خانه

نظریه های جهانی

علوم پایه

نظریه نسبیت انیشتین

نظریه نسبیت بر دو اصل استوار است:

1. اصل نسبیت: تمام قوانین علم در تمام چارچوب‏های مرجع یکسان‏اند.
2. ثابت بودن سرعت نور: سرعت نور در خلا ثابت و از سرعت ناظر مستقل است.
با توجه به این نظریه، هیچ ذره ای قادر نیست با سرعتی بیش از سرعت نور حرکت کند، چرا که بر اساس معادلات نسبیت جرمش به سمت بی نهایت میل می کند.
مثلا وقتی جسمی با سرعت نزدیک سرعت نور حرکت کند زمان برای او بسیار کند می‌‌گذرد. و همچنین ابعاد این جسم کوچکتر می‌شود. جرم جسمی که با سرعت بسیار زیاد حرکت می‌کند دیگر ثابت نیست بلکه ازدیاد پیدا می‌کند.

نسبیت خاص: در فیزیک کلاسیک، دو نظریه اساسی نسبت به ماهیت نور وجود داشت که از آنها به نظریه ی «موجی» و «ذره ای» نور یاد می کنند، که نظریه ی اول توسط هویگنس و نظریه دوم توسط نیوتن مطرح شد. در گذر زمان، فیزیکدانان متوجه شدند که نور در برخی شرایط از خود خواص موجی و در برخی شرایط دیگر خواص ذره ای بروز می دهد. از جمله تاثیرهای ذره ای نور می توان از واجد انرژی بودن نام برد و از جمله خواص موجی می توان خاصیت پراش را ذکر کرد. پس از پی بردن فیزیکدانان به خاصیت موجی نور، آنها در جستجوی محیطی می گشتند که موج بتواند در آن منتشر شود. به همین علت مفهومی را به نام اتر اعتبار کردند که در تمام فضا منتشر شده بود و امکان عبور امواج نور را فراهم می کرد. اما مشکل اساسی این فرضیه آن بود که هیچگاه چنین ماده ای کشف نشد.
این اعتقاد تا زمانی ادامه داشت که آزمایش مورل-مایکلسون توجه همه ی فیزیکدانان را به خود معطوف کرد. اما توجیه آن تا مدتها میسر نشد، تا اینکه هندریک لورنتس این پدیده را با ایده ی انقباض فضا و زمان تجیه کرد. به همین دلیل انیشتین در مقاله ای در سال ۱۹۰۵ خاطر نشان کرد که با وجود چنین نظریه ای، نیازی به مفهوم اتر از بین می رود. یکی از مهم ترین نتایجی که انیشتین از ایده ی لورنتس گرفت این بود که نظریه ی او به شکل عجیبی معنای مطلق بودن زمان را از میان می‌برد. سرانجام فعالیت انیشتین بر رو این موضوع، او را به ارایه ی یک نظریه ی بدیع فیزیکی در مورد مفاهیم فضا و زمان رساند. با توجه به این نظریه، هیچ ذره ای قادر نیست با رعتی بیش از سرعت نور حرکت کند، زیرا بر اساس معادلات نسبیت جرمش به سمت بی نهایت میل می کند. ( خود نور در نظریه ی نسبیت دارای جرم سکون نیست و به همین علت مشمول این قانون نمی شود. )
نکته ی اصلی نظریه ی نسبیت این است که ابعاد فضایی و زمانی نسبت به سرعتهای مختلف، به شکل های مختلف ظاهر می شوند. برای مثال اگر با سرعت نور حرکت کنیم، می بینیم که بازه های زمانی متداول به صفر رسیده و ابعاد فضایی منقبض می شوند تا آنجا که به صفر برسند. به این ترتیب هر اندازه که سرعت ذره بیشتر شود، بر اساس معادلات نسبیت، زمان کند تر شده و ابعاد فضایی منقبض می شوند. پروفسور استیون هاوکینگ در «تاریخچه ی زمان» در این باره می نویسد: « پیامد قابل توجه دیگر نسبیت، ایجاد انقلاب در برداشت ما از زمان و مکان است. بنا برا نظریه ی نیوتن، اگر اشعه ای از نقطه ای ب نقطه ای دیگر گسیل شود، ناظران متفاوت در مورد مدت زمان سیر نور هم داستانند، ( چرا که زمان مطلق است. ) اما لزوما بر فاصله ای که نور پیموده، متفق القول نیستند. ( چرا که مکان مطلق نیست. ) از آنجا که سرعت نور برابر با مسافت طی شده بخش بر مدت زمان است، برای ناظران مختلف سرعت نور یکسان نخواهد بود. از سوی دیگر، بنا بر نظریه ی نسبیت همه ی ناظران باید سرعت نور را مقداری ثابت اندازه گیری کنند. اما هنوز در مورد مسافتی که نور پیموده است هم داستان نیستند. بنابراین باید روی زمانی هم که طول کشیده است ا نور این مسافت را بپیماید، هم داستان نباشند. به دیگر سخن، نظریه ی نسبیت فاتحه ی مفهوم زمان مطلق را خواند. به نظر می رسید که هر ناظر خود باید معیاری برای زمان داشته باشد، و ساعتهای مشابه و یکسان که همراه ناظران متفاوت باشد، لزوما زمان واحدی را نشان نخواهند داد. »
اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند، زمان برایش متوقف می‌شود، طولش به صفر میرسد و جرمش بینهایت می‌شود.نسبیت عام برای حرکتهایی ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغییر می‌کند یا باصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمین g که همان عدد 9.81m/sاست نیز یک نوع شتاب است. پس نسبیت عام با شتابها کار دارد نه با حرکت. نظریه ایست راجع به اجرامی که شتاب گرانش دارند. کلا هرجا در جهان، جرمی در فضای خالی باشد حتما یک شتاب گرانش 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 سیاره دور 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 هردو فیلم را کنار هم روی یک صفحه تلویزیونی پخش کنند، ملاحظه خواهیم کرد که ساعت من تند تر کار می‌کند. نسبیت عام نتایج بسیار شگرف و قابل اثبات در آزمایشگاهی دارد. مثلا نوری که به پیرامون ستاره‌ای سنگین میرسد کمی بسمت آن ستاره خم می‌شود. سیاهچاله‌ها هم برپایه همین خاصیت است که کار می‌کنند. جرم انها بقدری زیاد و حجمشان بقدری کم است که نور وقتی از کنار آنها می‌‌گذرد به داخل آنها می‌‌افتد و هرگز بیرون نمی‌آید.

