پر بازدید ترین مطالب

هر آنچه باید در مورد نسبیت خاص و عام انشتین بدانید


نظریه‌ی نسبیت یکی از مهم‌ترین و جهان‌شمول‌ترین نظریه‌ها‌ی تاریخ علم است. نظریه‌ای که دید ما را نسبت به فضا و زمان به کلی تغییر داد.

زمانی که از جهان صحبت می‌کنیم، تمام اشیا، انسان‌ها و حیواناتی که می‌شناسیم به ذهمان می‌رسند و تصویری که از جهان در ذهنمان می‌سازیم به تصویر یک شهر شبیه است.

شب های تهران

بیایید لحظه‌ای تصور کنیم که تمام اشیا، انسان‌ها، حیوانات، ستاره‌ها، زمین و حتی اتم‌ها‌ی گازی غیر قابل دیدن را از صحنه حذف کنیم. در این صورت چه باقی می‌ماند؟ جوابی که اکثرمان به این سوال خواهیم داد: هیچ چیز است. اما این جواب، درست نیست چرا که چیزی که باقی می‌ماند، فضای خالی و فضای خالی با هیچ چیز، تفاوت بسیار دارد. بیش‌تر مردم زمانی که از فضا صحبت می‌شود، فضای میان ستاره‌ای دور دست را تصور می‌کنند در حالی که فضا همه جا حضور دارد و تمام اتفاقات روزانه‌ی زندگی ما در همین فضا شکل می‌گیرد. در واقع ساختار بدن تمامی موجودات و تمامی اشیا بیش‌تر از فضای خالی تشکیل شده است. طبق مدل کلاسیکی رادرفورد و مدل‌ها‌ی کوانتومی، بیش‌تر ساختار اتم‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد.

اتم

ساختمانی مانند برج میلاد را تصور کنید. اگر تمام فضا‌ی خالی تشکیل دهنده‌ی اتم‌ها‌ی آن را حذف کنیم، حجمی که باقی می‌ماند، به اندازه‌ی یک دانه‌ی برنج خواهد بود که میلیون‌ها کیلو‌گرم جرم دارد. می‌توانید هر ساختمان یا مکان دیگری را نیز در نظر بگیرید اما در واقع بیش‌تر آنچه جهان ما را می‌سازد، فضا‌ی خالی است. اما فضا‌ی خالی، دقیقا چیست؟

از نظر نیوتون، پدر علم جدید، فضا چیزی شبیه به صحنه‌ی نمایش است که حرکات بازیگران در این صحنه انجام می‌شود و وسایل مورد نیاز نمایش در آن قرار می‌گیرد. این صحنه، تحت تاثیر حرکات و اتفاقات انجام شده قرار نمی‌گیرد و کاملا ثابت است.

فضا

این تصویر از فضا امکان شرح چگونگی افتادن سیب از درخت و گردش زمین به دور خورشید را به نیوتون داد و این قوانین درمورد اکثر پدیده‌ها‌ی آشنا، به‌خوبی جواب می‌دهند. با اینکه نمی‌توانیم فضا را لمس کنیم یا ببینیم، فضا یک واقعیت فیزیکی است که تمامی حرکت‌ها نسبت به آن سنجیده می‌شوند.

نور

از زمان نیوتون تا ۲۰۰ سال بعد، قوانین نیوتون تنها قوانین طبیعت بودند؛ تا این که شخصی به‌نام آلبرت اینیشتین همه چیز را تغییر داد. آلبرت اینیشتین در ۱۴ مارس ۱۸۷۹ در آلمان به دنیا آمد. در این زمان نیروی الکتریکی شهر‌ها را روشن کرده بود و باعث به‌وجود آمدن تکنولوژی‌ها‌یی شده بود که نیوتون حتی آن‌ها را تصور نمی‌کرد. اواسط دهه‌ی ۱۸۰۰، جیمز کلارک ماکسول، با نوشتن معادلات مشهور خود و ادغام الکتریسیته و مغناطیس، راه را برای اینشتین و ابداع تئوری نسبیت خاص باز کرد. در این زمان مفهوم نور، ذهن اینشتین را به خود مشغول کرده بود و چیزی که اهممیت بیش‌تری داشت، سرعت نور بود. نور، بازیگر اصلی تئوری اینشتین بود که اوایل قرن بیستم بیان شد.ویزگی منحصر به فرد نور، ثابت بودن سرعت آن در خلا تحت است. اگر دو نفر با سرعت به ست یکدیگر حرکت کنند، سرعت‌ها‌ی آن‌ها با هم جمع می‌شود یعنی سرعت نسبی آن‌ها از سرعت تک تک آن‌ها بیش‌تر است. اما این قضیه در مورد نور صادق نیست و سرعت نور در خلا همیشه ۶۷۱ میلیون مایل بر ساعت یا ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه است.

