حتماً تا کنون بارها اصطلاحات عجیب و غریبی مانند نسبیت خاص، نسبیت عام، سیاه‌چاله، امواج گرانشی، فیزیک کوانتوم و … را شنیده‌اید و حتماً هم می‌دانید که پشت بسیاری از این مفاهیم و نظریات پیچیده، نابغه‌ای  به نام آلبرت انیشتن حضور دارد.

 

بقیۀ مطالب در ادامۀ مطلب ...


در میان تمام کارهای علمی انیشتن نظریه نسبیت وی از اهمیت و شهرت خاصی برخوردار است. این نظریه ۱۰۰ سال است که پایه‌ی بسیاری از توضیحات فیزیکدانان در مورد هستی قرار گرفته است و تا کنون در آزمایشات مختلفی درستی آن ثابت گردیده است.

در اینجا قصد داریم نظریه نسبیت به زبان ساده شرح داده شود. در این مقاله جهت جلوگیری از طولانی شدن متن، تنها به نسبیت خاص پرداخته می‌شود و در بخش دوم مقاله نسبیت عام به زبان ساده مطرح می‌گردد.

البته درک کامل نظریه نسبیت نیازمند تسلط به ریاضیات و مفاهیم فیزیکی بسیاری است که تنها برای متخصصین رشته فیزیک مناسب می‌باشد ولی بدون وارد شدن به معادلات ریاضی هم می‌توان به درک کلی از این نظریه به دست آورد.

اهمیت دانستن نظریه نسبیت برای شما به عنوان یک فرد غیرمتخصص در فیزیک در اینست که پس از خواندن نظریه نسبیت به زبان ساده ، درکتان نسبت به مفاهیم ساده‌ای مانند فضا و زمان تا حد زیادی عوض خواهد شد و متوجه می‌شوید که در چه دنیای عجیب و پیچیده‌ای زندگی می‌کنیم.

نظریه نسبیت خاص به زبان ساده

این نظریه به موضوع نسبی بودن سرعت را با ثابت بودن سرعت نور درهم می‌آمیزد و رابطه‌ای جدید بین زمان و فضا به دست می‌آورد. برای درک نظریه نسبیت خاص ابتدا باید با این دو مفهوم آشنا شوید و بدانید که انیشتن چگونه از کارهای دانشمندان قبلی کمک گرفته است.

چارچوب مرجع و نسبی بودن سرعت

وقتی که راه می‌روید و یا در ماشین سفر می‌کنید، کاملاً از اینکه در حال حرکت هستید اطلاع دارید. اگر از شما پرسیده شود آیا شما در حال حرکت هستید یا درختی که می‌بینید؟ با قاطعیت خواهید گفت که من در حال حرکت هستم و درخت ثابت است.

حال فرض کنید در فضایی کاملاً خالی بدون هیچ جسمی رها شده‌اید. چطور می‌توانید تشخیص دهید در حال حرکتید یا ثابت؟ در واقع در حرکت بودن را باید نسبت به چیز دیگری بیان کرد. یعنی حرکت امری نسبی است.

هم اکنون که شما در حال خواندن این مطلب هستید، احتمالاً ثابت بر روی صندلی نشسته‌اید ولی در همین زمان زمین در حال چرخش به دور خورشید است. پس شما ثابت نیستید. شما هم در حال چرخش به دور خورشید هستید. در فیزیک این مسأله را با عنوان چارچوب مرجع یا دستگاه مرجع می‌نامند. چارچوب مرجع به زبان ساده یعنی مکانی که نسبت به آن سمت، زمان، مکان و سایر ویژگی‌های یک جسم سنجیده می‌شود.

حرکت امری نسبی است
سالها پیش از انیشتن گالیله عنوان کرده بود که حرکت امری نسبی است و هیچ چیز ثابتی در دنیا وجود ندارد. هر چیزی نسبت به جسم دیگری در حال حرکت است.

نکته مهم در مورد چارچوب مرجع اینست که هیچ چارچوب مرجع واحدی در جهان وجود ندارد. یعنی هیچ نقطه‌ای نیست که کاملاً ثابت باشد. نکته مهم دیگر اینکه شما در چارچوب خود همواره ثابت هستید. مفاهیم چارچوب مرجع و نسبی بودن سرعت را برای اولین بار گالیله در سال ۱۶۳۲ عنوان کرد.

سرعت نور

در سال ۱۸۲۰، توماس یانگ (Thomas Young) آزمایشی انجام داد که نشان می‌داد نور از موج ساخته شده است. در آن زمان فیزیکدانان تصور می‌کردند که هر موجی برای انتشار به یک رسانه نیاز دارد. یعنی حتما باید ماده‌ای باشد که موج در آن منتشر شود. مثلاً امواج دریا در آب انتشار می‌یابند و صوت در هوا به گوش ما می‌رسد. بنابراین نور هم باید دارای رسانه‌ای باشد. در آن زمان رسانه‌ی حامل نور را اتر نامیدند.

