تصویر جهان در فیزیک امروز (تئوری نسبیت)

نوشته شده توسط:کیوان فیض مرندی در چالشهای فیزیک » جهان موازی | ۰۷ فروردین ۱۳۹۴ - ۱۴:۱۱ | ۰ دیدگاه

تئوری نسبیت خاص یکی از دو تئوری مهم فیزیک مدرن است که انیشتین با ارائه آن در سال 1905 برداشت ما را از فضا، زمان ماده و انرژی به طور اساسی تغییر داد. به زبانی ساده، این تئوری عبارتست از علم مکانیک جدید که جایگزین مکانیک نیوتونی شده است و اشیاء مادی، حرکت و نور را بررسی می کند. برخلاف مکانیک نیوتونی که به فضا و زمان به عنوان کمیت های مستقل و مطلق می نگرد، در تئوری نسبیت فضا و زمان به هم پیوسته اند و یک چارچوب یا یک محیط پیوسته چهار بعدی به نام "فضا- زمان" را تشکیل می دهند.

دیگر اصطلاحاتی مانند گذشته، حال و آینده مفاهیم عادی خود را از دست می دهند چرا که تئوری نسبیت خاص نشان می دهد که ناظرهای مختلف برداشت های مختلفی از زمان وقوع یک اتفاق مشخص دارند و بسته به سرعت حرکت ناظرها نسبت به همدیگر، آنچه برای فردی در گذشته اتفاق افتاده برای فرد دیگر در آینده یا حال اتفاق می افتد. همچنین، موضوع همزمانی اتفاقات دیگر چندان معنی دار نیست چرا که اگر من و شما یک اتفاق مشخص را شاهد باشیم و به فرض من نسبت به شما با سرعت بالایی حرکت کنم دیگر آن اتفاق را همزمان درک نخواهیم کرد. در قسمت های بعدی کتاب چند مثال در این مورد خواهیم آورد. نکته بسیار مهم تر اینکه تئوری نسبیت ناظر را هم وارد بحث می کند. برخلاف دیدگاه مکانیکی که جهان را ماشینی تعبیر می کند که مستقل از وجود ناظر به کارش ادامه می دهد، در تئوری نسبیت خاص ناظر قسمتی از رویداد است. همانگونه که بعداً خواهیم دید این موضوع اثرات عمیقی بر فلسفه و برداشت ما از جهان گذاشته است.

نوآوری دیگر انیشتین در تئوری نسبیت خاص ارتباط دادن ماده به انرژی است. معادله مشهور انیشتین (2E = mc) دست آورد همین تئوری است. طبق این معادله، ماده همان انرژی و انرژی همان ماده است. به عبارت دیگر، در فیزیک کلاسیک ذرات انهدام ناپذیر فرض می شوند ولی در تئوری نسبیت ذرات را می توان به انرژی خالص تبدیل نمود و بعکس. یعنی انرژی را هم می توان به ماده تبدیل کرد. نیروگاه هسته ای و بمب اتمی براساس همین معادله بسیار ساده انرژی ماده را آزاد می کنند.

اینجا خالی از لطف نخواهد بود که اندکی از موضوع اصلی منحرف شویم. اگر تئوری تکامل داروین و تئوری وراثت مندل در ژنتیک را به کنار بگذاریم، سه تئوری در فیزیک باعث سه انقلاب عظیم در برداشت ما از جهان شده اند و زندگی من و شما و حتی مرزهای کشورها را تعیین کرده اند. مثلا، اگر ژاپن قدرتمند است، اگر طالبان در افغانستان هستند، اگر در روسیه تخم مرغ نایاب می شود، اگر موشک و هواپیما وجود دارند، اگر آلمان دو نیم شد و دوباره یکپارچه، اگر شما در تهران زندگی می کنید، اگر کودک آفریقایی غذا ندارد، اگر انسان پا بر روی کره ماه گذاشته است، اگر من امروز کتابم را با کامپیوتر می نویسم، اگر شما متولد شده اید، اگر مادر و پدرتان همدیگر را دیده و پسندیده اند، اگر بچه همسایه سرطان گرفته است، اگر من هنوز زنده هستم، اگر آی سی ساخته شده است، اگر شوروی فروپاشیده است، اگر دالای لاما بودایی است و میلیاردها اگر دیگر، همه و همه بابت سه تئوری است: تئوری نیوتون، تئوری کوانتوم و تئوری نسبیت. جالب است که هریک از این تئوری ها یک معادله فوق العاده ساده دارند: معادله F = m.a در تئوری نیوتون، معادله E = h.f در تئوری کوانتوم و معادله 2E = mc در تئوری نسبیت. آری، اگر امروز شما شمایید، من منم، همه چیزها همه چیزها هستند، به خاطر همین سه معادله فوق العاده ساده و بی نهایت زیبا است. کمی فکر کنید. حتی یک مثال در ارتباط با بشر نمی توان آورد که این سه معادله اثر نگذاشته باشند. یک جمله دیگر: انقلاب بعدی در علم هم با یک معادله ساده اتفاق خواهد افتاد. کسانی که معادلات عجیب و غریبی کشف می کنند تنها بر روی جزئیات زندگی اثر می گذارند.

