نسبیت[1]: سفری به دنیای سرعتهای باورنکردنی
مقدمه: چه کسی و چرا؟
در آغاز قرن بیستم، فیزیکدان بزرگ، آلبرت اینشتین، با انتشار دو نظریه، درک بشر از جهان را متحول کرد. مشکل از جایی شروع شد که قوانین حرکت و گرانش نیوتن[4]، که برای صدها سال کامل به نظر میرسیدند، در توضیح پدیدههایی که با سرعتهای بسیار بالا یا میدانهای گرانشی بسیار قوی رخ میدادند، ناتوان بودند. اینشتین با نبوغ خود نشان داد که مفاهیم مطلق فضا و زمان وجود ندارند و این دو به شکلی ناگسستنی درهم تنیدهاند.
نسبیت خاص: وقتی سرعت وارد بازی میشود
اینشتین در سال ۱۹۰۵ نظریه نسبیت خاص را ارائه داد. این نظریه درباره جهانهایی است که در آنها گرانش وجود ندارد و همه چیز با سرعتهای ثابت و بالا (نزدیک به سرعت نور) حرکت میکند. او کار خود را بر دو اصل بسیار مهم بنا نهاد:
از ترکیب این دو اصل، نتایج عجیب و غریبی بیرون آمد که با تجربه روزمره ما در تضاد است.
پیامدهای شگفتانگیز نسبیت خاص
وقتی جسمی با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند، سه پدیده مهم رخ میدهد:
| پدیده | توضیح ساده | مثال | فرمول ساده شده |
|---|---|---|---|
| اتساع زمان[6] | ساعتهایی که با سرعت بالا حرکت میکنند، از دید ناظر ساکن، کندتر کار میکنند. زمان برای آنها «کش میآید». | اگر یکی از دوقلوها با فضاپیمای بسیار سریعی به سفر برود و بازگردد، از برادر زمینی خود جوانتر خواهد بود! (پارادوکس دوقلوها) | $t = \frac{t_0}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$ |
| انقباض طول[7] | اجسامی که با سرعت بالا حرکت میکنند، از دید ناظر ساکن، در جهت حرکت کوتاهتر به نظر میرسند. | اگر یک میله یک متری با سرعت بسیار بالا از کنار شما بگذرد، طول آن را کمتر از یک متر اندازه میگیرید. | $L = L_0 \sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}$ |
| افزایش جرم | جرم یک جسم با افزایش سرعت آن افزایش مییابد. هرچه به سرعت نور نزدیکتر شوید، افزایش جرم بیشتر میشود. | شتاب دادن به یک ذره در شتابدهندههای ذرات مثل LHC[8]، هرچه ذره پرسرعتتر شود، انرژی بیشتری برای شتاب دادن به آن لازم است چون جرمش زیاد شده است. | $m = \frac{m_0}{\sqrt{1 - \frac{v^2}{c^2}}}$ |
در فرمولهای بالا، $c$ سرعت نور، $v$ سرعت جسم، $t_0$ و $L_0$ و $m_0$ به ترتیب زمان، طول و جرم در حالت سکون هستند. توجه کنید که اگر سرعت $v$ بسیار کمتر از $c$ باشد، این اثرات ناچیزند و به قوانین نیوتن برمیگردیم.
نسبیت عام: گرانش به مثابه خمیدگی فضا-زمان
در سال ۱۹۱۵، اینشتین نظریه نسبیت عام را ارائه داد تا گرانش را نیز در چارچوب نسبیت توضیح دهد. ایده نبوغ آمیز او این بود: گرانش یک نیرو نیست، بلکه خمیدگی در بافت چهاربعدی فضا-زمان است. جرم اجسام بزرگ (مثل خورشید و زمین) این بافت را خم میکند و اجسام دیگر در مسیرهای منحنی این خمیدگی حرکت میکنند.
