אומנות ההיפוך המחשבתי בפיתוחה של תורת היחסות

רוב האנשים מנסים לפתור בעיות בתוך אילוצים מקובלים. היפוך מחשבתי, לעומת זאת, שואל אם האילוצים עצמם הם הבעיה. יש הבדל עמוק בין שיפור מערכת לבין חשיבה מחדש. לדוגמה, אם הבעיה היא "לגרום לנר לבעור זמן רב יותר", היפוך מחשבתי עשוי לשאול "מה אם לא היינו צריכים להבה כדי ליצור אור?"

אמ;לק: או פרוטוקול מקוצר לביצוע היפוך מחשבתי

מקרה בוחן: פיתוחה של תורת היחסות הפרטית

גאונותו של איינשטיין אינה בגילוי מתמטיקה חדשה, אלא בניסוח מחדש של משמעותה. פריצת הדרך שלו בתורת היחסות הפרטית לא הייתה הפרכה של השערת האֶתֶר, אלא הצעה משכנעת שהפיזיקה יכולה להסתדר בלעדיה.

עולמו של ניוטון

בסוף המאה ה-19, הפיזיקה התמודדה עם משבר משום שגילויים חדשים אודות האור לא התאימו לתפיסה הקלאסית של היקום כפי שהובן על ידי ניוטון וגלילאו.

גלילאו כבר הבין שאי אפשר לגלות בניסוי אם ספינה נעה בקצב קבוע או עומדת במקום (עקרון היחסות של גלילאו). ניוטון הוסיף על כך מרחב וזמן מוחלטים: יקום שבו שעון אחיד מתקתק בקצב קבוע לכולם, בכל מקום. ביקום כזה גוף נע חייב מסגרת ייחוס שווה לכולם, וכך נולדה השערת האֶתֶר שהינו מסגרת מנוחה מוחלטת שכל תנועה נמדדת ביחס אליה, כמו שהטמפרטורה נמדדת ביחס לאפס המוחלט.

אבל האֶתֶר לא היה רק מסגרת התייחסות, מדענים האמינו שכמו שקול זקוק לאוויר כדי לנוע, גלי אור זקוקים לתווך פיזי כדי לנוע בחלל. היה זה שוב ה"אֶתֶר" אותו דבר נייח, בלתי נראה, שנראה כממלא את כל היקום, אשר מילא את תפקיד התווך.

היקום הקלאסי נהג לפי טרנספורמציית גלילאו שהיא הדרך המתמטית לחיבור מהירויות. לדוגמה, אם אתה נוסע ברכבת הנעה במהירות של 80 קמ"ש וזורק כדור קדימה במהירות של 16 קמ"ש, מישהו שעומד על הקרקע ומתבונן באירוע יראה את הכדור נע במהירות של 96 קמ"ש (80 + 16 = 96).

רעיונות אלה נראים הגיוניים היות והם תואמים את השכל הישר.

ואכן, בסוף המאה ה-19, המכניקה של ניוטון הצליחה להסביר תפוחים נופלים, את תנועתם הפרבולית של כדורי תותח, את מחזורי הגאות והשפל ואת מסלולי כוכבי הלכת. הפיזיקה נראתה שלמה, והיו רבים שהאמינו שאין לה יותר מה לגלות.

היה זה האור לבדו שסירב לציית.

בקעים במערכת

עם הזמן, מספר תגליות החלו לערער את תמונת המציאות הישנה. כל תגלית בפני עצמה ניתן היה להסביר אולם יחדיו הן זימנו משבר.

1. סטייה כוכבית

כוכבים נראים בזווית שמשתנה מעט במהלך השנה, בעד כ-20.5 שניות קשת, ולא בגלל שהם זזים אלא בגלל שאנחנו זזים. זה דומה לגשם שיורד אנכית אך נראה נטוי מחלון רכבת נוסעת. תופעה זו נקראת סטייה כוכבית (אברציה).

התופעה מסתדרת יפה עם אֶתֶר נייח שכדור הארץ חולף דרכו בלי לגרור אותו. אבל כאן מתחילה הבעיה: אם כדור הארץ חולף דרך אֶתֶר נייח, אמורה להיות "רוח אֶתֶר", אך ככל שחיפשו לא מצאו.

