نسبیت: تفاوت بین نسخه‌ها

از ویکی نجوم
پرش به: ناوبری، جستجو
 
(۷ نسخه‌ٔ میانی ویرایش شده توسط ۲ کاربر نشان داده نشده)
سطر ۱: سطر ۱:
−
[[پرونده:spacetime curvature.png|thumb|left|300px|طرحی دو بعدی از تمثیل سه بعدی انحنای فضا-زمان که در نسبیت عام به آن پرداخته شده است.]]
+
برای ارسال یک علامت با بیشترین [[سرعت]] ممکن از یک نقطه ای به نقطه دیگر در فضای تهی، از یک باریکه [[نور]] یا [[امواج الکترومغناطیسی|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 استفاد 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.
−
'''تئوری نسبیت'''، و یا به طور ساده تر، '''نسبیت'''، عموما" به دو تئوری [[آلبرت اینشتین]]، یعنی [[نسبیت عام]] و [[نسبیت خاص]] اطلاق می‌شود. اگرچه کلمه «نسبیت» گاهی برای اشاره به فرضیه تغییر ناپذیری گالیله نیز به کار می‌رود.
+
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.
−
اصطلاح «تئوری نسبیت» اولین بار توسط [[ماکس پلانک]] در سال ۱۹۰۶ به کار برده شد.  
+
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.
  
−
== توضیح ==
+
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.
−
اصل نسبیت (با کمی ساده‌سازی و چشم‌پوشی از برخی جزئیات) می‌گوید که اگر شما در آزمایشگاه سربسته‌ای قرار داشته باشید و آن آزمایشگاه با [[سرعت]] ثابتی نسبت به زمین حرکت کند، شما با هیچ روشی نمی‌توانید تعیین کنید که سرعت‌تان نسبت به زمین چقدر است. (در این بیان از اصل نسبیت فرض شده است که زمین یک [[چارچوب لخت]] است (این موضوع دربارهٔ زمین فقط به تقریب صادق است) و نیز فرض شده است که شما نسبت به زمین به نرمی حرکت می‌کنید و آزمایشگاه هیچ لرزش و تکانی ندارد.) به زبان دیگر، هیچ تمایزی میان یک [[چارچوب لخت]] و چارچوب لخت دیگری که با سرعت ثابتی نسبت به آن حرکت می‌کند، وجود ندارد، یعنی هیچ چارچوب لخت متمایزی وجود ندارد.
 
  
 +
[[آلبرت اینشتین]] را که در دهه 1890 دانشجوی جوان علاقه مند [[فیزیک]] بود تفاوت قانون های مکانیک [[نیوتن]] و [[الکترومغناطیس]] [[جیمز کلارک ماکسول|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.
  
−
== نسبیت خاص و مسئله هم زمانی رویدادها ==
+
[[آلبرت اینشتین|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.
−
 
  
−
صد سال قبل از این زمانی که هنوز فیزیک به درستی با نیوتن و قوانینش شناخته می‌شد و هیچ کس به فکر کاستی‌های مکانیک نیوتنی نیفتاده بود، آلبرت انیشتین در مقاله‌ای تحت عنوان « درباره الکترو دینامیک اجسام متحرک» چنین نوشت: « هیچ یک از ویژگیهای واقعیتهای مشاهده شده با مفهوم سکون مطلق ارتباط ندارند، ...برای تمام دستگاههائی که معادلات مکانیک در آنها بر قراراند، معادلات الکترودینامیکی و اپتیکی نیز در آنها برقرار خواهد بود...بر این اساس اینشتین دو فرض اساسی بسیار مهم اما ساده کرد که به جرات می‌توان گفت: این دو فرض ضمن اینکه برای بیان یک نظریه ساده و سازگار الکترو دینامیک اجسام متحرک، بر پایه نظریه ماکسول برای اجسام ساکن، کاملاً کافی اند، دنیای فیزیک را نیز دگرگون کردند .  
+
انشتین نشان داد همانطور که حرکت در [[نیرو]]های بین [[بار الکتریکی|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.
  