ارتباط میان فضا و زمان

می‌دانیم که سرعت یک جسم از مسافت پیموده شده‌ی جسم در یک بازه‌ی زمانی مشخص به‌دست می‌آید. پس سرعت در واقع یک ارتباط میان فضا و زمان است. ثابت بودن سرعت نور نشان می‌دهد که با تغییر بازه‌ی زمانی، فضا نیز تغییر می‌کند و برعکس و اینشتین از همین سرعت ثابت نور نتیجه گرفت که فضا و زمان از یکدیگر تاثیر می‌پذیرند. دلیل مشاهده نکردن این تاثیرات و تغییرات در زندگی این است ما هیچ‌گاه با سرعت بالا در حد سرعت نور حرکت نمی‌کنیم.

زمانی که اینشتین جوان بود، سوالی ذهن او را به خود مشغول کرده بود: آیا اگر بتوانیم با سرعت نور حرکت کنیم، نور نسبت به ما ساکن خواهد بود یا به عبارت دیگر ما نور را ساکن خواهیم دید؟ این در حالی است که معادلات ماکسول نشان می‌دهند که نور نمی‌تواند ساکن باشد و مسلما کسی تا به حال، تجمعی از پرتو‌ها‌ی نور ساکن را ندیده است. پس سول این بود که این پارادوکس ظاهری چگونه قابل حل است؟

۱۰ سال بعد، اینشتین با بیان نظریه‌ی نسبیت خاص، جواب این سوال را به جهان عرضه کرد. قبل از این تاریخ، آزمایش‌ها‌یی برای اثبات وجود اتر در پهنه‌ی کیهان انجام شده بود که تمامی آن‌ها نشان می‌دادند که چیزی به نام اتر وجود ندارد و نور بر‌خلاف دیگر امواج، برای انتشار به محیط مادی نیازی ندارد. به‌زبان دیگر، چارچوبی برای سنجش سرعت نور نسبت به آن وجود ندارد. پاسخ ساده‌ی اینیشتین برای این مورد، ثابت بودن سرعت نور یعنی ۱۰۷۰ میلیون کیلومتربر‌ساعت، نسبت به همه چیز و هیچ چیز است. نظریه‌ی اینشتین به‌سادگی بیان می‌کند که با هر سرعتی، چه به نور نزدیک شوید یا از آن دور شوید، سرعت آن را به‌طور ثابت اندازه‌گیری خواهید کرد و معادلات ماکسول نشان می‌دهند که نور نمی‌تواند ساکن باشد. طبیعتا این سوال پیش می‌آید که منشا این رفتار عجیب نور چیست؟

همان‌گونه که گفته شد، سرعت، معیاری از اندازه‌گیری فضا بر زمان است و طبق نظر نیوتون، این اندازه‌گیری به ناظر وابسته نیست و برای همه‌ی ناظر‌ها‌یی که آن را اندازه می‌گیرند ثابت است. چرا که نیوتون فضا و زمان را مطلق در نظر می‌گیرد و این دیدگاه در زندگی روزانه و معمول درست است. اما در نظریه‌ی نسبیت خاص اینیشتین فضا و زمان دیگر همان فضا و زمان معمول قبلی نیستند.