2. ההתנהגות המוזרה של אור במים זורמים

בשנת 1851, המדען הצרפתי פיזו (Fizeau) מדד את מהירות תנועת האור במים זורמים. אם המים היו גוררים איתם את האֶתֶר כליל, האור היה נע במהירות c/n + v (כאשר n הוא מקדם השבירה של המים). אם האֶתֶר נייח לחלוטין, המהירות הייתה נשארת c/n. פיזו מצא תוצאה באמצע: תוספת של v(1 − 1/n²) בלבד, כ-43% מ-v במים.

החשיבה הקלאסית לא ידעה להסביר מדוע הגרירה חלקית דווקא.

3. מהירות האור הנגזרת ממשוואות מקסוול

מקסוול איחד את החשמל והמגנטיות לתאוריה אחת. בעשותו כן, הוא פיתח מספר משוואות לפיהם מהירות האור תלויה בתכונות המרחב עצמו ללא תלות בסוג התווך דרכו הוא נע. משמעות הדבר, שמשיקולים תיאורטיים מתמטיים, מהירות האור מוכרחה להיות קבועה, אבל לפי חיבור המהירויות הגלילאי זה בלתי אפשרי. אסטרונאוט שמאיר בפנס קדימה מחללית הנעה בחצי ממהירות האור היה אמור ליצור אלומה במהירות 1.5c. הדרך היחידה ליישב זאת בעולם הניוטוני הייתה להניח שמשוואות מקסוול תקפות רק במערכת הייחוס של האֶתֶר.

4. רוח האֶתֶר הנעלמה

בשנת 1887, מייקלסון-מורלי ערכו ניסוי שתוכנן כדי למצוא את השפעת האֶתֶר על מהירות האור. תחת הנחה שרווחה באותה התקופה שכדור הארץ הנע בחלל צריך להיות נתון לרוח אֶתֶר הם ציפו שאור הנע עם הרוח יהיה מהיר יותר מאשר אור הנע נגדה.

הניסוי כלל אינטרפרומטר שפיצל את קרני האור לשני נתיבים אנכיים זה לזה:

נתיב א - שנע בכיוון תנועתו של כדור הארץ. לכאורה, עם או נגד רוח האֶתֶר.

נתיב ב - שנע לכאורה בניצב לרוח האֶתֶר.

בקצה כל אחד מהנתיבים, שהיו למעשה זרועות מאונכות זו לזו של המכשיר, ניצבו מראות שהחזירו את קרני האור שפגעו בהם. ההנחה הייתה שאם האֶתֶר קיים וכדור הארץ נע דרכו, האור היה אמור לנוע בזמנים מעט שונים לאורך שתי הזרועות, והפרש הזמנים היה אמור להתבטא בהסטה של פסי ההתאבכות כשמסובבים את המכשיר. אבל לא משנה לאן סובבו אותו, ההסטה שנמדדה הייתה קטנה בהרבה מהצפוי, ובמדידות מאוחרות יותר הייתה אפס בגבולות הדיוק.

על פי השערת האֶתֶר רוח האֶתֶר היתה דרכו להשפיע על היקום אולם הניסוי לא הצליח למדוד השפעה כזו.

לא היתה זו אי נוחות קטנה אלא פגיעה ישירה וקטלנית בלב המודל הישן.

עבודת הטלאים של לורנץ ופואנקרה

לפני 1905, המוחות הגדולים ביותר בפיזיקה פעלו כסנגורים שעשו כל שביכולתם כדי להגן על השערת האֶתֶר. הם ידעו שהנתונים אינם תואמים את התיאוריה, אך הם לא היו מוכנים להפטר כליל מההשערה. במקום זאת, הם החלו להוסיף תיקונים "אד-הוק" שכל מטרתם הייתה להשאיר את ההשערה בחיים.

