انقلاب نسبيت

انقلاب نسبيت

احمد شكيب

در دهه اول قرن بيستم انقلابي در فلسفه طبيعي پيش آمد كه بسياري آن را از حيث عمق معنا و درهم ريزي احكام جزمي پذيرفته شده ، نسبت به انقلاب كوپرنيكي _گاليله اي ،برتر به شمار مي آورند . در اين فاصله زماني دو نظريه بسيار مهمي پا به عرصه رقابت نهادند ، نظريه نسبيت و كوانتمي كه نسبت به كار هاي دانشمندان پيشين از جمله ماكسول ،سارين كلوين وكلازيوس به نحو چشمگيري متفاوت بودند .اين نظريه هاي جديد نيز ،با ميكانيك نيوتوني در بعضي از اصول و فرض هاي بنيادي اختلاف شديدي داشتند . اين نظريه علاوه بر اينكه در بر گيرنده پيچيدگي هاي رياضيست ،تصور ذهني و فهم آن ،بسيار دشوار است .

البته شايان ذكر است كه انيشتين در مقاله 1905 خود كه براي اولين بار به نسبيت خاص خود پرداخت از معادلات رياضي ساده استفاده كرد اما در مقاله 1919 كه به نسبيت عام پرداخت ،بر خلاف مقاله بيشين از فرمول هاي پيجيده ي رياضي استفاده كرد .

نسبيت از ريشه نسبي گرفته شده است ، يعني هر كدام از واحد هاي فيزيكي شناخته شده براي توصيف پديده هاي طبيعي ، نسبي هستند . يعني وزن ،سرعت ،شتاب و حتي زمان كه براي ما تعريف مي شوند ، نسبي هستند . براي درك اين بهتر است چند مثالي بزنم . در ميكانيك نيوتني ،نيروي وزن شيء در كره زمين را مقدار نيرويي كه از زمين بر شيء وارد مي شود و آن را با شتاب g به سمت خود مي كشاند ، تعريف كرده اند . اگر از شخصي بپرسيد كه وزنتان چقدر است ؟ او احتمالاً مي گويد : در كجا ؟ . وزن شخص در آسانسوري كه با شتاب به سمت پايين مي رود در مقايسه با هنگامي كه آن آسانسور با همان شتاب به سمت بالا مي رود ، فرق مي كند . حال به مثال ديگري مي پردازيم :

مجيد و فرهاد دو دوست هستند كه سوار بر اتومبيل پرايد ، با سرعت ثابت V در حال حركت هستند ومقصد آن ها ، منزل احمد ، است . در اين هنگام احمد از پشت بام منزلشان ، اتومبيل مجيد را مشاهده مي كند . وي در آنجا ، با انجام محاسباتي توسط دستگاهش ، سرعت مجيد و فرهاد را V بدست مي آورد (معادل سرعت اتومبيل) . در اين لحظه ، اتومبيل پدر احمد ، با سرعت ثابت P از كنار اتومبيل مجيد مي گذرد ، در آن لحظه ي عبور ، دستگاه تعبئه شده در اتومبيل پدر احمد ، سرعت مجيدو فرهاد را U=V+P نشان مي دهد . در آن لحظه عبور ، احمد با مجيد تماس مي گيرد و از او مي پرسد كه سرعت فرهاد را اندازه گيري كند . مجيد با شنيدن سخنان احمد ، تعجب مي كند و مي گويد :" اين ديگر چه سوال بي خودي است . مي بيني كه فرهاد در كنار من ساكن نشسته است ، پس بايد سرعت او صفر باشد ". احمد گوشي را مي بندد و به پدرش زنگ مي زند و از او مي پرسد كه دستگاه محاسبه گر تو ، سرعت مجيد و فرهاد را چند بدست آورده است ؟ پدر مي گويد : "سرعت مجيد و فرهاد U=V+P است " . احمد در اين هنگام با خود فكر مي كند كه چگونه فردي در درون اتومبيل با سرعت ثابت ، بنشيند و در حالي كه خود داراي سه سرعت كاملاً متفاوتي باشد . احمد با مبناي سينماتيك آشنايي زيادي ندارد. پس سرعت هم نسبي است .

مسئله نسبي بودن سرعت ، از نظر انيشتين ، آن قدر كه به اعتبار اصل نسبيت مربوط مي شد به اتر و حركت سوقي ربطي نداشت .

طبق اصل نسبيت : قوانين طبيعت در تمام چارچوب هاي مرجع لخت يكسان اند .

انيشتين پس از مطرح كردن اصل نسبيت ، به دو موضوع بنيادي پرداخت :

1 - اصل نسبيت در تمام رويداد هاي طبيعي صحيح و صادق است.