فرض کنید در یک تاکسی نشسته‌اید و این تاکسی می‌تواند با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند. در این حرکت، شما فضا‌ی بیرون و خیابان پیش رویتان را طولانی‌تر می‌بینید اما زمان روی ساعت مچی‌تان به‌صورت نرمال جلو می‌رود. اما فردی که در خیابان ایستاده و حرکت شما را تماشا می‌کند، می‌بیند که زمان برای شما به‌کندی جلو می‌رود. همه‌ی این وقایع عجیب برای ثابت نگه‌داشتن سرعت نور است. پس در نظریه‌ی نسبیت خاص، فضا و زمان دیگر جدا از هم نیستند و با‌هم کار می‌کنند.

بنابر این امروزه می‌دانیم که زمان و مکان لزوما در همه‌ی شرایط، مطلق نیستند و کاملا به ناظر اندازه‌گیرنده و مشاهده‌کننده‌شان بستگی دارند. ریاضیات نظریه‌ی اینشتین بسیار ساده است. هنر اینشتین ریاضیات و معادلات پیچیده نبوده است، بلکه او دید فیزیکی ما نسبت به فضا و زمان را تغییر داده و نشان داده است که چگونه امکان دارد که اندازه‌گیری دو شخص مختلف از یک رویداد، متفاوت باشد.

برای درک بهتر یافته‌ها‌ی اینیشتین، اسکیت‌سواری را تصور کنید که با سرعت ۲۰ متر بر ثانیه به طرف شمال حرکت می‌کند. در یک لحظه به راهی برخورد می‌کند که جهت‌گیری آن به سمت شمال شرقی است و این راه را انتخاب می‌کند. زمانی که او در این راه حرکت می‌کند، مولفه‌ی شمال سرعت او دیگر همان ۲۰ متر بر ثانیه‌ی قبلی نخواهد بود و کم‌تر از قبل خواهد بود. چرا که به دلیل تغییر جهت از شمال به شمال شرقی، میزانی از سرعت قبلی به سرعت در جهت شرق تبدیل شده است. این مثال بسیار ساده، چگونگی کارکرد نظریه‌ی اینیشتین را به صورت زیر نشان می‌دهد:

فضا زمان

همه‌ی ما می‌دانیم که اشیا می‌تواند در فضا حرکت کنند. اما نوع دیگری از حرکت نیز وجود دارد و آن حرکت اشیا در زمان است و منظور از این نوع حرکت، رفتن از یک ثانیه به ثانیه‌ی بعدی و بعدی است. به عقیده‌ی نیوتون، حرکت در فضا و حرکت در زمان کاملا از هم جدا بوده و ربطی به هم ندارند اما اینشتین نشان دادکه این دو حرکت، کاملا به‌هم مرتبط هستند. برای مثال: زمانی که به یک ماشین پارک شده نگاه می‌کنید که نسبت به شما ساکن است و حرکتی در فضا ندارد، کل حرکت این ماشین، به حرکت در زمان اختصاص داده می‌شود و زمان برای ماشین و سرنشینان آن به صورت معمول می‌گذرد. اگر این اتوموبیل با سرعت مشخصی به حرکت در‌آید، کسری از سرعت آن به سرعت حرکت در فضا تبدیل می‌شود و سرعت گذر زمان برای اتوموبیل کند‌تر از گذر زمان برای شما و اشیا‌ی ساکن نسبت به شما خواهد بود. 

فضا_ زمان خمیده (نسبیت عام)

نگاهی به ساختار فضا_ زمان اینیشتین، یکی از معما‌ها‌ی بنیادین طبیعت را حل کرد و این معما، چگونگی کار‌کرد آشنا‌ترین نیروی طبیعت به‌نام گرانش است. نیوتون می‌دانست که نیروی گرانش، اجسام مختلف را در کنار یک‌دیگر نگه می‌دارد و با جرم اشیا سرو کار دارد. روابطی که تحت عنوان قوانین نیوتون با آن‌ها درگیر هستیم، شدت این نیرو را با دقت بسیار خوبی تعیین می‌کند. اما نیوتون هیچ‌وقت متوجه چگونگی کار‌کرد نیروی گرانش نشد. چگونه ممکن است که ماه بی‌وقفه به دور زمین بگردد؟ ماه از فاصله‌ی بسیار دور چگونه متوجه وجود زمین در آن مکان می‌شود؟ کار‌کرد این نیرو به گونه‌ای است که انگار ماه با طنابی نامرئی به زمین متصل شده باشد اما همه‌ی ما می‌دانیم که این تفکر درست نیست و در حقیقت این‌ها سوالاتی هستند که قوانین نیوتون پاسخی برای آن‌ها ندارد.

