר מדוע אור כחול עמום יוצר זרם חשמלי במגע עם מתכות מסוימות ואילו אור אדום בהיר אינו יוצר את האפקט הזה. המאמר של אינשטיין סייע בהבנת אפקט פוטואלקטרי זה.
אינשטיין טען שהאור מורכב לעתים ממנות אנרגיה קטנות שמאוחר יותר כונו פוטונים. פוטונים ברמת אנרגיה נכונה, או בצבע הנכון, מסוגלים לשחרר אלקטרונים מתוך אטומים של מתכות מסוימות (הפוטונים של האור האדום חלשים מדי לשם כך). פעולת הגומלין הזו גורמת לתנועת זרם חשמלי בחומר. המצאות מודרניות כגון שפופרות טלוויזיה, תאים סולאריים ומַדי אור פוטוגראפיים, קשורות כולן לאפקט הפוטואלקטרי שתיאר אינשטיין.
בשנת 1921 זכה אינשטיין בפרס נובל לפיסיקה על הסבריו לגבי האור. מאמרו סייע בסלילת הדרך לתחום מדע חדש הקרוי תורת הקוונטים. תורת הקוונטים הניחה את היסוד לשלל יישומים כגון מדעי הגרעין, האלקטרוניקה והננו־טכנולוגיה.
מדוע גרגרי האבקה רוקדים
בשנת 1905 בחן אינשטיין גם את עולם האטומים והמולקולות. הוא סיפק הסבר תיאורטי באשר להשפעתם על גרגרי אבקה זעירים הצפים במים. בשנת 1827 ערך הביולוג רוברט בראון תצפיות מיקרוסקופיות וגילה כי חלקיקי אבקה
טבולים במים מתנועעים מצד לצד. את ה”ריקוד” הזה כינה על שמו — תנועת בראון — אך לא עלה בידו להסביר את התופעה.במאמרו ממאי 1905 העלה אינשטיין תיאוריה המסבירה כיצד מולקולות מים רוטטות גורמות להיווצרות תנועת בראון. לא זו בלבד שחישב את גודלן של מולקולות המים, הוא אף חזה מראש את המאפיינים הספציפיים של האטומים המרכיבים אותן. מדענים אחרים הסתמכו על תחזיות אלו והסירו את הספק באשר לקיום האטומים. הפיסיקה המודרנית מושתתת על הרעיון שהחומר עשוי מאטומים.
הזמן יחסי
תורת היחסות המיוחדת של אינשטיין שפורסמה ביוני 1905 עמדה בסתירה לדעה הבסיסית של מדענים כדוגמת אייזק ניוטון, לפיה מדידת הזמן אינה משתנה ביקום כולו. המשמעויות הנובעות מתורתו של אינשטיין, התורה המקובלת בימינו, נראות מוזרות למדי.
לדוגמה, תאר לעצמך שאתה וחברך תיאמתם את השעונים שלכם בדיוק נמרץ. חברך יוצא לטיסה מסביב לעולם, ואילו אתה נשאר בבית. בשובו יפגר שעונו בחלקיק שנייה בהשוואה לשעונך. מנקודת מבטך, הזמן שעבר על חברך שיצא למסע נע לאט יותר. כמובן, ההפרש הוא קטן לאין שיעור במהירויות שגרתיות. אך כאשר מתקרבים למהירות האור, לא רק שהזמן מואט במידה משמעותית, אלא הגופים שבתנועה נעשים קטנים יותר והמסה שלהם עולה. לפי התיאוריה שהגה אינשטיין, מהירות האור היא מקבועי היסוד ביקום ולא הזמן.
נוסחה ששינתה את העולם
בספטמבר 1905 פרסם אינשטיין מאמר נוסף הנחשב לנספח מתמטי לתורת היחסות המיוחדת שלו. במאמר הופיעה הנוסחה שהיא כיום תמצית עבודתו, 2cm=E. לפי הנוסחה, כמות האנרגיה המשתחררת בעקבות ביקוע אטום שווה למכפלת המסה שלו בריבוע מהירות האור.
תודות למאמציהם של מדענים כמו אינשטיין לומדת האנושות רבות על טבעו של היקום. למרות זאת, הידיעות שצבר האדם עד כה הן עדיין כפי שתיאר איוב בימי קדם. ביחס ליצירות כפיו של הבורא הודה איוב בענווה: ”הן אלה קצות דרכיו, ומה שמץ דבר נשמע בו!” (איוב כ״ו:14).
[תרשים/תמונות בעמוד 20]
(ראה המהדורה המודפסת)
האור מתנהג כגלים וחלקיקים גם יחד. על בסיס הבנה זו, פותחו מחשבונים סולאריים וחיישני אור במצלמות דיגיטליות
[תרשים/תמונות בעמוד 21]
(ראה המהדורה המודפסת)
תנועת בראון סייעה בהוכחת קיום האטומים
[תרשים/תמונות בעמוד 21]
(לתרשים מעומד, ראה המהדורה המודפסת)
E אנרגיה
= שווה
m מסה
2c כפול מהירות האור בריבוע
2c משמעו c כפול c, כלומר, 000,300 קילומטר בשנייה כפול 000,300 קילומטר בשנייה
מאחר ש־2c הוא מספר אדיר לאין שיעור (90,000,000,000 km2/sec2), כמות מסה קטנה יכולה להפוך לכמות אנרגיה עצומה. בביקוע אטום אורניום, נוצרים מייד שני אטומים קטנים יותר, אך מסת האטום קְטֵנה ב־1.0 אחוז; כמות מזערית זו מביאה לידי שחרור כמות אנרגיה עצומה
האנרגיה המשתחררת
האנרגיה המופקת מהמרת 450 גרם מכל חומר שהוא שווה ל־:
◼ 11 מיליארד קילוואט שעה
◼ הכוח הדרוש להסעת מכונית 000,180 פעם מסביב לכדור־הארץ
◼ הכוח הדרוש להנעת מכלית נפט ענקית מסביב לכדור־הארץ 400 פעם
◼ תצרוכת האנרגיה החשמלית היומית של ארה״ב
גם ההיפך הוא הנכון. נדרשת כמות אנרגיה עצומה ליצירת אטום אחד
[תמונות בעמוד 21]
ככל שתנוע מהר יותר, זמנך יואט
[תמונה בעמוד 21]
שעונים על גבי לוויינים של מערכות מיקום גלובליות (GPS) אינם מתקתקים במהירות דומה לזו של שעונים שעל פני כדור־הארץ. אם לא היו מתקנים את ההפרש שנוצר עקב היחסות, אותות ה־GPS היו חסרי תועלת
[שלמי תודה בתמונות בעמוד 20]
אינשטיין: CERN photo, Geneva :רקע ;Photo by Topical Press Agency/Getty Images