نسبیت به زبان ساده

 

تئوری جاذبه ای که نیوتن (Newton) ارائه کرد خیلی زود بدون تقریبآ هیچ سئوالی جدی مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. تا اینکه در اوایل قرن بیستم آلبرت اینشتین (Albert Einstein 1879-1955) با ارائه نظریه نسبیت خاص در سال 1905 و نظریه نسبیت عام در سال 1915 نه تنها قوانین فیزیک و جاذبه عمومی نیوتن بلکه پایه های فیزیک عصر خود را لرزاند.


هر چند قبل از او ماکس پلانک (Max Planck) با ارائه نظریه کوانتوم (Quantum) تا حد زیادی فیزیک نیوتنی را زیر سئوال برده بود اما اینتشتن با انتشار مقاله های خود راجع به تئوری نسبیت رسما" ثابت کرد که فیزیک نیوتن در حالت های بسیار خاص پاسخگوی پدیده های فیزیکی می باشد.

وی بعد ها با فعالیت هایی که در سالهای 1920 تا 1925 انجام داد بعنوان یکی از پایه گذاران اصلی مکانیک کوانتوم نیز شناخته شد.

آلبرت اینشتین طی سالهای 1930 الی 1955 به بررسی رفتار عالم هستی پرداخت و مقالاتی در این باره منتشر کرد. او می خواست با ترکیب تئوری نسبیت و کوانتم به تئوری جامعی برای مدل کردن جهان هستی دست پیدا کند که زندگی این فرصت را برای تکمیل کار به او نداد. اما بعد ها در سال 1933 هابل (Hubble) و هومنسون (Humanson) با تحقیقاتی که در زمینه کهکشانهای مختلف انجام دادند بر نظریه های او را جع به جهان هستی صحه گذاردند.

بحث راجع به تئوری های نسبیت خاص و عام خارج از حوصله این مطلب می باشد اما سعی می کنیم در این قسمت بطور مختصر به تشریح برخی نتایج حاصل از آنها بپردازیم.

اینشتین با نظریه نسبیت خاص خود نشان داد که سه قانون فیزیک نیوتن تنها در شرایط خاصی آنهم بصورت تقریبی صحت دارند این معادلات را که به تبدیلات گالیله هم معروف هستند در دستگاههای مختصات ثابت و یا در سرعتهای بسیار کمتر از سرعت نور است میتوان به کار برد و هنگامی که سرعت اجسام زیاد شده و با سرعت نور قابل مقایسه شوند به هیچ وجه نمی توان قوانین نیوتن را در مورد اجسام حتی با تقریب بالا بکار برد. همچنین نظریه نسبیت عام او نشان داد که باز نظریه نیوتن راجع به قانون جاذبه عمومی دقیق نمی باشد و در میدان های جاذبه بسیار قوی فرمول نیوتن جای بحث دارد.

مطالعه حرکت عطارد (Mercury) به دور خورشید از دیر باز مورد علاقه ستاره شناسان و فیزیک دانان بوده است. مشکل اینجا بوجود آمد که مشاهده شد صفحه ای که عطارد در آن به دور خوشید می چرخد خود دارای حرکت می باشد.

اندازه گیری ها نشان داد که این حرکت در هر یکصد سال معادل 43 ثانیه (در اینجا منظور از ثانیه واحد اندازه گیری کمان می باشد که معادل 1/3600 درجه است) می باشد. با وجود آنکه این مقدار حرکت برای هر سال بسیار کم می باشد اما قانون جاذبه عمومی نیوتن از توجیه آن عاجز است.

نیوتن معتقد بود که نور در یک مسیر مستقیم حرکت می کند اما اینشتین نشان داد که اگر جسمی دارای یک میدان جاذبه بزرگ باشد و نور از کنار آن عبور کند دچار انحراف از مسیر مستقیم خود می شود.

از دیگر مواردی که از قانون نسبیت عام می توان نتیجه گرفت آن که نور ستارگانی که دارای میدانهای مغناطیسی قوی میباشند در راه رسیدن به زمین تغییر طول موج می دهند. این اثر که به Red Shift مشهور است، باعث می شود طول موج نور این ستاره ها بزرگتر شود. این مسئله که باز با قوانین نیوتن قابل تحلیل نمی باشد توسط معادلات تئوری نسبیت عام بسادگی مدل می شود.

حتی زمان هم نسبی می باشد!
از نتایج جالب تئوری نسبیت خاص می توان به بیان ارتباط میان زمان و فضا (فاصله) و اینکه تمام موجودیت ها در دنیا با یکدیگر مرتبط بوده و بر یکدیگر اثر می گذارند، اشاره کرد. نیوتن معتقد بود که زمان ثابت است و در تمام نقاط به یک صورت عمل می کند. اما اینشتین نشان داد که اینگونه نیست و در سرعتهای نزدیک به سرعت نور پدیده های انقباض فضا و اتساع زمان رخ می دهد این پدیده های غیر عادی را میتوان در رسیدن ذراتی به نام میون به سطح زمین مشاهده کرد این ذرات به سرعت واپاشیده می شوند و نیمه عمری حدود 1.52 میکرو ثانیه نسبت به ناظر ساکن دارند در صورتی که به وسیله تبدیلات گالیله تعداد ذراتی که پس از تولید در جو تا رسیدن به زمین را بخواهیم محاسبه کنیم میبینیم که:

T=H/V

که در آن T زمان سقوط H ارتفاع و برابر با 2.23 کیلومتر و V برابر با سرعت میون  که 0.98 برابر سرعت نور است پس T برابر با 7.6 میکرو ثانیه یا 5 برابر نیمه عمر میون است پس طبق این تبدیلات باید در رسیدن به زمین تنها یک سی ودوم مقدار اولیه از ذرات به زمین رسیده باشند که این موضوع با آزمایش که بیان می کند نیمی از این ذرات به زمین رسیده اند سازگاری ندارد اما تبدیلات نسبیتی به خوبی میتواند نتایج تجربی را پیشگویی کند.

مثال جالبی دیگری که معمولا" در این باره بیان می شود آن است که دو برادر دوقلو را در نظر بگیرید. یکی روی زمین می ماند و دیگری با یک فضا پیما با سرعت نزدیک به نور به سمت فضا حرکت می کند. پس از آنکه برادر روی زمین 100 سال از عمرش بگذرد، برادری که در فضا پیما می باشد فقط یکسال از عمرش گذشته است!