שניים מהמוחות הפוריים ביותר שפעלו באותה תקופה היו לורנץ ופואנקרה (Poincaré). הם הציעו שחוקים פיזיקליים ועצמים משתנים בדרכים ספציפיות כשהם נעים דרך האֶתֶר, ובכך מסווים ביעילות את נוכחותה של רוח האֶתֶר.

הסרגל הפחוס של לורנץ

הנדריק לורנץ וג'ורג' פיצג'רלד בחנו את "התוצאה האפסית" של מייקלסון-מורלי והעלו טענה נועזת: האֶתֶר כה חזק שהוא דוחס פיזית עצמים הנעים דרכו.

לורנץ העלה השערה לפיה הכוחות האלקטרומגנטיים המחזיקים את האטומים יחדיו משתנים מעט עקב התנועה דרך האֶתֶר, וכך כל עצם מתכווץ מעט בכיוון התנועה בלבד. הזרוע של המכשיר, זו שמקבילה לתנועת כדור הארץ, מתקצרת בדיוק במידה הנכונה כדי לבטל את העיכוב שהאור היה אמור לחוות. אי אפשר לגלות את ההתקצרות במדידה ישירה,כי כל סרגל שימדוד אותה מתקצר גם הוא באותה מידה.

פואנקרה ורוחו של זמן האמת

פואנקרה לקח את זה צעד קדימה כשסיפק מסגרת מתמטית ופילוסופית כדי להסביר מדוע לעולם לא נוכל למדוד את המהירות האמיתית שבה אנו חווים את האֶתֶר.

לורנץ הציג את רעיון "הזמן המקומי" לפיו שעונים שמסונכרנים באמצעות אותות אור, בהנחה שהאור נע באותה מהירות לכל כיוון, יראו זמן שונה מהזמן "האמיתי" של האֶתֶר. לורנץ ראה בכך נוחות מתמטית שמטרתה לגרום למשוואות לעבוד. פואנקרה הבין שזה בדיוק הזמן שיראו שעונים שמסונכרנים כך במציאות, ולכן יש לו משמעות פיזיקלית. עם זאת, גם הוא עדיין האמין ב"זמן אמיתי" אחד, הקיים רק עבור צופה במנוחה מוחלטת.

טבלת הטלאים

כדי להבין עד כמה "מסורבל" הפך העולם הניוטוני, ראה כיצד כל תגלית חדשה דרשה תיקון "אד-הוק" חדש וספציפי:

לורנץ ופואנקרה ניסו להגן על "המרחב המוחלט" של ניוטון. כאשר ניסויים כמו של מייקלסון-מורלי נכשלו במציאת האֶתֶר, הם הוסיפו "טלאים". אם הבעיה היא שאנחנו לא יכולים לזהות את האֶתֶר, אולי זה מפני שהוא כה חזק שהוא מועך פיזית עצמים הנעים דרכו ("התכווצות אורך") ומאט את התהליכים הפנימיים שלהם ("זמן מקומי"). המתמטיקה עבדה, אבל היא הפכה מגושמת. היא דרשה שהאֶתֶר יתקיים, אך גם יהיה בלתי ניתן לגילוי.

שקילות ניסיונית וברירה בין תיאוריות מתחרות

ב-1905 התיאוריה של איינשטיין ותיאוריית האֶתֶר של לורנץ ופואנקרה ניבאו אותן תוצאות בכל הניסויים שבוצעו עד אז. איינשטיין לא ניצח משום שניבא משהו חדש, אלא משום שהציע תמונה פשוטה יותר: שתי הנחות במקום אֶתֶר ועוד ערימת טלאים שכולם מצטרפים לכך שהאֶתֶר אינו ניתן לגילוי. למעשה, גרסת האֶתֶר של לורנץ נשארת שקולה ניסיונית ליחסות הפרטית גם היום, והפיזיקה בוחרת בהסבר של איינשטיין הודות לפשטותו.

הניסוח מחדש של איינשטיין

מעיון קרוב בעבודתו של איינשטיין על תורת היחסות הפרטית נראה שהוא בעיקר ניסח מחדש את מה שהיה ידוע בתקופתו. גאונותו הייתה ביכולתו להסיק מסקנות לוגיות בנוגע לטבע המציאות מבלי להזדקק להשערת האֶתֶר.