−
فرض‌های انیشتین که بعدها اصل نسبیت انیشتین نامیده شد، نسبت به فرض‌های نیوتن(اصل نسبیت نیوتنی) این رجحان را دارند که فراتر از قوانین مکانیک، تمام قوانین فیزیک را نیز در بر می‌گیرند.
 
  
−
انیشتین فرض‌های خود را این گونه بیان کرد:
+
== حرکت نسبی است ==
  
−
1 - قوانین فیزیک در تمام دستگاه‌های لخت یکسان هستند و هیچ دستگاه لخت مرجحی وجود ندارد ( اصل نسبیت ).  
+
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.
  
−
2 - در فضای تهی مقدار سرعت نور در تمام دستگاه‌های لخت یکسان و برابر با C است ( اصل ثابت بودن سرعت نور).  
+
یک جسم می‌تواند نسبت به چارچوب های مرجع مختلف سرعت های متفاوتی داشته باشد.
  
−
در حقیقت اصل نسبیت انیشتین اعتقاد به این موضوع دارد که ما فقط از حرکت نسبی دو دستگاه می‌توانیم صحبت کنیم و به هیچ عنوان نمی‌توانیم به وسیله اندازه گیریهای فیزیکی بگوئیم یک دستگاه لخت به خودی خود ساکن است یا متحرّک.  
+
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 راه شیری|کهکشان ما]] می گردد که نسبت به دیگر [[کهکشان]] ها در حرکت است.
  
−
تئوری نسبیت خاص انیشتین پیشگوئیهای مختلفی می‌کند که حقیقتاً برخی از آنها در جهت مقابل مشاهده‌های ما و به عبارت دیگر تصورات اولیهٔ ما از آنچه به وقوع می پیوندد می‌باشد توجه به این نکته بسیار مهم است که این پیشگوئیها با چارچوبهای مرجع مختلف ثابت و متحرک با سرعت نسبی V در ارتباطند و نیز در نسبیت تنها زمانی نتایج را قابل قبول می دانیم که سرعت V یک کسر متعارف از C سرعت نور باشد. ( به عبارت دیگر V/C برای ما تعریف شده باشد ).
+
== آزمایش مایکلسون- مورلی ==
  
−
دو پیشگوئی اساسی و مهم که انیشتین با نسبیت خاص می‌کند یکی انقباض طول و دیگری تاخیر زمان است.  
+
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.
  
−
همان طور که از گذشته می دانیم انقباض طول به نتیجهٔ اندازه گیری یک جسم در دو چارچوب مختلف اشاره دارد، اگر در چارچوب مرجع ثابت طول اندازه گیری شده باشد، در چارچوب دیگری که نسبت به چارچوب مرجع اولیه حرکت دارد طول منقبض شده به نظر می‌رسد، و یا به عبارتی دیگر حرکت جسم در طول حرکت نسبی اش منقبض شده به نظر می‌رسد .  
+
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، [[پرونده: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.
  
−
تاخیر زمانی نیز به این واقعیت مهم اشاره دارد که زمان بین رویدادهائی که در موقعیت‌های یکسان از چارچوب اندازه گیری ثابت هستند کوتاهتر از زمانی است که به وسیله یک ناظر در چارچوب متحرک با سرعت Vاندازه گیری می‌شود، به عبارتی دیگر این طور گفته می‌شود که به نظر می‌رسد ساعتها کندتر کار می‌کنند .  
+
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.
  