2 - سرعت نور در خلاء ،در هر چارچوب لختي كه اندازه گيري مي شود با صرفه نظر از حركت منبع نور ، معادل cاست .

اصل موضوعي دوم انيشتين ، در واقع انديشه ميكانيكي نيوتني و سينماتيكي گاليله اي را زير پا مي گذارد . طبق اصول سينماتيك ، اگر دو جسم متحرك با سرعت ثابت ، در حال حركت به سمت يكديگر باشند ، سرعت هر يك از آن ها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است .

اما درنسبيت انيشتين ايگنونه نيست . اگر در نقطه اي نوري را گسيل كنيم ، ناظر ساكن و ناظر متحرك كه با سرعت vدر حال حركت به سمت منبع است ، سرعت نور را cمحاسبه مي كنند .

اين دو اصل سه نتيجه ي حيرت آوري به همراه دارد :

الف) همزماني اتساع زمان . ب) پارادوكس دو قلوها پ) انقباض جرالد-لورنتس .

الف) همزماني اتساع زمان :

مطابق ميكانيك نيوتني ، زمان مطلق است ، يعني زمان در تمام نقاط جهان و بدون وابستگي به شرايط حاكم بر محيط ، به طور يكنواخت جريان دارد .

اما انيشتين خلاف آن را معتقد است ، و در واقع اينجاست كه نيوتن و انيشتين از هم جدا مي شوند .

انيشتين براي اثبات گفته هاي خود در مورد عدم مطلق بودن زمان ، به اصل موضوعي دوم خود پناه مي برد . براي اثبات فرضيه ي انيشتين ، دو لامپ فلاش در نقاط A و B داريم . فردي در ميانه ي BA قرار مي گيرد . ومشاهده مي كند كه دو فلاش A و B همزمان به او مي رسد ، اما اگر فرد به نقطه A نزديكتر باشد ، مشاهده مي كند كه نور گسيل شده از A زودتر از B به او مي رسد ، اما اگر فرد به نقطه B نزديكتر باشد ، مشاهده مي كند كه نور گسيل شده از B زودتر از A به او مي رسد . پس اين رويداد ها همزمان نيستند .

اكنون يكي از معروفترين پيامدهاي اين نظريه ، يعني اتساع زمان ، را بررسي مي كنيم .

منظور از اتساع زمان اينست كه ، ساعت در چارچوب هاي لختي متحرك نسبت به چارچوب هاي لختي ساكن ، كند كار مي كند .

براي روشن كردن بحث اتساع زمان , يك جفت ساعت كاملاً متشابه به هم را تهيه نموده ايم . در اين ساعت ، در آينه به طور موازي و به فاصله ي dاز يكديگر قرار دارند . در يكي از آينه ها نقطه اي وجود دارد كه از آن نوري گسيل مي شود و آن نور پس از انعكاس از آينه دومي ، به همان نقطه تابش خود برمي گردد . اين ساعت به گونه اي كار مي كند كه واحد زمان را معادل ، زمان رفت و برگشت نور بين دو آينه ، نشان مي دهد . يعني واحد زماني كه اين ساعت نشان مي دهد برابر t =2d/c است .

يكي از ساعت ها در چاچوب مرجع ساكن لختي قرار مي دهيم ، و مشاهده مي كنيم كه واحد زمان محاسبه شده معادل t مي باشد .

ساعت ديگر را در چارچوب متحرك لختي كه با سرعت فوق العاده u حركت مي كند، قرار مي دهيم . در اين چارچوب مسير رفت و برگشت نور ، بيشتر از 2d است . زيرا اين ساعت با سرعت u در حال حركت است . پس مكان اين آينه پيوسته در حال تغيير است به همين دليل نور در اين مسير رفت و برگشت خود ، يك مسير شكسته ( به صورت 8 است ) طي مي كند . پس واحد زمان در چارچوب متحرك لختي بزرگتر از واحد زمان در يك چارچوب ساكن لختي است . به همين دليل ساعت ها در چارچوب متحرك لختي نسبت به چارچوب ساكن لختي كند كار مي كنند .

ب) پارادوكس دوقلو ها :

اتساع زمان در نظريه نسبيت ما را به پارادوكس دو قلو ها مي كشاند ، اين پارادوكس بيش از 50 سال بعد از انتشار نظريه نسبيت انيشتين ، مورد بحث ميان دانشمندان بوده است . كه خلاصه اين داستان بدين شرح است كه : يكي از دو قلوه ها تصميم مي گيرد كه با يك فضاپيما كه با سرعت نزديك به سرعت نور حركت مي كند , به يك سياره دور برود . اين مسافرت 70 سال زميني طول مي كشد . هنگامي كه او بر مي گردد مي بيند كه برادرش به سن 90 سالگي رسيده ودر حالي كه او 29 سال بيشتر سن ندارد .