ניסוי המחשבה על הרכבת

ניסוי המחשבה על רכבת שפוגעים בה ברקים הוא הכלי הכירורגי שאיינשטיין השתמש בו כדי לנתק את הזמן מהרעיון של "עכשיו" קבוע לכולם. בעולמו של ניוטון, אם שני דברים קורים בזמן מסוים עבורך, הם קורים באותו זמן עבור כולם. ואילו איינשטיין הראה שבו זמניות היא יחסית ומשתנה בהתאם לפרספקטיבה של הצופה.

דמיין רכבת ארוכה מאוד הנעה במהירות גבוהה וקבועה.

צופה א' עומד נייח בתחנת הרכבת בזמן שהרכבת חולפת בעוד צופה ב' עומד בדיוק באמצע הרכבת הנוסעת.

מנקודת מבטו של הצופה הנייח, שני ברקים פוגעים בו-זמנית בחזית הרכבת ובקצה האחורי שלה.

הצופה הנוסע ברכבת נע לקראת הברק הקדמי ומתרחק מהאחורי, ולכן האור הקדמי מגיע אליו קודם.

פיזיקאי ניוטוני היה אומר: "הנוסע רואה את הקדמי קודם רק בגלל תנועתו. אם יתקן לכך, יגלה שהברקים היו בו-זמניים."

איינשטיין טוען שאין מה לתקן. הנוסע עומד באמצע הרכבת, במרחק שווה משני הקצוות, ומהירות האור c זהה לכל צופה הנע בקצב קבוע, ללא תלות בכיוון האור. לכן, אם האור מהחזית הגיע אליו קודם, הברק בחזית באמת פגע קודם. עבור הנוסע הברקים לא היו בו-זמניים, ועבור הצופה בתחנה הם היו. שניהם צודקים, ואין "עכשיו" אחד שכולם מסכימים עליו.

המשמעות היא שביקום בו מהירות האור קבועה, זמן ההתרחשות של אירועים אינו מוחלט ותלוי בנקודת המבט.

מה בעצם השתנה

במקום לנסות "לתקן" את המתמטיקה כדי לגרום להבזקים להופיע בו זמנית עבור שני האנשים, כפי שניסו קודמיו, איינשטיין ניסח מחדש את הגדרת הזמן: אירועים המתרחשים בו-זמנית ביחס לצופה הנייח אינם בו-זמניים ביחס לרכבת, ולהיפך. לכל גוף ייחוס יש זמן משלו.

ההבנה הזו, שאין "שעון אוניברסלי" ברקע היקום, היא שאפשרה לו להסיק את שאר תורת היחסות. אם הזמן אינו מוחלט, אז גם המרחק חייב להיות גמיש כדי לשמור על עקביות עם מהירות אור קבועה.

אומנות ההיפוך המחשבתי בפיתוחה של תורת היחסות

כאמור, איינשטיין, יותר משהמציא פיזיקה חדשה הפך אותה על ראשה, ולזה יש שלושה היבטים: אילוץ, היפוך ובנייה מחדש.

1. האילוץ הגלוי היה האֶתֶר, וכולם התווכחו עליו. האילוץ הנסתר היה ההנחה שבו-זמניות היא מוחלטת, וזו הייתה חבויה בחיבור המהירויות.
2. ההיפוך המחשבתי גורס שהבו-זמניות תלויה בצופה.
3. מהנחת מהירות אור קבועה ועקרון היחסות נגזרות טרנספורמציות לורנץ, שהיו ידועות כבר קודם, וכעת הן הכרח ולא טלאי.

הנחות היסוד (הַפּוֹסְטוֹלָטִים) של תורת היחסות הפרטית

תורת היחסות הפרטית של איינשטיין בנויה על גבי שני פוסטולטים. עקרונות יסוד אלה קובעים שחוקי הפיזיקה זהים עבור כל הצופים בתנועה אחידה וכי מהירות האור בוואקום קבועה, ללא קשר לתנועת המקור או הצופה.

