توضیح نظریه نسبیت خاص انیشتین به زبان ساده

نظریه نسبیت خاص انیشتین چگونگی و تأثیر تغییر سرعت جسم را بر اندازه گیری زمان، مکان و جرم آن جسم توضیح می‌دهد. این نظریه‌ یکی از مهم‌ترین نظریه‌ها‌ی تاریخ علم است زیرا دید بشر را نسبت به فضا و زمان به‌ کلی تغییر داد.

نسبیت یکی از شاخه‌های مهم فیزیک است که جنبه‌های نظری و عملی آن از قرن گذشته توجه فیزیکدانان را به خود جلب کرد. نظریه‌هایی مانند مکانیک و الکترومغناطیس که قبل از نظریه نسبیت ظهور یافتند و یا نظریاتی مانند نظریه ریسمان که بعد از نسبیت پدید آمدند در فرمول بندی‌های مناسب با نسبیت سازگاری پیدا کردند. 

سرعت چگونه بر زمان و مکان تأثیر می گذارد؟

سه قانون حرکتی نیوتن رابطه بین نیرو، جرم یک جسم و شتاب آن را توصیف می‌کنند. این قوانین صرف نظر از اینکه اجسام چگونه حرکت کنند، برای همه موارد اعمال می‌شوند. به عنوان مثال شعبده بازی که در قطار مسافران را سرگرم می‌کند، مطمئن است که توپ‌های شعبده بازی او با سرعت کم و به آرامی بالا و پایین می‌شوند. از طرف دیگر، مسافرانی که با قطار سریع دوم حرکت می‌کنند، از پنجره نگاه می‌کنند و توپ‌های شعبده بازی را با سرعت ترکیبی دو قطار می‌بینند. در این میان هیچ چیز عجیب و غریبی وجود ندارد.

اگر آن توپ‌ها امواج نور باشند، صرف نظر از اینکه چه کسی تماشا می‌کند آنها فقط با یک سرعت حرکت می‌کنند. مسافرانی که در قطار اول کنار شعبده باز نشسته‌اند نیز حرکت توپ‌ها به بالا و پایین را با سرعت نور می‌بینند. افرادی که در قطار دوم نشسته‌اند نیز علی‌رغم تفاوت بین سرعت قطار، توپ‌ها را دقیقاً با همان سرعت مشاهده می‌کنند. در اینجا برای توپ‌های شعبده بازی که به کندی حرکت می‌کنند تصور اینکه به سرعت نور برسند مشکل بوده و درک آن نیاز به تفکر هوشمندانه‌ای دارد. 

راه حل انیشتین برای این مسئله، مشاهده زمان و مکان به عنوان عوامل نسبی بود. طبق نظریه نسبیت خاص، شتاب در نحوه مقایسه زمان و فاصله بین ناظران تغییر می‌کند‌، به خصوص وقتی که شتاب، فوق سریع می‌شود.

بنابراین شخصی که در قطار دوم در حال عبور است، شعبده باز را به صورت لاغر با توپ‌های نازکی می‌بیند که به کندی حرکت می‌کنند و با رسیدن به سرعت نور به نظر می‌آید توپ‌های نازک در مکان قفل شده و بی‌حرکت هستند. در قطار اول شعبده باز اصلاً فکر نمی‌کند که خودش و توپ‌ها لاغر و نازک هستند، اما در عوض تصور می‌کند کسانی که در قطار دوم هستند لاغر و کند به نظر می‌رسند. در اصل هیچکدام از افراد ۲ گروه اشتباه نمی‌بینند زیرا هیچ موقعیت مطلقی درباره زمان یا مکان وجود ندارد، بلکه این مسئله فقط به سرعت هر کدام از مشاهده کنندگان بستگی دارد.

