آموزش، علم و دانش، مقالات علمی

مروری بر نسبیت عام و خاص

تاربام: آلبرت اینشتین، فیزیکدان آلمانی بدون شک یکی از بزرگترین دانشمندانی بود که تاریخ علم را متحول کرد. از دستاورد های علمی او، ارائه نظریه نسبیت که شامل دو بخش عام و خاص می باشد است که پایه و اساس بسیاری از پیشرفت های علمی امروزی است. نسبیت به معنی “نسبی بودن” در مقابل “مطلق بودن” است. اما این نسبی بودن به چه معناست؟ در ادامه به شرح این نظریه می پردازیم.

پیشینه تئوری نسبیت انیشتین به زمان گالیله و نیوتن بر میگردد. چرا که تا قبل از آنها، تصور مردم بر این بود که اجسام در حالت سکون هستند. از این رو تا قبل از دوران های گالیله و نیوتن مردم نظر ارسطو را قبول داشتند که بر این باور بود همه اجسام در حالت سکون هستند و تا زمانی که نیرویی بر آنها وارد نشود حرکتی ندارند.

گالیله نخستین کسی بود که آزمایش هایی برای بررسی سقوط اشیا به زمین انجام داد. او وزنه های با وزن های مختلفی را در سطح شیبداری رها کرد و مشاهده کرد که همه وزنه ها درست در یک زمان به زمین می رسیدند (تا قبل از آن تصور بر این بود که وزنه سنگین تر، سریع تر نیز به زمین می رسد؛ این حالت شبیه حالتی است که وزنه ها را از ارتفاع رها کنیم؛ ولی به دلیل شیب دار بودن سطح، مشاهده و بررسی آن آسان تر می شود). آزمایشات گالیله نشان میداد که اجسام فارغ از وزنی که دارند به یک اندازه شتاب می گیرند و درست در یک زمان به زمین سقوط می کنند (البته یک وزنه آهنی سریع تر از یک پر سقول خواهد کرد و این فقط به دلیل که مقاومت هوا سرعت پر را می کاهد؛ دیوید آر فضانوردی که به کره ماه قدم گذاشته است این آزمایش وزنه فلزی و پر را در کره ماه که مقاومت هوایی هم وجود ندارد انجام داد و مشاهده کرد که درست در یک زمام به سطح ماه برخورد کردند).

نیوتن آزمایشات گالیله را تایید کرد و از آن ها برای محاسبات قوانین حرکت استفاده کرد؛ تا اینکه سر انجام در سال 1687 قانون اول خود را در کتابی به نام “اصول ریاضی 1” منتشر کرد. کلیت قانون اول نیوتن این بود که نیرو در واقع سرعت جسم را تغییر می دهد (نه آنچنان که قبلا تصور میشد که فقط آن را به حرکت در می آورد) و همچنین این که هر گاه هیچ نیرویی به جسمی وارد نشود، آن جسم به حرکت خودش در یک خط راست ادامه خواهد داد. نیوتن پس از آن قانون دوم خود را نیز ارائه داد که بدین شرح بود که وقتی نیرویی به جسمی وارد می شود، یا شتاب جسم افزایش و یا سرعتش تغییر پیدا می کند. قانون دوم نیوتن در واقع رابطه بین نیرو و شتاب یک جسم را بیان می کند (مثال معروف اتومبیل که هر چه موتور آن پر قدرت تر باشد شتاب آن نیز بیشتر است و در مقابل هرچه وزن اتومبیل بیشتر باشد، شتاب آن با همان موتور نیز کمتر می شود). علاوه بر اینها نیوتن قانونی را کشف کرد که نیروی جاذبه را توضیح میداد و به این شرح بود که هر جسمی، جسم دیگری را با نیرویی که متناسب با جرم هر یک از آن دو جسم می باشد، جذب می کند. بنابراین اگر جرم یکی از اجسام دو برابر شود نیروی میان دو جسم هم دو برابر قوی تر خواهد شد. قانون جاذبه نیوتن همچنین این مطلب را بیان می داد که هرچه فاصله اجسام نسب به هم بیشتر باشد نیروی وارد شده بر آن ها نیز کمتر خواهد شد. قانون جاذبه نیوتن مدار های زمین و سیارات را با دقت بسیار زیادی پیش بینی کرد.

