هر چه نسبت به سرعت نور سریع‌تر حرکت کنید، واحد های اندازه‌گیریِ طول کوتاه‌تر و واحدهای اندازه‌گیریِ زمان آهسته‌تر می‌شوند

چکیده
مسلماً همۀ ما حداقل برای یک بار هم شده، اسم «نظریۀ نسبیت» را شنیده‌ایم؛ اما اکثراً رغبتی برای پیگیری و کسب اطلاعات بیشتر ندارند، زیرا فکر می‌کنند که چنین مفهومی خارج از حیطۀ مربوطۀ آنان بوده یا وقت زیادی برای درکش لازم است. در اینجا ما این نظریۀ انقلابی را به زبان بسیار ساده شرح داده‌ایم.

تعداد کلمات 1761/ تخمین زمان مطالعه 9 دقیقه

مترجم: جعفر قربانی

اکثر مردم فکر می‌کنند این انیشتین بود که در دهۀ اول قرن بیستم، نظریۀ نسبیت را بیان کرد. این‌گونه گمان می‌کنند که گویا آلبرت به آرامی در دفتر کار خود در سوئیس، مشغول به کار بوده و توانسته به تنهایی نظریه‌ای کاملاً جدید دربارۀ فضا و زمان بیان کند؛ در واقع تقریباً این‌گونه نبوده است. ولی، به این خاطر که تاریخ موضوع بسیار خسته‌کننده‌ای است، فرضیات افراد بسیاری که پیش از انیشتین بر روی این نظریه مشغول بودند را کنار گذاشته، و مستقیماً به سراغ خود نظریۀ نسبیت می‌رویم.

چرا اسم این نظریه را «نسبیت» نامیده‌اند؟

زیرا زمان و طول، دیگر «مطلق» محسوب نمی‌شوند. فرض کنید ساعتی مچی در دست دارید و متری بر روی میزتان است. این‌ها به نظر مطلق می‌آیند؛ یعنی ثانیه و سانتی‌متر برای شما، بنده و حتی منظومۀ «آلفا قنطورس» واحدهای یکسانی هستند، ولی در اصل این‌گونه نیست.
فرض کنید من در ایوانِ خانۀ خود بمانم و شما فضانوردی باشید و با سرعتی باورنکردنی (که خیلی نزدیک به سرعت نور یعنی 300 هزار کیلومتر بر ثانیه است) به دور کهکشان سفر کنید، حال اگر بعدها می‌توانستید با همان سرعت از کنار ایوان من رد شده و به طریقی ساعت‌های مچی و مترهایمان را با هم مقایسه کنیم، واحدهای متر شما کوچک‌تر از متر من و حرکت ساعت شما کندتر از ساعت من می‌بود (البته چنین کاری غیرممکن است، زیرا چشمانِ انسان قادر به شناسایی شیئی با سرعت نور نیست؛ ولی اگر چنین کاری به طور عملی ممکن می‌شد، خیلی جذاب می‌نمود).
هنگامی که شما با سرعتی باورنکردنی در حال کاوش در فضا هستید، هیچ تغییری در اطرافتان حس نمی‌کنید؛ فقط اگر بتوانید مقیاس‌های زمان و طولِ خود را با مقیاس‌های زمینی مقایسه کنید، می‌فهمید که اتفاق عجیبی رخ داده است.

تمامی مقدمه‌های مربوط به انیشتین، دربارۀ «پارادوکس دوقلوها» می‌گویند؛ می‌شود توضیح دهید؟

یکی از دوقلوهای 25 ساله در زمین می‌ماند، با این حال دیگری که تازه از دانشکده فضانوردی فارغ‌التحصیل‌شده است آمادۀ سفری فضایی و با سرعتی معادل 90 درصد سرعت نور می‌شود. هنگامی که بعد از ده سال ماجراجویی در فضا بالاخره ماموریتش به اتمام می‌رسد، دور می‌زند و به طرف زمین برمی‌گردد. وقتی که سفینه فرود می‌آید، وی از روی ساعت دیواری سفینه می‌داند که 20 سال گذشته است. وی اکنون 45 ساله است. خوشبختانه مطالعۀ نسبیت او را آماده کرده تا از دیدن خواهر دوقلوی 71 سالۀ خود شوکه نشود.
نتیجه: هنگامی که سفر فضایی خیلی خیلی سریع باشد، در واقع به سفر در زمان مبدل می‌شود؛ یعنی بدون اینکه خیلی پیر شوید به آینده سفر می‌کنید.

