چهارشنبه ۵ اردیبهشت ۱۴۰۳ / Wednesday 24th April 2024

 

 

تاریخ جهان از ماموت تا فیسبوک (64)
Theory of relativity
جهان آن چیزی نیست که به نظر می‌رسد

 
این بحث را از ویدئو یا فایل صوتی بشنوید
 
 ...
در بخش پیش - قرن بیستم، قرن فزون‌طلبی و خدایان مدرن - ضمن بررسی مهم‌ترین وقایع سال‌های نخست قرن بیستم، به موارد زیر اشاره شد:
شورش مشتزن‌ها در چین
استقلال کشور مشترک‌المنافع استرالیا
جنگ ریاض و تشکیل عربستان
اختراع اولین هواپیمای قابل کنترل موتوردار
چنگ روسیه و ژاپن
به توپ بستن مردم به دستور تزار روس، و -
انقلاب ۱۹۰۵ روسیه
در این قسمت به رویداد مهمی که در سال‌های آغازین این قرن، خبرش پیچید و بیش از ۱۰۰ سال است روی آن بحث می‌شود، یعنی نظریه نسییت آلبرت اینشتین، می‌پردازم. امروزه نسبیت نقش یکی از ستون‌های فیزیک و کیهان‌شناختی نوین را ایفا می‌کند و نبودش به معنای بی‌پاسخ ماندن انبوهی از سؤالات بنیادین علم است. نظریه فوق، مجموعه‌ای از معادلات ریاضی است که در آن پدیده فضا-زمان و جاذبه، به شکل یک خمیدگی توضیح داده می‌شود. هرچند درک دقیق این موضوع نیازمند آشنایی با ریاضیات و مفاهیم فیزیکی است، با این حال خوب است شِمایی کلی از آن داشته باشیم. بخصوص که نظریه نسبیت، دیدگاه بشر را نسبت به جهان و کیهان تغییر داده‌است.
به قول مولوی در دفتر ششم مثنوی:
آب جیحون را اگر نتوان کشید - هم ز قدر تشنگی نتوان برید
...
اگرچه روی کلمه کلمه اینگونه مباحث فکر می‌گذارم و می‌کوشم تا آنجا که ممکن است دقیق بوده و ساده بیان شود اما در مواردی نمی‌شود خیلی ساده کرد. از قضا خود اینیشتین گفته‌است «هر چیزی را باید تا حد امکان ساده کرد، اما نه دیگر خیلی ساده»
امیدوارم مضمون و جوهر نظریه نسبیت، لابلای صحبت‌های من گم و گور نشود و شما هم خسته نشوید.
قبل از پرداختن به نسبیت خاص و عام تصور کنیم داریم با قطار سفر می‌کنیم و درختان بیرون را می‌بینیم که انگار با سرعت خیلی زیاد از جلوی چشمان ما می‌گذرند.
سؤال: آیا ما در حال حرکت هستیم یا درختانی که در بیرون می‌بینیم؟ پُر پیداست که درخت‌ها در اصل سر جای خودشانند و ما در حال حرکت هستیم.
همین الان که شما دارید این مطلب را می خوانید یا می‌شنوید، گرچه شاید، بدون حرکت هستید، ولی زمین در حال چرخش به دور خورشید است و شما هم در حال چرخش به دور خورشید هستید. درواقع حرکت امری نسبی است.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
نسبیت خاص Special Relativity
نسبیت خاص که آلبرت اینشتین Albert Einstein در سال ۱۹۰۵ میلادی مطرح نمود نظریه‌ای فیزیکی دربارهٔ اندازه‌گیری است، البته در دستگاهی که قانون اول و دوم نیوتن در آن معتبر هستند. (قوانین حرکت نیوتن ارتباط مابین نیروهای وارد آمده بر یک جسم و حرکت آن را به دست می‌دهد.)
نسبیت خاص با معرفیِ مفاهیمِ تازه‌ای از فضا و زمان، چارچوب جدیدی را پایه‌ریزی نمود. البته برخی از قوانین پذیرفته‌شدهٔ فیزیک، با این چارچوب جدید ناسازگار بودند. برای مثال، قانون جاذبه نیوتون که نیروی متقابل بین دو جسم ناشی از جرم‌شان را نشان می‌دهد.
...
اصل نسبیت پیش از مطرح شدن توسط اینشتین٬ به شکل محدودتری بیان شده بود. گالیله می‌گفت هیچ راهی وجود ندارد که مشخص کنیم که آیا جسمی به طور یکنواخت حرکت می‌کند یا ساکن است.
در مکانیک نیوتنی هم که در آن شتاب به جای سرعت نقش بسیار مهمی دارد، این اصل دربارهٔ قوانین مکانیک بیان شده بود. اما اینشتین اصل نسبیت را به کنش و واکنش الکترومغناطیسی و، با قبول فرض‌هایی، به همهٔ قوانین فیزیک تعمیم داد. او زمان و فضا را مستقل از هم نمی‌دانست. هرچند تصورش دشوار است، اما اینشتین توانست نشان دهد که چیزی به نام فضا-زمان وجود دارد که بهمدیگر وابسته‌اند.
Image result for Theory of relativity
اینشیتن از نسبیت خاص به رابطه جرم و انرژی دست یافت که آن را در فرمول E=mc2 صورت‌بندی کرد. یعنی انرژی برابر است با حاصل ضرب جرم در مجذور سرعت نور.
تبدیل‌شدن انرژی به ماده، ماده به انرژی، همچنین ایجاد نیروگاه‌های هسته‌ای که از آن برای تولید انرژی استفاده می‌شود، بی ارتباط با نسبیت خاص و نتایج آن نیست.
...
یکی از پیامدهای نسبیت خاص این است که هیچ جسم مادی، هیچ سیگنال اطلاعاتی(هیچ نشانک دربردارندهٔ پیام) نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور در خلاء حرکت کند.
Image result for General relativity,Special Relativity
نسبیت خاص محدود به حرکت‌ یکنواخت بود و اینشتین می‌خواست نظریه‌ای را طرح کند که همه حرکت‌های جهان را توضیح دهد. به همین خاطر روی جاذبه و حرکت‌ شتابدار تأمل کرد. او می‌خواست اصل نسبیت را علاوه بر حرکت‌ با سرعت ثابت، به سیستم‌های شتابدار هم تعمیم دهد و از این طریق به مسأله جاذبه یا گرانش بپردازد. یعنی زمان، فضا و جرم را تحت تاثیر نیروی گرانش توصیف کند.
...
اینشتین در تشریح نظریه خودش، به سرعت‌های نزدیک به سرعت نور اشاره می‌کند. جهان او فراتر از محسوسات روزمره است. ازهمین رو آزمایشاتی که در قلمرو نسبیت طرح شده، «ذهنی» به نظر می‌رسد. دلیلش این است که برای ما حرکت در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور امری دور از دسترس است و اصول نسبیت خاص، تنها در این شرایط است که برجسته و محسوس می‌شود.
...
در سرعت‌های نزدیک به نور نسبیت خاص شامل سه پدیده است:

