נשמע קצת מסובך, הבה נסביר: בסוף המאה ה-19 גילה הפיזקאי ג'יימס קלארק מקסוול את קיומם של הגלים האלקטרומגנטים ובכך הצליח לראשונה להסביר את האור, ואת מדע האופטיקה באמצעות חשמל ומגנטיות. חוקים אלו, יחד עם חוקי התנועה של ניוטון וחוקי התרמודינמיקה, הביאו מדענים רבים בסוף המאה ה-19 לחשוב שהפיזיקה מצאה את כל החוקים היסודיים של הטבע. לעומת זאת מספר מדענים ובינהם איינשטיין הבינו שישנה בעיה בשילוב של חוקי מקסוול והמכניקה הניוטונית.
מהירות האור אשר הינה המהירות שבה מתקדמים האור, וקרינה אלקטרומגנטית בכלל, מתקבלת ממשוואות מקסוול כמהירות ההתקדמות של קרינה אלקטרומגנטית, ללא תלות בכיוון או במערכת ייחוס. זו הסיבה לכך שאיינשטיין ראה את מהירות האור כחוק טבע, ודרש שלא תשתנה תחת מעבר בין מערכות ייחוס שונות. תורת היחסות הפרטית של איינשטיין נוצרה בין השאר כדי לפתור את הסתירה שבין האלקטרודינמיקה של מקסוול לבין המכניקה הקלאסית.
על פי המכניקה הקלאסית, כל גל מתקדם בתווך מסוים ומהירות ההתקדמות שלו נמדדת ביחס לתווך. במאה ה-19 סברו שהאור נע בתווך שכונה "אתר", שהיה עשוי מחומר דק הממלא את כל היקום. מקור השם "אתר" במונח המיתולוגי אתר, שהוא האוויר הטהור אותו נשמו האלים. (הביטוי העברי "מעל גלי האתר" מתאר את שידורי רדיו (שלכאורה נעים בתווך של אתר) כמו כן, האתר, כתווך נושא, שימש השראה לשמה של טכנולוגיית רשתות המחשבים "אתרנט").
בשנת 1887 בוצע ניסוי מפורסם - ניסוי מייקלסון-מורל על שם הפיזיקאים שהגו אותו. מטרתם הייתה לבדוק את מהירות כדור הארץ באתר. (ולא להוכיח או להפריך את קיום האתר). כדי למדוד את מהירות כדור הארץ הם השתמשו בשיטה הידועה בשם "אינטרפרומטריה". הרעיון מאחורי הניסוי היה לצרף שתי קרני אור, אשר אחת מהם נעה בכיוון התקדמות כדור הארץ, ואחת מהם נעה בניצב אליו. בהנחה שהאור מתקדם באתר ושכדור הארץ נע ביחס אליו, צריך להיות הבדל במהירות של אותן שתי קרניים, והאינטרפרומטר של מייקלסון מורלי היה רגיש מספיק בשביל למדוד הבדל זה. ממדידת ההבדל ניתן היה, להסיק את מהירות כדור הארץ. מתוצאות הניסוי התברר שמהירות האור בכיוון תנועתו של כדור הארץ ומהירות האור בכיוון ניצב לתנועת כדור הארץ הן זהות. ממצא זה סתר את המכניקה הקלאסית, וגרם למהומה רבה בשעתו. בסופו של דבר הביא ממצא זה לניסוח הכלל שכל הצופים חייבים למדוד מהירות אור זהה, בלא קשר למהירות שבה הם נעים, ועל כן הזמן איננו קבוע אלא יחסי.
את מהירות האור בריק מקובל לסמן באות c, וערכה, על פי הגדרת המטר מ-1983, הוא בדיוק 299,792,458 מטרים לשנייה.
בבסיס ההסבר שנתנה תורת היחסות הפרטית לתופעות הנ"ל עומדים שני עקרונות יסוד:
- עקרון היחסות:
חוקי הפיזיקה אינם משתנים כאשר עוברים ממערכת ייחוס אינרציאלית אחת למערכת ייחוס אינרציאלית אחרת. לדוגמא אדם הנמצא בקרון רכבת אטום לא יכול באמצעות שום ניסוי או מדידה פיזיקלית לקבוע עבורך האם הקרון נע במהירות קבועה או ניצב במנוחה. - אינווריאנטיות (קבוע) מהירות האור:
מהירות האור קבועה לכל צופה בלא תלות במהירות היחסית שלו ביחס לאור.