پس یعنی همه چیز نسبی است؟

لزوماً خیر. در واقع ایدۀ نسبت زمان و طول، به سرعت برای اولین بار برای راهی در جهت توجیه مشاهداتی بیان شد که همگان را سردرگم کرده بود.
در قرن نوزدهم میلادی بعضی از مردم دستگاه‌های بسیار حساسی را طرح کردند تا سرعت نور را در هنگام چرخش زمین به دور خورشید اندازه بگیرند. اگر به سفینه و ذرات کوچک نور به نام فوتون فکر کنیم، ایده‌های پشت آن آزمایشات را بهتر درک خواهیم کرد. اگر می‌توانستید با شتاب زیادی از خورشید دور شده و با عینک‌های مخصوصی فوتون‌ها را ببینید، آن‌گاه هر چه به 300.000 کیلومتر بر ساعت نزدیک می‌شوید انتظار دارید فوتون‌ها با سرعت کمتری از جلوی پنجرۀ سفینه رد شوند. و عقل سلیم می‌گوید که اگر پایتان را کمی بیشتر روی گاز فشار دهید، با پیشی گرفتن از سرعت نور، باید از فوتون‌ها جلو زده و آن‌ها را پشت سر بگذارید.
دانشمندان در کمال تعجب همگان کشف کردند که اگر سریع حرکت کنید، سرعت نوری که از پنجره می‌بینید کم نمی‌شود؛ در اصل نور همیشه با همان سرعت همیشگی رد خواهد شد (به عبارت دیگر فوتون‌ها همیشه برنده می‌شوند؛ یعنی هیچ چیزی سریع‌تر از نور نیست).
دانشمندان (حتی دانشمندان قبل از انیشتین) این یافته‌های خیره‌کننده را بدین صورت بیان کردند: این نتایج تنها در صورتی معنی پیدا می‌کنند که هر چه نسبت به سرعت نور سریع‌تر حرکت کنید، واحد های اندازه‌گیریِ طول کوتاه‌تر و واحدهای اندازه‌گیریِ زمان آهسته‌تر می‌شوند.
شاید برای نظاره‌گری که از بیرون به سفینۀ فوقِ سریع شما نگاه می‌کند، این‌گونه به نظر بیاید که هر چه شما به سرعت 300.000 کیلومتر بر ثانیه نزدیک‌تر می‌شوید، فوتون‌ها نیز آهسته‌تر از کنار پنجرۀ سفینه رد می‌شوند. ولی، اگر ساعت سفینۀ شما درست به همان اندازه آهسته شده باشد، و واحدهای اندازه‌گیریِ طول درست به همان اندازه فشرده شده باشند، آن فوتون‌ها از داخل سفینه به همان سرعتی دیده می‌شوند که در سرعت پایین دیده می‌شدند.

آیا برای این سخن، مدرکی هم وجود دارد؟

بلی. با اینکه سفینه‌های فضایی هنوز برای حس کردن تاثیر نسبیت، بسیار آهسته هستند، اما تحقیق دربارۀ رفتار «ذرات زیراتمی» این نظریه را به خوبی حمایت می‌کند. آزمایشگاهی در دل کوهی در کشور سوئیس قرار دارد که در آن ذرات زیراتمی داخل مجرای مدوری با سرعت نزدیک به نور به حرکت در می‌آیند و محققین امر نیز نظارت و مشاهده را بر عهده دارند. به هنگام اجرای این آزمایشات اتفاقات عجیبی رخ داد؛ مثلا ذرات ناپایدار به مدت زمان بسیار بیشتری نسبت به حالت عادی دوام آوردند، و چنین اتفاقات عجیبی را تنها با نظریۀ نسبیت می‌توان توضیح داد.