1. עקרון היחסות

על פי הפוסטולט הראשון, חוקי הפיזיקה, כולל חוקי האלקטרודינמיקה והאופטיקה, זהים בכל מערכות הייחוס האינרציאליות (שאינם מאיצות).

משמעות הדבר היא שניסויים המבוצעים ברכבת נוסעת במהירות קבועה יניבו את אותן תוצאות כמו אלו המבוצעים על ידי צופה העומד על קרקע יציבה. משמעות הדבר היא שאין מסגרת מנוחה "מוחלטת".

2. מהירות האור קבועה

על פי הפוסטולט השני, אור מתפשט דרך חלל ריק (ואקום) במהירות קבועה (299,792,458 מטר לשנייה) שאינה תלויה במצב התנועה של הגוף הפולט או של הצופה. לא משנה כמה מהר אתם נעים לעבר מקור אור או ממנו, תמיד תמדדו את מהירות האור כ-c.

משמעותם של הנחות יסוד אלו היא שהזמן והמרחב אינם מוחלטים, מה שמוביל בהכרח, כפי שהראו משוואות היחסות הפרטית, להתארכות הזמן ולהתכווצות אורך במהירויות גבוהות מאוד.

איך איינשטיין ייתר את השערת הָאֶתֶר

כדי להבין כיצד הסיק איינשטיין כי האֶתֶר מיותר, נבחן יותר מקרוב את עקרונות הבסיס של תורת היחסות.

אם אתה נוסע במהירות קבועה ברכבת (מסגרת אינרציאלית), אינך יכול לבצע ניסוי אשר יוכיח שאתה בתנועה מכיוון שכל התופעות הפיזיקליות פועלות באותו אופן כאילו היית עומד על קרקע מוצקה. לדוגמה, נוסע ברכבת שזורק כדור ישר למטה רואה אותו נופל ישר למטה בדיוק כאילו הוא שרוי במנוחה בתחנה. לכן, עבורו, ייתכן מאוד שהוא נע בתנועה קבועה או שהוא במנוחה בזמן שהעולם ממהר לעברו במהירות קבועה. מכיוון שלא משנה איזו אפשרות נכונה, עבורו, הן נראות אותו הדבר. משמעות הדבר היא שתנועה היא תמיד יחסית לעצם אחר.

אם הייתה מסגרת מנוחה מוחלטת ("מסגרת מועדפת"), ניסויים שבוצעו במסגרת זו היו מניבים תוצאות שונות מניסויים שבוצעו במסגרת נעה. אך מכיוון שכל המסגרות האינרציאליות שוות ערך, לא ניתן לראות באף מסגרת את "מסגרת המנוחה המיוחדת". אֶתֶר נחשב ל"מסגרת מנוחה מוחלטת" מיוחדת כזו, ועל כן אין בו צורך.

הפוסטולאט השני טוען שמהירות האור קבועה בוואקום, ולכן אין צורך בתווך כדי שהאור יתפשט.

אם האֶתֶר אינו ניתן לגילוי (פוסטולט 1: אין ניסוי שמבחין בין מנוחה לתנועה קצובה), ואין בו צורך כדי להסביר כיצד האור מתפשט (פוסטולט 2), הוא נשאר בתיאוריה כמו גלגל חמישי בעגלה. איינשטיין לא הפריך אותו, הוא פשוט הוציא אותו מהמשוואות, ושום מדידה לא הרגישה בהיעדרו. יותר מאוחר אף כתב איינשטיין שאפשר לדבר על "אֶתֶר" במובן של מרחב-זמן בעל תכונות פיזיקליות. מה שנשלל הוא אֶתֶר כמסגרת מנוחה מוחלטת.

שיטות החשיבה של איינשטיין

איינשטיין יישם את תער אוקהם ביעילות אכזרית. הוא הבין שאם דבר הוא בלתי נראה ונוכחותו לא משנה דבר במדידות, הוא מיותר ואין סיבה להניח שהוא קיים.

במקום לשאול "איזה תפקיד ממלא האֶתֶר?", הוא שאל "מה אם מהירות האור היא פשוט קבועה לכולם, לא משנה איך הם נעים?"

