نظریه نسبیت (Theory of Relativity)
مترجم: محمود کريمي شروداني
منبع اختصاصي فارسي: راسخون
منبع اختصاصي فارسي: راسخون
نظریه ی نسبیت شرحی از فضا و زمان تعیین شده توسط اندازه گیری های فیزیکی است. ریشه های این نظریه به اصل حرکت نسبی بر می گردد. که توسط دانشمندان قرن هفدهم فرمول بندی شد. اما این نظریه در شکل کنونی آن عمدتاً حاصل کارهای آلبرت اینشتین (1955- 1879) می باشد.
با توجه به نظریه ی اینشتین فضا و زمان ، مفهوم هایی نسبی هستند. واندازه گیری فضا و زمان به حالت حرکت ناظر بستگی دارد.
نظریه ی اینشتین شامل 2 قسمت می شود: قسمت اول: نظریه ی ویژه یا محدود می باشد، که با اندازه گیری های انجام شده توسط ناظرانی که با سرعت ثابت نسبت به همدیگر حرکت می کنند، سروکار دارد و قسمت دوم؛ نظریه کلی می باشد که به توضیح نظریه ی ویژه (قسمت اول) می پردازد و شامل اندازه گیری های انجام شده توسط ناظرانی که سرعت نسبی شان متغیر است، می شود. نظریه ی کلی اصل نسبیت را به گرانش اعمال می کند. نظریه ی ویژه ی نسبیت در سال 1905 و نظریه ی کلی در سال 1916 منتشر شد. نظریه نسبیت اینشتین اهمیت والایی در فیزیک مدرن دارد. به طور مثال نظریه ی ویژه به دانشمندان نشان داد که آزاد کردن انرژی محصور در هسته ی اتم امکان پذیر است .این تئوری بر تمامی شاخه های فیزیک که با تابش های الکترومغناطیسی و ذرات سرعت بالا سروکار دارند تأثیر گذاشت. این نظریه بر علم ستاره شناسی و کیهان شناسی مربوط به آن که تلاش می کردند منشأ و ساختار جهان را توضیح دهند، تأثیر عمیقی گذاشت. بدنه ی اصول علمی که قبل از اینشتین ایجاد شده بودند براساس فیزیک کلاسیک بود. هنگامی که این اصول را در موقعیت های روزمره به کار بریم هنوز هم درست هستند. فقط هنگامی که با اجسام دارای حرکت با سرعت فوق العاده بالا یا با اجسامی که میدان گرانشی بسیار قوی دارند، یا با جهان در مقیاس بزرگ سروکار داشته باشیم نظریه ی نسبیت تفاوت قابل توجهی با فیزیک کلاسیک دارد.
تاریخچه ی نظریه ی نسبیت
در سال 1687 ، سر ایزاک نیوتون (Sir (Isaac Newton) ( 1727 - 1642 قوانین پایه ی فیزیک کلاسیک را که در مکانیک ، مطالعه ی نیروها و حرکتی که آن نیروها به اجسام می دهند مورد استفاده است، فرمول بندی کرد. قانون های مکانیک کلاسیک با اصل حرکت نسبی مطابقت دارد. با توجه به این اصل:
1- حرکت اجسام در یک چارچوب مرجع معین به صورت یکسان به یک دیگر منسوب است، خواه چارچوب مرجع ساکن باشد یا با یک سرعت ثابت ( به عبارت دیگر حرکت با شتاب ثابت و در خط مستقیم) حرکت کند. به طور مثال یک مسافر نمی تواند تنها با نگاه کردن به اشیاء درون قطار بگوید که آیا او حرکت می کند یا با چه سرعتی حرکت می کند. این به آن علت است که همه چیز در قطار از جمله مسافر در حال حرکت با سرعت ثابت می باشند. فقط با نگاه کردن به بیرون از پنجره به برخی از اجسام ثابت مسافر می تواند متوجه حرکت شود. اما اگر حرکت یکنواخت نباشد ( اگرقطار درحال افزایش یا کاهش سرعت باشد یا در حال عبور از یک ناهمواری مسیر باشد) مسافر می تواند حرکت را احساس کند . به طور مشابه هنگامی که قطار در حال عبور از یک پیچ است او می تواند حرکت را احساس کند.
2- سرعت مطلق یک جسم را نمی توان بوسیله ی اندازه گیری سرعت از یک مکان (همانند زمین) که خود درحال حرکت است تعیین کرد، فقط سرعت نسبی قابل اندازه گیری است. به طور مثال سرعت مطلق یک راکت که از زمین پرتاب شده است هم به حرکت خود آن که توسط موتورش به دست آمده بستگی دارد وهم به حرکت زمین در فضا. از دید ناظر زمینی اندازه گرفتن سرعت راکت بوسیله ی تعیین زمانی که طول می کشد راکت از یک مکان به مکان دیگر حرکت کند، تنها سرعت راکت به زمین را می دهد. تعیین سرعت مطلق یک جسم فقط هنگامی ممکن است که بتوان آن را از نقطه ای که تقریباً بدون حرکت است اندازه گرفت.