در سال ۱۸۳۱، مایکلسون و مورلی (Michelson and Morley) آزمایشی ترتیب دادند تا اتر را شناسایی کنند. این دو دانشمند بیان کردند که زمین در حال گردش در زمان‌هایی در جهت اتر قرار می‌گیرد و در زمان‌هایی در خلاف جهت آن. وقتی در جهت اتر قرار می‌گیرد باید سرعت نور بیشتر بشود و نور سریعتر به ما برسد. درست همانند وقتی که دو نفر به سمت هم حرکت می‌کنند. از طرف دیگر در زمانی که زمین در خلاف جهت اتر است، سرعت نور باید کمتر شود. درست همانند وقتی که دو نفر در خلاف جهت هم حرکت می‌کنند. قرار بود آزمایش این دو دانشمند تفاوت سرعت نور در این دو حالت را شناسایی کند.

ولی آزمایش این دو دانشمند خلاف این موضوع را نشان داد و در همه حال سرعت نور ثابت بود. به همین دلیل ایده اتر به مرور زمان کنار گذاشته شد و فیزیکدانان پذیرفتند که سرعت نور همواره ثابت است و به سرعت حرکت اجسام و منبع نور بستگی ندارد.

نسبیت خاص انیشتن

انیشتن با استفاده از دو اصل بالا را در کنار هم قرار داد و نظریه نسبیت خاص را مطرح کرد. یعنی دو اصل نسبیت خاص عبارتند از:

۱- سرعت همواره نسبی است و هیچ چارچوب مرجع واحدی وجود ندارد.

۲- سرعت نور برای همه‌ی چارچوب‌های مرجع همواره ثابت است.

کنار هم قرار دادن این دو اصل موجب به وجود آمدن شگفتی‌های بسیاری می‌شود. برای درک این شگفتی‌ها آزمایش‌های فرضی زیر را در نظر بگیرید.

اتساع زمان

اتساع زمان یکی از نتایج اصلی نظریه نسبیت خاص است. اتساع زمان به معنی کند شدن زمان و نسبی بودن آن می‌باشد.

فرض کنید که در یک سفینه فضایی قرار دارید. یک ساعت خاص هم در این سفینه قرار دارد. این ساعت شامل دو آینه و یک ذره کوچک نور است که بین این دو آینه نوسان می‌کند و پس از برخورد به یکی از آینه‌ها به سمت دیگری بازتاب می‌یابد. هر بار برخورد ذره به یکی از آینه‌ها یک تیک زمانی محسوب می‌شود. تعداد دفعات تیک در هر ثانیه هم مشخص و قابل شمارش است. حال فرض کنید که این سفینه ثابت است. درست مثل شکل زیر:


در این حالت هیچ اتفاق خاصی نمی‌افتد و ذره کوچک خیلی طبیعی به حرکت خود ادامه می‌دهد. حال فرض کنید که سفینه شروع به حرکت می‌کند درست مثل شکل زیر:

نسبیت خاص

اگر به شکل دقت کنید می‌بینید که چیزی تغییر کرده است. دیگر ذره کوچک شما حرکت خطی بالا به پایین ندارد. بلکه هم‌زمان با شما به صورت افقی هم حرکت می‌کند. البته حرکت افقی ذره فقط از دید ناظر بیرون سفینه است و برای شما ذره هم‌چنان به صورت عمودی و مستقیم حرکت می‌کند.

با توجه به اینکه ذره مسافت بیشتری را می‌پیماید تا بین دو آینه حرکت کند و از آنجا که این ذره از جنس نور است و سرعت آن ثابت است، پس مدت زمانی که ذره از آینه اول به آینه دوم می‌رسد افزایش می‌یابد. یعنی از دید ناظر بیرونی ساعت شما کندتر زمان را نشان می‌دهد. اگر مشابه همین ساعت را بیرون از سفینه داشته باشید، پس از مدتی خواهید دید که ساعت شما عقب افتاده است.

هر چه سریعتر حرکت کنید، زمان بیشتر کند می‌شود. همین‌جا پارادوکس دوقلو‌ها هم بیان می‌شود. اگر یکی از دو برادر دوقلو را سوار سفینه فضایی کنیم با سرعتی برابر با ۹۹% سرعت نور به فضا بفرستیم، هر یک روز برادری که در سفینه است، برابر با شش روز برادر در زمین است. پس وقتی فرد در سفینه به زمین بازگردد، خواهد دید که برادر دوقلویش بسیار پیرتر از خودش می‌باشد.

مسأله اتساع زمان در سرعت‌های پایین قابل حس نیست ولی با استفاده از موشک‌های پرسرعت و ساعت‌های اتمی بسیار دقیق، این مسأله کاملاً به صورت عملی مشاهده شده است.

انقباض طول

همان‌طور که ذکر شد، سرعت نور همواره ثابت است. در قسمت قبل هم به این نتیجه رسیدیدم که اگر سرعت حرکت ما زیاد باشد، زمان ما نسبت به ناظر بیرونی کندتر می‌شود. می‌دانیم که سرعت برابر است با مسافت طی شده تقسیم بر زمان. اگر قرار باشد سرعت نور ثابت بماند، پس وقتی که زمان کند می‌شود، صورت کسر یعنی مسافت طی شده باید کم شود. پس هر چه جسمی را با سرعت بیشتری حرکت دهیم، طول جسم نسبت در راستای حرکتش کوتاه‌تر می‌شود. اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند، طول آن به صفر می‌رسد.

