نسبیت خاص

از ویکی نجوم
پرش به: ناوبری, جستجو

محتویات

نسبیت خاص

آلبرت اینشتین در اوایل سده ی بیستم با یافتن راهی جدید و بهتر برای ادراک جهان فیزیکی تصور انسان را از چگونگی کار جهان به طور اساسی دگرگون ساخت. مدت ها بود که در آزمایشگاه های فیزیک چندین نتیجه عجیب به ویژه در ارتباط با خواص نور به دست آمده بود. اینشتین دریافت که اگر ماهیت نور متفاوت ازآن باشد که قبلا فیزیکدان ها فرض می کردند، درک بسیاری از این پدیده ها آسان تر خواهد بود. [1]

به طور کلی مشاهده و بررسی پدیده ها از نظر دو ناظر که نسبت به هم با سرعت ثابت حرکت می‌کنند را نسبیت خاص می‌گویند.

اصل اول

قوانین فیزیک در تمام دستگاه‌های لخت، یکسان یا هم وردا هستند. یعنی شکل ریاضی یک قانون فیزیکی یکسان باقی می‌ماند.

اصل دوم

سرعت نور در خلأ مقداری ثابت و مستقل از دستگاه لخت، چشمه و ناظر است. [2]

تصورات پیشینیان

یک قرن پیشتر معلوم شده بود که نور در قالب پدیده ای موجی با نوسان های فوق العاده سریع قابل شناخت است. آزمایش هایی که ارتباط میان مغناطیس و بار الکتریکی را نشان دادند دلایلی بودند بر وجود تابش الکترومغناطیسی که میدان های الکتریکی و مغناطیسی نوسان کننده را در بر می گیرد و ما آن را به صورت نور شامل نور مرئی تابش رادیویی پرتوهای x و پرتوهای دیگر حس می کنیم .

اما اگر این تابش ها به صورت موج باشند ، می باید در یک محیط منتشر شوند. درست همان طور که آب موج های روی دریاچه را منتقل می کند و هوا، موج های صدا را از یک سو به سوی دیگر می رساند.از این رو فیزیکدان ها به این اندیشه افتادند که می باید در فضا ماده ای فراگیر وجود داشته باشد تا محیطی برای انتشار امواج نور تدارک ببیند. آنها این ماده را اتر نامیدند اما ماهیت اتر مرموز و تا حدی نامتقاعد کننده باقی ماند. آیا زمین در گردش خود بر گرد خورشید اتر را میشکافد؟ آیا خورشید نیز در سیر سریع خود در میان ستارگان راه خود را از میان اتر می گشاید؟ فیزیکدان ها استدلال می کردند که ظاهرا چنین است، چرا که در غیر این صورت نور نمی‌توانست در فضا منتقل شود و ما در ظلمت ابدی به سر می بردیم.[1]

ثابت بودن سرعت نور

به نظر می رسد که اینشتین کلید راهیابی به نسبیت را از آزمایشی برگرفت که برای آشکار ساختن اتر انجام شده بود درست پیش از آغاز قرن حاضر دو فیزیکدان امریکایی به نام های مایکلسون و مورلی ابزارهای نوری پیچیده ای را به کار گرفتند تا اثرات حرکت زمین در میان اتر را اندازه گیری کنند آنها با شگفتی دریافتند که نه تنها اثری ناشی از وجود اتر مشهود نیست بلکه حتی هیچ گونه اثری هم که منتج از حرکت زمین در میات اتر باشد وجود ندارد. ظاهرا برخلاف آنچه عقل سلیم حکم می کرد، سرعت اندازه گیری شده نور چه در راستای نور، چه در راستای حرکت زمین و چه عمود بر این راستا یکسان بود.

این امر بدین اندازه تعجب آور است که ببینیم سرعت هواپیمایی بدون توجه به سرعت و راستای وزش باد همواره به یک مقدار است . مثال مشابه دیگر برای درک نتایج اکتشاف مایکلسون و مورلی این است که فرض کنیم اتومبیلی با سرعت 150 کیلومتر در ساعت حرکت می کند و در این اثنا یکی از سرنشینان اتومبیل تفنگی را در راستای حرکت اتومبیل نشانه می رود و گلوله ای با سرعت مثلا 500 متر در ثانیه (یا 1800 کیلومتر در ساعت) شلیک می کند . ناظری که در کنار جاده قرار دارد و ساکن است سرعت گلوله را 1950=1800+150 کیلومتر در ساعت اندازه می گیرد. اما اگر راننده چراغ های جلوی اتومبیل را روشن کند برای ناظر سرعت نور این چراغها همان است نه 150+c کیلومتر در ثانیه ( c نماد سرعت و مقدار آن 300،000 کیلومتر در ثانیه است).

به همین ترتیب اگر چراغ های عقب این اتومبیل روشن شوند باز سرعت نور c خواهد بود نه 150- c کیلومتر بر ثانیه علاوه بر این سرعت نور نسبت به خود اتومبیل نیز همواره c است.[1]

سرعت ثابت.jpg

نظریه نسبیت خاص

اینشتین دریافت که آزمایش مایکلسون-مورلی دلیلی است بر این که نور نه مثل هواپیماست و نه مثل گلوله که در محیطی حرکت می کند یا موجی که در روی حوض اجرا می شود. بلکه نور بدون نیاز به محیط در فضای تهی سیر می کند وانگهی نور ویژگیهای بنیادی معین و غیر عادی دارد که با ماهیت اساسی ماده فضا و زمان گره خورده است. اینشتین به این نکته پی برد که سرعت نور یک کمیت بنیادی است وی دریافت که نتایج حاصل از این نظریه تماما با هم سازگارند و راهی نو برای شناخت طبیعت فراهم می کنند.