نیوتون فضا را ساکن و ثابت در نظر گرفت. او اعتقاد داشت که فضا به عنوان یک چارچوب مرجع ثابت قابل استفاده است که همه ی حرکات را می توان بر اساس آن تعیین کرد. برای دو قرن بعد بیشتر دانشمندان بر صحیح بودن دیدگاه های نیوتون توافق نظر داشتند. در اواسط قرن نوزدهم مدارک قوی وجود داشت که نور از امواج تشکیل شده است. برای فیزیکدانان آشکار بود که اگر نور از امواج تشکیل شده است ، این امواج باید بوسیله ی یک واسطه منتقل شوند، دقیقاً همانند امواج دریا که توسط آب منتقل می شوند. و لرزش هایی که (ما به آن صدا می گوییم) بوسیله ی هوا منتقل می شوند. بنابراین آن ها فرض کردند که تمام فضا باید از یک ماده ی نامرئی مملو باشد که از طریق آن نور و دیگر انواع، تابش های الکترومغناطیسی حرکت می کنند. آنها این ماده را اتر ( ether) نامیدند.
این نظریه ی تفسیری برای نور فراهم کرد که با قوانین فیزیک کلاسیک تطابق داشت. هم چنین چار چوب مرجع ثابتی را که (فضای مطلق و غیرقابل حرکت) فیزیک و کیهان شناسی نیوتونی لازم داشت فراهم کرد، اما هر چه قدر که فیزیکدانان بیشتر بر روی اتر فرض شده تحقیق کردند، واقعی بودن آن کم تر به نتیجه رسید. آن ها نتوانستند هیچ راهی برای کشف اتر فرضی از راه آزمایش پیدا کنند. به نظر می آمد که هیچ خاصیتی به جز توانایی انتقال امواج الکترومغناطیس نداشت.
دانشمندان استدلال کردند که اگر زمین در میان اتر فرضی حرکت کند، سرعت نور در جهات مختلف، متفاوت باشد. دقیقاً همانند سرعت امواج آب که از یک کشتی در حال حرکت اندازه گیری می شوند تندتر یا کندتر هستند (بسته به این که آیا امواج در جهت حرکت کشتی حرکت می کنند یا در خلاف جهت آن) در سال 1887 آلبرت اِی مایکلسون (Albert A Michelson) و ادوارد دبلیو مرلی (Edward w. Morley) آزمایشی را بوسیله ی دستگاهی که می توانست تغییرات پیش بینی شده ی نور را بر اساس حرکت زمین در فضا اندازه گیری کند، انجام دادند. ولی چنان تغییراتی (در سرعت نور) ندیدند.
علاوه بر این به نظر می آمد آزمایش های دیگر نشان دادند که سرعت نور مستقل از حرکت منبع نور است. اگر چه حس رایج و فیزیک کلاسیک می گفت نوری که از یک منبع متحرک منتشر شده است باید تحت تأثیر حرکت منبع باشد. اینشتین ناسازگاری رفتار نور با قوانین مکانیک کلاسیک را با اتحاذ کردن یک دیدگاه جدید حل کرد.
نظریه ی ویژه ی نسبیت:
اینشتین نظریه ی ویژه ی نسبیت خود را بر دو فرض اساسی بنیان نهاد.
1- قوانین فیزیک برای همه ی ناظرانی که با حرکت یکنواخت نسبت به یکدیگر حرکت می کنند یکسان است.
2- سرعت نور در خلأ یک ثابت جهانی است و برای همه ی ناظران بدون توجه به حرکت نسبی یا حرکت منبع نور یکسان است.
عبارت اول شامل اصل نسبیت مکانیک کلاسیک است اما به شکلی پیچیده تر اینشتین نه تنها به قوانین مکانیک فکر می کرد بلکه به قوانین حاکم بر نور و دیگر پدیده های الکترومغناطیسی نیز فکر می کرد.
عبارت دوم به این معنی است که تلاش یک آزمایشگر برای تعیین سرعت خود در فضا با استفاده از باریکه ای از نور به عنوان معیار بیهوده است. چرا که صرف نظر از سرعت ناظر، اندازه گیری سرعت نور همیشه مقدار یکسانی به ما می دهد. این عبارت به طور ضمنی بر این موضوع دلالت دارد که طبیعت هیچ سیستم مرجع مطلقی برای مقایسه ی زمان و مسافت ارائه نمی کند. حرکت ستاره ها وهمه ی کهکشان ها تنها با در نظر گرفتن یکدیگر قابل توصیف است، چرا که در فضا مرزها و یا جهت های ثابتی وجود ندارد. فضا یک ماده نسیت اما فقط یک نظامی از اشیاء یا توصیفی از اشیاء با توجه به یکدیگر است. اگر چیزی فضا را اشغال نکند، فضا هیچ چیز نیست.
