تمام دانش ما در مقایسه با واقعیت،ابتدایی و کودکانه است.ولی با این حال با ارزشترین دارایی ماست.آلبرت اینشتین
 

فیزیک برای امروز و فردا

آشنایی با فیزیک و قلمرو حکومت آن

انقلاب نسبیت
ساعت ۸:۱۳ ‎ق.ظ روز سه‌شنبه ٩ اسفند ۱۳۸٤  


در دهه اول قرن بیستم انقلابی در فلسفه طبیعی پیش آمد که بسیاری آن را از حیث عمق معنا و درهم ریزی احکام جزمی پذیرفته شده ، نسبت به انقلاب کوپرنیکی _گالیله ای ،برتر به شمار می آورند . در این فاصله زمانی دو نظریه بسیار مهمی پا به عرصه رقابت نهادند ، نظریه نسبیت و کوانتمی که نسبت به کار های دانشمندان پیشین از جمله ماکسول ،سارین کلوین وکلازیوس به نحو چشمگیری متفاوت بودند .این نظریه های جدید نیز ،با میکانیک نیوتونی در بعضی از اصول و فرض های بنیادی اختلاف شدیدی داشتند . این نظریه علاوه بر اینکه در بر گیرنده پیچیدگی های ریاضیست ،تصور ذهنی و فهم آن ،بسیار دشوار است .

البته شایان ذکر است که انیشتین در مقاله 1905 خود که برای اولین بار به نسبیت خاص خود پرداخت از معادلات ریاضی ساده استفاده کرد اما در مقاله 1919 که به نسبیت عام پرداخت ،بر خلاف مقاله بیشین از فرمول های پیجیده ی ریاضی استفاده کرد .

نسبیت از ریشه نسبی گرفته شده است ، یعنی هر کدام از واحد های فیزیکی شناخته شده برای توصیف پدیده های طبیعی ، نسبی هستند . یعنی وزن ،سرعت ،شتاب و حتی زمان که برای ما تعریف می شوند ، نسبی هستند . برای درک این بهتر است چند مثالی بزنم . در میکانیک نیوتنی ،نیروی وزن شیء در کره زمین را مقدار نیرویی که از زمین بر شیء وارد می شود و آن را با شتاب g به سمت خود می کشاند ، تعریف کرده اند . اگر از شخصی بپرسید که وزنتان چقدر است ؟ او احتمالاً می گوید : در کجا ؟ . وزن شخص در آسانسوری که با شتاب به سمت پایین می رود در مقایسه با هنگامی که آن آسانسور با همان شتاب به سمت بالا می رود ، فرق می کند . حال به مثال دیگری می پردازیم :

مجید و فرهاد دو دوست هستند که سوار بر اتومبیل پراید ، با سرعت ثابت V در حال حرکت هستند ومقصد آن ها ، منزل احمد ، است . در این هنگام احمد از پشت بام منزلشان ، اتومبیل مجید را مشاهده می کند . وی در آنجا ، با انجام محاسباتی توسط دستگاهش ، سرعت مجید و فرهاد را V بدست می آورد (معادل سرعت اتومبیل) . در این لحظه ، اتومبیل پدر احمد ، با سرعت ثابت P از کنار اتومبیل مجید می گذرد ، در آن لحظه ی عبور ، دستگاه تعبئه شده در اتومبیل پدر احمد ، سرعت مجیدو فرهاد را U=V+P نشان می دهد . در آن لحظه عبور ، احمد با مجید تماس می گیرد و از او می پرسد که سرعت فرهاد را اندازه گیری کند . مجید با شنیدن سخنان احمد ، تعجب می کند و می گوید :" این دیگر چه سوال بی خودی است . می بینی که فرهاد در کنار من ساکن نشسته است ، پس باید سرعت او صفر باشد ". احمد گوشی را می بندد و به پدرش زنگ می زند و از او می پرسد که دستگاه محاسبه گر تو ، سرعت مجید و فرهاد را چند بدست آورده است ؟ پدر می گوید : "سرعت مجید و فرهاد U=V+P است " . احمد در این هنگام با خود فکر می کند که چگونه فردی در درون اتومبیل با سرعت ثابت ، بنشیند و در حالی که خود دارای سه سرعت کاملاً متفاوتی باشد . احمد با مبنای سینماتیک آشنایی زیادی ندارد. پس سرعت هم نسبی است .

مسئله نسبی بودن سرعت ، از نظر انیشتین ، آن قدر که به اعتبار اصل نسبیت مربوط می شد به اتر و حرکت سوقی ربطی نداشت .

طبق اصل نسبیت : قوانین طبیعت در تمام چارچوب های مرجع لخت یکسان اند .