על ידי הצבת הנחת יסוד פשוטה זו על מהירות אור קבועה (c), טרנספורמציות לורנץ צצו באופן טבעי כתכונה של המרחב-זמן עצמו. הוא לא היה צריך להסביר מדוע דברים מתכווצים; היה זה הכרח לוגי של יקום שבו מהירות האור קבועה.

במידה רבה, מה שאיינשטיין עשה הוא "מסגור מחדש" (Re-framing). הוא לא הוסיף נתונים חדשים למערכת אלא שינה את התפקיד של המשתתפים בה.

המהלך הזה נקרא לעיתים קרובות מהפכה מושגית או היפוך לוגי.

להלן שלוש דרכים להבין את ה"מהלך" שאיינשטיין ביצע:

1. המעבר מ"הנחות אד-הוק" ל"עקרונות יסוד"

בעוד שקודמיו ראו בטרנספורמציות לורנץ תוצאה של "האֶתֶר הלוחץ על החומר וגורם לו להתכווץ", איינשטיין הפך את ההתכווצות לאופן פעולה הכרחי של הטבע.

איינשטיין הגיע לכך על ידי שהעז להעמיד הנחת יסוד, אקסיומה, לפיה "מהירות האור c היא קבועה לכולם כחוק טבע", תוך שהוא מסתמך על תוצאות ניסויים ופיתוחים מתמטיים, ושאל את עצמו איך העולם צריך להשתנות כדי לאפשר להנחה הזו להתקיים. בעולם שבו משוואת התנועה הבסיסית ביותר היא: v = Δx/Δt, משוואה שאומרת שמהירות (v) נוצרת מחלוקת המרחק בזמן, המרחק (מרחב) והזמן חייבים להיות ניתנים לשינוי על מנת לתמוך במהירות אור קבועה c. מסקנה זו עומדת בניגוד גמור לפיזיקה של ניוטון שראתה במרחב ובזמן קבועים מוחלטים. בהינתן הנחה זו, התכווצות המרחק במשוואות לורנץ חדלה להיות "תיקון" שצריך להסביר, והפכה תוצאה לוגית הכרחית של המרחב-זמן ביקום בו מהירות האור קבועה.

2 . "התער של אוקהם" ככלי ניתוח

איינשטיין ביצע מהלך של צמצום המיותר. הוא הבין שאם האֶתֶר קיים אבל אי אפשר למדוד אותו בניסוי, והוא לא משנה דבר במשוואות מקסוול, הרי שהוא "ישות מיותרת". המהלך שלו היה למחוק את ההנחה הזו מהתיאוריה. המציאות נשארה אותה מציאות, אבל התיאוריה הפכה להרבה יותר רזה ואלגנטית.

3. גזירה לוגית

זהו אולי המהלך החשוב ביותר. בפיזיקה שלפני 1905, המתמטיקה של לורנץ הייתה הסבר לתופעה (מדוע ניסוי מייקלסון-מורלי נכשל). אצל איינשטיין, המתמטיקה הפכה לתכונה של המרחב.

1. הצבת העקרונות

   איינשטיין קבע שחוקי הפיזיקה ומהירות האור הם קבועים עבור כל הצופים. זהו המהלך ה"קופרניקאי" שלו: קביעת עקרון פשוט במרכז.

2. ויתור על האינטואיציה

   כדי לשמור על מהירות האור קבועה, הוא הבין שצריך להקריב את המושג של "בו-זמניות מוחלטת". זהו הוויתור על ה"דעה הקדומה".

3. גזירה לוגית

   טרנספורמציות לורנץ (שכבר היו קיימות) נגזרו כעת באופן אוטומטי מהנחות היסוד. הן כבר לא "טלאי", הן הגיאומטריה של היקום.

השוואת ה"מהלך" המחשבתי:

לקריאה נוספת

תורת היחסות הכללית והפרטית / אלברט איינשטיין בהוצאת מגנס ובתרגום יכין אונא. בעיקרון ספר פופולרי שכתב האחד והיחיד.