به عنوان بخشی از نظریه ی ویژه ی اینشتین معادلات ریاضیاتی برای کاربرد در مسائل مکانیک و الکترومغناطیس ایجاد کرد. این معادلات قوانین مکانیکی نیوتونی را اصلاح کرد. و چارچوبی برای مکانیک نسبتی که در فیزیک هسته ای و ذرات بنیادی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است ایجاد کرد. برخی از اصولی که از معادلات مذکور استنباط شدند به صورتی که در ادامه می آید، قابل بیان است:
1- یک ساعتی که با سرعت یکنواختی نسبت به یک ناظر حرکت می کند، آهنگ عبور زمان را آهسته تر از ساعتی که ساکن است نشان می دهد.
2- طول با سرعت تغییر می کند، به خصوص یک میله ی اندازه گیری یا هر جسم دیگری که نسبت به یک ناظر حرکت می کند، در جهت حرکتش منقبض می شود.
3- محتوای انرژی یک جسم همان طور که سرعتش افزایش می یابد زیاد می شود. امکان رساندن سرعت یک جسم به سرعت نور وجود ندارد، چرا که میزان بسیار بزرگی از انرژی باید به جسم داده شود تا به سرعت نور برسد.
4- جرم و انرژی هم ارز هستند، ماده می تواند به انرژی تبدیل شود و انرژی می تواند به ماده تبدیل شود.
این عبارت که جرم و انرژی هم ارز هستند، از یک معادله ی مهم به دست آمده است:E=mc^2
این معادله بیان می کند انرژی (E) که در هر ذره ای از ماده وجود دارد ، برابراست با جرم (m) آن ذره ضرب در مجذور سرعت نور (c) . این معادله جواب مسائل خیلی قدیمی در فیزیک هم چون؛ چگونه خورشید و ستارگان می توانند برای میلیاردها سال به انتشار نور و گرما بپردازند؟ و چگونه مواد رادیواکتیوی همانند رادیوم می توانند ذراتی با انرژی خیلی بالا از خود ساطع کنند؟ را فراهم کرد.
در فیزیک نیوتونی، فضا و زمان به عنوان موضوعاتی جداگانه در نظر گرفته می شوند. از طرف دیگر در فیزیک نسبیتی فضا و زمان بسیار به هم وابسته هستند. ریاضی دان روسی هرمان مینکوفسکی (Hermann Minkowski) ( 1909 – 1864) بوسیله ی ایجاد یک هندسه ی چهار بعدی که در آن زمان با طول ، عرض و عمق (سه بعد فضا در فیزیک کلاسیک) در ارتباط است ، روش حل انواع بسیاری از مسائل در نسبیت ویژه را ساده سازی کرد. فضای چهار بعدی حاصل، دستگاه چهار بعدی یا به طور ساده فضا – زمان نامیده می شود. بعدها اینشتین مفهوم فضا- زمان را در نظریه ی کلی نسبیت گسترش داد.
آزمایش ها و مشاهدات بی شماری صحت اعتبار نظریه ی ویژه ی نسبیت را تأیید کرده اند. به طور مثال افزایش انرژی اجسامی که با سرعت های خیلی بالا حرکت می کنند، اساس طراحی شتاب دهنده های ذره (شکافنده های اتم) هستند. که در این شتاب دهنده های ذره، ذرات اتمی به سرعتی بالاتر از 9995/ 99 درصد سرعت نور دست پیدا کرده اند. تأخیر زمان (کند شدن زمان ) برای اجسامی که با سرعت های بالا حرکت می کنند در مشاهداتی که بر روی ذرات زیر اتمی با نام Muon انجام شده، مشاهده شده است. این ذرات عموماً وقتی ایجاد می شوند که تشعشعات کیهانی از فضای بیرونی زمین با اتم های بالای اتمسفر برخورد می کنند. مون ها (mouns) به شدت ناپایدار هستند و خیلی سریع به دیگر ذرات تبدیل می شوند. و بدون وجود پدیده ی تأخیر زمان (که در بالا ذکر شد) همه ی آن ها در مسافت کوتاهی دوباره به حالت اتمسفر برمی گردند. اما از آنجا که پدیده ی تأخیر زمان وجود دارد مشاهده می شود که مون ها به سطح زمین می رسند.