انیشتین پس از مطرح کردن اصل نسبیت ، به دو موضوع بنیادی پرداخت :

1 - اصل نسبیت در تمام رویداد های طبیعی صحیح و صادق است.

2 - سرعت نور در خلاء ،در هر چارچوب لختی که اندازه گیری می شود با صرفه نظر از حرکت منبع نور ، معادل cاست .

اصل موضوعی دوم انیشتین ، در واقع اندیشه میکانیکی نیوتنی و سینماتیکی گالیله ای را زیر پا می گذارد . طبق اصول سینماتیک ، اگر دو جسم متحرک با سرعت ثابت ، در حال حرکت به سمت یکدیگر باشند ، سرعت هر یک از آن ها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است .

اما درنسبیت انیشتین ایگنونه نیست . اگر در نقطه ای نوری را گسیل کنیم ، ناظر ساکن و ناظر متحرک که با سرعت vدر حال حرکت به سمت منبع است ، سرعت نور را cمحاسبه می کنند .

این دو اصل سه نتیجه ی حیرت آوری به همراه دارد :

الف) همزمانی اتساع زمان . ب) پارادوکس دو قلوها پ) انقباض جرالد-لورنتس .

الف) همزمانی اتساع زمان :

مطابق میکانیک نیوتنی ، زمان مطلق است ، یعنی زمان در تمام نقاط جهان و بدون وابستگی به شرایط حاکم بر محیط ، به طور یکنواخت جریان دارد .

اما انیشتین خلاف آن را معتقد است ، و در واقع اینجاست که نیوتن و انیشتین از هم جدا می شوند .

انیشتین برای اثبات گفته های خود در مورد عدم مطلق بودن زمان ، به اصل موضوعی دوم خود پناه می برد . برای اثبات فرضیه ی انیشتین ، دو لامپ فلاش در نقاط A و B داریم . فردی در میانه ی BA قرار می گیرد . ومشاهده می کند که دو فلاش A و B همزمان به او می رسد ، اما اگر فرد به نقطه A نزدیکتر باشد ، مشاهده می کند که نور گسیل شده از A زودتر از B به او می رسد ، اما اگر فرد به نقطه B نزدیکتر باشد ، مشاهده می کند که نور گسیل شده از B زودتر از A به او می رسد . پس این رویداد ها همزمان نیستند .

اکنون یکی از معروفترین پیامدهای این نظریه ، یعنی اتساع زمان ، را بررسی می کنیم .

منظور از اتساع زمان اینست که ، ساعت در چارچوب های لختی متحرک نسبت به چارچوب های لختی ساکن ، کند کار می کند .

برای روشن کردن بحث اتساع زمان , یک جفت ساعت کاملاً متشابه به هم را تهیه نموده ایم . در این ساعت ، در آینه به طور موازی و به فاصله ی dاز یکدیگر قرار دارند . در یکی از آینه ها نقطه ای وجود دارد که از آن نوری گسیل می شود و آن نور پس از انعکاس از آینه دومی ، به همان نقطه تابش خود برمی گردد . این ساعت به گونه ای کار می کند که واحد زمان را معادل ، زمان رفت و برگشت نور بین دو آینه ، نشان می دهد . یعنی واحد زمانی که این ساعت نشان می دهد برابر t =2d/c است .

یکی از ساعت ها در چاچوب مرجع ساکن لختی قرار می دهیم ، و مشاهده می کنیم که واحد زمان محاسبه شده معادل t می باشد .

ساعت دیگر را در چارچوب متحرک لختی که با سرعت فوق العاده u حرکت می کند، قرار می دهیم . در این چارچوب مسیر رفت و برگشت نور ، بیشتر از 2d است . زیرا این ساعت با سرعت u در حال حرکت است . پس مکان این آینه پیوسته در حال تغییر است به همین دلیل نور در این مسیر رفت و برگشت خود ، یک مسیر شکسته ( به صورت 8 است ) طی می کند . پس واحد زمان در چارچوب متحرک لختی بزرگتر از واحد زمان در یک چارچوب ساکن لختی است . به همین دلیل ساعت ها در چارچوب متحرک لختی نسبت به چارچوب ساکن لختی کند کار می کنند .

ب) پارادوکس دوقلو ها :

اتساع زمان در نظریه نسبیت ما را به پارادوکس دو قلو ها می کشاند ، این پارادوکس بیش از 50 سال بعد از انتشار نظریه نسبیت انیشتین ، مورد بحث میان دانشمندان بوده است . که خلاصه این داستان بدین شرح است که : یکی از دو قلوه ها تصمیم می گیرد که با یک فضاپیما که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کند , به یک سیاره دور برود . این مسافرت 70 سال زمینی طول می کشد . هنگامی که او بر می گردد می بیند که برادرش به سن 90 سالگی رسیده ودر حالی که او 29 سال بیشتر سن ندارد .