نکته دیگری که در مورد تئوری نسبیت باید مورد توجه قرار داد این است که این تئوری تنها به درد بررسی حرکتی می خورد که در آن سرعت ثابت باشد. بنابراین، این تئوری به درد بررسی نیرو نمی خورد چون نیرو وقتی تولید می شود که تغییر سرعت (یا شتاب) داشته باشیم. همچنین، برای سرعت های پایین اثرات نسبیت به قدری ناچیز است که می توان از آنها چشم پوشی نمود. تنها در سرعت های نزدیک به سرعت نور است که اثرات نسبیت چشمگیر می شوند. بنابراین، تئوری نسبیت چندان به درد کاربردهای زندگی روزمره ما نمی خورد.

همانطور که اشاره شد، به دنبال تئوری نسبیت خاص که حرکت اجسام را در سرعت های ثابت نسبت به همدیگر مورد مطالعه قرار می دهد، تئوری نسبیت عام به عنوان تئوری کامل تر ارائه گردید که می تواند حرکت اجسامی را که نسبت به هم سرعت های متغیری در زمان دارند بررسی نماید. شاید لازم به توضیح نباشد که تئوری اول انیشتین حالت خاص تئوری دوم وی است. می دانیم که تغییر سرعت در زمان به معنی حرکت شتابدار است و به هر جسمی با حرکت شتابدار نیرویی برابر حاصلضرب جرم آن جسم در شتابش وارد می شود. بنابراین، آشکار است که تئوری نسبیت عام به بررسی نیروها (خصوصاً نیروی جاذبه) می پردازد. همچنین، این تئوری اثر ماده (یا انرژی) را بر روی ساختار فضا- زمان (و برعکس) بررسی می کند و به عنوان نمونه نشان می دهد که حضور ماده در هر نقطه ای از فضا موجب انحنای فضا (و زمان) در آن نقطه می شود. معلوم است که انحنای فضا نیز به نوبه خود موجب تغییر مسیر حرکت اجسامی خواهد شد که از نزدیکی همدیگر می گذرند.

هر چند که ما فضا را دارای سه بعد (طول، عرض و ارتفاع) می دانیم، برای درک موضوع بالا یک فضای دو بعدی را در نظر می گیریم. مثلاً، یک سفره پلاستیکی را تصور کنید که کاملاً کشیده شده است و هر گوشه آن بر روی پایه ای قرار دارد. پرتقالی را بر روی این سفره که تنها طول و عرض (دو بعد) دارد قرار می دهیم. مشاهده خواهیم کرد که سطح صاف سفره دچار فرورفتگی می شود یا به عبارت دیگر حضور ماده (پرتقال) فضای دو بعدی (سفره) را دچار انحناء می کند. حال توپ سنگینی مانند یک توپ بسکتبال را نیز بر روی همان سفره قرار می دهیم و طبیعی است که گودی (انحنای) چشمگیری در سطح سفره به وجود خواهد آمد. واضح است که هر قدر جسم بزرگتر (یا جرم آن بیشتر) باشد مقدار انحنای فضا بیشتر و وسعت فضای درگیر شده گسترده تر خواهد بود. اکنون پرتقال را برمی داریم و از یک لبه سفره به طرف توپ بسکتبال می غلتانیم به طوری که از کنار توپ رد شود. پرتقال در مسیری مستقیم حرکت خواهد کرد و در رسیدن به گودی (فضای منحنی) ناشی از حضور توپ، از مسیر مستقیم خود منحرف خواهد شد و طی یک حرکت مارپیچ به طرف توپ سقوط خواهد کرد. دلیل این حرکت مارپیچ پرتقال کاهش انرژی پرتقال در اثر اصطکاک با سطح سفره است. بنابراین، اگر سرعت (یا انرژی) اولیه پرتقال زیاد باشد، مسیر پرتقال دچار انحراف خواهد شد ولی بر روی توپ سقوط نخواهد کرد.

