מבוא
בפיזיקה הניוטונית, למרחב ולזמן היו הזהויות העצמאיות שלהם, ואף אחד מעולם לא ערבב ביניהם. זה היה עם תורת היחסות, שחוברה יחד בתחילת המאה ה-20, שהדיבור על מרחב-זמן הפך כמעט בלתי נמנע. בתורת היחסות, זה כבר לא נכון שלמרחב ולזמן יש משמעויות נפרדות ואובייקטיביות. מה שקיים באמת הוא מרחב-זמן, וחיתוך אותו למרחב ולזמן הוא רק מוסכמה אנושית שימושית.
אחת הסיבות העיקריות לכך שלתורת היחסות יש מוניטין של קשה להבנה היא שהאינטואיציות שלנו מאמנות אותנו לחשוב על מרחב וזמן כעל דברים נפרדים. אנו חווים אובייקטים כבעלי היקף ב"מרחב", וזה נראה כמו עובדה די אובייקטיבית. בסופו של דבר זה מספיק לנו כי אנחנו בדרך כלל נוסעים בחלל במהירויות נמוכות בהרבה ממהירות האור, אז הפיזיקה הפרה-רלטיביסטית עובדת.
אבל חוסר ההתאמה הזה בין אינטואיציה לתיאוריה הופך את הקפיצה לפרספקטיבה של מרחב-זמן למעט מאיימת. מה שגרוע מכך, מצגות של תורת היחסות נוקטות לעתים קרובות בגישה מלמטה למעלה - הן מתחילות בתפיסות היומיומיות שלנו לגבי מרחב וזמן ומשנות אותן בהקשר החדש של תורת היחסות.
אנחנו הולכים להיות קצת שונים. אפשר לחשוב על המסלול שלנו לתורת היחסות הפרטית כמו מלמעלה למטה, לקחת את הרעיון של מרחב-זמן מאוחד ברצינות מההתחלה ולראות מה זה מרמז. נצטרך למתוח מעט את המוח שלנו, אבל התוצאה תהיה הבנה הרבה יותר עמוקה של הפרספקטיבה היחסית על היקום שלנו.
התפתחות תורת היחסות מיוחסת בדרך כלל לאלברט איינשטיין, אך הוא סיפק את אבן היסוד למבנה תיאורטי שהיה בבנייה מאז ג'יימס קלרק מקסוול איחד חשמל ומגנטיות לתיאוריה אחת של אלקטרומגנטיות בשנות ה-1860. התיאוריה של מקסוול הסבירה מהו אור - גל מתנודד בשדות אלקטרומגנטיים - ונראה לייחסה משמעות מיוחדת למהירות שבה האור נע. הרעיון של שדה קיים לבדו לא היה אינטואיטיבי לחלוטין למדענים באותה תקופה, והיה טבעי לתהות מה בעצם "מנופף" בגל אור.
פיזיקאים שונים חקרו את האפשרות שאור התפשט דרך תווך שהם כינו את האתר הזוהר. אבל אף אחד לא הצליח למצוא ראיות לאתר כזה, אז הם נאלצו להמציא סיבות יותר ויותר מסובכות מדוע החומר הזה לא ניתן לגילוי. תרומתו של איינשטיין ב-1905 הייתה להצביע על כך שהאתר הפך למיותר לחלוטין, ושנוכל להבין טוב יותר את חוקי הפיזיקה בלעדיו. כל מה שהיינו צריכים לעשות הוא לקבל תפיסה חדשה לגמרי של מרחב וזמן. (בסדר, זה הרבה, אבל התברר שזה לגמרי שווה את זה.)
תורת איינשטיין נודעה בתור תורת היחסות המיוחדת, או פשוט תורת היחסות הפרטית. במאמר היסוד שלו, "על האלקטרודינמיקה של גופים נעים", הוא טען לדרכים חדשות לחשוב על אורך ומשך. הוא הסביר את התפקיד המיוחד של מהירות האור בהנחה שקיימת מגבלת מהירות מוחלטת ביקום - מהירות שבה האור פשוט נע כשהוא נע בחלל ריק - ושכולם היו מודדים את המהירות הזו להיות זהה, לא משנה איך הם זזו. כדי שזה יצליח, הוא היה צריך לשנות את המושגים המקובלים שלנו לגבי זמן ומרחב.
אבל הוא לא הרחיק לכת עד כדי צירוף מרחב וזמן למרחב-זמן אחד מאוחד. צעד זה הושאר לפרופסור לשעבר באוניברסיטה, הרמן מינקובסקי, בתחילת המאה ה-20. זירת היחסות הפרטית ידועה היום כמרחב-זמן מינקובסקי.
