نظریه نسبیت انیشتین

نظریه نسبیت انیشتین یکی از مهمترین و جهان شمول ترین نظریه های علم است. نظریه ای که دید ما را نسبت به فضا و زمان به کلی تغییر داد. از آن به عنوان های نظریه انقلابی و فیزیک کوانتومی نیز یاد میکنند. تیم فارسی خوان ما در این مطلب آن را به زبانی ساده برای شما بازگو میکند.

تعریف فضا با دیدگاه انیشتین

برای شروع بیاید لحظه ای تصور کنید که تمام اشیا انسان ها و حیوانات ستاره ها زمین و حتی اتم های گاز غیرقابل رویت را از صحنه حذف کنیم. در این صورت چه باقی میماند؟ جوابی که اکثرمان به این سوال خواهیم داد: هیچ چیز است. اما این جواب درست نیست؛ زیرا چیزی که باقی میماند فضای خالی است. و فضای خالی با هیچ چیز تفاوت بسیاری دارد.

بسیاری از مردم زمانی که از فضا صحبت میشود، فضای میان ستاره ای و دوردست تصور میکنند. در حالی که فضا همه جا حضور دارد و تمام اتفاقات روزانه زندگی ما در همین فضا شکل میگیرد. با خالی کردن فضای خالی اتم های برج میلاد، میتوان آن را در یک دانه برنج جا داد.

نظریه نسبیت خاص انیشتین

از زمان نیوتون تا ۲۰۰ سال بعد، قوانین نیوتون تنها قوانین طبیعت بودند؛ تا اینکه شخصی به نام آلبرت انیشیتین همه چیز را تغییر داد. آلبرت انیشتین در ۱۸۷۹ در آلمان به دنیا آمد. در این زمان نیروی الکتریکی شهر ها را روشن کرده و باعث بوجود آمدن تکنولوژی هایی شده بود. که نیوتون آن هارا حتی تصور نمیکرد. اواسط دهه ۱۸۰۰ جیمز کلارک ماکسول با نوشتن معادلات مشهور خود و ادغام الکتریسیته و مغناطیس، راه را برای انیشتین و ابداع تئوری نسبیت خاص باز کرد.

در این زمان مفهوم نور ذهن انیشتین را به خود مشغول کرده بود و چیزی که اهمیت بیشاتری داشت سرعت نور بود.نور بازیگر اصلی تئوری انیشتین بود که اوایل قرن بیستم بیان شد.

طرح نظریه نسبیت با یک مثال

فرض کنید در یک تاکسی نشسته اید و این تاکسی میتواند با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند. در این حرکت شما فضای بیرون و خیابان پیش رویتان را طلانی تر میبینید. اما زمان روی ساعت مچی تان نرمال جلو میرود. ولی فردی که در خیابان ایستاده است و حرکت شما را تماشا میکند، میبیند که زکان برای شما به کندی حرکت میکند. همه این وقایع عجیب برای ثابت نگه داشتن سرعت نور است.


پس در نظریه نسبیت خاص (برخلاف نظر نیوتون) فضا و زمان دیگر جدا از هم نیستند و با هم کار میکنند.

ارتباط فضا و زمان

حرکت در زمان و حرکت در فضا از یکدیگر جدا نیستند. این مفهوم در نظریه نسبیت یعنی چه؟
زمانی که به یک ماشین پارک شده نگاه میکنید که نسبت به شما ساکن است و حرکتی در فضا (همه اطراف ما فضاست) ندارد،کل حرکت این ماشین به حرکت در زمان اختصاص داده میشود؛ و زمان برای ماشین و سرنشینان آن به صورت معمول میگذرد.

اگر این اتومبیل با سرعت مشخصی به حرکت درآید، کسری از سرعت آن به سرعت حرکت در فضا تبدیل میشود و سرعت گذر زمان برای اتومبیل کندتر از گذر زمان برای شما و اشیا ساکن نسبت به شما خواهد بود. نیوتون که میدانست نیروی گرانش اجسام مختلف را کنار یکدیگر نگاه میدارد.

کاربرد قوانین نیوتون

روابطی تحت عنوان قوانین نیوتون با آنها درگیر هستیم، شدت این نیرو را با دقت بسیار خوبی مشخص میکند اما نیوتون هیچگاه متوجه چگونگی کارکرد این نیرو نشد. چگونه ممکن است که ماه بی وقفه به دور زمین بگردد. ماه از فاصله بسیار دور چگونه متوجه وجود زمین در آن مکان میشود.

