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