گرانش

بعد از ده سال جست‌و‌جو و تفکر در مورد این موضوع، اینیشتین توانست با ارائه‌ی توصیف جدیدی از فضا به این سوالات پاسخ دهد. گفتیم که از نظر نیوتون، فضا مانند یک صحنه‌ی خالی است که نمی‌تواند بر عمل شکل گرفته در این صحنه تاثیر بگذارد. اما از دید اینیشتین اینگونه نیست. در این دیدگاه جدید، فضا می‌تواند کشیده شود و یا حتی موج‌دار شود. اجسام مختلف می‌توانند باعث تغییر شکل این فضا بشوند. برای درک بهتر، یک میز بیلیارد را به عنوان فضا در نظر بگیرید که گوی‌ها‌ی بیلیارد، به عنوان زمین و دیگر سیارات باشند، اگر فضا‌ی نیوتونی را در نظر بگیریم، گوی‌ها‌ی بیلیارد در مسیر مستقیم حرکت می‌کنند اما فضا از دید اینیشتین، قابل انعطاف است. پس اگر یک جسم سنگین مانند زمین در این فضا قرار بگیرد، باعث ایجاد یک چاله در ساختار این فضا می‌شود که ماه، حول این چاله می‌گردد. 

نسبیت عام

طبق نظریه‌ی اینیشتین، گرانش، همان کشیدگی‌ها و خمیدگی‌ها‌ی فضا است که توسط اجسام ایجاد شده است. هر جسمی می‌تواند بسته به جرمی که دارد بر این فضا تاثیر بگذارد اما این تاثیر به حدی کوچک است که تنها در مورد اجسام بسیار سنگین مثل زمین و سیارات و دیگر اجرام کیهانی محسوس است. گردش ماه حول زمین به دلیل وجود یک نیروی مرموز یا یک طناب نامرئی نیست، بلکه به دلیل وجود چاله‌ای است که زمین به دلیل جرم زیاد خود در فضا ایجاد کرده است. پس از اینیشتین، فضا دیگر یک صحنه‌ی ثابت نیست، بلکه بازیگری است که نقش مهمی در درام کیهانی بازی می‌کند.

 یکی از موارد مهم برای تست ایده‌ی اینیشتین در مورد فضا، نزدیک افق رویداد یک سیاهچاله است. یک سیاهچاله در ابتدا ستاره‌ی پر‌جرمی بوده است که پس از اتمام سوخت هسته‌ای مرکزی، در خود فرو‌رفته است. حجم یک سیاهچاله، بسیار کم است و میلیون‌ها تن جرم دارد. گرانش یک سیاهچاله به حدی زیاد است که با توجه به ریاضیات نظریه‌ی اینیشتین، می‌تواند فضا را به دنبال خود بکشد و آن را مانند یک تکه پارچه دچار پیچ و خم‌ها‌ی شدید کند. همین تغییرات شدید فضا در افق رویداد یک سیاهچاله می‌تواند مورد برای آزمودن نظریه‌ی اینیشتین باشد. اما نزدیک‌ترین سیاهچاله میلیارد‌ها مایل از ما دور است و به دلیل گرانش زیاد سیاهچاله نمی‌توان به آن نزدیک شد. پس چگونه می‌توان فهمید که نظریه‌ی اینیشتین حقیقت دارد؟