$ نظریه ی کلی نسبیت*:
نظریه ی ویژه ی نسبیت تنها زمانی کاربرد دارد که ناظرها با سرعت یکنواخت نسبت به یکدیگر حرکت می کنند. اینشتین این نظریه را به نظریه ای کلی که برای ناظران که با سرعت غیریکنواخت یا شتابدار نسبت به یکدیگر حرکت می کنند، بسط داد. نظریه ی کلی نسبیت پیشرفت های فیزیک پیشرفته، هندسه و نجوم را به شدت تحت تأثیر قرار داد. این نظریه از اهمیت ویژه ای در کیهان شناسی برخوردار است. به عنوان یک بخش بسیار مهم از این نظریه، اینشتین نظریه ای درباره ی گرانش ارائه داد که به صورت اساسی با نظریه ی ارائه شده توسط نیوتون متفاوت بود. مفهوم گرانش در نظریه ی کلی نسبیت عمدتاً بر اساس اصل هم ارزی پایه گذاری شده است. با توجه به این اصل تمییز دادن بین اثرات ناشی از شتاب یک سیستم و اثرات ناشی از گرانش بوسیله ی آزمایش غیرممکن است. آثار آنها نسبت به یکدیگر هم ارز هستند.
به طور مثال یک نفر در یک آسانسوری که به سمت بالا شتاب گرفته است ، احساس می کند که کف آسانسور به او فشار وارد می کند. این اثر نتیجه ی تمایل بدن شخص برای مقاومت در برابر شتاب می باشد. اما هنگامی که یک آسانسور ثابت باشد و کشش گرانش افزایش یابد نیز همان اثر تولید خواهد شد. هیچ راهی برای تمایز قایل شدن بین این دو اثر وجود ندارد.
اینشتین مشاهده کرد که این هم ارزی بوسیله ی ربط دادن گرانش به خواص هندسی دستگاه چهاربعدی قابل توضیح می باشد. با توجه به نظریه ی کلی نسبیت دستگاه چهار بعدی (فضا – زمان) بر اثر وجود ماده واپیچیده می شود . به ویژه این که اجسامی که بوسیله ی نیروی جاذبه حرکت می کنند، دستگاه چهار بعدی فضا – زمان را خم می کند. هنگامی که یک جسم از میان دستگاه فضا – زمان حرکت می کند ، جسم از انحنای دستگاه فضا – زمان پیروی می کند. حرکت بوجود آمده برای جسم در فیزیک کلاسیک با عنوان جذب گرانشی تعبیر می شود.
اینشتین دسته ای از معادلات برای توصیف حالتی که در آن فضا – زمان بوسیله ی ماده واپیچیده می شود، ارائه کرد. این معادلات از هندسه ای که توسط ریاضی دان آلمانی قرن نوزدهم جورج اف بی رایمن (Georg F. B. Riemann) ایجاد شده بود، پیروی می کند. در هندسه ی رایمنی هیچ خط مستقیمی وجود ندارد، بلکه فقط منحنی وجود دارد. بنابراین فضایی که توسط نظریه ی کلی نسبیت توصیف می شود یک فضای خمیده بدون خطوط مستقیم است. اینشتین سه اثر نسبیتی پیشنهاد داد که می توانستند برای آزمایش نظریه ی کلی اندازه گیری شوند. این آثار عبارت بودند از : خم شدن نور بوسیله ی میدان گرانشی، تغییر گردش سیاره ی عطارد به دور خورشید و تغییر قرمز (redshift) گرانشی نور (تغییر قرمز، تغییر طول موج نور به سمت طول موج های بلندتر می باشد. که ناشی از ورود به یا خروج از یک میدان گرانشی می باشد).
اندازه گیری هر کدام از این آثار، نظریه ی کلی را تأیید کرد. مشهورترین آزمایش طی خورشیدگرفتگی کلی در سال 1919 انجام گرفت. یکی از منحصر به فردترین آزمایش ها با پدیده ای که تأخیر زمان نامیده می شود ، سروکار دارد (تأخیر زمان : تأخیر جزئی در انتقال سیگنال رادیویی از میان یک میدان گرانشی است). این تأخیر در اواخر دهه ی 1970 با دقت بسیار زیادی بوسیله ی تعیین زمانی لازم برای رسیدن یک سیگنال رادیویی از یک فضاپیما بر روی کره ی مریخ به زمین، اندازه گیری شد. کره ی مریخ در آن زمان در طر ف دیگر خورشید قرار داشت.
از زمان انتشار نظریه ی کلی نسبیت تا کنون، در طول سالها نظریات جدید متنوعی درباره ی گرانش پیشنهاد شده است که آن ها نیز از اصل هم ارزی استفاده کرده اند.این نظریات از دستگاه چهاربعدی خمیده استفاده می کنند اما از لحاظ میزان انحنایی که پیش بینی می کنند با نظریه ی اینشتین متفاوت هستند. از دهه ی 1960 تا کنون آزمایش های مختلفی برای اندازه گیری آثار انحنای دستگاه چهار بعدی فضا – زمان انجام شده است . که هر کدام از این آزمایش ها بیش تر از دیگری نظریه ی اینشتین را تأیید کرده اند.