ברגע שיש לך את הרעיון לחשוב על מרחב-זמן כרצף ארבע-ממדי מאוחד, אתה יכול להתחיל לשאול שאלות על צורתו. האם מרחב-זמן שטוח או מעוקל, סטטי או דינמי, סופי או אינסופי? מינקובסקי מרחב-זמן שטוח, סטטי ואינסופי.
איינשטיין עבד במשך עשור כדי להבין כיצד ניתן לשלב את כוח הכבידה בתיאוריה שלו. פריצת הדרך שלו בסופו של דבר הייתה להבין שמרחב-זמן יכול להיות דינמי ומעוקל, ושההשפעות של העקמומיות הן מה שאתה ואני חווים כ"כבידה". הפירות של השראה זו הם מה שאנו מכנים כיום תורת היחסות הכללית.
אז תורת היחסות הפרטית היא התיאוריה של מרחב-זמן קבוע ושטוח, ללא כוח משיכה; תורת היחסות הכללית היא תורת המרחב-זמן הדינמי, שבה עקמומיות מולידה כוח משיכה. שתיהן נחשבות כתיאוריות "קלאסיות" למרות שהן מחליפות חלק מעקרונות המכניקה הניוטונית. לפיזיקאים, קלאסי אין פירושו "לא רלטיביסטי"; זה אומר "לא קוונטי". כל עקרונות הפיזיקה הקלאסית שלמים לחלוטין בהקשר הרלטיביסטי.
עלינו להיות מוכנים לשחרר את חיבתנו לפני היחסות לנפרדות של מרחב וזמן, ולאפשר להם להתמוסס לזירה המאוחדת של מרחב-זמן. הדרך הטובה ביותר להגיע לשם היא לחשוב ביתר שאת למה אנחנו מתכוונים ב"זמן". והדרך הטובה ביותר לעשות את זה היא לחזור, שוב, לאופן שבו אנו חושבים על חלל.
שקול שני מיקומים בחלל, כמו הבית שלך והמסעדה האהובה עליך. מה המרחק ביניהם?
ובכן, זה תלוי, אתה מיד חושב. יש את המרחק "בקו אוויר", אם היינו יכולים לדמיין לקחת מסלול ישר לחלוטין בין שתי הנקודות. אבל יש גם את המרחק שהיית נוסע במסע בעולם האמיתי, שבו אולי אתה מוגבל ליציאה לרחובות ציבוריים ומדרכות, להימנע מבניינים ומכשולים אחרים בדרך. המסלול שאתה לוקח תמיד יהיה ארוך יותר מהמרחק בקו אווירי, מכיוון שקו ישר הוא המרחק הקצר ביותר בין שתי נקודות.
עכשיו שקול שני אירועים במרחב-זמן. בז'רגון הטכני של תורת היחסות, "אירוע" הוא רק נקודה אחת ביקום, המצוינת לפי מיקומים במרחב ובזמן. אירוע אחד, תקראו לזה א', עשוי להיות "בבית ב-6:7", ואירוע ב' עשוי להיות "במסעדה ב-6:45" שמור את שני האירועים האלה מקובעים בראש שלך, וחשוב על מסע בין א' ל-ב'. לא יכול למהר להגיע ל-B מוקדם יותר; אם תגיעו למסעדה ב-7:XNUMX, תצטרכו לשבת ולחכות עד XNUMX:XNUMX כדי להגיע לאירוע במרחב-זמן שסימנו ב'.
כעת אנו יכולים לשאול את עצמנו, בדיוק כפי שעשינו לגבי המרחק המרחבי בין הבית למסעדה, כמה זמן עובר בין שני האירועים הללו.
אולי תחשוב שזו שאלת טריק. אם אירוע אחד הוא ב-6:7 והשני ב-XNUMX:XNUMX, יש שעה ביניהם, נכון?
לא כל כך מהר, אומר איינשטיין. בתפיסה מיושנת, ניוטונית של העולם, בטח. הזמן הוא מוחלט ואוניברסלי, ואם הזמן בין שני אירועים הוא שעה אחת, זה כל מה שיש לומר.
