نظریه نسبیت خاص اینشتین

بگذارید ساده تر بگوئیم. با نزدیک شی به سرعت نور، جرم آن نامتناهی شده و قادر به حرکت سریع تر از سرعت نور نیست. این محدودیت سرعت کیهانی یکی از موضوعات عمده مورد بحث در دنیای فیزیک و حتی ژانر علمی-تخیلی بوده است؛ زیرا افراد درصدد پی بردن به چگونگی سفر در فواصل بسیار دور هستند. نظریه نسبیت خاص در سال ۱۹۰۵ میلادی توسط آلبرت اینشتین مطرح شد که بخشی از مبانی فیزیک مدرن را تشکیل می دهد. اینشتین پس از پایان کارش در این نظریه، به مدت یک دهه در خصوص این مسئله به تامل پرداخت: چه اتفاقی می افتد اگر کسی “شتاب” را معرفی کند؟ این سوال مبنای نظریه عام وی را شکل داد؛ نظریه ای که در سال ۱۹۱۵ انتشار یافت.

تاریخچه

اخترشناسان قبل از اینشتین جهان را بر حسب سه قانون حرکت ارائه شده توسط آیزاک نیوتن در سال ۱۶۸۶ درک می کردند. این سه قانون به شرح زیر می باشند:

۱- اشیای در حال حرکت به حرکت خود ادامه می دهند، مگر آنکه یک نیروی خارجی تغییری بر آنها اعمال کند.

۲- طبق قانون دوم نیوتن، برای غلبه بر وضعیت تعادل و اینرسی یک جسم بایستی بر آن نیرو وارد کنیم. یعنی از سکون آن را خارج کنیم یا سرعتش را تغییر دهیم یا جهت حرکت آن را عوض کنیم. نیرویی که برای از بین بردن اینرسی به جسم وارد می کنیم متناسب با جرم جسم شتابی ایجاد می کند.

۳- طبق قانون سوم نیوتن، اگر جسمی به جسمی دیگر نیرو وارد کند، جسم دوم نیز نیرویی به همان اندازه ولی در خلاف جهت به جسم اول وارد می کند.

به قانون سوم نیوتن، قانون کنش و واکنش نیز می گویند. اما قبل از وارد شدن اینشتین به صحنه، به مدت چندین دهه شکاف هایی در این نظریه وجود داشت. “جیمز کلرک ماکسول” فیزیکدان اسکاتلندی در سال ۱۸۶۵ اعلام کرد که نور، موجی با مؤلفه های الکتریکی و مغناطیسی است. ماکسول سرعت نور را ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه محاسبه کرد. به اعتقاد دانشمندان، نور می بایست از طریق واسطه ای انتقال یابد. لذا عبارت « اتر » مطرح شد، ماده ای نامرئی که معتقد بودند فضا را پر کرده و موجب انتقال امواج نور و غیره می شود. اما اکنون می دانیم که نیازی به هیچ واسطهٔ انتقال نیست و نور در خلا حرکت می کند.

بیست سال بعد، نتیجه ای غیر قابل انتظار این گفته را به چالش کشید. مایکلسون و ادوارد مورلی که به ترتیب فیزیکدان و شیمی دان بوده و هر دو ملیت آمریکایی داشتند، نحوه تاثیر گذاری حرکت زمین از طریق این اتر را بر چگونگی اندازه گیری سرعت نور مورد محاسبه قرار دادند. آنان دریافتند که سرعت نور یکسان است و فرقی نمی کند حرکت زمین چگونه باشد. یافته های این دو باعث ژرف اندیشی های بیشتر در خصوص رفتار نور و ناسازگاری آن با مکانیک کلاسیک شد. “ارنست ماخ” فیزیکدان اتریشی و “هنری پوینکر” ریاضیدان فرانسوی به پژوهش های بیشتر در این زمینه دست زدند.

اینشتین زمانی درباره رفتار نور شروع به فکر کردن نمود که تنها ۱۶ سال داشت. او یک آزمایش فکر ترتیب داد. او یک موج نور را به حرکت در آورد و به موج نور دیگری که بصورت موازی به سمت او حرکت می کرد، نگاه کرد. بر اساس فیزیک کلاسیک، موج نوری که اینشتین به آن نگاه می کرد دارای سرعت نسبی صفر بوده است اما این ادعا با معادلات ماکسول همخوانی ندارد. زیرا بنا به معادلات وی، نور همواره با سرعت ثابت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه حرکت می کند. یکی دیگر از مسائل ناشی از سرعت نسبی این است که قوانین الکترومغناطیس بسته به موقعیت مناسب شما تغییر می یابد و این با فیزیک کلاسیک در تناقض می باشد.