*نظریه ی کلی نسبیت در مطالعه ی ساختار کلی جهان استفاده می شود. با استفاده از این نظریه دانشمندان ، وجود پدیده ها و اجرام آسمانی نامتعارف متنوعی را پیش بینی کرده اند، از جمله سیاه چاله ها وعدسی های گرانشی
منبع:Howstuffworks.com
با توجه به نظریه ی اینشتین فضا و زمان ، مفهوم هایی نسبی هستند. واندازه گیری فضا و زمان به حالت حرکت ناظر بستگی دارد.
نظریه ی اینشتین شامل 2 قسمت می شود: قسمت اول: نظریه ی ویژه یا محدود می باشد، که با اندازه گیری های انجام شده توسط ناظرانی که با سرعت ثابت نسبت به همدیگر حرکت می کنند، سروکار دارد و قسمت دوم؛ نظریه کلی می باشد که به توضیح نظریه ی ویژه (قسمت اول) می پردازد و شامل اندازه گیری های انجام شده توسط ناظرانی که سرعت نسبی شان متغیر است، می شود. نظریه ی کلی اصل نسبیت را به گرانش اعمال می کند. نظریه ی ویژه ی نسبیت در سال 1905 و نظریه ی کلی در سال 1916 منتشر شد. نظریه نسبیت اینشتین اهمیت والایی در فیزیک مدرن دارد. به طور مثال نظریه ی ویژه به دانشمندان نشان داد که آزاد کردن انرژی محصور در هسته ی اتم امکان پذیر است .این تئوری بر تمامی شاخه های فیزیک که با تابش های الکترومغناطیسی و ذرات سرعت بالا سروکار دارند تأثیر گذاشت. این نظریه بر علم ستاره شناسی و کیهان شناسی مربوط به آن که تلاش می کردند منشأ و ساختار جهان را توضیح دهند، تأثیر عمیقی گذاشت. بدنه ی اصول علمی که قبل از اینشتین ایجاد شده بودند براساس فیزیک کلاسیک بود. هنگامی که این اصول را در موقعیت های روزمره به کار بریم هنوز هم درست هستند. فقط هنگامی که با اجسام دارای حرکت با سرعت فوق العاده بالا یا با اجسامی که میدان گرانشی بسیار قوی دارند، یا با جهان در مقیاس بزرگ سروکار داشته باشیم نظریه ی نسبیت تفاوت قابل توجهی با فیزیک کلاسیک دارد.
تاریخچه ی نظریه ی نسبیت
در سال 1687 ، سر ایزاک نیوتون (Sir (Isaac Newton) ( 1727 - 1642 قوانین پایه ی فیزیک کلاسیک را که در مکانیک ، مطالعه ی نیروها و حرکتی که آن نیروها به اجسام می دهند مورد استفاده است، فرمول بندی کرد. قانون های مکانیک کلاسیک با اصل حرکت نسبی مطابقت دارد. با توجه به این اصل:
1- حرکت اجسام در یک چارچوب مرجع معین به صورت یکسان به یک دیگر منسوب است، خواه چارچوب مرجع ساکن باشد یا با یک سرعت ثابت ( به عبارت دیگر حرکت با شتاب ثابت و در خط مستقیم) حرکت کند. به طور مثال یک مسافر نمی تواند تنها با نگاه کردن به اشیاء درون قطار بگوید که آیا او حرکت می کند یا با چه سرعتی حرکت می کند. این به آن علت است که همه چیز در قطار از جمله مسافر در حال حرکت با سرعت ثابت می باشند. فقط با نگاه کردن به بیرون از پنجره به برخی از اجسام ثابت مسافر می تواند متوجه حرکت شود. اما اگر حرکت یکنواخت نباشد ( اگرقطار درحال افزایش یا کاهش سرعت باشد یا در حال عبور از یک ناهمواری مسیر باشد) مسافر می تواند حرکت را احساس کند . به طور مشابه هنگامی که قطار در حال عبور از یک پیچ است او می تواند حرکت را احساس کند.
2- سرعت مطلق یک جسم را نمی توان بوسیله ی اندازه گیری سرعت از یک مکان (همانند زمین) که خود درحال حرکت است تعیین کرد، فقط سرعت نسبی قابل اندازه گیری است. به طور مثال سرعت مطلق یک راکت که از زمین پرتاب شده است هم به حرکت خود آن که توسط موتورش به دست آمده بستگی دارد وهم به حرکت زمین در فضا. از دید ناظر زمینی اندازه گرفتن سرعت راکت بوسیله ی تعیین زمانی که طول می کشد راکت از یک مکان به مکان دیگر حرکت کند، تنها سرعت راکت به زمین را می دهد. تعیین سرعت مطلق یک جسم فقط هنگامی ممکن است که بتوان آن را از نقطه ای که تقریباً بدون حرکت است اندازه گرفت.
