نظريه هاي انيشتين

مقدمه:

درک نسبیت آن قدرها هم فراتر از ذهن ما نیست. در واقع، نسبیت مکانی، قسمتی از زندگی روزمره ماست. نسبیت مکانی (فضایی) به افتخار گالیله که اولین بار مفهوم حرکت نسبی را فرمول بندی کرد، نسبیت گالیله ای هم نام دارد و اغلب با نظریه های انیشتین اشتباه گرفته می شود. گالیله بسیار راحت این واقعیت را توصیف کرد که یک ناظر در حال حرکت، اشیا را به گونه متفاوت با ناظر ساکن می بیند، زیرا سیستم مختصاتی متفاوت مکانی یا به زبان نسبیتی، "چارچوب مرجع" متفاوتی دارد.

 

مفهوم جدید نسبیت از دیدگاه انیشتین:

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). 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 1881 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.

در 1905 نظریه نسبیت خاص انیشتین، قوانین درست فیزیک را برای اجسام سریع در هر دو مقیاس بزرگ و اتمی توصیف کرد.

دو اصل ثابت انیشتین:

•  قوانین فیزیک در هر چارچوب مرجع لخت، ثابت هستند (لخت به معنای آن است که هیچ نیروی خارجی روی سیستم وارد نمی شود).
•  سرعت نور در خلأ صرف نظر از سرعت منبع و ساکن یا متحرک بودن ناظر، همواره مقدار ثابت c را دارد.

جمع نسبیتی سرعت ها:

در این قسمت می خواهیم راز ثابت ماندن سرعت نور در هر محیطی را صرف نظر از منبع نور یا ناظر نور کشف کنیم.

اگر ذره ای با سرعت v₁ را از سفینه متحرکی با سرعت v₂ بیندازیم، سرعت کلی V_total مشاهده شده از بیرون سفینه در چارچوب ناظر ساکن توسط فرمول زیر محاسبه می شود. v₂ سرعت نسبی دو ناظر است. مقادیر + یا –  برای v₁ یا v₂ به جهت آن ها وابسته است.

 

 

 

 

شکل بالا برای حالت v₁=0 و هر v₂ است (جسمی که در دست راننده است، سرعت افقی نسبت به ماشین در حالت (a) ندارد).

ناظر ساکن بیرون از ماشین، جسم را با سرعت V_total = v₂ می بیند؛ این اتفاق همواره در زندگی روزمره تکرار می شود.

مثال: پرتابه ای با سرعت زیاد (1)، موشکی سریع (2)، از خود رها می کند. ناظر روی زمین، سرعت (2) را چه قدر اندازه می گیرد؟

 

همزمانی

یک اتفاق همزمان به چه معنی است؟

 

 

در این شکل، علائم نور به طور همزمان به هر دو انتهای سفینه فضایی می رسند و ناظر متحرک آن ها را می بیند.

 

از دید ناظر ساکن، علائم نور به طور همزمان به دو انتهای سفینه نمی رسند زیرا سفینه در حال حرکت است؛ در حالی که نور در هر چارچوب با سرعت یکسانی حرکت می کند.

دو ناظر بالا در همزمان بودن دریافت علائم نور با هم اختلاف دارند؛ بنابراین، همزمانی یک مفهوم مطلق نیست (نسبی است) و اندازه گیری زمان، مطلق یا کلی نیست، این مفهوم را در بحث تأخیر زمانی نیز دنبال خواهیم کرد.

• زمانی که از پنجره بیرون را نگاه می کنید، صحنه ای که می بینید، در شبکیه چشم شما به طور کامل در همان لحظه اتفاق نمی افتد.
•       ستاره ها در تصویری که از آسمان شب می بینید، همگی در همان لحظه در آن نقاط وجود ندارند! مگر این که نور آن ها همان لحظه به فیلم عکاسی برسد.
•       اگر دو ستاره در یک زمان منفجر شوند، مراحل انفجار یکی از آن ها از دید ناظری در کهکشان دیگر ممکن است زودتر اتفاق بیفتد!
   
  

مفهوم زمان برای فردی که در کره زمین زندگی می کند، با مریخ متفاوت است.