این شرایط اینشتین را مجاب کرد تا با ژرف اندیشی بیشتری به بررسی نظریه نسبیت خاص بپردازد. او از یک مثال ساده کمک گرفت. وی شخصی را که در کنار قطار در حال حرکت بود، در نظر گرفته و مشاهدات این شخص را با شخص داخل قطار مورد مقایسه قرار داد. وی شرایطی را تصور کرد که طی آن، قطار در نقطه ای از ریل و دقیقاً ما بین دو درخت باشد. اگر صاعقه ای بصورت همزمان هر دو درخت را به دلیل حرکت قطار مورد اصابت قرار دهد، شخص داخل قطار اصابت صاعقه به یک درخت را قبل از درخت دیگر خواهد دید. اما شخصی که در کنار قطار ایستاده است، همزمان شاهد اصابت صاعقه به هر دو درخت خواهد بود.(ویدئوی بالا را مشاهده کنید)

اینشتین به این نتیجه رسید که «نسبیت همزمانی» است؛ رویدادهایی که برای شخصی بصورت همزمان اتفاق می افتند، شاید برای شخصی دیگر همزمان نباشند. این نتیجه اینشتین را به سمت ایدهٔ دور از تصوری سوق داد: بر طبق وضعیت حرکت، زمان بصورت متفاوت جاری می شود و فاصله نیز امری نسبی است.

معادله مشهور

کارهای اینشتین نتایج شگفت انگیزی را در پی داشت؛ نتایجی که هنوز هم دور از عقل سلیم به نظر می رسند، علی رغم اینکه نظریات وی معمولا در سطح دبیرستان تدریس می شوند. یکی از مشهورترین معادلات در علم ریاضیات از نسبیت خاص نشأت می گیرد. بر اساس معادله E=mc2، هر مقدار ماده را در نظر بگیریم عملا با انرژی هم ارز است و مقدار این انرژی هم بسیار زیاد است. تبدیل مقدار ناچیزی ماده به انرژی(مانند آنچه در بمب اتمی رخ میدهد) انرژی بسیار عظیم و فراتر از تصورى ایجاد می کند.

فردی که حرکت می کند، جرمش افزایش می یابد در واقع وزن فرد متحرک از فرد بدون حرکت بیشتر است. جسمی که حرکت می کند هر یک ثانیه ای را که می گذراند عملا بیشتر از یک جسم ثابت طول می کشد. به عبارت دیگر، فردی که ثابت است زمان فردی را که در حال حرکت است را کندتر محاسبه می کند. در سرعت های خیلی نزدیک به نور ممکن است هر ثانیه فرد در حال حرکت معادل سالها زندگی فرد بدون حرکت باشد. جرم همراه با سرعت افزایش می یابد؛ لذا نوعی محدودیت سرعت بر سرعت حرکت اجسام در جهان اعمال می شود. بگذارید ساده تر بگوئیم. چیزی سریع تر از سرعت نور (c) وجود ندارد. اجسام با این سرعت در خلأ حرکت می کنند. با حرکت یک جسم، جرم آن افزایش پیدا می کند. جرم در نزدیکی سرعت نور به قدری بالاست که به بی نهایت می رسد. تنها دلیلی که می توان برای این سرعت خارق العاده نور آورد، فوتون ها هستند؛ ذرات کوانتومی تشکیل دهندهٔ نور که جرمی برابر با صفر دارند.

یکی از شرایط ویژه و گیج کننده در جهان “درهم تنیدگی کوانتومی” نام دارد؛ زیرا ذرات کوانتومی در آن با سرعتی سریع تر از سرعت نور به برهم کنش با یکدیگر می پردازند. اندازه گیری ویژگی یک ذره می تواند شما را فوراً از ویژگی ذره ای دیگر آگاه سازد و فاصله این دو ذره با همدیگر بی تاثیر است. مقالات اندکی درباره این پدیده نوشته شده و هنوز بطور کامل بر حسب نتایج اینشتین توضیح داده نشده است.

یکی دیگر از برداشت های عجیب از کارهای اینشتین به این نکته مربوط می شود که “زمان بصورت نسبی برای ناظر حرکت می کند.” جسم در حال حرکت دچار اتساع زمان می شود؛ یعنی وقتی کسی حرکت می کند در مقایسه با کسی که بصورت ساکن ایستاده است، زمان برایش کند تر می گذرد. بنابراین، شخص در حال حرکت کندتر از شخص ساکن فرآیند پیری را تجربه می کند. بله همینطوره! زمانیکه فضانورد “اسکات کلی” تقریبا یک سال را در ایستگاه فضایی بین‌المللی سپری کرد، برادر دوقلویش “مارک کلی” قدری سریعتر از اسکات به پیری نزدیک شد. در نظر بگیرید که این نتایج فقط در صورتی به وضوح قابل مشاهده اند که سرعت حرکت جسم به سرعت حرکت نور در خلا نزدیک باشد که در جهان روزمره ما عملا اتفاق نمی افتد.

