نسبیت

از ویکی نجوم
پرش به: ناوبری، جستجو

برای ارسال یک علامت با بیشترین سرعت ممکن از یک نقطه ای به نقطه دیگر در فضای تهی، از یک باریکه نور یا تابش الکترو مغناطیسی دیگر، مثل امواج رادیویی، استفاده می کنیم. تا کنون روشی سریعتر از این برای علامت دهی کشف نشده است. از این واقعیت تجربی چنین مستفاد می شود که سرعت نور در فضای تهی،c، سرعت حدی مناسبی است که سرعت های دیگر، از قبیل سرعت های ذرات یا امواج مکانیکی می‌توانند با آن مقایسه شوند. در جهان ماکروسکوپیک تجربیات معمولی ما، سرعت ذرات متحرک یا امواج مکانیکی، نسبت به هر ناظری، همیشه از c کوچکتر است . مثلا یک ماهواره مصنوعی که به دور زمین می گردد با سرعت 29160 کیلومتر در ساعت نسبت به زمین حرکت می کند؛ در اینجا u/c=0.000027. امواج صوتی، در دمای معمولی، با سرعت 332m/s در هوا حرکت می کنند به طوری که u/c=0.0000010. در این محیط ماکروسکوپیک همیشه حاضر، ولی محدود، بود که برای اولین بار نظرات ما در مورد فضا و زمان شکل گرفت و همچنین، نیوتن دستگاه مکانیک خود را در آن گسترش داد. در جهان میکروسکوپیک به آسانی می‌توان ذراتی یافت که سرعت آنها خیلی نزدیک به سرعت نور باشد. برای الکترونی که در اختلاف پتانسیل 10میلیون ولت، یعنی پتانسیلی که به آسانی می‌توان تهیه کرد، شتاب گرفته باشد، سرعت u برابر است با 0.9988c.

بدون آزمایش تجربی مستقیم نمی‌توان مطمئن بود که آیا می‌توان مکانیک نیوتنی را بدون تغییر، از ناحیه سرعت های کم که در آن گسترش یافته است، به ناحیه سرعت های زیاد تعمیم داد یا نه.در واقع تجربه نشان می دهد که مکانیک نیوتنی وقتی در مورد چنین ذرات سریعی اعمال شود جواب های درستی را پیشگویی نمی کند. در واقع در مکانیک نیوتنی، علی الاصول، حدی برای سرعت قابل حصول یک ذره وجود ندارد، به طوری که سرعت نور به هیچ وجه نقش خاصی را بازی نمی کند.با اینکه مکانیک نیوتنی در سرعت های کم خیلی خوب عمل می کند، در سرعت های زیاد، هر چه u/c به یک نزدیکتر شود بیشتر با شکست مواجه می شود.

آلبرت اینشتین را که در دهه 1890 دانشجوی جوان علاقه مند فیزیک بود تفاوت قانون های مکانیک نیوتن و الکترومغناطیس ماکسول نگران ساخت. قانون های حرکت نیوتن مستقل از وضعیت حرکت ناظر بودند؛ اما قانون های ماکسول چنین نبودند- یا چنین به نظر می رسیدند. شخص ساکن و شخص متحرک درمی یافتند که قانون های مکانیک یکسانی در مورد اجسام متحرک مورد مطالعه به کار می روند، اما برای بار متحرک مورد بررسی قانون های الکتریسیته و مغناطیس متفاوت بودند. قانون های نیوتن نشان می دهند چیزی به نام حرکت مطلق وجود ندارد؛ فقط حرکت نسبی اهمیت دارد. اما به نظر می رسید قانون های ماکسول نشان می دهند که حرکت مطلق است.

اینشتین در 26 سالگی با نوشتن مقاله معروف سال 1905 خود با عنوان"درباره الکترودینامیک اجسام متحرک" نشان داد قانون های ماکسول را نیز می‌توان، مانند قانون های نیوتن-با صرف هزینه ای- مستقل از حرکت ناظر در نظر گرفت. هزینه رسیدن به این دیدگاه وحدت یافته از طبیعت، انقلابی کامل در چگونگی شناخت ما از فضا و زمان است.

انشتین نشان داد همانطور که حرکت در نیروهای بین بارهای الکتریکی تاثیر می گذارد، در خود اندازه گیری های فضا و زمان نیز موثر است.تمام اندازه گیری های فضا و زمان تابع حرکت نسبی اند. مثلا، طول سفینه ای که در سکوی پرتاب بی حرکت است و تیک تیک ساعت های درون آن هنگام حرکت سریع سفینه، تغییر می کند. عقل سلیم همواره حکم می کند که هنگام حرکت مکانمان تغییر کند، اما انشتین با سرپیچی از عقل سلیم گفت که ضمن حرکت می‌توان آهنگ پیش رفتن به آینده را نیز تغییر داد؛ یعنی خود زمان هم تغییر می کند. وی سپس نشان داد که پیامد پیوند فضا و زمان، پیوند بین جرم و انرژی است که با معادله مشهورE=mc2 بیان می شود.


حرکت نسبی است[ویرایش]

وقتی در مورد حرکت صحبت می کنیم، باید همواره دیدگاهی را مشخص کنیم که حرکت از آن مشاهده و اندازه گیری می شود. مثلا شاید شخصی با سرعت 1 کیلومتر درساعت نسبت به صندلی خود در راهرو قطار حرکت کند، اما سرعت او نسبت به ایستگاه قطار 60کیلومتر در ساعت باشد. محلی را که حرکت در آن مشاهده و اندازه گیری می شود چارچوب مرجع می نامیم.

یک جسم می‌تواند نسبت به چارچوب های مرجع مختلف سرعت های متفاوتی داشته باشد.