Image result for Special Relativity,gif

۱- کاهش طول جسم
۲- کند شدن زمان
۳- افزایش جرم جسم
انگار اگر جسمی به سرعت نزدیک نور برسد، زمان می‌ایستد. از این گذشته، طول آن جسم صفر و جرمش به سمت بی‌نهایت میل پیدا می‌کند.
... 
شاید بارزترین نقش نسبیت(خاص) در زندگی روزمره، تطبیق زمانی ساعت ماهواره‌های سیستم موقعیت‌یاب جهانی(GPS)، با ایستگاه‌های زمینی است که عملاً در صورت لحاظ نکردن اصول نسبیتی(این ماهواره‌ها) روزانه در تشخیص مکان دچار اشتباه خواهند شد. درواقع، برای اینکه GPS به درستی کار کند، ماهواره‌ها باید اثر نظریه نسبیت را در نظر بگیرند. دلیل این موضوع سرعت نسبتاً بالای حرکت ماهواره‌ها می‌باشد. از طرف دیگر ماهواره‌ها از فاصله دورتری نسبت به زمین سیگنال‌های خود را ارسال می‌کنند و در آن فاصله شدت جاذبه زمین برای آن‌ها کمتر از ساکنین روی زمین است.
اگر اثر نسبیت در نظر گرفته نشود، سیستم GPS به جای اینکه بی‌درنگ یک پمپ بنزین را مثلاً، در ۸۰۰ متری ما معلوم کند، بعد از یک روز، آنرا در فاصله ۸ کیلومتری نشانه می‌‌دهد.
...
سال‌ها پیش، که هنوز تلویزیون‌های جدید رواج نداشت، تلویزیون‌ها، لامپ تصویری داشتند. لامپی مخصوص که الکترون‌ها را به وسیله‌ی یک آهنربا به صفحه تلویزیون پرتاب می‌کرد و پیکسل‌ها فعال می‌شد. در هنگام ساخت این نوع تلویزیون، سازندگان مجبور بودند اثرات نسبیت را در طراحی آهنربا در نظر بگیرند.
...
در اواسط قرن نوزدهم، دانشمندان فهمیدند که مدار سیاره‌ی عطارد حول خورشید، دقیقا با پیش‌بینی گرانش نیوتن منطبق نیست. آن‌طور که از روی زمین به نظر می‌رسید، فرود یا حضیض مداری عطارد در هر دور حول خورشید، اندکی جابجا می‌شد. برای دهه‌ها، ستاره‌شناسان در پی یافتن سیاره‌ای کوچک‌تر از عطارد، نزدیک به خورشید بودند که بتواند این تاثیرات گرانشی را روی عطارد بگذارد، ولی این سیاره هیچ‌وقت پیدا نشد. در نوامبر ۱۹۱۵، اینشتین توانست با استفاده از نسبیت عام، مدار صحیح عطارد را پیش‌بینی کند و این پشتوانه‌ای عظیم بر صحت نظریه‌ی وی شد.
ـــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ
نسبیت عام General relativity
نسبیت عام(در کوتاهترین توضیح)، تعمیمی بر نظریه نسبیت خاص و قانون گرانش نیوتون، و توصیف کنونی گرانش(جاذبه) در فیزیک نوین است.
درواقع نسبیت عام با شتاب سر و کار دارد نه با سرعت، این نظریه گرانش را نه یک نیرو، بلکه یک خاصیت از فضا معرفی می‌کرد.
همانطور که پیشتر گفتم نسبیت خاص محدود به حرکت‌ یکنواخت بود و اینشتین می‌خواست نظریه‌ای را طرح کند که همه حرکت‌های جهان را توضیح دهد. نسبیت عام، حالت کلی نسبیت خاص است و به توصیف جاذبه و حرکت اجسام شتاب‌دار می‌پردازد. درواقع، نظریه‌ای برای جاذبه(گرانش) است. البته جاذبه در نظریه نسبیت عام یک خاصیت هندسی است نه یک نیرو.