نیوتون فضا را ساکن و ثابت در نظر گرفت. او اعتقاد داشت که فضا به عنوان یک چارچوب مرجع ثابت قابل استفاده است که همه ی حرکات را می توان بر اساس آن تعیین کرد. برای دو قرن بعد بیشتر دانشمندان بر صحیح بودن دیدگاه های نیوتون توافق نظر داشتند. در اواسط قرن نوزدهم مدارک قوی وجود داشت که نور از امواج تشکیل شده است. برای فیزیکدانان آشکار بود که اگر نور از امواج تشکیل شده است ، این امواج باید بوسیله ی یک واسطه منتقل شوند، دقیقاً همانند امواج دریا که توسط آب منتقل می شوند. و لرزش هایی که (ما به آن صدا می گوییم) بوسیله ی هوا منتقل می شوند. بنابراین آن ها فرض کردند که تمام فضا باید از یک ماده ی نامرئی مملو باشد که از طریق آن نور و دیگر انواع، تابش های الکترومغناطیسی حرکت می کنند. آنها این ماده را اتر ( ether) نامیدند.
این نظریه ی تفسیری برای نور فراهم کرد که با قوانین فیزیک کلاسیک تطابق داشت. هم چنین چار چوب مرجع ثابتی را که (فضای مطلق و غیرقابل حرکت) فیزیک و کیهان شناسی نیوتونی لازم داشت فراهم کرد، اما هر چه قدر که فیزیکدانان بیشتر بر روی اتر فرض شده تحقیق کردند، واقعی بودن آن کم تر به نتیجه رسید. آن ها نتوانستند هیچ راهی برای کشف اتر فرضی از راه آزمایش پیدا کنند. به نظر می آمد که هیچ خاصیتی به جز توانایی انتقال امواج الکترومغناطیس نداشت.
دانشمندان استدلال کردند که اگر زمین در میان اتر فرضی حرکت کند، سرعت نور در جهات مختلف، متفاوت باشد. دقیقاً همانند سرعت امواج آب که از یک کشتی در حال حرکت اندازه گیری می شوند تندتر یا کندتر هستند (بسته به این که آیا امواج در جهت حرکت کشتی حرکت می کنند یا در خلاف جهت آن) در سال 1887 آلبرت اِی مایکلسون (Albert A Michelson) و ادوارد دبلیو مرلی (Edward w. Morley) آزمایشی را بوسیله ی دستگاهی که می توانست تغییرات پیش بینی شده ی نور را بر اساس حرکت زمین در فضا اندازه گیری کند، انجام دادند. ولی چنان تغییراتی (در سرعت نور) ندیدند.
علاوه بر این به نظر می آمد آزمایش های دیگر نشان دادند که سرعت نور مستقل از حرکت منبع نور است. اگر چه حس رایج و فیزیک کلاسیک می گفت نوری که از یک منبع متحرک منتشر شده است باید تحت تأثیر حرکت منبع باشد. اینشتین ناسازگاری رفتار نور با قوانین مکانیک کلاسیک را با اتحاذ کردن یک دیدگاه جدید حل کرد.
نظریه ی ویژه ی نسبیت:
اینشتین نظریه ی ویژه ی نسبیت خود را بر دو فرض اساسی بنیان نهاد.
1- قوانین فیزیک برای همه ی ناظرانی که با حرکت یکنواخت نسبت به یکدیگر حرکت می کنند یکسان است.
2- سرعت نور در خلأ یک ثابت جهانی است و برای همه ی ناظران بدون توجه به حرکت نسبی یا حرکت منبع نور یکسان است.
عبارت اول شامل اصل نسبیت مکانیک کلاسیک است اما به شکلی پیچیده تر اینشتین نه تنها به قوانین مکانیک فکر می کرد بلکه به قوانین حاکم بر نور و دیگر پدیده های الکترومغناطیسی نیز فکر می کرد.
عبارت دوم به این معنی است که تلاش یک آزمایشگر برای تعیین سرعت خود در فضا با استفاده از باریکه ای از نور به عنوان معیار بیهوده است. چرا که صرف نظر از سرعت ناظر، اندازه گیری سرعت نور همیشه مقدار یکسانی به ما می دهد. این عبارت به طور ضمنی بر این موضوع دلالت دارد که طبیعت هیچ سیستم مرجع مطلقی برای مقایسه ی زمان و مسافت ارائه نمی کند. حرکت ستاره ها وهمه ی کهکشان ها تنها با در نظر گرفتن یکدیگر قابل توصیف است، چرا که در فضا مرزها و یا جهت های ثابتی وجود ندارد. فضا یک ماده نسیت اما فقط یک نظامی از اشیاء یا توصیفی از اشیاء با توجه به یکدیگر است. اگر چیزی فضا را اشغال نکند، فضا هیچ چیز نیست.