پ) انقباض لورنتس-جرالد :

اتساع زمان که یکی از مهمترین نتایج نظریه نسبیت است ، موجب شد که انقباض لورنتس-جرالد ، قدم به صحنه رقابت بگذارد .

ناظر o در چارچوب ساکن لختی قرار دارد و می خواهد طول لوله ای را محاسبه کند . روش اندازه گیری او ، اینگونه است که یک شیء را با سرعت ثابت v ، از یک سر لوله پرتاب می کند و با ثبت مدت زمانی که آن شیء به آن سر لوله می رسد ، و با استفاده از فومول های سینماتیک ، طول لوله را می یابد . او طول لوله را L محاسبه می کند . L = t .v

ناظر Z واقع در چارچوب متحرک لختی نیز می خواهد طول همان لوله را محاسبه کند . او برای محاسبه طول لوله از شیوه ی ناظر O استفاده می کند و طول لوله را L` می یابد .(L`=t` .v` )

طبق نتایج قبلی نسبیت ( اتساع زمان ) ، به این نتیجه رسیدیم که زمان در چارچوب متحرک نسبت به چارچوب ساکن ، کندتر می گذرد . پس t > t` بنابراین L > L` ، که نشان دهنده انقباض طول لوله در چارچوب متحرک است .

درک چنین واقعیتی بسیار دشوار و سخت است . اما لورنتس علت آن را تغییر در نیروی الکترومغناطیسی اتم ها در سرعت های بالا می داند.

اما متاسفانه تا کنون دانشمندان موفق نشده اند که انقباض لورنتس-جرالد را در حد آزمایش عملی کند .

یک از نتایج نسبیت خاص ، که با سینماتیک در تضاد است جمع سرعت هاست که در خور مسائل ریاضیست .

E=MC^2

یکی از معادلات زیبا و پراهمیتی که انیشتین آن را در مقاله ی علمی با استدلال زیبا و دور از هرگونه پیچیدگی های ریاضی استنتاج کرد ، معادله هم ارزی جرم-انرژی است . وی در مقاله ی خود می نویسد :" اگر جسمی انرژی E را بصورت تابش از دست بدهد ، جرمش به اندازه ی E/C^2 ، کم می شود ".

اگر جسمی ، مقداری از جرم خود را از دست بدهد ، انرژی به اندازه ی E که معادل E=MC^2 ، می باشذ به صورت تابشی آزاد می کند و M مقدار جرم از دست رفته است .

در واکنش های هسته ای ، مشاهده شده است که در طی شکافت هسته ، مقداری از جرم هسته کاهش و به انرژی تابشی تبدیل می شود . البته عکس این معادله نیز صادق است ، یعنی می توان با فراهم آوردن مقدار انرژی به اندازه کافی ، جسمی پر جرم را به وجود آورد .

یکی از نتایج مهم هم ارزی جرم-انرژی ، تغییر جرم جسم در سرعت های نزدیک به سرعت نور است .

جرم جسم متحرک با سرعت نزدیک به سرعت نور ، نسبت به همان جسم ولی در حال سکون ، بیشتر است .

امروزه در آزمایشگاه ها ، با دادن انرژی به الکترون ها ، توانسته اند سرعت آن ها را نزدیک به سرعت نور ، برسانند .

در این آزمایش ها مشاهده شده که جرم الکترون ها مطابق با فرمول نسبیت ، افزایش پیدا کرده است . و همچنین با استفاده از ساعت های اتمی (سزیم ) ،کندی گذر زمان در چارچوب متحرک نسبت به چارچوب ساکن را مشاهده کرده اند .

انیشتین در سال 1919 ، با ترمیم و تعمیم نسبیت خود , نسبیت عام را مطرح کرد . نسبیت عام برخلاف نسبیت خاص ، در برگیرنده معادلات و پیچیدگی های ریاضی بود .

یکی از پیش بینی های این نظریه آن بود که ساعت ها در میدان گرانشی بسیار قوی ، کندتر کار می کنند و همچنین نور در میدان گرانشی بسیا قوی ، در مسیر مستقیم خود منحرف می شوند . این نظریه توانست به بسیاری از معما های کیهان شناسی در مورد سیاهچاله ها ، عمر کرات وسیارات ، انرژی ستاره ها وکهکشان ها ، چگالی جهان و ... پاسخ دهد .

 


کلمات کلیدی: نسبیت