یک مثال معروف: یک ملافه کشی را تصور کنید که چهار نفر آن را کشیدهاند. اگر یک توپ بولینگ سنگین را وسط آن بگذارید، ملافه فرومیرود. حال اگر یک تیله کوچک را از کنار ملافه بغلتانید، تیله به جای حرکت در خط راست، به دور توپ بولینگ میچرخد و به سمت آن منحرف میشود. توپ بولینگ، فضا-زمان (ملافه) را خم کرده و تیله در امتداد این انحنا حرکت میکند. این یک تشبیه ساده از نحوه کار گرانش است.
- خمش نور: نور ستارههای دوردست وقتی از کنار خورشید میگذرد، به دلیل خمیدگی فضا-زمان توسط خورشید، مسیرش کج میشود. این پدیده در کسوف ۱۹۱۹ اندازهگیری و تأیید شد.
- حرکت حضیض[9] سیاره عطارد: مدار این سیاره به دور خورشید به آرامی میچرخد که با مکانیک نیوتنی به طور کامل قابل توضیح نبود. نسبیت عام دقیقاً آن را پیشبینی کرد.
- اتساع زمان گرانشی: زمان در نزدیکی یک جرم سنگین (مثل زمین) کندتر از جایی با گرانش ضعیفتر میگذرد. ساعتهای روی ماه کمی جلوتر از ساعتهای روی زمین کار میکنند!
کاربردهای نسبیت در فناوری و زندگی روزمره
شاید فکر کنید این نظریهها فقط تئوری هستند. اما جالب است بدانید که برخی فناوریهای مدرن بدون در نظر گرفتن نسبیت به درستی کار نمیکنند:
| فناوری | توضیح | نقش نسبیت |
|---|---|---|
| سیستم موقعیتیابی جهانی (GPS)[10] | شبکهای از ماهوارهها که موقعیت دقیق ما روی زمین را مشخص میکنند. | ساعتهای اتمی[11] روی ماهوارههای GPS به دو دلیل نسبیتی با ساعتهای روی زمین اختلاف دارند: ۱- به دلیل سرعت بالا (اتساع زمان خاص) کندتر کار میکنند. ۲- به دلیل میدان گرانشی ضعیفتر (اتساع زمان عام) سریعتر کار میکنند. اگر این تصحیحهای نسبیتی اعمال نشود، خطای موقعیتیابی روزانه بیش از 10 کیلومتر میشود! |
| شتابدهندههای ذرات | دستگاههای عظیمی مانند LHC در سرن[12] که ذرات زیراتمی را به سرعتهای باورنکردنی میرسانند. | با نزدیک شدن سرعت ذرات به نور، جرم نسبیتی آنها به شدت افزایش مییابد. مهندسان باید این افزایش جرم را در طراحی آهنرباها و سیستم انرژی دستگاه محاسبه کنند. |
| اخترفیزیک و سیاهچالهها | مطالعه اجرام آسمانی مانند ستارههای نوترونی و سیاهچالهها. | تنها نظریهای که میتواند این اجرام با گرانش فوقالعاده قوی را توصیف کند، نسبیت عام است. مثلاً سیاهچاله ناحیهای است که انحنای فضا-زمان در آن آنقدر شدید است که حتی نور هم نمیتواند از آن فرار کند. |
پرسشهای رایج و تصورات غلط
پاورقی
[1] نسبیت (Relativity). [2] آلبرت اینشتین (Albert Einstein). [3] فضا-زمان (Spacetime). [4] آیزاک نیوتن (Isaac Newton). [5] خلأ (Vacuum). [6] اتساع زمان (Time Dilation). [7] انقباض طول (Length Contraction). [8] LHC: سرن بزرگترین شتابدهنده هادرونی (Large Hadron Collider). [9] حضیض (Perihelion): نزدیکترین نقطه مدار یک سیاره به خورشید. [10] GPS: سیستم موقعیتیابی جهانی (Global Positioning System). [11] ساعت اتمی (Atomic Clock). [12] سرن (CERN): سازمان اروپایی پژوهشهای هستهای. [13] فوتون (Photon): ذرهای که حامل نور و دیگر امواج الکترومغناطیسی است.