همان‌طور که می‌بینید زمان و فضا مفاهیم جدایی نیستند و در واقع دو روی یک سکه می‌باشند. این مفهوم را صفحه فضا-زمان می‌نامند.

نسبیت همزمانی و پارادوکس نردبان

نسبیت همزمانی بیان می‌کند که همزمانی رخداد دو واقعه مطلق نیست و به چارچوب مرجع ناظر بستگی دارد. برای توضیح این مفهوم از پارادوکس نردبان استفاده می‌کنند. این پارادوکس که به پارادوکس طول یا پارادوکس لورنتز هم معروف است به صورت زیر بیان می‌شود:

فرض کنید یک نردبان داریم و یک اتاق که در دو سمت آن در وجود دارد. طول نردبان بیشتر از اتاق است و اگر بخواهیم آن را به صورت افقی در اتاق قرار دهیم، از درهای اتاق بیرون می‌زند. حال فرض کنید نردبان را از فاصله‌ای بسیار دور با سرعتی نزدیک به سرعت نور به سمت یکی از درهای اتاق حرکت می‌دهیم. به دلیل سرعت بالا، طول نردبان از دید ناظر درون اتاق کوتاه می‌شود و در یک لحظه می‌توان نردبان را در اتاق جا داد. فرض کنید پس از ورود نردبان به اتاق هر دو درب را می‌بندیم و سپس درب خروجی را باز می‌کنیم تا نردبان عبور کند. تا بدینجا هیچ مشکلی وجود ندارد.

حال فرض می‌کنیم فردی بر روی نردبان در حرکت قرار دارد و از دید وی مسأله را بررسی می‌کنیم. این شخص هم برای خودش چارچوب مرجعی دارد. از دید این فرد نردبان ثابت است و اتاق است که به سمت وی در حال حرکت می‌باشد (اگر در فضا هیچ جسم دیگری غیر از اتاق و نردبان نباشد و سرعت جسم هم ثابت باشد، نمی‌توان تشخیص داد که کدام در حال حرکت است). در این صورت، طول اتاق برای ناظر بیرونی کوتاه‌تر می‌شود و بدیهی است که هیچ‌گاه نردبان در اتاق جا نخواهد شد.

پارادوکس نردبان


شکل سمت راست از دید فرد روی نردبان و شکل سمت چپ از دید فرد درون اتاق است.

توضیح این مسأله در نسبی بودن همزمانی است. دو اتفاق که از دید یک ناظر همزمان است از دید ناظر دیگر ممکن است همزمان نباشند. وقتی می‌گوییم نردبان در اتاق قرار دارد، یعنی هر دو درب اتاق در یک زمان بسته شوند. برای ناظر درون اتاق هر دو درب در یک زمان بسته می‌شوند ولی برای فردی که بر روی نردبان قرار دارد، با نزدیک شدن به درب خروج، این درب ابتدا بسته و سپس باز می‌شود تا نردبان عبور کند. سپس درب ورود بسته می‌شود. به دلیل اینکه درب دوم به ناظر روی نردبان نزدیکتر بوده است، بسته شدن و باز شدن آن را زودتر می‌بینید.

برابری جرم و انرژی

فرمول معروف E=mc2 هم از نتایج نظریه نسبیت خاص است. در این فرمول E انرژی جسم، m جرم آن و c سرعت نور است. این فرمول بیان می‌کند که انرژی بسیار زیادی در هر جسمی نهفته است. بر اساس همین فرمول انرژی اتمی و شکافت هسته‌ای به وجود آمده است.

یکی از عجیب‌ترین نتایج نسبیت خاص، نسبی بودن جرم جسم است. وقتی جسمی شروع به حرکت می‌کند، جرم آن برای ناظری که در حال سکون است، افزایش می‌یابد. البته مقصود از جرم در اینجا تمایل به سکون یا همان اینرسی است. هر چه سرعت بیشتر شود، جرم جسم هم افزایش می‌یابد تا جایی که در سرعت نور، جرم جسم بی‌نهایت می‌شود. با افزایش سرعت جسم به بیش از سرعت نور نیاز به بی‌نهایت انرژی داریم. به همین دلیل است که هیچ گاه نمی‌توان به سرعتی بیشتر از سرعت نور دست یافت. این اثر را برابری جرم و انرژی می‌نامند. در واقع یکی از نتایج نسبیت خاص اینست که جرم هم خود نوعی انرژی است.

وقتی این نتیجه را در کنار اصل پایداری انرژی و رابطه‌ی تکانه‌ی جسم با انرژی آن قرار دهیم، با اندکی ریاضیات به رابطه‌ی معروف E=mc2 می‌رسیم. البته انیشتن بعدها مفهوم جرم نسبی را کنار گذاشت و ترجیح داد که از همان جرم در حال سکون استفاده کند. هم اکنون هم در کتب پیشرفته‌ی فیزیک از همان مفهوم جرم در حال سکون استفاده می‌شود.