سیاهچاله

سیاهچاله

کاوشگر گرانش B

در اواخر دهه‌ی ۱۹۵۰، فیزیکدانی به‌نام لئونارد شیف به‌دنبال مکان نزدیک‌تری برای آزمودن نظریه‌ی اینیشتین می‌گشت. همانگونه که یک سیاهچاله می‌تواند فضا را دچار کشیدگی کند، زمین نیز با چرخیدن و حرکت در فضا می‌تواند پیچش و کشیدگی ایجاد کند، اما اثر این پیچش از تاثیر یک سیاهچاله کم‌تر است. وسیله‌ای که ذهن شیف را درگیر کرده بود، یک اسباب‌بازی ساده به‌نام ژیروسکوپ بود. ایده‌ی شیف بسیار عجیب بود. او ایده‌ی خود را با دو نفر از همکاران خود به‌نام‌ها‌ی ویلیام فلربنک و رابرت کنن (Robert Cannon) در اسختر استنفورد در میان گذاشت. این سه نفر تصمیم گرفتند که یک ژیروسکوپ پیشرفته را به مدار زمین بفرستند تا بتوانند درستی نظریه‌ی اینیشتین را بررسی کنند. ایده‌ی شیف در قالب مقاله‌ای به عنوان راه جدید و قابل اجرای تست ازمایشگاهی نظریه‌ی نسبیت عام اینیشتین در ۱ مارس ۱۹۶۰ در Physical Review Letters منتشر شد.

در حالت عادی، جهت‌گیری یک ژیروسکوپ در فضا ثابت است مگر اینکه یک عامل خارجی باعث تغییر در جهت آن شود.

ژیروسکوپ

این ایده سیار ساده است. اما مشکلی وجود داشت و آن هم پیش‌بینی نظریه‌ی اینیشتین در مورد میزان تغییر جهت ژیروسکوپ بود. طبق پیش‌بینی اینیشتین، اندازه‌گیری این تغییر جهت مثل این است که بخواهید قطر یک سکه را از فاصله‌ی ۶۲ مایلی اندازه بگیرید.

گرانش

در سال ۱۹۶۲ طرح با نام کاوشگر گرانش B، برای گرفتن حمایت برای ناسا فرستاده شد. پیش‌بینی اعضا‌ی تیم برای انجام پروژه حدود سه سال بود اما این پیش‌بینی بسیار خوشبینانه بود و عملی شدن طرح حدود ۴۰ سال طول کشید و در طول این سال‌ها، عملیات ۹ بار توسط ناسا در شرف لغو شدن بود. اما بلاخره در آپریل سال ۲۰۰۴ کاوشگر گرانش B به فضا فرستاده شد و از سه بنیان‌گذار این طرح، فقط یکی از آن‌ها زنده بود و توانست نتیجه‌ی تلاش‌ها‌ی خود را ببیند.

فراهم کردن تکنولوژی لازم برای آزمودن این نظریه بسیار دشوار بود. چرا که ماهواره‌ای که در مدار زمین قرار می‌گرفت باید طوری طراحی می‌شد که باد‌ها‌ی خورشیدی و دیگر تابش‌ها‌ی کیهانی تاثیری بر آن نگذارند. در این آزمایش، از چند ژیروسکوپ پیشرفته استفاده شد که جهت اشاره‌ی همه‌ی ان‌ها به یک ستاره در دور‌دست بود. بررسی داده‌ها نشان داد که جهت اشاره‌ی ژیروسکوپ‌ها به همان میزان پیش‌بینی شده در معادلات اینیشتین تغییر پیدا کرد. این آزمایش، نخستین مشاهده‌ی مستقیم از نسبیت عام اینیشتین بود و نشان داد که اگر فضا در واقع، هیچ بود، دیگر چیزی برای پیچ و تاب خوردن وجود نداشت.

گرانش

گرانش نیوتونی در مقابل گرانش اینیشتین

معادلات گرانش نیوتون توضیح داد که همه‌ی اجسام به یکدیگر نیروی گرانش وارد می‌کنند و هر جسمی متناسب با جرم خود تحت تاثیر نیرو، حرکت شتاب‌دار خواهد داشت. طبق معادلات نیوتون، نیروی گرانش بین دو جسم، با مربع فاصله‌ی آن‌ها نسبت عکس دارد. نظریه‌ی گرانش نیوتونی جوابگو‌ی بسیاری از مشاهدات روزمره است اما نتوانست بی‌نظمی موجود در حرکت گردشی عطارد به دور خورشید را به‌خوبی توصیف کند و اختلاف اندکی با واقعیت این مسئله داشت. 

