مطالب زير
گرچه به زبان
بسيار ساده
بيان شده اند
اما داشتن
اطلاعاتي در
حد فيزيك دوره
متوسطه
(ديپلم)
و علاقه و
انگيزه
كافي براي
ياد گيري
ضروري است . براي
درك مطالبي
كه به
رنگ آبي نوشته
شده
بايد كاملا
دروس دوره
دبيرستان خود
را در خاطر
داشته باشيد .
اما بقيه مطالب
با كمي دقت
قابل درك
ميباشند .)
نسبيت خاص به زبان
ساده
در
حد پديده هايي
كه ما معمولا
در روز با
آنها سرو كار
داريم
قوانين عادي
فيزيك و بويژه
قوانين نيوتوني
كاملا كارآمد
هستند . با
همين روابط
بسيار دقيق حركت
سيارات و زمان
گردش زمين به
دور خورشيد و
ماه به دور
زمين و زمان
رسيدن يك موشك
به هدفش در
روي زمين و يا
مسير يرتاب يك
سنگ و يا
گلوله به دقت
بسيار محاسبه
ميشود .
اما وقتي پا
را از حد اين
وقايع جلوتر بگذاريم
مشكلاتي پيش
مي آيد كه
ديگر اين قوانين
كارامد
نخواهند بود . مثلا
وقتي به
سرعتهاي
بسيار بالايي
در حد بيش از
نصف سرعت نور
و يا به دنياي
فوق كوچك ها و
يا فوق سنگين
ها ميرويم
بايد قوانين
خودمان را هم
تغيير داده و
يا اصلاح كنيم
.
مفهوم
فضا و زمان در
طول تاريخ علم
و فلسفه
همواره
متغيير بوده
اند .
مدتها تصور
ميشد كه عالم از چيزي
به نام اتر پر
شده است
كه ميتواند
نيرو ها را
منتقل كند . و
نور را هم
نوسانهاي همين
اتر
ميدانستند . پس اگر
اترباعث انتقال
نيروهاي
الكترو
مغناطيسي
باشد حركت
زمين در اتر
بايد بر اين
پديده ها
تاثير گذارد .
از جمله اينكه سرعت
نور بايد در
جهت موافق
حركت زمين و
در خلاف جهت
آن فرق داشته
باشد كه
آزمايشهاي
دقيقي كه
انجام شد نشان
داد كه سرعت
نور به جهت
حركت زمين و
سرعت آن بستگي
ندارد و در
همه جهات ثابت
است . در
يك آزمايش
دقيق زمان
حركت امواج
راديويي بين
دو ايستگاه راديويي
در دو نقطه
دور كره زمين
را با دقت
زياد
يعني
ده به توان
منفي هفت در همه
حالتهاي حركت
زمين و شب و
روز اندازه گرفتند
و تفاوتي
مشاهده نشد
.پس
سرعت نور
همواره ثابت
است ( در فيزيك
به صورت دقيق
تر
ميگويند در
خلاء و براي
هر دستگاه
لخت )
اما
انشتين مطالب
شگفت ديگري را
هم به ميان آرد
از جمله
اينكه
اگر سوار بر
موشكي باشيد و
مثلا با سرعت
دويست هزار
كيلومتر در
ثانيه يعني دو
سوم سرعت نور
حركت كنيد و يك چراغ
قوه را روشن
كنيد باز هم
مشاهده خواهيد
كرد كه نور در همه جهات با سرعت سيصد
هزار كيلومتر
از شما دور
ميشود .( در
حاليكه ممكن
است شما تصور
كنيد كه نور
چراغ قوه اينك
بايد اگر هم
سوي حركت شما
باشد پانصد
هزار كيلومتر
و اگر در جهت
مخالف باشد
يكصد هزار
كيلومتر سرعت
داشته باشد )
در
سال 1905 البرت انشتين
كه كارمند
اداره ثبت
اختراعات
سويس در برن
بود
نظريه اي را مطرح
كرد كه هنوز
خيلي ها نمي
توانند دركش
كنند .
جالب
اينجاست كه او براي
ارائه اين
نظريه خود تنها در
مغز و فكرش
امكان آزمايش داشت
. او به
سادگي چنين
گفت كه اگر
حركت زمين در
اتر تاثيري
ندارد
شايد به اين
دليل است كه
اساسا اتري وجود
ندارد .و چنين
پيشنهاد كرد
كه همه دستگاههاي
لخت براي
ساختمان
فيزيك به يك
اندازه مناسب
هستند
و قوانين
طبيعت در همه
دستگاههاي
لخت به يك
صورت بايد انجام
شوند . و
سرعت نور هم
در هر دستگاه
لخت و در خلاء
300000 كيلومتر بر
ثانيه است .و
سرعتي بيش از
سرعت نور نيز
نميتواند
وجود داشته
باشد .
