نظریه ی نسبیت

در دهه اول قرن بیستم انقلابی در فلسفه علوم طبیعی پیش آمد که بسیاری آن را از حیث عمق معنا و درهم ریزی احکام موجود پذیرفته شده ، نسبت به انقلاب کوپرنیکی - گالیله‌ای ، برتر به شمار می‌آورند. در این فاصله زمانی دو نظریه بسیار مهمی پا به عرصه رقابت نهادند ، نظریه نسبیت و کوانتمی که نسبت به کارهای دانشمندان پیشین از جمله ماکسول ، سارین ، کلوین و کلاوزیوس به نحو چشمگیری متفاوت بودند. این نظریه‌های جدید با مکانیک نیوتونی نیز در بعضی از اصول و فرضهای بنیادی اختلاف شدیدی داشتند.

این نظریه علاوه بر اینکه در برگیرنده پیچیدگیهای ریاضی است، تصور ذهنی و فهم آن ، بسیار دشوار است. البته شایان ذکر است که انیشتین در مقاله 1905 خود که برای اولین بار به نسبیت خاص خود پرداخت، از معادلات ریاضی ساده استفاده کرد. اما در مقاله 1919 که به نسبیت عام پرداخت ، بر خلاف مقاله پیشین از فرمولهای پیجیده ریاضی استفاده کرد. نسبیت از ریشه نسبی گرفته شده است ، یعنی هر کدام از واحدهای فیزیکی شناخته شده برای توصیف پدیده‌های طبیعی ، نسبی هستند. به عبارت دیگر می‌توان گفت که بر اساس نسبیت ، جرم ، سرعت ، شتاب و حتی زمان که برای ما تعریف می‌شوند، نسبی هستند.

•  در سال 1905 میلادی، آلبرت انیشتین (1955_1879)، دانشمند آمریکایی آلمانی تبار، نظریه نسبیت خاص خود را منتشر نمود. طبق این نظریه تنها چیزی که در جهان ثابت است سرعت نور در خلا بوده و تمام چیزهای دیگر مانند سرعت، طول، جرم و گذشت زمان مطابق با چهارچوب مرجع(دیدگاه خاص) شخص، تغییر می کنند.

• با این نظریه تعدادی از مسائل که مدتها فیزیکدانان را به خود مشغول کرده بودند، حل شدند. معادله معروف این نظریه E=MC2 است که در آن انرژی (E) برابر است با حاصلضرب جرم (M) در مجذرو سرعت نور (C).

   

• نسبیت عام برای حرکتهایی ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغییر می کند یا به اصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمین g که همان عدد 9.81m/s است نیز یک نوع شتاب است. پس نسبیت عام با شتابها کار دارد نه با حرکت. نظریه‌ای است راجع به اجرامی که شتاب ثقل دارند. کلا هر جا در عالم ، جرمی در فضای خالی باشد حتما یک شتاب جاذبه در اطراف خود دارد که مقدار عددی آن وابسته به جرم آن جسم می‌باشد. پس در اطراف هر جسمی شتابی وجود دارد.
  
  نسبیت عام با این شتابها سر و کار دارد و بیان می‌کند که هر جسمی که از سطح یک سیارهدور شود زمان برای او کندتر می‌شود. یعنی مثلا ، اگر دوربینی روی ساعت من بگذارند و از عقربه‌های ساعتم فیلم زنده بگیرند و روی ساعت آدمی که دارد بالا میرود و از سیاره زمین جدا می‌شود هم دوربینی بگذارند و هر دو فیلم را کنار هم روی یک صفحه تلویزیونی پخش کنند، ملاحظه خواهیم کرد که ساعت من تندتر کار می‌کند. نسبیت عام نتایج بسیار عجیب و قابل اثبات در آزمایشگاهی دارد. مثلا نوری که به اطراف ستاره‌ای سنگین می‌رسد کمی به سمت آن ستاره خم می‌شود. سیاهچاله‌ها هم بر اساس همین خاصیت است که کار می‌کنند. جرم آنها به قدری زیاد و حجمشان به قدری کم است که نور وقتی از کنار آنها می‌گذرد به داخل آنها می‌افتد و هرگز بیرون نمی‌آید.
  