تاریخچه نسبیت خاص

در سال ۱۸۶۵ جیمز کلرک ماکسول (James Clerk Maxwell) فیزیکدان اسکاتلندی نشان داد که نور موجی با اجزای الکتریکی و مغناطیسی است و ۲۹۹،۷۹۲،۴۵۸ متر در ثانیه سرعت دارد. در آن زمان دانشمندان تصور می‌کردند که نور باید از طریق یک واسطه منتقل شود، به همین علت نام این واسطه را اتر (Ether) گذاشتند (اکنون ما می‌دانیم که نور برای حرکت به هیچ واسطه‌ای نیاز نداشته و در خلأ فضا هم حرکت می‌کند).

بیست سال بعد یک نتیجه غیر منتظره این مسئله را زیر سوال برد. دو دانشمند آمریکایی به نام‌های آلبرت ای. میکلسون (Albert A. Michelson) و ادوارد مورلی (Edward Morley) محاسبه کردند که چگونه حرکت زمین از طریق اتر بر اندازه گیری سرعت نور تأثیر می‌گذارد، آنها دریافتند که سرعت نور بدون توجه به حرکت زمین یکسان است. این امر باعث تحقیقات بیشتر درباره رفتار نور و عدم تطابق آن با مکانیک کلاسیک، توسط ارنست ماخ (Ernst Mach) فیزیکدان اتریشی و آنری پوانکاره (Henri Poincare) ریاضیدان فرانسوی شد.

آلبرت انیشتین از ۱۶ سالگی و در ۱۸۹۵ به فکر رفتار نور افتاد. او یک آزمایش فکری انجام داد، به این صورت که او یک موج نور را به حرکت در آورد و به موج نور دیگری که بصورت موازی به سمت او حرکت می کرد، نگاه کرد. بر اساس فیزیک کلاسیک، موج نوری که اینشتین به آن نگاه می‌کرد دارای سرعت نسبی صفر بوده است اما این ادعا با معادلات ماکسول همخوانی نداشت. زیرا بنا به معادلات او، نور همواره با سرعت ثابت ۲۹۹،۷۹۲،۴۵۸ متر در ثانیه (یا ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه) حرکت می‌کند. یکی دیگر از مشکلات ناشی از سرعت نسبی این است که قوانین الکترومغناطیس بسته به موقعیت مناسب شما تغییر می‌کنند و این با فیزیک کلاسیک که می‌گفت قوانین فیزیک برای همه یکسان هستند، در تناقض است.

این مسئله اینشتین را مجاب کرد تا به بررسی بیشتر نظریه نسبیت خاص (Special relativity) بپردازد. او برای حل این معما از یک مثال ساده کمک گرفت. وی شخصی را که در کنار قطار در حال حرکت بود، در نظر گرفته و مشاهدات این شخص را با شخص داخل قطار مورد مقایسه قرار داد. وی شرایطی را تصور کرد که در آن، قطار در نقطه‌ای از ریل و دقیقاً مابین دو درخت باشد. اگر یک صاعقه همزمان هر دو درخت را مورد اصابت قرار دهد، به دلیل حرکت قطار شخص داخل قطار اصابت صاعقه به یک درخت را قبل از درخت دیگر خواهد دید. اما شخصی که در کنار قطار ایستاده، همزمان شاهد اصابت صاعقه به هر دو درخت خواهد بود.

اینشتین به این نتیجه رسید که همزمان بودن نسبی است. رویدادهایی که برای یک ناظر همزمان هستند، ممکن است برای شخص دیگری بصورت همزمان مشاهده نشوند. این نتیجه گیری اینشتین را به سمت ایده دور از تصوری سوق داد که در آن زمان با توجه به وضعیت حرکت متفاوت است، بر اساس این نتیجه فاصله نیز نسبی است.

بیشتر بخوانید: فضا-زمان چیست؟

معادله E = mc²

انیشتین برای توصیف چگونگی ارتباط بین جرم و نیرو به عنوان ابزاری برای حمایت از نظریه خود، یک معادله جدید ارائه کرد. البته در آن زمان او تنها کسی نبود که درباره این مسئله کار می‌کرد، کارهای سایر دانشمندان مانند آنری پوانکاره نشان می‌داد که بین جرم و انرژی ارتباط نزدیکی وجود دارد. در این معادله انیشتین برای جسم ساکن نشان داد که جرم (m) کل آن جسم برابر با انرژی (E) آن در مربع سرعت نور (c) است، یا به عبارت دیگر E = m x c ^ 2.