بیشتر بخوانید: نظریه نسبیت (Theory of Relativity)

می‌خواهم تا جایِ ممکن زنده بمانم؛ آیا از نسبیت کمکی برمی‌آید؟

اگر خیلی سریع حرکت کنید، زمان کندتر می‌گذرد؛ ولی این امر به داشتن زندگی طولانی‌تر کمکی نمی‌کند. درون سفینه‌فضایی به ظاهر هیچ چیزی تغییر نمی‌کند. اگر تا 80 سالگی در سفینه باشید، با وجود تمام خطرات جانی سفر فضایی ( مانند پوکی استخوان و بودن در معرض پرتوهای رادیواکیتیوی بسیار کشنده و غیره) باز هم پیر به نظر می‌رسید و صورتی چروکیده خواهید داشت. با این حال اگر به زمین برگردید خواهید فهمید که از دوستان قدیمی خود (که اکنون در آرامش ابدی قرار دارند) بیشتر عمر کرده‌اید، ولی چنین چیزی زیاد جالب به نظر نمی‌رسد؛ پس کسانی که می‌خواهند عمر طولانی‌تری داشته باشند، بهتر است از رژیم‌های غذایی سالم و تمرینات بدنی منظم بهره ببرند، ازدواج کنند و به خدا ایمان قوی داشته باشند (به طور میانگین افرادی که مؤمن و مزدوج هستند از افراد مجرد و آتئیست بیشتر عمر می‌کنند.)

آیا فقط یک نظریۀ نسبیت وجود دارد؟

متاسفانه در این مورد دو نظریه وجود دارد. مورد قدیمی‌تر که مربوط به زمان و سرعت نور بود، «نظریۀ ویژۀ نسبیت» نام دارد. انیشتین بعدها فهمید که چند مورد را نادیده گرفته بود؛ یعنی جاذبه و شتاب (که معلوم شد شباهت‌های قابل توجهی دارد) را از قلم انداخته بود. پس «نظریۀ جامع نسبیت» را گفت و نظریۀ قدیمی را کامل کرد. دوباره باید خاطر نشان کرد که انیشین اولین شخصی نیست که چیزهای عجیب و غریبی دربارۀ نور و جاذبه و فضا گفته است، ولی اصلاً نمی‌خواهیم که با جزئیات تاریخی خسته‌کننده، شما را اذیت کنیم. بهتر است تمرکزمان را روی چیزهای عجیب و غریب‌تر بگذاریم.

طبق نظریۀ جامعه نسبیت، چه چیزِ واقعیت عجیب و غریب است؟

در حقیقت، فضا به تنهایی خمیده محسوب می‌شود.
اگر فضا خمیده نبود، هر گاه پرتویی از نور (مثلاً لیزر) را می‌تاباندیم، این پرتوی نور از هر کجای جهان، در یک خط کاملاً مستقیم حرکت می‌کرد و تا ابد در همان خط مستقیم به حرکت ادامه می‌داد. این دقیقاً همان چیزی است که اقلیدس پیش‌بینی کرده بود (اقلیدس از کشور یونان باستان و پدر علم هندسه بوده و فکر می‌کرد که فضا کاملاً تخت است)، ولی چنین چیزی اتفاق نمی‌افتد. جاذبه، نور را خم می‌کند؛ بنابراین پرتوی نوری که از کهکشان ها عبور می‌کند، هنگام نزدیک شدن به میدان جاذبه‌ایِ قدرتمند خم می‌شود.
حتی برخی معتقد‌ند که جاذبه، فضای تمام کائنات را به شکل کره‌ای عظیم خم کرده است؛ این بدان معنی است که اگر بخواهید پرتوی نور لیزری را ورای لبۀ کائنات بتابانید، جاذبه، آن پرتو را خم کرده و در دایره‌ای بزرگ حول لبۀ کائنات به چرخش درمی‌آورد. (بدین صورت هیچ راهی برای نگاه کردن یا خارج شدن به ماورای کائنات وجود ندارد.)