تأخیر زمان

در بحث مربوط به نسبیت خاص انیشتین به پدیده تأخیر زمانی اشاره شد. در این قسمت می خواهیم با این خاصیت بیش تر آشنا شویم.

حال باریکه ای از نور را مانند آن چه در شکل زیر نشان داده شده و ناظری در بیرون یا درون سفینه در نظر بگیرید:

نور با همان سرعت c در هر چارچوبی مشاهده می شود. ناظر داخل سفینه و ناظر ساکن بیرون سفینه، ساعت های یکسانی دارند؛ اما فاصله زمانی متفاوتی برای این اتفاق اندازه می گیرند.

برای فهم بهتر مطلب به این انیمیشن دقت کنید:

یک ساعت نوری خیالی را مانند تصویرروبرو در نظر بگیرید. این ساعت با نوری که بین دو آینه منعکس می شود، کار می کند.

زمان بین تیک و تاک این ساعت (که همان زمان بین انعکاس نور از دو آینه است) با اندازه گیری یک ساعت ثابت خواهد بود:

حال اگر همان ساعت نوری با سرعت v حرکت کند:

 

زمان بین تیک و تاک ساعت نوری با اندازه گیری مسافت طی شده پالس نوری قرمز تقسیم بر c به دست می آید:

اگر طرفین را به توان دو برسانیم و جملات شامل t را به یک سمت بیاوریم، خواهیم داشت:

ساعت های آبی و قرمز مشابهی را در شکل زیر  می بینید. تا وقتی این دو ساعت نسبت به هم ساکن هستند، تیک – تاک های مشابهی را ثبت خواهند کرد.

اما وقتی ساعت آبی با سرعت v نسبت به ساعت قرمز در جهت عمود بر مسیر آینه (که با رنگ سبز نشان داده شده) حرکت می کند، در ساعت قرمز اگر چه فاصله بین ساعت آبی و آینه همچنان مثل فبل ثابت می ماند، اما نور مسافت طولانی تری طی می کند؛ از آن جایی که سرعت نور ثابت است، ساعت قرمز  زمان طولانی تری برای ساعت آبی و تیک – تاک آن ثبت می کند.

ولی ساعت آبی به همان صورت قبل کار خواهد کرد.

معمای دوقلوها: یک تناقض واضح!

آیا فکر نمی کنید گذشت زمان برای دو برادر دوقلو که یکی با سفینه به فضا می رود و دیگری روی زمین می ماند، متفاوت باشد؟

دوقلویی که به فضا می رود، فکر می کند زمان با سرعت می گذرد؟ به نظر شما وقتی به زمین بازگشت، کدام یک پیرتر می شود؟

با استفاده از مطلبی که در بالا به آن اشاره شد، نباید در پاسخ دادن به این سؤال دچار ابهام شوید!

به دلیل این که چارچوب دوقلویی که به فضا رفته، ساکن نیست، زمان برای او سریع تر خواهد بود و وقتی برگشت، برادر خود را پیرتر از خود خواهد دید!

 

• اگر داخل محفظه ای باشید که با سرعت بالا می چرخد و بعد از آن بیرون بیایید، می بینید که دوقلوی شما که بیرون محفظه نشسته بود، بیش تر از شما سن دارد!   

• یک ذره بنیادی (مانند نوترون، میون) که تجزیه می شود، زمانی که با سرعت بالا در شتاب دهنده حرکت می کند، عمر طولانی تری دارد (یعنی نسبت به ذره ای که با سرعت کم حرکت می کند یا ساکن است، دیرتر تجزیه می شود).  

•  نوری از مرکز کهکشان راه شیری در زمان 25,000 سال به منظومه شمسی می رسد، اما فردی که با سرعت نور حرکت می کند، همان زمان را صفر ثانیه اندازه می گیرد!  

• وقتی با سرعت  500 کیلومتر در ساعت، سفر رفت و برگشتی به ژاپن داشته باشید، قطعا با سرعت کم تری عمرتان می گذرد؛ اما افسوس که مدت خیلی کمی است! برای 20 ساعت سفر رفت و برگشت، مدت:
  

        ثانیه کم تر پیر می شوید!!!!