کارکرد این نیرو به گونه ایست که انگار ماه با طنابی نامرئی به زمین متصل شده باشد. اما همه ما میدانیم این تفکر درست نیست. و در حقیقت این سوالاتیست که نیوتون برا یآنها پاسخی ندارد.

نظریه نسبیت عام انیشتین

بعد از ده سال جستجو و تفکر در مورد این موضوع انیشتین توانست با ارائه توصیف جدیدی از فضا به این سوالات پاسخ دهد. گفتیم که از نظر نیوتون فضا مانند یک صحنه خالیست که نمیتواند بر عمل شکل گرفته در این صحنه تاثیر بگذارد. اما از دید انیشتین اینگونه نیست. در این دیدگاه جدید فضا میتواند کشیده یا حتی موج دار شود. اجسام مختلف میتوانند باعث تغییر شکل این فضا شوند.

برای درک بهتر یک میز بیلیار را به عنوان فضا در نظر بگیرید که گوی های بیلیارد، به عنوان زمین و دیگر سیارات باشند. اگر فضای نیوتونی را در نظر بگیریم.گوی های بیلیارد در مسیر مستقیم حرکت میکنند. اما فضا از دید انیشتین قابل انعطاف است. پس اگر یک جسم سنگین مانند زمین در فضا قرار بگیرد باعث ایجاد یک چاله در ساختار این فضا میشود. که ماه حول این چاله میگردد.

هرجسمی میتواند بسته به جرمی که دارد در این فضا تاثیر بگذارد. اما این تاثیر به حدی کوچک است که تنها در مورد اجسام بسیار سنگین مثل زمین و سیارات و دیگر اجرام آسمانی محسوس است. پس گردش ماه حول زمین به دلیل وجود یک نیروی مرموز یا یک طناب نامرئی نیست؛ بلکه به دلیل وجود چاله ایست که زمین به دلیل جرم زاید خود در فضا ایجاد کرده است. پس از انیشتین فضا دیگر یک صحنه ثابت نیست، بلکه بازیگری ست که نقش مهمی در درام کیهانی بازی میکند.

صلاحیت نظریه نسبیت انیشتین

یکی از موارد مهم برای تست ایده انیشتین در مورد فضا، نزدیک افق رویداد یک سیاه چاله است. یکی سیاه چاله در ابتدا یک ستاره پرجرمی بوده است. که پس از اتمام سوخت هسته ای مرکزی، در خود فرو رفته است. جرم زیاد سیاه چاله چاله ای عظیم در فضا ایجاد میکند. حجی یک سیاه چاله بسیار کم است و میلیون ها تن جرم دارد.

این جرم زیاد چاله و گرانشی زیادی ایجاد میکند. گرانش یک سیاه چاله به حدی ست که با تو جه به ریاضیات نظریه انیشتین میتواند فضا را به دنبال خود بکشد. و آن را مانند یک تکه پارچه دچار پیچ و خم های شدید کند. این مشابه همان اسلاید قبل است اما در ابعادی فدق العاده بزرگتر. جرم زیادی که سبب گرانشی عظیم شده است.

نسبیت انیشتین با نسبیت کلاسیکی فرق دارد. قبل از انیشتین مردم فکر می کردند زمان مطلق است یعنی یک ساعت بزرگ، زمان کل جهان را اندازه می گیرد؛ پس یک ساعت در زمین، همان زمان را در مریخ یا کهکشان دیگری خواهد داشت. اما در این مفهوم، مشکلی وجود دارد: در چارچوب زمان مطلق، سرعت نور نمی تواند ثابت باشد؛ (سرعت قابل اندازه گیری نور (یعنی c) که اولین بار به نسبیت گالیله اشاره داشت).

توصیف فیزیکی نظریه نسبیت انیشتین

این به معنای آن است که وقتی زمین با سرعت v می چرخد، نسبت به ناظری در بیرون، نور منتشر شده در جهت چرخش زمین باید سرعت c + v داشته باشد و نور منتشر شده در خلاف جهت چرخش زمین، با سرعت c – v حرکت خواهد کرد. در ۱۸۸۱ آ. مایکلسون آزمایشی انجام داد تا ثابت کند واقعیت چنین نیست.