برداشتن نخستین گام ها در راه آشنایی با نسبیت تنها هنگامی میسر است که دریابیم در این راه عقل سلیم چندان قابل اعتماد نیست. ثابت بودن سرعت نور که واقعیتی اثبات شده است با عقل سلیم همخوان نیست چرا که این واقعیت با تجربه ی معمولی ناسازگاری دارد اما این هشداری است بی شبهه که در شناخت مفاهیم غایی فیزیک. بر آنچه که باید تکیه کنیم، ریاضیات دقیق و آزمایش ها هستند نه پیشداوری های مبتنی بر تجربیات عادی.[1]

اثر زمان

اینشتین نشان داد که ثابت بودن سرعت نور توام با فرمولبندی دقیق تعاریف و اندازه گیری های مربوط به مفاهیم بنیادی طول ،زمان و جرم؛ چگونه در بررسی سرعت های نزدیک به نور به نتایج شگفت آوری منجر می شود .

نتایج اساسی کشف اینشتین چنین است: اگر جسمی سرعت بگیرد و به سرعت نور نزدیک شود زمان اندازه گیری شده به وسیله ی ناظر ساکن با زمان اندازه گیری شده توسط شخصی که با آن جسم حرکت می‌کند متفاوت است. برای مثال اگر اتومبیلی بتواند با سرعت مثلا 90 درصد سرعت نور حرکت کند ناظر ساکن در کنار جاده احساس می‌کند که ساعت نصب شده بر روی اتومبیل درست کار نمی‌کند، چرا که به نظر او این ساعت عقب می ماند البته این ساعت نیست که کند کار می‌کند بلکه خود زمان کند می شود و اگر راننده اتومبیل زمان را اندازه گیری کند، چیزی عجیب و غیر عادی در ساعت خود نمیبیند. با وجود این هنگامی که اتومبیل به نقطه آغاز حرکت باز می‌گردد و متوقف می شود راننده آن (بسته به اینکه چه مدت در سفر بوده ) از ناظری که ساکن بوده است، چند دقیقه جوان تر خواهد بود. ممکن است این را باور نکنید اما چنین پدیده هایی روی می دهند و کند شدن زمان حتی در ساعت هایی که بر سفینه های در حال گردش به دور زمین نصب شده اند، اندازه گیری می شود. میزان کند شدن درست به همان مقداری است که اینشتین در سال 1905 پیش بینی کرده بود.[1]

این نکته را توجه داشته باشید که تنظیم ساعت درون ماهواره‌ها ناشی از دو پدیده است: نسبیت خاص و نسبیت عام. بر اثر پدیده نسبیت خاص، ساعت درون ماهواره نسبت به ساعت زمین عقب می‌رود. اما از آنجا که ماهواره در میدان گرانشی ضعیف‌تر نسبت به زمین قرار دارد، ساعت جلو میرود (اصطلاحاً سریعتر کار می‌کند) برای اصلاح، باید تأثیر این دو را با هم در نظر گرفت.

زمانی.jpg

اثر طولی جسم

اثر شگفت آور دیگر به طول جسمی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کند مربوط می شود. در همان مثال پیش که اتومبیل مسابقه ای با سرعت 90 درصد سرعت نور حرکت می کرد ناظر ساکن با تعجب می بیند که طول اتومبیل کوتاهتر می شود و به نصف طول معمولی آن می رسد، اتومبیل پهن تر نیز دیده می شود. اما طول آن در راستای حرکت به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. البته راننده اتومبیل هیچ تغییر غیر عادی احساس نمی کند فیزیکدانان این اثر انقباض نسبیتی طول را نیز در آزمایشگاه اندازه گیری کرده اند.[1] این اثر در فیزیک نظری به انقباض لورنتز مشهور است [3]

طولی.jpg

اثر جرمی جسم

سومین اثر به جرم مربوط است. اینشتین نشان داد که جرم جسم متحرک از نظر ناظر ساکن به سرعت آن جسم وابسته است . برای مثال اگر وزن اتومبیل مسابقه ای مثلا 500 کیلو گرم باشد، هنگامی که سرعت اتومبیل به 90 درصد سرعت نور می رسد، وزن آن نیز دو برابر می شود و به 1000 کیلوگرم می رسد.

پس سه پیشگویی اساسی نظریه ی نسبیت خاص که اثرات مهم ناشی از حرکت در سرعت های نزدیک به سرعت نور هستند از نظر ناظر ساکن عبارتند از: زمان کند می شود، طول در راستای حرکت منقبض می شود و جرم افزایش می یابد . به طوری که برای جسمی که تقریبا با سرعت نور حرکت می کند زمان تقریبا متوقف می شود جسم به صورت صفحه ای پهن می شود و جرم تقریبا بی نهایت می شود. ( این پدیده ها از نظر ساکن چنین است.)[1]

جرمی.jpg

جستاره ای وابسته

منبع

1. کتاب ساختار ستارگان کهکشان ها نوشته پاول هاج / ترجمه توفیق حیدرزاده

2. کتاب مبانی فیزیک نوین/ نویسندگان: ریچارد وایدنر - رابرت سلز

3.ویرجینیا تکنولوژی

ابزارهای شخصی
گویش‌ها
فضاهای نام
عملکردها
گشتن
جعبه‌ابزار