−
در اصل یکی از مهمترین این نتیجه‌ها نسبی بودن همزمانی است که می‌توان گفت این مطلب تعبیر دیگری از تاخیر زمانی است و به این صورت توضیح داده می‌شود که اگرچه ممکن است از دید یک ناظر در یک چارچوب مرجع دو رویداد در دو مکان متفاوت کاملاً همزمان باشند اما از دید ناظر دیگر که در چارچوب مرجع دیگری قرار گرفته است این اندازه گیری به صورت همزمان نیست و این طور بیان می کنیم که همزمانی نیز یک مفهوم نسبی است .
 
  
−
از آنجا که انقباض طول و تاخیر زمانی از مهمترین مسائل در فیزیک نسبیت هستند به تفسیر و حل یکی از مهمترین مسائل در این مورد می پردازیم :
+
== جستاره ای وابسته ==
  
−
مساله از این قرار است : قهرمان پرش با نیزه‌ای را تصور می کنیم ،( به خاطر داشته باشیم که یکی از مهمترین مسائل در پرش با نیزه، طول خود نیزه می‌باشد ) قهرمان را A می نامیم، او طول نیزه خود را lo اندازه می‌گیرد که ما این طول را طول اولیه یا طول صحیح نیزه می نامیم و توجه می کنیم که A با سرعت نسبی V در حال حرکت است . حال اگر ما یک فرد تماشاچی را در جایگاه در نظر بگیریم و او را B بنامیم و از او بخواهیم در دستگاهی که وی قرار دارد طول میله را اندازه بگیرد ، Bبا توجه به اینکه می بیند قهرمان با سرعت بسیار زیاد می دود به گونه‌ای که برای وی سرعت نسبی در نظر می‌گیرد، این طول را l اندازه خواهد گرفت که پس از مقایسه مشاهده خواهیم کرد که l از دید B کوچکتر از loاز دید Aاست.
+
*[[نسبیت خاص]]
 +
*[[تبدیلات گالیله]]، تبدیلات پذیرفته‌شده پیش از نظریهٔ نسبیت خاص
 +
*[[نسبیت عام]]
  
−
l < lo
+
== منبع ==
−
 
+
*کتاب آشنایی با نسبیت خاص/رابرت رزنیک
−
در حقیقت اگر فرض کنیم که میله دوم قهرمان( که همانند میله اول است) در کنار تماشاچی افتاده است تماشاچی طول این میله را بزرگتر از طول میله‌ای که در دست A است اندازه گیری می‌کند، بنابراین B تصمیم می‌گیرد این مطلب را به کمیته فنی مسابقات اعلام کند و آنها هم این مطلب را به A ارجاع می‌دهند و مباحثه سختی بین A وB در می‌گیرد ، A از B می خواهد که این مساله را به وی اثبات کند .
+
*کتاب فیزیک مفهومی جلد چهارم/تالیف پل جی.هیوئیت
−
 
 
−
برای اثبات این مدعی تماشاچی در صدد ساختن اتاقکی به طول l که کوتاهتر از lo بوده و وی اندازه گرفته بود بر می‌آید . او برای این اتاقک از پشت و جلو درب می سازد و از A میخواهد که با میله کوتاه شده‌ای که در دست دارد با سرعت به داخل این ساختمان داخل شود B هر دو درب را می‌بندد در حالیکه میله A کاملاً در داخل اتاقک قرار گرفته است ( البتّه تاکید کنیم که این مساله به خاطر سرعت قهرمان A که از یک طرف داخل و از طرف دیگر خارج می‌شود فقط برای یک لحظه است) اما در هر حال تماشاچی ادعای خود مبنی بر اینکه طول میله کوتاه شده است را ثابت کرده است.
 
−
 
 
−
به نظر شما آیا B درست می‌گوید؟
 
−
 
 
−
A این نظریه را باز هم قبول نمی‌کند و به B می‌گوید موقعی که میله من از درب جلو وارد انبار شده شما درب پشتی را بسته اید، پس همواره میله من بلندتر خواهد بود.
 