تا زمان ارسطو همه به حالت سکون ایمان داشتند، اما نیوتن با قوانینش نشان داد که هیچ معیار منحصر به فردی برای حالت سکون وجود ندارد؛ چرا که ما می توانیم بگوییم که جسم الف ساکن است و جسم ب با سرعت مشخصی به سمت جسم الف حرکت می کند، یا اینکه بگوییم جسم الف به سمت جسم ب که ساکت است در حال حرکت است. هیچ معیار مشخصی وجود ندارد که حالت یک جسم را به جسم دیگری ترجیح دهیم. طبق این قانون اگر کسی آزمایش های نیوتن را در یک قطار در حال حرکت انجام دهد باز هم همان نتایج را خواهد گرفت؛ فارغ از سرعت حرکت قطار. مثلا اگر در یک قطار در حال حرکت مشغول بازی پینگ پنگ باشید، حرکات توپ پینگ پنگ درست از همان قوانین نیوتن در حالت سکون پیروی می کند. فرض کنید که توپ پینگ پنگ در قطار در حال حرکت مستقیم به طرف بالا و پایین می پرد؛ از نظر کسی که داخل قطار است توپ پینگ پنگ درست در یک نقطه فرود می آید، ولی از نظر کسی که روی سکوی ایستگاه ایستاده است و داخل قطار را مشاهده می کند، انگار که این ضربات با اختلاف چند متر انجام می شوند چرا که در حد فاصل دو ضربه، قطار چند متر به طرف جلو حرکت کرده است. بنابراین راهی وجود ندارد که بگوییم آیا قطار در حال حرکت است یا زمین. میتوانیم ترجیحا بگوییم زمین ثابت است و قطار روی آن در حال حرکت است و یا اینکه قطار ثابت است و زمین زیر آن در حال حرکت است. این نشان می دهد که نمیتوان یک مکان مطلق را به یک رویداد در فضا نسبت داد. در آزمایش قطار، مکان های رویداد ها برای شخصی که داخل قطار است و برای شخصی که خارج از قطار ایستاده است متفاوت خواهد بود؛ پس هیچ دلیلی ندارد که مکان یک شخص را به شخص دیگری ترجیح بدهیم.

همانطور که میبینید نیوتن، ایده مکان مطلق را به چالش کشید و نشان داد که هیچ معیاری برای نشان دادن مکان مطلق وجود ندارد. اما او هنوز به زمان مطلق ایمان داشت و تصور میکرد که هرچند که مکان مطلق نیست، اما فاصله زمانی میان دو رویداد را می توان به خوبی اندازه گرفت و اندازه های گرفته شده توسط هر شخصی با هم برابر است. نیوتن زمان را کاملا جدا از مکان تصور می کرد (این همان دیدگاه عام مردم است).

ایده زمان مطلق ظاهرا در مورد چیز هایی که در طول روز با آنها سر و کار داریم درست عمل می کند اما در مورد چیزهایی با سرعت نور و یا نزدیک به آن اصلا خوب عمل نمیکند. این دیدگاه توسط ستاره شناس دانمارکی “ال کریستین سن رومر” در سال 1676 وقتی که کشف کرد که “نور با سرعت زیادی اما محدود حرکت می کند” به وجود آمد. او با مشاهدات و محاسبات خودش فهمید که سرعت نور محدود است و عددی که برای آن به دست آورده بود 140000 مایل بر ثانیه بود (هرچند که بعد ها مشخص شد که سرعت نور 186000 مایل بر ثانیه یا حدود 300000 کیلومتر بر ثانیه است). این کشف با تفکر آن زمان که مکان مطلق نیست مشکل پیدا کرد و آن مشکل بود که اگر قرار است که نور با سرعت یکسان حرکت کند، آن سرعت ثابت چیست که نور نسبت به آن اندازه گیری شود؟!