فرد پانزده ساله ای را تصور کنید که با ۹۹٫۵ درصد سرعت نور به مدت پنج سال سفر می کند. زمانی که خودش به زمین بازگردد، تنها ۲۰ سال خواهد داشت. اما همکلاسی هایش ۶۵ ساله خواهند بود. اگرچه پدیده اتساع زمان امری نظری جلوه می کند، اما دارای کاربرد های عملی نیز می باشد. اگر یک گیرنده ماهواره ای موقعیت یاب جهانی(GPS) در اتومبیل تان داشته باشید، گیرنده تلاش می کند تا با یافتن سیگنال هایی از حداقل سه ماهواره به تعیین موقعیت شما بپردازد. ماهواره های GPS سیگنال های رادیویی زمان بندی شده ای را ارسال می کنند گیرنده آنها را دریافت کند. نکته جالب اینجاست که ساعت های اتمی رو GPS در حال حرکت اند و سریع تر از ساعت های اتمی در زمین حرکت می کنند. لذا مسائل زمانی به وجود می آید. به گفتهٔ “ریچارد پاگ” اخترشناس در دانشگاه ایالت اوهایو، مهندسان باید ساعت هایی بر روی GPS قرار دهند که قدری کند تر حرکت کند.

بنا به گزارش Physics Central، ساعت در فضا سریع تر کار می کند زیرا ماهواره های GPS در بالای زمین قرار دارند و جاذبه ضعیفی را تجربه می کنند. پس اگرچه ماهواره های GPS در حال حرکت بوده و به دلیل حرکت شان همه روزه با کُند شدگی هفت میکرو ثانیه ای روبرو هستند، ولی جاذبه ضعیف باعث می شود تا ساعت در حدود ۴۵ میکرو ثانیه سریع تر از یک ساعت زمینی کار کند. لذا در مجموع ساعت ماهواره GPS بطور روزانه ۳۸ میکرو ثانیه سریع تر از ساعت های زمینی کار می کند.

نسبیت خاص و مکانیک کوانتومی

با پیشرفت و توسعه دانش فیزیکی، دانشمندان به نکات شگفت انگیزی دست یافته اند که برای ما دور از تصور بنظر می رسد. برخی درصدد تلقیق نظریه نسبیت عام با مکانیک کوانتومی هستند که برای چیزهای بسیار کوچک مثل فروپاشی اتم اورانیوم کاربرد دارد. این دو حوزه با یکدیگر ناسازگار اند؛ این ناسازگاری اینشتین و نسل دانشمندان بعد از او را بر آشفته است.

مقاله منتشر شده در سال ۲۰۱۵ میلادی در روزنامه گاردین چنین می گوید: وقتی می خواهید نظریه نسبیت را در اندازه کوانتومی بسنجید، با پاسخ های بی معنی این نظریه مواجه می شوید. همین اتفاق به شکل دیگری برای مکانیک کوانتومی می افتد. وقتی بخواهید به بررسی در ابعاد کیهانی بپردازید، مکانیک کوانتومی به دردتان نمی خورد. میدان های کوانتومی مقدار مشخصی انرژی حمل می کنند حتی در خلأ. با بزرگتر شدن میدان های کوانتومی، مقدار انرژی نیز بزرگتر می شود. بر طبق معادله اینشتین، جرم و انرژی هم ارز اند. پس تجمع انرژی دقیقاً مشابه تجمع جرم می باشد. مقدار انرژی موجود در میدان های کوانتومی می تواند به قدری افزایش یابد که سیاهچاله ای در اثر آن پدید آید.

ایده های متعددی برای فائق آمدن برای این مسئله وجود دارد که خارج از حیطه این مقاله هستند، اما نظریه کوانتومی جاذبه یکی از روش های قابل تصور است که می تواند از ذره بدون جرم موسوم به گراویتون برای تولید نیرو بهره ببرد. اما بنابه گفتهٔ فیزیکدان “دیو گولدبرگ” در سال ۲۰۱۳، این ایده هم مشکلاتی را به بار می آورد. در کوچکترین مقیاس ها، گراویتون ها دارای چگالی انرژی نامتناهی هستند که به ایجاد یک میدان مغناطیسی فوق قوی ختم می گردد. برای بررسی امکان پذیری این ایده به مطالعات بیشتری نیاز است.