به عنوان بخشی از نظریه ی ویژه ی اینشتین معادلات ریاضیاتی برای کاربرد در مسائل مکانیک و الکترومغناطیس ایجاد کرد. این معادلات قوانین مکانیکی نیوتونی را اصلاح کرد. و چارچوبی برای مکانیک نسبتی که در فیزیک هسته ای و ذرات بنیادی از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است ایجاد کرد. برخی از اصولی که از معادلات مذکور استنباط شدند به صورتی که در ادامه می آید، قابل بیان است:
1- یک ساعتی که با سرعت یکنواختی نسبت به یک ناظر حرکت می کند، آهنگ عبور زمان را آهسته تر از ساعتی که ساکن است نشان می دهد.
2- طول با سرعت تغییر می کند، به خصوص یک میله ی اندازه گیری یا هر جسم دیگری که نسبت به یک ناظر حرکت می کند، در جهت حرکتش منقبض می شود.
3- محتوای انرژی یک جسم همان طور که سرعتش افزایش می یابد زیاد می شود. امکان رساندن سرعت یک جسم به سرعت نور وجود ندارد، چرا که میزان بسیار بزرگی از انرژی باید به جسم داده شود تا به سرعت نور برسد.
4- جرم و انرژی هم ارز هستند، ماده می تواند به انرژی تبدیل شود و انرژی می تواند به ماده تبدیل شود.
این عبارت که جرم و انرژی هم ارز هستند، از یک معادله ی مهم به دست آمده است:E=mc^2
این معادله بیان می کند انرژی (E) که در هر ذره ای از ماده وجود دارد ، برابراست با جرم (m) آن ذره ضرب در مجذور سرعت نور (c) . این معادله جواب مسائل خیلی قدیمی در فیزیک هم چون؛ چگونه خورشید و ستارگان می توانند برای میلیاردها سال به انتشار نور و گرما بپردازند؟ و چگونه مواد رادیواکتیوی همانند رادیوم می توانند ذراتی با انرژی خیلی بالا از خود ساطع کنند؟ را فراهم کرد.
در فیزیک نیوتونی، فضا و زمان به عنوان موضوعاتی جداگانه در نظر گرفته می شوند. از طرف دیگر در فیزیک نسبیتی فضا و زمان بسیار به هم وابسته هستند. ریاضی دان روسی هرمان مینکوفسکی (Hermann Minkowski) ( 1909 – 1864) بوسیله ی ایجاد یک هندسه ی چهار بعدی که در آن زمان با طول ، عرض و عمق (سه بعد فضا در فیزیک کلاسیک) در ارتباط است ، روش حل انواع بسیاری از مسائل در نسبیت ویژه را ساده سازی کرد. فضای چهار بعدی حاصل، دستگاه چهار بعدی یا به طور ساده فضا – زمان نامیده می شود. بعدها اینشتین مفهوم فضا- زمان را در نظریه ی کلی نسبیت گسترش داد.
آزمایش ها و مشاهدات بی شماری صحت اعتبار نظریه ی ویژه ی نسبیت را تأیید کرده اند. به طور مثال افزایش انرژی اجسامی که با سرعت های خیلی بالا حرکت می کنند، اساس طراحی شتاب دهنده های ذره (شکافنده های اتم) هستند. که در این شتاب دهنده های ذره، ذرات اتمی به سرعتی بالاتر از 9995/ 99 درصد سرعت نور دست پیدا کرده اند. تأخیر زمان (کند شدن زمان ) برای اجسامی که با سرعت های بالا حرکت می کنند در مشاهداتی که بر روی ذرات زیر اتمی با نام Muon انجام شده، مشاهده شده است. این ذرات عموماً وقتی ایجاد می شوند که تشعشعات کیهانی از فضای بیرونی زمین با اتم های بالای اتمسفر برخورد می کنند. مون ها (mouns) به شدت ناپایدار هستند و خیلی سریع به دیگر ذرات تبدیل می شوند. و بدون وجود پدیده ی تأخیر زمان (که در بالا ذکر شد) همه ی آن ها در مسافت کوتاهی دوباره به حالت اتمسفر برمی گردند. اما از آنجا که پدیده ی تأخیر زمان وجود دارد مشاهده می شود که مون ها به سطح زمین می رسند.
$ نظریه ی کلی نسبیت*:
نظریه ی ویژه ی نسبیت تنها زمانی کاربرد دارد که ناظرها با سرعت یکنواخت نسبت به یکدیگر حرکت می کنند. اینشتین این نظریه را به نظریه ای کلی که برای ناظران که با سرعت غیریکنواخت یا شتابدار نسبت به یکدیگر حرکت می کنند، بسط داد. نظریه ی کلی نسبیت پیشرفت های فیزیک پیشرفته، هندسه و نجوم را به شدت تحت تأثیر قرار داد. این نظریه از اهمیت ویژه ای در کیهان شناسی برخوردار است. به عنوان یک بخش بسیار مهم از این نظریه، اینشتین نظریه ای درباره ی گرانش ارائه داد که به صورت اساسی با نظریه ی ارائه شده توسط نیوتون متفاوت بود. مفهوم گرانش در نظریه ی کلی نسبیت عمدتاً بر اساس اصل هم ارزی پایه گذاری شده است. با توجه به این اصل تمییز دادن بین اثرات ناشی از شتاب یک سیستم و اثرات ناشی از گرانش بوسیله ی آزمایش غیرممکن است. آثار آنها نسبت به یکدیگر هم ارز هستند.