تفکر تکان‌دهنده‌ی اینیشتین در مورد گرانش که به آن را شادمانه‌ترین تفکر کل زندگی خود می‌داند، بیان می‌کند که گرانش همان شتاب‌گیری است و آن را اصل تساوی نامید. او متوجه شد که اگر جسمی آزادانه در یک میدان گرانشی سقوط کند، دیگر وزن خود را احساس نخواهد کرد (مانند چتر‌بازی هنوز چتر خود را باز نکرده است و یا شخصی در آسانسور که کابل آسانسور بریده است.)

یک مثال ساده از این تفکر، فضا‌پیما‌یی است که با شتاب ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه (شتاب گرانش زمین)، از زمین دور می‌شود. فضا‌نورد این فضا‌پیما، یک پر و یک چکش را به‌صورت هم‌زمان رها می‌کند، در غیاب مقاومت هوا، این دو جسم با هم بر زمین می‌افتند. درست مانند زمانی که این آزمایش روی زمین انجام شود. این نتیجه به این معنی است که فضا‌نورد و اجسام داخل فضا‌پیما، شتاب خود را حس نمی‌کنند و موقعیت آن‌ها مانند زمانی است که در سطح زمین بوده‌اند.

گرانش می‌تواند بر گذر زمان نیز تاثیر بگذارد. در قسمت نسبیت خاص اینیشتین، اتساع زمان یا گذر کند زمان توضیح داده شد. در نسبیت عام یا گرانش اینیشتین نیز این واقعیت وجود دارد که زمان برای اجسام تحت تاثیر میدان گرانشی یک جسم بسیار سنگین به کندی می‌گذرد. اتساع زمان تحت تاثیر گرانش، امکان سفر در زمان را نیز فراهم می‌کند. برای مثال اگر جسمی تحت تاثیر یک میدان گرانشی قوی مانند یک سیاهچاله قرار بگیرد، گذر زمان را در مقایسه با محیط اطراف، به‌کندی احساس می‌کند و در نتیجه امکان سفر به آینده را خواهد داشت.

امواج گرانشی

امواج گرانشی، آشفتگی‌ها‌ی فضا_ زمان هستند که با حرکت شتاب‌دار اجسام بسیار سنگین مانند سیاهچاله‌ها و ستاره‌ها‌ی نوترونی ایجاد می‌شوند. همه‌ی اجسام در حال حرکت، امواجی را در ساختار فضا_ زمان ایجاد می‌کنند اما انرژی این امواج به حدی کم است که قابل تشخیص و آشکار‌سازی نیستند. اینیشتین در سال ۱۹۱۶ در نظریه‌ی نسبیت عام خود وجود این امواج را پیش‌بینی کرد. در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ تیم پژوهشی لایگو توانست اولین مشاهده از امواج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاهچاله که ۱۳ میلیارد سال نوری از ما دور هستند را آشکار‌سازی کنند و بار‌دیگر درستی نظریه‌ی اینیشتین را تایید کنند.

امواج گرانشی

آلبرت اینیشتین، یکی از جهان شمول‌ترین نظریه‌ها‌ی تاریخ را بیان کرد و یکی از تکان‌دهنده‌ترین افراد تاریخ علم بود. او تا هنگام مرگ در پی حل معما‌ها‌ی بزرگ جهان بود و زمانی که در پی رسیدن به نظریه‌ای جهان شمول برای اتحاد نسبیت و مکانیک کوانتومی بود، عمرش به پایان رسید و کارش نیمه تمام ماند. هم اکنون دانشمندان زیادی در تلاش هستند تا کار نیمه تمام او را تمام کنند.



لینک منبع

ممکن است به این موارد نیز علاقه مند باشید:

آخرین مطالب