באמצעות דרישות אלה הסביר איינשטיין כיצד להגדיר את המרחב והזמן כך שבאמצעות סנכרון שעונים הגדיר מחדש את המושג של בו-זמניות. מהניתוח שביצע איינשטיין עולה שהבו-זמנית היא לא גודל שנשמר בין מערכות ייחוס אינרציאליות הנעות במהירויות שונות. כלומר: צופה נייח לא יסכים עם צופה נייד ששני אירועים שכל אחד מדד במערכת שלו התרחשו בו זמנית.
תורת היחסות הפרטית חזתה דברים מדהימים:
- יחסיות הבו-זמניות: אם צופה א' רואה שני אירועים רחוקים זה מזה מתרחשים סימולטנית, אזי צופה ב' הנע ביחס לצופה א' יראה אותם מתרחשים בזמנים שונים.
- התארכות זמן: אם מישהו נע יחסית אל הצופה במחצית מהירות האור אזי כאשר הצופה מסתכל על מחוגי השניות של אותו מישהו שנע לקראתו, הצופה יראה תזוזה של שנייה כל 1.15 שניות בשעון שלו. מי שנע לא חש בתופעה זו.
- התקצרות האורך: אם חללית נעה ביחס אל הצופה במחצית מהירות האור, אזי כאשר הצופה מסתכל על אורכה הוא מתקצר ב־13% לעומת האורך במנוחה, אבל מי שבחללית לא יראה שום שוני.
- עליית המסה: אם חללית נעה ביחס אל הצופה במחצית מהירות האור המסה שלה תהיה ב־15% יותר גדולה מאשר המסה שלה במנוחה, אבל מי שבחללית לא ימדוד שום שינוי.
חידוש נוסף הנובע מתורה זו הוא שקילות המסה והאנרגיה - לכל גוף יש אנרגיה אשר אינה קינטית או פוטנציאלית והיא יחסית למסה שלו, על-פי הנוסחה המפורסמת E=mc2 (אנרגיה שווה למסה כפול מהירות האור בריבוע), מכאן, כל גוף יכול להיות מומר באנרגיה שוות ערך למסתו; הנחה זו מהווה את היסוד התאורטי לפיתוח פצצת אטום בפרט ולהפקת אנרגיה גרעינית בכלל.
תורת היחסות הפרטית מטפלת רק במערכות אינרציאליות ללא תאוצה. בשנת 1915, עשר שנים לאחר פרסום התיאוריה, פרסם איינשטיין את תורת היחסות הכללית, תאוריה המטפלת בגופים בתאוצה ומנסה להסביר את תופעת הכבידה, כלומר המשיכה הקיימת בין כל שני גופים בעלי מסה. ההסבר אומר שכל מסה מעקמת את המרחב סביבה, באופן שמשנה את ההגדרה של קווים ישרים, כך שתנועה בקו ישר לידה אינה נראית ככזו מרחוק. לפיכך, המסה תגרום לגופים הנעים לידה לנוע באופן שייראה כסטייה ממסלול ישר. דוגמא טובה הינה טיסה במטוס. אם המטוס נע במה שמבחינתו הוא קו ישר , למעשה הוא נע בקו מעגלי סביב כדור הארץ.
תאוריה זו נבדקה במספר רב של ניסויים ועד כה כל תחזיותיה אומתו בדייקנות גבוהה. תורה זו חוזה את קיומם של חורים שחורים ובעלת השלכות משמעותיות על הקוסמולוגיה וצורת התפתחות היקום. אמנם גם תורת הכבידה של ניוטון חזתה את עיקומו של אור בשדה כבידה, כי ניוטון האמין שאור הוא חלקיקי, אך התורה של איינשטיין חזתה עיקום גדול פי 2, וזאת כיוון שלא רק המרחב מתעקם סביב מאסה, אלא גם הזמן.
לתורת היחסות הפרטית לא היו הרבה יישומים מעשיים ישירים. הסיבה לכך היא שתורת היחסות הפרטית היא תאוריה לשם התאוריה, ולצורך כל יישום מעשי משתמשים בתורת היחסות הכללית, שכן את השפעת הגרביטציה אי-אפשר להזניח, ואילו יחסות פרטית מטפלת רק במערכות אינרציאליות ללא תאוצה. אולם, לתורת היחסות הפרטית יש חשיבות תאורטית מהמעלה הראשונה וחייבים להתחשב בה כאשר רוצים לפתח תאוריה המתארת תופעות אלמנטריות הן בסקלה קוונטית והן בסקלה קוסמית. כדי לקבל תיאור נכון של תופעות קוונטיות יש להשתמש במכניקת קוונטים הבנויה על יסוד היחסות הפרטית.
עדיין מסובך....