תורת היחסות מספרת סיפור אחר. כעת יש שני מושגים ברורים למה הכוונה ב"זמן". מושג אחד של זמן הוא כקואורדינטה על מרחב-זמן. מרחב-זמן הוא רצף ארבעה ממדי, ואם אנחנו רוצים לציין מיקומים בתוכו, נוח לצרף מספר שנקרא "הזמן" לכל נקודה בתוכו. זה בדרך כלל מה שיש לנו בראש כשאנחנו חושבים על "6 בערב" ו"7 בערב" אלו הם ערכים של קואורדינטה במרחב-זמן, תוויות שעוזרות לנו לאתר אירועים. כולם אמורים להבין למה אנחנו מתכוונים כשאנחנו אומרים "נפגשים במסעדה ב-7:XNUMX"
אבל, אומרת תורת היחסות, כשם שהמרחק בקו אווירי שונה בדרך כלל מהמרחק שאתה עובר בפועל בין שתי נקודות במרחב, משך הזמן שאתה חווה בדרך כלל לא יהיה זהה לזמן הקואורדינטות האוניברסלי. אתם חווים כמות זמן שניתן למדוד על ידי שעון שאתם נושאים אתכם למסע. זה הזמן הנכון לאורך השביל. ומשך הזמן שנמדד על ידי שעון, בדיוק כמו המרחק שנמדד על ידי מד המרחק במכונית שלך, יהיה תלוי בנתיב שאתה לוקח.
זה היבט אחד של המשמעות של לומר ש"זמן הוא יחסי". אנו יכולים לחשוב הן על זמן משותף במונחים של קואורדינטה על מרחב-זמן והן על זמן אישי שאנו חווים בנפרד לאורך דרכנו. וזמן הוא כמו חלל - שני המושגים האלה לא צריכים לחפף. (כפי שההיסטוריון פיטר גליסון ציין, אין זה מקרי שאיינשטיין עבד במשרד פטנטים שוויצרי בתקופה שבה נסיעה מהירה ברכבת אילצה את האירופים לחשוב מה השעה בערים אחרות ברחבי היבשת, כך שהבנייה טובה יותר שעונים הפכו לגבול טכנולוגי חשוב.)
ובכל זאת, חייבת להיות איזושהי דרך שבה זמן אינו כמו חלל, אחרת היינו מדברים על מרחב ארבע-מימדי, במקום לייחד את הזמן כראוי לתווית משלו. ואנחנו לא חושבים על חץ הזמן כאן - כרגע, אנחנו נמצאים בעולם פשוט עם מעט חלקים נעים, שבו אנטרופיה ובלתי הפיך הם לא דברים שאנחנו צריכים לדאוג מהם.
ההבדל הוא כזה: במרחב, קו ישר מתאר את המרחק הקצר ביותר בין שתי נקודות. במרחב-זמן, לעומת זאת, נתיב ישר מניב את הזמן הארוך ביותר שחלף בין שני אירועים. זה המהפך מהמרחק הקצר ביותר לזמן הארוך ביותר שמבדיל בין זמן לחלל.
ב"נתיב ישר" במרחב-זמן, אנו מתכוונים הן לקו ישר במרחב והן למהירות נסיעה קבועה. במילים אחרות, מסלול אינרציאלי, כזה ללא תאוצה. תקן שני אירועים במרחב-זמן - שני מיקומים במרחב ורגעים מתאימים בזמן. נוסע יכול לעשות את המסע ביניהם בקו ישר במהירות קבועה (כל המהירות הזו צריכה להיות כדי שיגיעו בזמן הנכון), או שהם יכולים לרכוב קדימה ואחורה בנתיב לא אינרציאלי. המסלול הלוך ושוב יכלול תמיד יותר מרחק מרחבי, אבל פחות זמן מתאים שחלף, מהגרסה הישרה.
למה זה ככה? כי הפיזיקה אומרת כך. או, אם אתה מעדיף, כי כך הוא היקום. אולי בסופו של דבר נחשוף איזו סיבה עמוקה יותר למה זה היה צריך להיות ככה, אבל במצב הידע הנוכחי שלנו זו אחת מהנחות הסלע שעליהן אנו בונים את הפיזיקה, לא מסקנה שאנו גוזרים מעקרונות עמוקים יותר. קווים ישרים במרחב הם המרחק הקצר ביותר האפשרי; נתיבים ישרים במרחב-זמן הם הזמן הארוך ביותר האפשרי.
זה אולי נראה מנוגד לאינטואיציה שמסלולים של מרחק גדול יותר לוקחים פחות זמן מתאים. זה בסדר. אם זה היה אינטואיטיבי, לא היית צריך להיות איינשטיין כדי להעלות את הרעיון.
הסתגלות מ הרעיונות הגדולים ביותר ביקום מאת שון קרול, באישור מ-Dutton, חותם של Penguin Publishing Group, חטיבה של Penguin Random House LLC. זכויות יוצרים © 2022 מאת שון קרול.