در آغاز قرن بیستم، قانون جاذبه نیوتون برای مدتی بیش از ۲۰۰ سال به عنوان توصیف پذیرفته شده برای گرانش بین اجسام مطرح بود. اما اینشتین با نظریه تازه‌ خودش، پدیده‌هایی را پیش‌بینی کرد که توسط نظریه نیوتونی قابل پیش‌بینی نبودند.
یکی از پیش‌بینی‌های اینشتین، وجود امواج جاذبه بود. همانند امواج صوتی که حاصل انقباض و انبساط متناوب هوا هستند، امواج جاذبه نیز اعوجاج‌هایی در هندسهٔ فضا-زمان هستند که با سرعت نور منتشر می‌شوند و می‌توان آن‌ها را به عنوان موجی در فضا-زمان دانست. من در مقاله و ویدئو آشکارشدن امواج جاذبه، لحظه‌ای مهّم در تاریخ علم به این موضوع پرداخته‌ام.
...
اینشتین می‌گفت در یک میدان گرانشی، نور به سمت جرم مایل یا بهتر بگویم خمیده می‌شود. بعبارت دیگر، هنگام حرکت در یک میدان گرانشی، در خط مستقیم سیر نمی‌کند. بلکه مسیر آن توسط اجسام سنگین کج و کوله می‌شود. نور ستارگان هنگام گذر از کنار خورشید چنین وضعی دارد.
...
اینشتین در پرداختن به پدیده گرانش(جاذبه)، به فضا و زمان از دیدگاهی دیگر نگریست و با نگاهی یکپارچه به آن‌ها مفهوم «فضا-زمان» را ساخت و نشان داد طبق نظریه نسبیت عام، نور می‌تواند بر اثر خمیدگی فضا-زمان از مسیر راست منحرف شود.
نظریه نسبیت ما را بر آن داشت که دیدگاه قبلی خودمان را از فضا به عنوان موجودی ایستا(استاتیک) و تنها به عنوان مکانی که در آن رویدادهای فیزیکی اتفاق می‌افتند، کنار بگذاریم. به‌جای آن، فضا-زمان به عنوان موجودی پویا(دینامیک) و تغییر شکل‌دهنده در نظر گرفته می‌شود که حضور ماده در آن، ساختار و هندسهٔ‌اش را خمیده می‌کند.
Image result for General relativity,gif 
اینشتین می‌گفت جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم بافته از فضا-زمان، است و وقتی ذره یا جسمی در آن قرار می‌گیرد، روی خطوط خمیده حرکت می‌کند. بنابراین چنانکه نیوتن تصور می‌کرد چیزی به نام نیروی گرانش وجود ندارد که اجسام به هم وارد کنند بلکه تاثیر فضا-زمان و ماده و ذرات بر یکدیگر است که گرانش را به وجود می‌آورد.
در این توصیف، فضا را می‌شود به دستمالی تشبیه کرد که از چهار گوشه کشیده شده‌است. اگر جسم نسبتا سنگینی را وسط این دستمال بگذاریم دستمال از حالت خود خارج می‌شود بطوریکه اجسام سبک‌تر به طرف جسم سنگین مرکزی می‌افتد. این تعبیر ساده‌ای است از نیروی گرانش در نظریه نسبیت عام اینشتین.
جان ویلر، فیزیکدان انگلیسی، تعبیر جالبی به کار برده‌است: «ماده می‌گوید که فضا-زمان چگونه خمیده شود، و فضا-زمان به نوبه خود به ماده می‌گویند چگونه حرکت کند.»
...
آزمایش‌ یکی از معیارهای مهم برای قضاوت در مورد یک نظریه است.
پیش‌بینی‌های نظریهٔ نسبیت عام، چه توسط خود اینشتین و امثال ادینگتون و چه توسط لایگو که تا الآن دقیق‌ترین وسیله اندازه‌گیری است) با آزمایش بررسی شده‌اند که از شرح آن می‌گذرم. توضیح کوتاهی در مقاله و ویدئوی آشکارشدن امواج جاذبه، لحظه‌ای مهّم در تاریخ علم داده‌ام.