با کمک تجهیزاتی که با تغییر الگوهای تداخلی، اجازه اندازه گیری اختلاف دقایقی در سرعت نور می داد، مایکلسون متوجه شد که سرعت نور همواره یکسان است و هیچ وقت تغییر نمی کند. همین آزمایش بعدها توسط مایکلسون و ای.دبلیو. مورلی با دقت بیش تری دوباره انجام شد.

نسبیت عام در واقع نظریه‌ی جاذبه است و در صد سالی که از مطرح شدن آن می‌گذرد هیچ دانشمندی نتواسته نظریه‌ای بهتر از آن ارائه کند. نسبیت عام نظریه‌ای است که می‌گوید چگونه سیب از درخت می‌افتد و ما انسان‌ها چگونه به راحتی می‌توانیم روی زمین راه برویم. اما عمق این نظریه زمانی مشخص می‌شود که در ابعاد بزرگ‌تر به آن فکر کنیم.

چرا ماه به دور زمین می‌چرخد و زمین به دور خورشید و چرا خورشید یکی از ۱۰۰ میلیارد ستاره‌ای است که دور سیاه‌چاله‌ای که در مرکز کهکشان راه شیری قرار دارد، می‌چرخد. نسبیت عام نظریه‌ای است که بر حرکت بزرگ‌ترین کهکشان‌ها نیز حاکم است. اینیشتین نظریه‌ی نسبیت عام را در سال ۱۹۱۵ و در حالی ‌که تنها ۳۶ سال سن داشت مطرح کرد.

آلبرت انیشتین

او دانشمند شهره و بنامی نبود اما در زمینه‌ی علم فیزیک در بین دانشمندان، نامی برای خود دست و پا کرده بود. اینیشتین به تازگی به برلین رفته و مقام‌ علمی بالایی در اروپا بدست آورده بود و عضو فرهنگستان علوم پروس و جوان‌ترین عضو این فرهنگستان بود. او خدمات زیادی به علم فیزیک کرده است اما بزرگ‌ترین دستاورد او بدون شک نظریه‌ی نسبیت عام است و شاید بتوان از آن به عنوان بزرگ‌ترین دستاورد تاریخ تمام علوم نیز نام برد.

پایه‌های نظریه نسبیت عام در سال ۱۹۰۵ در ذهن اینیشتین پایه‌ریزی شد. او در آن سال‌ها مردی جوان بود که مقامی در دانشگاه نداشت و حتی مدرک دکتری نیز دریافت نکرده بود. دلیل اصلی این بود که او تمامی معلمان و دانشمندانی که با آن‌ها روبه‌رو شده بود را از خود رانده بود، چون بسیار تنبل و رک بود.

زندگی آلبرت انیشتین

سال ۱۹۰۵ میلادی در سوئیس به عنوان یک کارمند ساده در زیرزمین یکی از ادارات کار می‌کرد. مزیتی که این کار برای او داشت این بود که کار او آسان بود و وقت آزاد زیادی داشت. او زمان زیادی را برای تفکر روی علوم صرف می‌کرد و در این سال و در حین کار، چهار مقاله نوشت که یکی از آن‌ها برای او مدرک دکتری را به ارمغان آورد و سه مقاله‌ی دیگر هر کدام بخشی از علم را دچار دگرگونی و انقلاب کرد. یکی از این مقالات نظریه‌ی نسبیت خاص بود. نسبیت خاص منشا رابطه‌ی معروف E=mc^2 است.

ایده‌ی اصلی این نظریه محدود بودن سرعت در جهان هستی است، قوانین فیزیکی می‌گویند که هیچ ذره‌ای نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند. جرقه‌ی این ایده زمانی در ذهن اینیشتین زده شد که به تازگی قوانین الکترومغناطیس مطرح شده بودند. او از خود این سوال را می‌پرسید که اگر با سرعت نور حرکت کنیم، پرتو نور چگونه دیده خواهد شد. ما این محدودیت را در زندگی روزمره‌ی خود احساس نمی‌کنیم چراکه سرعت نور بسیار زیاد بوده و در حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر درثانیه است.

این مطلب توسط تیم فارسی خوان جمع آوری و تکمیل شده است امیدوارم که از این مطلب استفاده کرده باشید.همچنین از شما همراه گرامی می خواهیم که برای پیشرفت این مطلب نظر خود را از بخش دیدگاه برای ما ارسال کنید و با دیگر کاربران به تبادل نظر بپردازید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.