אולי גם זה יעניין אותך

המערה של אפלטון - שורשי הידיעה

התובנה שבקעה מפתח צר בקירות הכלא

נר בעלטה — אנשי חזון על סף העולם החדש

כיצד החיים מצליחים להתקיים ביקום בו חוקי הפיזיקה מעדיפים כאוס

ראסל, גודל, טיורינג - כיצד ההכרה בגבולות הידיעה מהווה את הבסיס לעולם המידע

מהו עקרון אי־הוודאות, ומדוע אלקטרונים לא מתרסקים לתוך גרעין האטום?

סיפורי מדע - היקום שבפנים

כיצד תורת היחסות הפרטית של איינשטיין מסבירה את החריגות במערכת הניוטונית

תורת היחסות הפרטית הסבירה את התופעות שהפרדיגמה הניוטונית התקשתה להסביר על ידי החלפת רעיון האֶתֶר בשתי הנחות יסוד לפיהם חוקי הפיזיקה זהים לכולם, ומהירות האור קבועה. בעשותו כן הצליח איינשטיין להסביר את החריגות במערכת הניוטונית.

1. סטיית אור הכוכבים

הבעיה: כוכבים מופיעים במיקומים שונים במקצת כאשר כדור הארץ נע, דבר שאותו ניסתה להסביר הפיזיקה הקלאסית כתנועה דרך אֶתֶר שמשום מה כדור הארץ אינו גורר אותו בתנועתו, ועל כן נשאר "נייח".

הפתרון של איינשטיין: איינשטיין הראה שאפקט זה הוא אך ורק תוצאה של תנועה יחסית בין הכוכב לצופה. הוא גזר את אותה "נטייה" בדיוק תוך שימוש רק במהירות היחסית של כדור הארץ ובמהירות האור הקבועה, והוכיח שאין צורך באֶתֶר נייח כדי להסביר מדוע כוכבים נראים כזזים ממקומם.

2. Fizeau ניסוי

הבעיה: אם המים היו גוררים איתם את האֶתֶר כליל, האור היה נע במהירות c/n + v (כאשר n הוא מקדם השבירה של המים). אם האֶתֶר נייח לחלוטין, המהירות הייתה נשארת c/n. פיזו בניסויים קפדניים ביותר ראה שהתשובה היא איפשהו באמצע.

הפתרון: איינשטיין לא נזקק לדמיין מים "גוררים" אֶתֶר. בנוסחת חיבור המהירויות היחסותית, u′ = (u + v) / (1 + uv/c²) , מהירויות אינן מסתכמות בפשטות. כשמפתחים אותה לסדר הראשון ב- v/c מקבלים בדיוק את התוספת שפיזו מדד (כך הראה פון לאואה ב-1907).

3. משוואות מקסוול

הבעיה: משוואות מקסוול ניבאו תנועת אור במהירות קבועה (c), אך הפיזיקה הקלאסית קבעה כי המהירויות צריכות להיות סכום המהירויות מה שאומר שאסטרונאוט שמאיר בפנס בכיוון התנועה של חללית הנעה במהירות שהיא חצי ממהירות האור צריך ליצור אלומת אור שמהירותה 1.5c.

הפתרון: איינשטיין הבין שמקסוול צדק וש-c הוא קבוע אוניברסלי. כדי שזה יעבוד, הוא הראה שמרחב וזמן חייבים "להתמתח" או "להתכווץ" (התארכות זמן והתכווצות אורך) כך שכל צופה מודד בדיוק את אותה מהירות אור.

4. מייקלסון-מורלי ותוצאת האפס

הבעיה: הניסוי כשל במציאת "רוח האֶתֶר" שהיא דרכו של האֶתֶר להשפיע על היקום לפי התיאוריה הרווחת.

הפתרון: איינשטיין לא ניסה להסביר את התוצאה האפסית אלא להפוך אותה לבלתי נמנעת בתוך התיאוריה שפיתח כי אם אין מסגרת מנוחה מועדפת, אין "רוח אֶתֶר" שאפשר למדוד, והתוצאה האפסית היא בדיוק מה שהתיאוריה מצפה לו.

אהבתם? לא אהבתם? דרגו!

0 הצבעות, ממוצע 0 מתוך 5 כוכבים