  همه ما برای یکبار هم که شده گذرمان به ساعت ‌فروشی افتاده است و ساعتهای بزرگ و کوچک را دیده ایم که روی ساعت ده و ده دقیقه قرار دارند. ولی هیچگاه از خودمان نپرسیده‌ایم چرا؟ آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت خاص با حرکت شتابدار و یا با گرانش کاری نداشت. اینیشتین در سال 1919 ، با ترمیم و تعمیم نسبیت خود ، نسبیت عام را مطرح کرد. نسبیت عام برخلاف نسبیت خاص ، در بر گیرنده معادلات و پیچیدگیهای ریاضی بود. یکی از پیش بینیهای این نظریه آن بود که ساعتها در میدان گرانشی بسیار قوی ، کندتر کار می‌کنند و همچنین نور در میدان گرانشی بسیا قوی ، در مسیر مستقیم خود منحرف می‌شوند.
  
  این نظریه توانست به بسیاری از معماهای کیهان شناسی در مورد سیاهچاله ، عمر کرات وسیارات ، انرژی ستاره‌ها و کهکشانها ، چگالی جهان و ... پاسخ دهد. به اعتقاد وی تأثیرات جاذبه و شتاب جدایی ناپذیر بوده و بنابراین باهم برابرند. او همچنین نحوه ارتباط نیروهای جاذبه به انحنای فضا _ زمان را تشریح نمود.
   
  
  آسانسور انیشتین ، تأثیر آسانسور در حال
  شتاب بر بدن انسان برابر با جاذبه است.
   
  
  
   

   

 

 

 

 

• مقدمه

• نسبیت یکی از شاخه‌های مهم فیزیک است که جنبه‌های نظری و عملی آن از قرن گذشته توجه فیزیکدانان را به خود جلب کرده است. نظریه‌هایی مانند مکانیک و الکترومغناطیس که قبل از نظریه نسبیت ظهور یافتند و یا نظریه‌هایی مانند مکانیک کوانتومی و نظریه ریسمان که بعد از نسبیت پدید آمدند در فرمول بندی‌های مناسب با نسبیت سازگاری پیدا کرده‌اند. ضرورت این سازگاری به دلیل شمول فراگیر نظریه نسبیت پیش آمده است و خوشبختانه تا این زمان بین نظریه‌های دیگر تضاد یا سازگاری مشاهده نشده است.

• نظریه نسبیت از نقش چارچوبهای مرجع که در توصیف قوانین طبیعت بکار می‌روند، نهایت استفاده را می‌کند. استفاده از هندسه مختصاتی ، برای بیان موثر قوانین معلوم ، و نیز استنتاجقوانین فیزیکی جدید تعمیم داده می‌شود. هدف نسبیت این است که برای بیان قوانین فیزیک روشهایی بدست آورد به طوری که قوانین مزبور توسط مختصات چارچوب مرجعی که در آن نوشته می‌شوند تغییر نیافته یا متمایز نشوند. اصلی که فرض می‌کند چنین روشهای بیان لازم بوده و می‌توانند بدست آیند، اصل ناورلایی است.

تاریخچه

در اواخر قرن نوزدهم ، بعد از اینکه نظریه الکترومغناطیس کلاسیک به صورت کنونی‌اش توسعه یافت، نیاز به یک نظریه نسبیت رضایتبخش در فیزیک احساس شد. در آن زمان آشکار شد که مشاهدات تجربیانتشار نور در ارتباط با اثرهای حرکت ناظر نسبت به محیطی که فرض می‌شد نور در آن حرکت ‌کند، تناقص‌هایی با عقاید رایج آن زمان دارد. برای داشتن توصیفی از حرکت نور که با تجربه سازگار باشد، لازم شد قانون تبدیل پیشنهادی لورنتس که مختصات
چارچوبهای دارای حرکت نسبی یکنواخت را به هم مربوط می‌سازد، پذیرفته شود.