به طور کلی، بسته به شدت انحنای فضا (یا مقدار جرم جسمی مانند توپ که در آن قسمت از فضا حضور دارد) و مقدار انرژی اولیه جسم دیگر (مثلا پرتقال) که به طرف جسم اول در حرکت است، سه حالت ممکن است اتفاق بیافتد: جسم متحرک بر روی جسم بزرگتر سقوط کند (مانند سقوط سنگ های آسمانی بر روی زمین)، جسم متحرک در مداری بر گرد جسم بزرگتر بگردد (مانند گردش ماه به دور زمین)، یا جسم متحرک تنها دچار انحراف از مسیر بشود (مانند انحراف نور ستارگان دوردست در عبور از کنار خورشید). حرکت تمام سیارات در حول ستارگان با همین مکانیزم و ناشی از انحنای شدید و گسترده فضای اطراف ستارگان است. در کسوف سال 1919، انحراف مسیر نور یک ستاره دوردست مورد مشاهده قرار گرفت (همان شکل) و مهر تاییدی بر تئوری نسبیت گذاشت و جایزه نوبل فیزیک آن سال را از آن انیشتین نمود.

ملاحظه می شود که انحنای سفره (فضا) دقیقاً همان اثر نیروی جاذبه را دارد. به عبارت دیگر، جاذبه یک جسم مترادف است با انحنای فضای اطراف آن جسم: هرقدر انحناء بیشتر باشد (در اثر بزرگی جرم)، جاذبه شدیدتر خواهد بود. حال اگر فضای دوبعدی سفره با فضای سه بعدی ملموس خودمان جایگزین گردد همان چیزی به دست می آید که تئوری نسبیت عام ارائه می کند و در نتیجه جرم، هندسه فضا و نیروی جاذبه به هم مربوط می شوند. هر جایی که جرم (یا انرژی) حضور داشته باشد باید انحنای فضا هم موجود باشد. برعکس، هرجا که انحنای فضایی ملاحظه شود باید در جستجوی جرم (یا انرژی) در آن مکان باشیم. مثلاً، همینکه بدانیم شعاع نوری که از فلان ستاره به ما می رسد در قسمتی از مسیرش دچار انحراف می شود، بدان معنی است که جرم (یا انرژی) پنهان یا آشکاری در آن حوالی وجود دارد که موجب آن انحراف می شود.

با توجه به این بحث و نظر به اینکه تقریباً همه جا جرم (یا انرژی) وجود دارد، دیگر فضای بدون انحناء (یا مستوی) تئوری نیوتون چندان به درد نخواهد خورد و باید جای خود را به فضای منحنی تئوری نسبیت عام بدهد. بنابراین، هندسه اقلیدسی که تنها در مورد سطوح مستوی صدق می کند و در تئوری نیوتون به کار گرفته می شود نیز باید با هندسه دیگری جایگزین شود که بتواند سطوح منحنی را بررسی کند. این هندسه به افتخار بنیانگذار آن یعنی ریمان به هندسه ریمانی شهرت دارد. ریمان ریاضیدان مشهور و خجالتی آلمانی بود که این هندسه را در سال 1854 ارائه نمود. و جالب است بدانید که ریمان پنجاه سال قبل از انیشتین نیرو را به انحنای فضا ارتباط داده بود. در دفتر 5 بیشتر به این موضوع می پردازیم.