برای اندازه گیری اندازه سرعت هر جسم، باید ابتدا چارچوب مرجعی را انتخاب و فرض کنیم که در آن چارچوب بی حرکتیم. سپس سرعت حرکت اجسام را نسبت به خودمان –یعنی نسبت به چارچوب مرجع- اندازه بگیریم. در مثال بالا اگر سرعت را از وضعیت سکون در قطار اندازه بگیریم، سرعت شخص مورد نظر 1کیلومتر در ساعت می شود. اگر این اندازه گیری را از محل ثابتی روی زمین انجام دهیم، اندازه سرعت شخصی که قدم می زند 60کیلومتر در ساعت می شود.اما زمین واقعا بی حرکت نیست، زیرا مثل فرفره دور محور قطبی خود می چرخد. بسته به اینکه قطار چقدر به استوا نزدیک باشد، اندازه سرعت کسی که قدم می زند می‌تواند نسبت به چارچوب مرجع واقع در مرکز زمین به 1600 کیلومتر در ساعت هم برسد. و مرکز زمین هم نسبت به خورشید حرکت می کند.اگر چارچوب مرجع را به روی خورشید بگیریم، سرعت شخص واقع در قطاری روی زمین که دور خورشید می گردد، تقریبا 110000کیلومتر در ساعت می شود.همچنین خورشید ساکن نیست، زیرا دور مرکز کهکشان ما می گردد که نسبت به دیگر کهکشان ها در حرکت است.

آزمایش مایکلسون- مورلی[ویرایش]

آیا چارچوب مرجعی وجود دارد که بی حرکت باشد؟ آیا خود فضا بی حرکت نیست و نمی‌توان اندازه گیری ها را نسبت به فضای ساکن انجام داد؟ ا.ا. مایکلسون و ای. دبلیو. مورلی فیزیکدانان آمریکایی، در سال 1887 با انجام آزمایشی که برای اندازه گیری حرکت زمین در فضا طراحی شده بود، سعی کردند به این پرسش پاسخ دهند. چون نور به صورت موج حرکت می کند، فرض می شد چیزی در فضا به ارتعاش در می آید، چیزی اسرار آمیز موسوم به اتر که گمان می کردند تمام فضا را پر کرده است و می‌تواند به عنوان چارچوب مرجع متصل به خود فضا در نظر گرفته شود.این فیزیک دان ها برای مشاهده های خود از دستگاه حساسی به نام تداخل سنج استفاده کردند.در این دستگاه، باریکه نور چشمه ای تکفام به دو باریکه عمود بر هم تجزیه می شد؛ سپس این دو باریکه پس از بازتاب با هم بازترکیب می شدند تا معلوم شود که آیا تفاوتی در اندازه سرعت متوسط آنها در دو مسیر رفت و برگشت وجود دارد.این تداخل سنج طوری قرار گرفته بود که در آن یک مسیر نور با حرکت زمین در مدارش موازی بود؛ سپس مایکلسون یا مورلی، با دقت به بررسی هرگونه تغییر در اندازه سرعت متوسط هنگام چرخاندن دستگاه و قرار گرفتن مسیر دیگر به موازات حرکت زمین پرداختند. تداخل سنج به قدری حساس بود که می‌توانست اختلاف زمان رفت و برگشت 30 کیلومتر در ثانیه را برای حرکت رفت و برگشت موازی حرکت زمین و عمود بر این مسیر اندازه بگیرد.اما هیچ گونه تغییری مشاهده نشد. یک جای این فکر معقول اشکال داشت که سرعت نور برای گیرنده متحرک باید برابر سرعت معمولی آن در خلا،c ، به اضافه یا منهای سرعت حرکت چشمه یا گیرنده باشد.بسیاری از پژوهشگران با تغییر و تکرار آزمایش مایکلسون – مورلی به همین نتیجه رسیدند. این یکی از حقایق شگفت انگیز فیزیک در آغاز قرن بیستم بود.

جی.اف. فیتز جرالد فیزیکدان ایرلندی تفسیری برای این نتیجه حیرت انگیز مطرح و پیشنهاد کرد که طول دستگاه تجربی در جهت حرکتش درست به اندازه ای منقبض می شود که تغییر سرعت نور را خنثی کند. این عامل انقباض، Nesbiat.gif، لازم را هندریک ا. لورنتس فیزیکدان هلندی به دست آورد.این عامل حسابی مقدار اختلاف را نشان می داد، اما نه فیتز جرالد و نه لورنتس نظریه مناسبی برای توجیه آن نداشتند. شگفت اینکه انشتین در مقاله سال 1905 خود همین عامل را بدست آورد و نشان داد که عامل انقباض مربوط به خود فضاست، و نه ماده موجود در آن.

معلوم نیست انشتین چقدر تحت تاثیر آزمایش مایکلسون – مورلی بود. به هر حال، او این فکر را مطرح کرد که اندازه سرعت نور در فضای آزاد در تمام چارچوب های مرجع یکسان است، این فکر بر خلاف عقاید کلاسیک در مورد فضا و زمان بود. اندازه سرعت نسبت مسافت طی شده در فضا به بازه زمانی نظیر آن است. برای ثابت ماندن سرعت نور، باید اندیشه کلاسیک مستقل بودن فضا و زمان کنار گذاشته می شد. انشتین فضا و زمان را مرتبط می دید و با فرض هایی ساده، رابطه عمیقی بین آن دو بدست آورد.


جستاره ای وابسته[ویرایش]

منبع[ویرایش]

  • کتاب آشنایی با نسبیت خاص/رابرت رزنیک
  • کتاب فیزیک مفهومی جلد چهارم/تالیف پل جی.هیوئیت