پ) انقباض لورنتس-جرالد :

اتساع زمان كه يكي از مهمترين نتايج نظريه نسبيت است ، موجب شد كه انقباض لورنتس-جرالد ، قدم به صحنه رقابت بگذارد .

ناظر o در چارچوب ساكن لختي قرار دارد و مي خواهد طول لوله اي را محاسبه كند . روش اندازه گيري او ، اينگونه است كه يك شيء را با سرعت ثابت v ، از يك سر لوله پرتاب مي كند و با ثبت مدت زماني كه آن شيء به آن سر لوله مي رسد ، و با استفاده از فومول هاي سينماتيك ، طول لوله را مي يابد . او طول لوله را L محاسبه مي كند . L = t .v

ناظر Z واقع در چارچوب متحرك لختي نيز مي خواهد طول همان لوله را محاسبه كند . او براي محاسبه طول لوله از شيوه ي ناظر O استفاده مي كند و طول لوله را L` مي يابد .(L`=t` .v` )

طبق نتايج قبلي نسبيت ( اتساع زمان ) ، به اين نتيجه رسيديم كه زمان در چارچوب متحرك نسبت به چارچوب ساكن ، كندتر مي گذرد . پس t > t` بنابراين L > L` ، كه نشان دهنده انقباض طول لوله در چارچوب متحرك است .

درك چنين واقعيتي بسيار دشوار و سخت است . اما لورنتس علت آن را تغيير در نيروي الكترومغناطيسي اتم ها در سرعت هاي بالا مي داند.

اما متاسفانه تا كنون دانشمندان موفق نشده اند كه انقباض لورنتس-جرالد را در حد آزمايش عملي كند .

يك از نتايج نسبيت خاص ، كه با سينماتيك در تضاد است جمع سرعت هاست كه در خور مسائل رياضيست .

E=MC^2

يكي از معادلات زيبا و پراهميتي كه انيشتين آن را در مقاله ي علمي با استدلال زيبا و دور از هرگونه پيچيدگي هاي رياضي استنتاج كرد ، معادله هم ارزي جرم-انرژي است . وي در مقاله ي خود مي نويسد :" اگر جسمي انرژي E را بصورت تابش از دست بدهد ، جرمش به اندازه ي E/C^2 ، كم مي شود ".

اگر جسمي ، مقداري از جرم خود را از دست بدهد ، انرژي به اندازه ي E كه معادل E=MC^2 ، مي باشذ به صورت تابشي آزاد مي كند و M مقدار جرم از دست رفته است .

در واكنش هاي هسته اي ، مشاهده شده است كه در طي شكافت هسته ، مقداري از جرم هسته كاهش و به انرژي تابشي تبديل مي شود . البته عكس اين معادله نيز صادق است ، يعني مي توان با فراهم آوردن مقدار انرژي به اندازه كافي ، جسمي پر جرم را به وجود آورد .

يكي از نتايج مهم هم ارزي جرم-انرژي ، تغيير جرم جسم در سرعت هاي نزديك به سرعت نور است .

جرم جسم متحرك با سرعت نزديك به سرعت نور ، نسبت به همان جسم ولي در حال سكون ، بيشتر است .

امروزه در آزمايشگاه ها ، با دادن انرژي به الكترون ها ، توانسته اند سرعت آن ها را نزديك به سرعت نور ، برسانند .

در اين آزمايش ها مشاهده شده كه جرم الكترون ها مطابق با فرمول نسبيت ، افزايش پيدا كرده است . و همچنين با استفاده از ساعت هاي اتمي (سزيم ) ،كندي گذر زمان در چارچوب متحرك نسبت به چارچوب ساكن را مشاهده كرده اند .

انيشتين در سال 1919 ، با ترميم و تعميم نسبيت خود , نسبيت عام را مطرح كرد . نسبيت عام برخلاف نسبيت خاص ، در برگيرنده معادلات و پيچيدگي هاي رياضي بود .

يكي از پيش بيني هاي اين نظريه آن بود كه ساعت ها در ميدان گرانشي بسيار قوي ، كندتر كار مي كنند و همچنين نور در ميدان گرانشي بسيا قوي ، در مسير مستقيم خود منحرف مي شوند . اين نظريه توانست به بسياري از معما هاي كيهان شناسي در مورد سياهچاله ها ، عمر كرات وسيارات ، انرژي ستاره ها وكهكشان ها ، چگالي جهان و ... پاسخ دهد .

منابع:

فيزيك پايه جلد چهارم نوشته ج بلت