شکست مکانیک کلاسیک

مکانیک کلاسیک نیوتن تا زمانی که توصیف درست و ذاتا سازگاری از حرکت ذرات مادی در طبیعت را می‌داد که دامنه کاربردش محدود به ذرات مادی و چارچوبهای مرجعی بود که سرعت‌های نسبی آنها کسر کوچکی از سرعت نور بود. اما در سرعتهای نزدیک به سرعت نور با شکست مواجه شد. موفقیت بزرگ مکانیک کلاسیک نیوتنی در پیشگویی دقیق رویدادهای زمینی و حرکتهای کیهانی ، موضعی برای تردید در اعتبار مکانیک کلاسیک باقی نگذاشت، به گونه‌ای که درست بعد از زمانی که تبدیلات لورنتسبرای توصیف صحیح انتشار نور از نظر ناظر در حال حرکت پذیرفته شد، دقت و نوع تقریبی که در قوانین نیوتن وجود داشت صرفا به عنوان نتیجه‌ای از کشف تبدیلات لورنتس بدست آمد.

ظهور بعد چهارم

با توجه به رابطه‌ای که انتخاب‌ چارچوب مختصات با شکل قوانین فیزیکی دارد، خواص دستگاههای مختصات و تبدیلاتشان جایگاه مهمی در مطالعه نسبیت دارد. در جهان فیزیکی موقعیت فضایی توسط سه مختصه مکان ، مانند (X ، Y ، Z ) (در دستگاه مختصات دکارتی) مشخص می‌شود، ولی با بسطنظریه نسبیت معلوم شد که پارامتر زمان نیز بطور طبیعی با اهمیت مشابهی به صورت مختصه پنجم ، در فضای رویداد چهاربعدی ظاهر می‌شود. در این فضای چهاربعدی مختصه عمومی با شاخص یونانی نوشته می‌شود.

شاخه‌های مختلف نسبیت

نظریه نسبیت در سیر تاریخی خود ، در دو زیر گروه اصلی موسوم به نسبیت خاص و عام توسعه یافته است. این ، نظریه‌های مجزا نبوده ، هر دو بخشهایی از یک نظریه واحد می‌باشند. در واقع نسبیت خاص مورد خاص از نسبیت عام است.

نسبیت خاص

این نظریه با چارچوبهای مرجع لخت سروکار دارد و بر دو اصل زیر استوار است:

کلیه قوانین فیزیکی در تمام چارچوبهای مرجع لخت یکسان هستند و هیچ چارچوب مرجع اولویت وجود ندارد.

• سرعت نور در کلیه چارچوبهای مرجع یکسان است.

نسبیت عام

این نظریه با چارچوبهای نالخت سروکار دارد و در کیهان شناسی و گرانش کاربرد دارد.


فرض اساسی نسبیت عام این است که تمام دستگاههای مختصات که در حالت‌های حرکت اختیاری هستند، برای بیان ریاضی قوانین فیزیک باید به یک اندازه مناسب باشند. بنابراین ، باید برای نوشتن قوانین فیزیک روشهایی یافت، بطوری که تحت هر تبدیل مختصات دلخواه ، تغییری در شکل آنها حاصل نشود.

نقش تساوی جرم گرانشی و جرم لختی در پیشرفت نسبیت مساوی بودن جرم گرانشی و جرم لختی نقش اساسی در پیشرفت تاریخی نسبیت عام داشت. منشا تساوی مزبور در این نکته است که قانون دوم نیوتن f=ma برای شتابهای گرانشی در میدان گرانشی با شدت g، به صورت m_Gg=m_Aa در می‌آید. چون مشاهده می‌شد که در یک میدن گرانشی هر اشیاء به یک میزان شتاب می‌گیرند، یعنی g=aانیشتین به تحقیق دریافت که گرانش اساسا یک پدیده سینماتیکی است که شامل تغییر در مختصات فضا و زمان در همسایگی منبع میدان گرانشی است.

منبع دانشنامه رشد