این معادله نشان می‌دهد که انرژی و جرم قابل تعویض هستند، در واقع آنها اشکال مختلف از یک چیز هستند. اگر به هر طریقی جرم به طور کامل به انرژی تبدیل شود، معادله نشان خواهد داد که چه مقدار انرژی در درون آن جرم وجود دارد (مانند بمب اتمی که در آن تبدیل مقدار ناچیز ماده به انرژی، انرژی بسیار زیادی آزاد می‌کند).

این معادله همچنین نشان می‌دهد که جرم با سرعت افزایش می‌یابد، در واقع این عامل برای حرکت اجسام در دنیا محدودیت سرعت تعیین می‌کند. به عبارت ساده سرعت نور، بیشترین سرعتی است که یک جسم می‌تواند در خلا حرکت کند. با حرکت جسم، جرم آن نیز افزایش می‌یابد و با رسیدن سرعت حرکت به نزدیکی سرعت نور، جرم آنقدر زیاد می‌شود که به بی‌نهایت می‌رسد، از اینرو حرکت آن به بی‌نهایت انرژی نیاز خواهد داشت، بنابراین سرعت حرکت جسم محدود می‌شود. تنها دلیل حرکت نور با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه این است که جرم فوتون‌ها (ذرات کوانتومی تشکیل دهنده نور) صفر است.

یک وضعیت خاص و گیج کننده در جهان کوانتومی نام دارد که درهم تنیدگی کوانتومی (quantum entanglement) نامیده می‌شود. در این وضعیت به نظر می‌رسد که ذرات کوانتومی با سرعت بیشتر از سرعت نور در تعامل با همدیگر هستند. به طور مشخص، اندازه گیری خاصیت یک ذره می‌تواند ویژگی‌های ذره دیگر را بدون توجه به فاصله آنها باهم به دست بدهد. تاکنون مقالات زیادی درباره این پدیده ارائه شده ولی هیچکدام نتوانسته‌اند آن را بطور کامل بر حسب نتیجه مورد نظر اینشتین توضیح دهند.

نتیجه عجیب دیگری که از این نظریه انیشتین حاصل می‌شود این است که زمان نسبت به ناظر حرکت می‌کند. جسمی که در حال حرکت است اتساع زمانی را تجربه می‌کند، این مسئله به این معناست که هنگامی که جسم حرکت می‌کند زمان آهسته‌تر از هنگامی که جسم ثابت است، می‌گذرد. بنابراین فرد در حال حرکت دیرتر از شخص در حالت استراحت پیر می‌شود. هنگامی که فضانورد اسکات کلی (Scott Kelly) از سال ۲۰۱۵ تا ۲۰۱۶، نزدیک به یک سال در ایستگاه فضایی بین المللی زندگی کرد، برادر دوقلوی او مارک کلی (Mark Kelly) در زمین کمی سریعتر از برادرش پیر شد.

این مسئله در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور بیشتر آشکار می‌شود. تصور کنید که یک کودک ۱۵ ساله به مدت ۵ سال با ۹۹٫۵ درصد سرعت نور سفر کند. وقتی این فرد ۱۵ ساله به زمین بازگردد او فقط ۲۰ سال خواهد داشت در حالی که همکلاسی‌های او ۶۵ ساله خواهند بود.