برای رفع این مشکل ایده “اتر” پیشنهاد شد و فرض بر این گرفته شد که عنصری به نام اتر وجود دارد که در همه جا هست حتی در فضای تهی و همه امواج اعم از امواج صوتی و نوری برای حرکت باید از آن عبور کنند و به این ترتیب سرعتشان باید با اتر متناسب باشد. این ایده به خوبی جواب می داد اما باز هم دچار مشکلی شد و آن این بود که اگر سرعت نور متناسب با اتر باشد پس ناظرین در حرکت که سرعتشان متفاوت است باید سرعت نور در حال حرکت را نیز متفاوت بیابند. در واقع ایده اتر نشان می داد که وقتی ما هم به طرف منبع نور حرکت می کنیم (ما هم در اتر در حال حرکت هستیم) نور باید با سرعت بیشتری نسبت به زمانی که از منبع نور دور می شویم، به سمت ما بیاید. تا اینکه در سال 1887 دو فیزیکدان به نام های آلبرت میچلسون و ادوارد مورلی در یک آزمایش دقیق نشان دادند که سرعت نور در جهت حرکت زمین درست برابر با سرعت نور در جهت مخالف زمین است!

آزمایش ها و نظریات زیادی برای رفع این مشکل انجام و پیشنهاد شد اما هیچ کدام کارامد نبود تا اینکه در سال 1905 آلبرت اینشتین که یک کارمند گمنام در یک اداره سوئیسی بود، با استفاده از قوانین نیوتن و تئوری ماکسول ایده ای را مطرح کرد و آن این بود که از “زمان مطلق” نیز دست بکشیم و ایده اتر را به طور کل فراموش کنیم. او بر این اساس تئوری نسبیت خود را ارائه داد.

تصویر آلبرت اینشتین

تصویر آلبرت اینشتین فیزیکدان نظری آلمانی

تئوری نسبیت اینطور نشان می داد که قوانین علم برای کلیه ناظرینی که در حال حرکت با سرعت های مختلف هستند باید یکسان باشد و کلیه ناظرین با سرعت های متفاوت، باید سرعت یکسانی را برای نور اندازه بگیرند. یکی از پیامد های این نظریه تعادل میان جرم و انرژی بود که به صورت قانون E=mc2 (که در آن E به معنی انرژی، M جرم و C سرعت نور است) بیان شد. پیامد دیگری که این تئوری داشت این بود که هیچ چیز سریع تر از نور نمی تواند حرکت کند و این قانون به دلیل رابطه تعادل جرم و انرژی نیز پابرجا بود. به دلیل رابطه تعادل جرم و انرژی، انرژی یک جسم که از حرکت آن ناشی می شود، به جرم جسم اضافه خواهد شد و اضافه شدن جرم جسم هم، افزایش سرعت آن را مشکل تر می کند. بنابراین برای افزایش سرعت یک جسم، باید انرژی بیشتری صرف شود و صرف انرژی بیشتر هم، افزایش جرم را به دنبال خواهد داشت و افزایش جرم هم باعث کند شدن سرعت می شود. بنابراین اگر یک جسم بخواهد به سرعت نور برسد باید انرژی بیشتر و بیشتری صرف کند تا سرعتش بالا تر رود؛ پس جرمش نیز افزایش پیدا میکند و به این ترتیب برای رسیدن سرعت جسم به سرعت نور، جرم آن بی نهایت شده و مقدار بی نهایت انرژی لازم است؛ پس هیچ گاه نمیتواند به سرعت نور برسد. تئوری نسبیت همچنین عقاید ما نسبت به مکان و زمان را تغییر داده است.

تصور کنید که یک پالس نوری از مکانی به مکان دیگر فرستاده شود، ناظرین متفاوت باید درباره زمانی که طول میکشد تا این پالس نوری مسافت را طی کند، توافق دارند (چون طبق ایده نیوتن زمان مطلق است)، اما درباره مسافت سپری شده توافقی ندارند (چون که مکان مطلق نیست). همچنین سرعت نور برابر است با مسافت تقسیم بر زمان سپری شده، پس ناظرین باید سرعت های متفاوتی را برای نور به دست بیاورند، در حالی که طبق نسبیت سرعت نور برای کلیه ناظرین یکسان است. به دلیل اینکه ناظرین روی مسافت طی شده توافق ندارند پس نباید روی زمان سپری شده هم توافق داشته باشند! به این ترتیب، تئوری نسبیت انیشتین پایانی بر ایده زمان مطلق بود! و این طور به نظر می رسید که هر ناظر باید زمان متفاوتی را به دست بیاورد (که بعد ها در آزمایش های مختلف هم به اثبات رسید).