نظریه نسبیت عام: انیشتین در نظریه نسبیت خاص با حرکت شتابدار و یا با گرانش کاری نداشت. او نخستین بار این موضوعات را در نظریه نسبیت عام خود که در 1915 انتشار یافت مورد بحث قرار داد. نظریه نسبیت عام دید گرانشی را بکلی تغییر داد و در این نظریه جدید نیروی گرانش را مانند خاصیتی از فضا در نظر گرفت نه مانند نیرویی میان پیکرها، یعنی برخلاف آنچه که نیوتن گفته بود. در نظریه او فضا در مجاورت ماده کمی انحنا پیدا می‌کرد. در نتیجه حضور ماده اجرام، مسیر یا به اصطلاح کمترین مقاومت را در میان خمه‌ها (منحنیها) اختیار می‌کردند.
دانشمندان در موقع خورشیدگرفتگی در جزیره پرنسیپ پرتغال واقع در افریقای غربی دیدند که نور ستاره‌ها به جای آنکه به خط راست حرکت کنند در مجاورت خورشید و در اثر نیروی گرانشی آن خم می‌شوند و به صورت منحنی در می‌‌آیند. یعنی ما وضع ستاره‌ها را کمی بالاتر از محل واقعیش می‌بینیم. ماهیت تمام پیروزیهای نظریه نسبیت عام انیشتین اخترشناختی بود ولی دانشمندان حسرت می‌‌کشیدند که‌ ای کاش راهی برای آزمون آن در آزمایشگاه داشتند. نظریه انیشتین به ماده به صورت بسته متراکمی از انرژی نگاه می‌‌کرد به همین خاطر می‌‌گفت که این دو به هم تبدیل پذیرند یعنی ماده به انرژی و انرژی به ماده تبدیل می‌شود. E = mc² دانشمندان به ناگاه پاسخ بسیاری از پرسش‌ها را یافتند. پدیده پرتوزایی به راحتی توسط این معادله توجیه شد. کم کم دانشمندان دریافتند که هر ذره مادی یک پادماده مساوی خود دارد و در اینجا بود که ماده و انرژی جدایی‌ناپذیر شدند.