اینشتین از طریق نسبیت عام، سیاه‌چاله‌ها(ناحیه‌ای از فضا-زمان) را نیز که جرم در آن به‌شدت فشرده می‌شود و می‌تواند سبب تغییر شکل و خمیدگی فضا-زمان گردد پیش‌بینی کرده بود. سیاه‌چاله‌ Black Hole ناحیه‌ای از فضاست که جاذبه بسیار شدیدی دارد و حتی نور هم نمی‌تواند از آن بگریزد.
...
نسبیت عام، از سیاه‌چاله‌ها رازگشایی نمود و بعدها به ابزاری اساسی در اخترفیزیک تبدیل شد. نسبیت عام، همچنین سهم عمده‌ای در چارچوب Big Bang (مه‌بانگ) در کیهان‌شناسی دارد.
معادلات اینشتین پیش‌بینی کرده بود جهان ما در حال انبساط و بزرگ‌شدن است. اگر کهکشان‌ها در گذشته‌های دور، به زمین خیلی نزدیک‌تر بودند و حرکت‌شان را در زمان گذشته، در ذهن خود دنبال کنیم، نه تنها به زمانی می‌رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می‌رسیم که کلیه کهکشان‌ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند. البته این ایده را نخستین بار یک کشیش بلژیکی که به فیزیک علاقه داشت بنام «جرج لومیتر» Georges Lemaître مطرح کرد که بنام نظریه بیگ‌بنگ شناخته می‌شود و با شواهد زیادی همراه است.
...
شایان ذکر است که ارنست ماخ Ernst Mach - فیلسوف مشهور و فیزیکدان برجسته اتریشی - در شمار پیشقدمان نظریه آلبرت اینشتین در مورد ایجاد مکانیک نسبیتی محسوب می‌شود. اینشین گفته بود من به ماخ مدیون هستم.
پانویس
اینشتین گفت حرکت در جهان نسبی است و فضا و زمان هم مطلق نیستند. به عبارت دیگر، درک زمان و مسافت، برای ناظران مختلف متفاوت است.
بیان او البته با تعبیر عامیانه و نادرست «همه چیز نسبی است»، یکی نیست. می‌دانیم که نور اساساً سرعت مطلق و ثابتی دارد. بعلاوه، کمیت اساسی «متریک» در نظریه نسبیت خصوصی و عمومی، ماقبل تجربی و مطلق است. این واقعیت که نور همیشه با سرعتی ثابت حرکت می‌کند، برای اینشتین دریچه‌ای برای درک فوق العاده از ذات طبیعت بود. او دریافت جهان آن چیزی نیست که به نظر می‌رسد. صفات واقعی آن از ما پنهان شده و تنها با سرعت خیلی زیاد آشکار می‌گردد.
Image result for Special Relativity,gif
نسبیت، فضا و زمان را چون دریایی یکپارچه و بی‌نهایت می‌پندارد، اما طبق فرضیات مکانیک کوانتومی، این دو مفهوم بنیادی جهان ما یعنی فضا و زمان، همچون سطح ساحل، دانه دانه و گسسته‌اند. ظاهراً نسبیت عام و نظریه کوانتوم، آب‌شان به یک جو نمی‌رود و فیزیکدانان امیدوارند که بتوان توضیح دیگری را از رفتار نیروی جاذبه یافت تا چنین تباینی را مرتفع سازد.
همانطور که در خلال بحث اشاره شد، نسبیت عام که طی یکصدسال گذشته تأییدات تجربی متعدّدی را از سر گذرانده، اساسی تازه برای فیزیک و کیهان‌شناسی مدرن فراهم ساخته و تا همین الآن در زمره موفق‌ترین نظریات تاریخ علم به شمار می‌رود. 
در همین زمینه 
تاریخ جهان دادگاه جهان است
بخش‌های دیگر «تاریخ جهان از ماموت تا فیسبوک»
...
سایت همنشین بهار

برای ارسال این مطلب به فیس‌بوک، آیکون زیر را کلیک کنید:
facebook