تئوری نسبیت اینطور استنباط کرد که زمان جدا از مکان نیست بلکه ترکیبی به نام مکان-زمان است که وجود دارد. با استفاده از این ایده ناظرین مختلف که در حال حرکت هستند زمان ها و مکان های مختلفی را نیز به یک رویداد نسبت می دهند؛ اما اندازه گیری های هیچ ناظری صحیح تر از ناظر دیگری نیست بلکه می توان کلیه اندازه گیری ها را با قانون های خاص به هم ربط داد.

آلبرت اینشتین در سال 1905 قوانینی را تحت عنوان “نسبیت خاص” در مقاله ای به نام “درباره الکترودینامیک اجسام در حال حرکت” منتشر کرد. نسبیت خاص بر دو اصل استوار است:

  1. قوانین فیزیک برای همه ناظران یکسان است (اصل نسبیت)
  2. سرعت نور برای همه ناظران صرف نظر حرکتشان ثابت است.

تئوری نسبیت خاص همچنین حرکت اجسام در سرعت هایی نزدیک به نور را نیز توضیح می دهد. اما با تئوری جاذبه نیوتن ناسازگار بود و دلیل آن این بود که طبق تئوری جاذبه نیوتن، نیروی اجسامی که همدیگر را جذب می کنند به فاصله بین آنها بستگی دارد و این یعنی اینکه اگر کسی یکی از آن اجسام را تغییر دهد، نیروی موجود در جسم دیگری نیز تغییر پیدا می کند.

انیشتین تلاش های زیادی انجام داد تا تئوری ارائه دهد که هم با تئوری جاذبه نیوتن و هم با نسبیت سازگاری داشته باشد تا اینکه در سال 1915 تئوری “نسبیت عام” خود را نیز عرضه کرد. در نسبیت عام، اینشتین این پیشنهاد را ارائه داد که نیروی جاذبه قابل مقایسه با نیروی های دیگر نیست؛ بلکه پیامد این قضیه است که مکان – زمان صفحه ای مسطح نیست. اینشتین در نسبیت عام، گرانش را یکی از ویژگی های هندسی فضا زمان می داند و طبق آن انحنای فضا زمان، با انرژی و تکانه (اندازه حرکت است که حاصل ضرب جرم جسم در سرعت آن است) هر ماده رابطه مستقیم دارد.

تصویر نسبیت

خمیدگی فضا – زمان در فضای سه بعدی که در نسبیت عام تعریف می شود

نسبیت عام پیامد های گوناگونی را داشته است که مطالعه آنها می تواند بسیار جالب باشد؛ این تئوری، ساده ترین تئوری در رابطه نور است که با آزمایش ها مطابقت دارد و پیامد های اخترشناسی زیادی نیز داشته است؛ مثلا وجود سیاهچاله هایی را نشان می دهد که حتی نور هم قادر به گریز از آن ها نیست؛ و یا اینکه در اطراف جسم های حجیم تر، زمان کند تر به نظر می رسد. البته ایرادات بسیار زیادی در این نظریه نیز وجود دارد، مانند چگونگی پیوند آن با مکانیک کوانتومی.


تهیه و تنظیم: خانه علم و دانش تاربام

منابع: تاریخچه زمان / نوشته استیون هاوکینگ، wikipedia

درباره نویسنده

محمدرضا

صونا هستم؛ دانشجوی رشته کامپیوتر گرایش نرم افزار و علاقمند به علم نجوم و کیهان شناسی. هر گونه استفاده از این مطلب بدون ذکر نام "خانه علم و دانش تاربام" و لینک به این مطلب، غیر قانونی و از لحاظ اخلاقی غیر انسانی می باشد. لطفا به "علم" و حقوق مولف احترام بگذارید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

* Copy This Password *

* Type Or Paste Password Here *