 اگرچه پدیده اتساع زمان بسیار تئوریک به نظر می‌رسد، اما دارای کاربردهای عملی است. اگر یک گیرنده ماهواره‌ای موقعیت یاب جهانی (GPS) در خودرو خود داشته باشید، گیرنده تلاش می‌کند تا با یافتن سیگنال‌های حداقل سه ماهواره موقعیت شما را تعیین کند. ماهواره‌های GPS سیگنال‌های رادیویی ارسال می‌کنند که گیرنده به آنها گوش می‌دهد و موقعیت خود را بر اساس زمان سیگنال‌ها مثلث بندی می‌کند (یا بهتر است بگوییم سه گانه می‌شود).

نکته چالش برانگیز اینجاست که ساعت‌های اتمی که بر روی ماهواره‌های GPS در حال حرکت قرار دارند سریع‌تر از ساعت‌های اتمی که در زمین هستند، حرکت می‌کنند به همین علت پیامدهای زمانی به وجود می‌آید. در نتیجه ساعت‌های موجود بر روی ماهوار GPS را طوری طراحی می‌کنند که کمی کندتر حرکت کنند.

ساعت‌های موجود در فضا سریعتر کار می‌کنند زیرا ماهواره‌های GPS که در مدار و بالاتر از زمین هستند جاذبه ضعیف‌تری را تجربه می‌کنند. بنابراین اگرچه ماهواره‌های GPS در حال حرکت هستند اما هر روز با ۷ میکرو ثانیه کند شدگی روبرو هستند، ولی جاذبه ضعیف باعث می‌شود تا ساعت در حدود ۴۵ میکرو ثانیه سریع‌تر از یک ساعت زمینی کار کند. با اضافه کردن این دو به هم، ساعت ماهواره GPS هر روز ۳۸ میکرو ثانیه سریع‌تر از ساعت زمینی کار می‌کنند.

نسبیت خاص و مکانیک کوانتوم

همانطور که دانش ما در مورد فیزیک پیشرفت کرده است، دانشمندان در وضعیت‌های متضاد بیشتری قرار گرفته‌اند. یکی از این وضعیت‌ها این است که آنها در تلاش هستند تا نسبیت عام را با مکانیک کوانتوم تطبیق دهند. این دو حوزه با یکدیگر ناسازگار هستند (زیرا نسبیت عام اتفاقاتی که برای اجسام بزرگ می‌افتد را توصیف می‌کند در حالی که مکانیک کوانتوم در مقیاس بسیار کوچک است) این ناسازگاری اینشتین و نسل دانشمندان بعد از او را بر آشفته است.

هنگامی که نسبیت با اندازه کوانتوم مقیاس بندی شود جواب‌های بیهوده‌ای به دست می‌دهد، در نهایت هنگام توصیف جاذبه به مقادیر بی‌نهایتی نزول می‌کند. میدان‌های کوانتومی حتی در فضای به ظاهر خالی مقدار مشخصی انرژی حمل می‌کنند و با بزرگ شدن میدان‌ها مقدار انرژی نیز بیشتر می‌شود. بنابه گفته انیشتین، انرژی و جرم معادل هم هستند (E = mc²)، بنابراین انباشته شدن انرژی دقیقاً همانند انباشتن جرم است. با بزرگ شدن میدان‌های کوانتومی، مقدار انرژی در آنها به حدی زیاد می‌شود که یک سیاهچاله‌ای بوجود آمده و باعث می‌شود تا جهان خودش را بخورد.

نظریه‌های مختلفی برای غلبه بر این مشکل وجود دارد که از حوصله این نوشتار خارج است، اما براساس یکی از رویکردها، نظریه کوانتومی گرانش یک ذره بدون جرم به نام گراویتون (Graviton) را عامل تولید نیرو فرض می‌کند. اما مشکلاتی درباره این رویکرد وجود دارد. در کوچکترین مقیاس‌ها، گراویتون‌ها چگالی بی‌نهایت انرژی دارند و یک میدان جاذبه غیرقابل تصور ایجاد می‌کنند. به همین علت برای ادغام نظریه نسبیت با مکانیک کوانتومی به مطالعات زیادی نیاز است.

.

بیشتر بخوانید: نظریه نسبیت عام انیشتین چیست؟