اصطلاحاً، فضای مسطح را که هندسه اقلیدسی در مورد آن صدق می کند فضای اقلیدسی و فضای منحنی را که تنها به کمک هندسه ریمانی قابل بررسی است فضای ریمانی می نامند. ما از همان دوران کودکی با هندسه اقلیدسی که درک آن راحت تر است و کاربرد زیادی هم دارد آشنا می شویم و برایمان مشکل است که نتایج و تبعات هندسه ریمانی را درک کنیم. اینجا باید تاکید شود که هندسه اقلیدسی غلط نیست و تا آنجایی که با سطوح مستوی سروکار داریم کاملاً درست است ولی اصول این هندسه در مورد سطوح منحنی نادرست است. به عنوان مثال، در هندسه اقلیدسی (سطح صاف) کوتاهترین فاصله بین دو نقطه خط مستقیمی است که آن دو نقطه را به هم وصل می کند و بر روی آن سطح قرار دارد.

حال آنکه در هندسه ریمانی (بر روی سطح منحنی) چنین نیست. مثلاً، بر روی کره زمین، کوتاهترین فاصله بین تبریز و زاهدان خطی است که از درون زمین عبور می کند و بر روی سطح کره زمین قرار ندارد. یعنی، برخلاف هندسه اقلیدسی، خطی که برروی سطح زمین قرار گرفته و تبریز را به زاهدان وصل می کند کوتاهترین فاصله نیست. بنابراین، در فضای منحنی دیگر خط مستقیم نمی تواند وجود داشته باشد.

به عنوان مثال، می دانیم که یک پرتو نوری همیشه کوتاهترین فاصله را انتخاب می کند. حال اگر در مسیر نور، جسمی با جرم بسیار بزرگ وجود داشته باشد، انحنایی در فضا به وجود خواهد آمد و لذا نور یک مسیر منحنی را خواهد پیمود. از دیدگاه فیزیک کلاسیک، انحنای مسیر نور ناشی از جاذبه جسم فوق است ولی از نظر فیزیک جدید جسم مذکور موجب خمیدگی فضا و در نتیجه انحنای مسیر نور خواهد شد.

گفتنی است که انحنای فضا می تواند مثبت، منفی و یا صفر باشد. در حالت سوم همان صفحه مسطح را خواهیم داشت که بر روی آن اصول هندسه اقلیدسی صادق خواهند بود. این نشان می دهد که هندسه اقلیدسی حالت خاصی از هندسه ریمانی است (حالتی که انحنای سطح صفر است).

برای درک تفاوت این سه نوع فضا توجه کنید که در فضای مسطح (انحنای صفر) اندازه مجموع زوایای یک مثلث برابر 180 درجه است، از هر نقطه ای در خارج یک خط تنها یک خط موازی می توان رسم کرد که خط اول را قطع نکند، کوتاهترین فاصله بین دو نقطه یک خط مستقیم است که آن دو نقطه را به هم وصل می کند و غیره.

در فضای با انحنای مثبت (مانند سطح یک کره) اندازه مجموع زوایای یک مثلث بیشتر از 180 درجه است، از نقطه ای خارج یک خط هرگز نمی توان خطی موازی آن خط رسم کرد چرا که هر خط دیگری خط اول را قطع خواهد کرد، کوتاهترین فاصله بین دو نقطه یک خط منحنی است و غیره.

در فضای با انحنای منفی (مانند سطح یک زین اسب) اندازه مجموع زوایای یک مثلث کمتر از 180 درجه است، از نقطه ای واقع در خارج یک خط می توان بی نهایت خط رسم کرد که موازی خط اول باشند و غیره

    هیچ نظری تا کنون برای این مطلب ارسال نشده است، اولین نفر باشید...
موضوعات
دانلود جدید ترین فیلم های ایرانی
دانلود گشت ارشاد ۲
دانلود گشت ارشاد ۲
دانلود فیلم سلام بمبئی
دانلود فیلم سلام بمبئی
دانلود فیلم خوب بد جلف
دانلود فیلم خوب بد جلف
دانلود فیلم لاک قرمز
دانلود فیلم لاک قرمز
لیست دانلود
آخرین مطالب
متن خبری

لورم ایپسوم متن ساختگی با تولید سادگی نامفهوم از صنعت چاپ و با استفاده از طراحان گرافیک است. چاپگرها و متون بلکه روزنامه و مجله در ستون و سطرآنچنان که لازم است و برای شرایط فعلی تکنولوژی مورد نیاز و کاربردهای متنوع با هدف بهبود ابزارهای کاربردی می باشد.

ما را در شبکه های اجتماعی دنبال کنید
با ما در شبکه های اجتماعی همراه باشید:

© تمامی حقوق برای کانی وب محفوظ است.

قدرت گرفته از کانی وب