به طور مثال یک نفر در یک آسانسوری که به سمت بالا شتاب گرفته است ، احساس می کند که کف آسانسور به او فشار وارد می کند. این اثر نتیجه ی تمایل بدن شخص برای مقاومت در برابر شتاب می باشد. اما هنگامی که یک آسانسور ثابت باشد و کشش گرانش افزایش یابد نیز همان اثر تولید خواهد شد. هیچ راهی برای تمایز قایل شدن بین این دو اثر وجود ندارد.
اینشتین مشاهده کرد که این هم ارزی بوسیله ی ربط دادن گرانش به خواص هندسی دستگاه چهاربعدی قابل توضیح می باشد. با توجه به نظریه ی کلی نسبیت دستگاه چهار بعدی (فضا – زمان) بر اثر وجود ماده واپیچیده می شود . به ویژه این که اجسامی که بوسیله ی نیروی جاذبه حرکت می کنند، دستگاه چهار بعدی فضا – زمان را خم می کند. هنگامی که یک جسم از میان دستگاه فضا – زمان حرکت می کند ، جسم از انحنای دستگاه فضا – زمان پیروی می کند. حرکت بوجود آمده برای جسم در فیزیک کلاسیک با عنوان جذب گرانشی تعبیر می شود.
اینشتین دسته ای از معادلات برای توصیف حالتی که در آن فضا – زمان بوسیله ی ماده واپیچیده می شود، ارائه کرد. این معادلات از هندسه ای که توسط ریاضی دان آلمانی قرن نوزدهم جورج اف بی رایمن (Georg F. B. Riemann) ایجاد شده بود، پیروی می کند. در هندسه ی رایمنی هیچ خط مستقیمی وجود ندارد، بلکه فقط منحنی وجود دارد. بنابراین فضایی که توسط نظریه ی کلی نسبیت توصیف می شود یک فضای خمیده بدون خطوط مستقیم است. اینشتین سه اثر نسبیتی پیشنهاد داد که می توانستند برای آزمایش نظریه ی کلی اندازه گیری شوند. این آثار عبارت بودند از : خم شدن نور بوسیله ی میدان گرانشی، تغییر گردش سیاره ی عطارد به دور خورشید و تغییر قرمز (redshift) گرانشی نور (تغییر قرمز، تغییر طول موج نور به سمت طول موج های بلندتر می باشد. که ناشی از ورود به یا خروج از یک میدان گرانشی می باشد).
اندازه گیری هر کدام از این آثار، نظریه ی کلی را تأیید کرد. مشهورترین آزمایش طی خورشیدگرفتگی کلی در سال 1919 انجام گرفت. یکی از منحصر به فردترین آزمایش ها با پدیده ای که تأخیر زمان نامیده می شود ، سروکار دارد (تأخیر زمان : تأخیر جزئی در انتقال سیگنال رادیویی از میان یک میدان گرانشی است). این تأخیر در اواخر دهه ی 1970 با دقت بسیار زیادی بوسیله ی تعیین زمانی لازم برای رسیدن یک سیگنال رادیویی از یک فضاپیما بر روی کره ی مریخ به زمین، اندازه گیری شد. کره ی مریخ در آن زمان در طر ف دیگر خورشید قرار داشت.
از زمان انتشار نظریه ی کلی نسبیت تا کنون، در طول سالها نظریات جدید متنوعی درباره ی گرانش پیشنهاد شده است که آن ها نیز از اصل هم ارزی استفاده کرده اند.این نظریات از دستگاه چهاربعدی خمیده استفاده می کنند اما از لحاظ میزان انحنایی که پیش بینی می کنند با نظریه ی اینشتین متفاوت هستند. از دهه ی 1960 تا کنون آزمایش های مختلفی برای اندازه گیری آثار انحنای دستگاه چهار بعدی فضا – زمان انجام شده است . که هر کدام از این آزمایش ها بیش تر از دیگری نظریه ی اینشتین را تأیید کرده اند.
*نظریه ی کلی نسبیت در مطالعه ی ساختار کلی جهان استفاده می شود. با استفاده از این نظریه دانشمندان ، وجود پدیده ها و اجرام آسمانی نامتعارف متنوعی را پیش بینی کرده اند، از جمله سیاه چاله ها وعدسی های گرانشی
منبع:Howstuffworks.com
/ج