چیز عجیب‌تر دیگری وجود ندارد؟

بلی. نظریۀ مذکور احتمال وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی کرده (که البته در گذشته نیز چنین احتمالی پیش‌بینی شده بود). اگر جاذبه، نور را خم کند، پس این احتمال وجود دارد که اگر ستاره‌ای به اندازۀ کافی متراکم شود، میدان جاذبه‌ای چنان بزرگ و عظیمی درست می‌کند که حتی نوری که از قبل ساطع کرده بود نیز قادر به فرار از آن نیست.
بگذارید این‌گونه شروع کنیم: برای پرتابِ سفینه‌ای از سطح زمین، باید به سرعتی در حدود 40.000 کیلومتر بر ساعت (11 کیلومتر بر ثانیه) آن را رساند، وگرنه یا جاذبۀ زمین، آن را به چرخش درمی‌آرود یا دوباره به سطح زمین برمی‌گرداند. این سرعتِ گریز، بسته به اندازه و چگالی سیاره یا ستاره (یا حتی کهکشان) افزایش می‌یابد. برای گریز از سطح خورشید ( که بسیار بزرگ‌تر و کمی پرچگالی‌تر از زمین است) باید به سرعت 624 کیلومتر بر ثانیه رسید. چنین سرعتی برای فضانوردان، زمینی دردسر‌ساز خواهد بود، ولی هیچ دشواری برای نور ندارد (که با سرعت 300.000 کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کند).
هنگامی که ستاره‌ای به پایان زندگی‌اش می‌رسد، اتفاقات عجیبی رخ می‌دهند و ستاره شروع به فروپاشی می‌کند. در نهایت اتم‌های ستاره آن قدر محکم به‌هم فشرده می‌شوند که هسته‌هایشان به یکدیگر برخورد می‌کنند. این امر چگالی و تراکم ستارۀ درحال فروپاشی را به طور باورنکردنی زیاد می‌کند که منجر به ایجاد میدان جاذبه‌ای فوق‌العاده قوی می‌شود. اگر چنین چیزی برای خورشید خودمان اتفاق بیفتد و آنقدر فشرده شود که قطرش به 1.74 کیلومتر برسد، جاذبۀ سطح خورشید آن قدر زیاد خواهد شد که حتی نور ستارۀ رو به مرگ نیز نمی‌تواند از آن بگریزد.
همان طور که فیزیکدانی در دهه 1920 گفت:
ممکن است زمانی فرا برسد که خورشید غرق در تاریکی شود؛ دلیلش تمام شدن نور نیست، دلیل اصلی این است که میدان جاذبه خورشید دیگر نوری را از خود عبور نمی‌دهد.

اگر ستارۀ رو به فروپاشی می‌تواند تبدیل به سیاه‌چاله شود، پس امکان ندارد که سیاه‌چاله‌ها واقعا چاله باشند، مگر نه؟

درست است. در واقع از همان ابتدا، سیاه‌چاله خطاب نمی‌شدند، و واژه «چاله» مقداری گیج‌کننده است، زیرا باعث می‌شود فکر کنید که واقعاً هیچ چیزی آنجا وجود ندارد، که البته درست نیست، زیرا فقط زمانی سیاه‌چاله به وجود می‌آید، چیزی خیلی خیلی بزرگ است یا خیلی خیلی پرچگالی.

مگر نگفتید که نور همیشه با سرعت 300.000 کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند؟ حال بگویید آیا ممکن است جاذبه باعث شود نور، آهسته‌تر حرکت کند تا از حرکت بایستد؟

اگر می‌توانستید نزدیک یک سیاه‌چاله بایستید و سرعت نوری که از لیزر خارج می‌شود را اندازه بگیرید، از نتایج به‌دست‌آمده ناامید خواهید شد، زیرا متوجه خواهید شد که حتی در آن موقع نیز نور، کماکان با سرعت همیشگی حرکت می‌کند. این امر به این خاطر است که جاذبۀ سیاه‌چاله بر ساعت و متری که برای اندازه‌گیری سرعت نور استفاده می‌کنید نیز اثرات عجیبی می‌گذارد. هنگام نزدیکی به منبع قوی جاذبه، ساعت آهسته‌تر حرکت می‌کند و خط‌کش اندازه‌گیری کوتاه‌تر می‌شود (البته در داخل سفینه‌فضایی، این تغییرات را حس نمی‌کنید). این نابهنجاری‌ها در زمان و فضا را «پیچشِ فضا – زمان» نام‌گذاری کرده‌اند.

اگر سیاه‌چاله‌ها بر ساعت‌ها اثرات عجیبی می‌گذارند، پس آیا می‌توانند سبب عمر بیشتر شوند؟

اگر در نزدیکِ خود، سیاه‌چاله‌ای مدور پیدا کنید، می‌توانید با سفینه‌فضاییِ خود به داخل حلقۀ چرخشی دور آن پرواز کنید و قبل از اینکه درون تاریکیِ داخلِ آن مکیده شوید، موتورهای رانشی سفینه را در حالت حداکثر بگذارید و با انفجاری بزرگ، از آن خارج شوید. ساعت اتمیِ داخل سفینۀ شما نشان می‌دهد که سفرتان فقط چند ساعت به طول انجامیده، ولی در سفینۀ مادر شاید صدها سال سپری شده باشد. دوباره، تمام دوستان قدیمی‌تان احتمالاً مرده‌اند که اصلاً جالب نیست!

منبع: http://fullspate.digitalcounterrevolution.co.uk/archive/relativity.html