−
 
 
−
از آنجائی که یکی از معروفترین آزمایشها در این گونه مسائل استفاده از لامپ‌های فلش زن است،
 
−
 
 
−
B در فکر ترتیب آزمایشی دیگر به این ترتیب بر می‌آید:
 
−
 
 
−
B می‌گوید که برای بر طرف شدن این فکر این بار از چراغ‌های فلش زن استفاده کنیم . طرز کار این چراغ‌ها به این صورت است که با بسته شدن درب‌ها این چراغ‌ها که بر روی درب‌های جلو و عقب نصب شده است، روشن می‌شود . با این توضیحات B از A می خواهد که بار دیگر با سرعت وارد اتاقک شود تا هر دو نتیجه مشاهدات خود را گزارش کنند .
 
−
 
 
−
B این طور گزارش می‌کند :
 
−
 
 
−
هر دو چراغ فلش زن رو به درب‌های جلوئی و پشتی همزمان با هم روشن می‌شوند و نتیجه این که طول میله کوتاه شده است .
 
−
 
 
−
و اما آنچه A گزارش می‌کند به ترتیب زیر است :
 
−
 
 
−
هنگامی که میله من از درب جلو وارد انبار شده چراغی که روی درب پشتی نصب شده بود زودتر روشن شد .
 
−
 
 
−
به نظر شما این اختلاف نظرها از کجا ناشی می‌شود ؟ به عبارت دیگر آیا یکی از این دو نفر اشتباه می‌کنند ؟ و کدام یک ؟
 
−
 
 
−
بیائید این موضوع را بیشتر تفسیر کنیم :
 
−
 
 
−
 
−
 
 
−
گفته تماشا چی (B) صحت دارد زیرا او این دو رویداد را کاملاً همزمان مشاهده می‌کند، در عین حال گفته قهرمان A هم صحیح است، به این علت که در چارچوب اندازه گیری وی که در حال حرکت با سرعت نسبی V است همزمانی مفهومی نسبی پیدا می‌کند .  
 
  
−
شاید بزرگترین اشتباهی که ما در مسائل نسبیت می کنیم عدم توجه به مسائلی از قبیل نسبی بودن سرعت، نسبی بودن همزمانی و ... است . در حقیقت اگر بخواهیم از تعریف انقباض طول هم استفاده کنیم، می بینیم ناظری که در حال حرکت با سرعت نسبی V نسبت به ناظر در دستگاه دیگراست، امّا در دستگاه خود حرکتش نسبت به میله با سرعت نسبی همراه نیست با توجه به مساله تاخیر زمانی طول میله را بزرگتر از ناظر در دستگاه دیگر می بیند . یکی از بهترین نمایش‌های کلی برای مسائل نسبیت، رسم نمودار مکان- زمان می‌باشد . که در زیر این نمودار را برای هر دو ناظر رسم می کنیم :
 
  
−
در این نمودار خطوط نقطه چین نمایش گر دید ناظرهاست هنگامی که از لامپهای فلش زن استفاده شد، خطوط کم رنگ نمایش گر دید ناظرهاست هنگامی که قهرمان با سرعت داخل اطاقک ساخته شده شد و خطوط پررنگ نمایش گر دید ناظرها در لحظه اول می‌باشد .
+
[[Category:فیزیک]]<br/>[[Category:کیهان‌شناسی]]
−
 
 
−
== جستارهای وابسته ==
 
−
* [[نسبیت خاص]]
 
−
* [[تبدیلات گالیله]]، تبدیلات پذیرفته‌شده پیش از نظریهٔ نسبیت خاص
 
−
 
 
−
[[رده:فیزیک]]
 
−
[[رده:کیهان‌شناسی]]
 
−
 
 
−
== منبع ==
 
−
ویکی پدیا فارسی
 

نسخهٔ کنونی تا ‏۸ ژانویهٔ ۲۰۱۹، ساعت ۱۷:۱۹

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 استفاد 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
برگرفته از «http://wiki.avastarco.com/index.php?title=نسبیت&oldid=16931»