ساعتهاي
متحرك كند تر
حركت ميكنند !
انشتين
در ذهنش
آزمايشي با سه
ساعت نوري
انجام داد .( دقت
كنيد مطالبي
را كه انشتين
بيان ميكرد حتي تا
سالها بعد امكان
آزمايش شدن و
تجربه شدن را
نداشتند ) . ساعت
نوري را
يك لوله
ساده
در نظر
بگيريد كه
نوري از بالاي
آن ساطح شده و
در همه جهات
منتشر ميشود .
پرتوي از آن
طول لوله را
كه به
عنوانئ مثال 15
سانتيمتر است
طي كرده و به آينه
موجود در آخر لوله
ميرسد
يعني يك نانو
ثانيه و يا يك
ميليارديم
ثانيه .
و حالا به سمت
بالا منعكس
ميشود و وقتي
به محل اول ميرسد دو نانو
ثانيه زمان
گذشته است .
حال
سه دستگاه
ساعت مانند
ساعتي كه
توضيح داده شد
را در نظر
بگيريد
ساعات
A و B ثابت و
ساعت C متحرك . هر سه را
درست در يك
لحظه روشن
ميكنيم
اما ساعت C را با
سرعت V از
براب ساعتهاي
ديگر عبور
ميدهيم . چيزي
كه مشاهده
خواهد شد اين
است كه در
ساعتي كه متحرك
ميباشد
نور مسير
طولاني تري را
بايد طي كند و در
نتيجه اين
ساعت زمان كمتري
را نشان خواهد
داد و به
عبارت ديگر
كند تر از دو
ساعت ديگر كار
خواهد كرد . ( اين آزمايش
بعد ها توسط
دانشمندان
انجام شد و همين
نتيجه بدست
آمد
يعني دو ساعت
اتمي مشابه يكي
در زمين ساكن
و ديگري در يك
هواپيما با سرعت
حركت داده شد .
وقتي هواپيما
نشت و دو ساعت
را مقايسه
كردند ساعت
هواپيما كند
تر حركت كرده
بود .
اين آزمايش
توسط دو
فيزيكدان امريكايي
جوزف هافل و
ريچارد
كيتينگ در 1971
صورت گرفت !
اخيرا دانشمندان
با دقتي ده
هزار برابر
بيشتر از آزمايشهاي
سي سال قبل نشان
دادند كه پيش بيني
انشتين چقدر
دقيق ميباشد
.در اين
آزمايش جديد
در دانشگاه
بركلي از
ارتعاش
اتمهاي سزيم
با سه
در ده به توان
بيست و پنج و
يا سي ميليون
ميليارد
ميليارد بار در
ثانيه و ايجاد
تداخل ميان
اين امواج
انتقال به سرخ
اين امواج را
با دقتي برابر
يك در صد
ميليون
اندازه گيري
كنند ! هولگر
مولر استاد
فيزيك دانشگاه
بركلي ميگويد
اين آزمايش به
وضوح ثابت
ميكند كه
گرانش تجسمي
از انحناي فضا
و زمان است كه
از بزرگترين
اكتشافات بشر
تا كنون ميباشد
. )
سوال
: آيا در مورد
ساعتهاي
مكانيكي نيز
همينگونه
خواهد بود ؟
پاسخ با توجه
به مفهوم
نظريه نسبيت بلي (اگر
بپذيريم كه يك
ساعت غير نوري
دلبخواه
واكنشي غير از
واكنش ساعت
نوري نشان دهد
، طبعا
ميتوانين طرز
كار ساعت نوري
و غير نوري را
در دستگاههاي
لخت متفاوت
برسي كنيم و
به تفاوتهايي
برسيم . يعني
يك دستگاه لخت
ممتاز وجود
دارد
كه چنين
نتيجه اي با
اصل نسبيت
تناقض دارد )
نكته
حيرت انگيز :
اكنون
چنين استنباط
ميشود كه ساعت
C يعني
ساعت متحرك
كند تر از
ساعت هاي ثابت
حركت ميكند .
اما انشتين
ميگويد
در واقع ساعت
متحرك
نه كند تر و
نه نه
تند تر از
ساعات ديگر
حركت ميكند ! و
اين همان چيزي
است كه
بسياري
نتوانستند درك
كنند و هنوز
هم بسياري
نميتوانند .
نظريه
نسبيت ميگويد
كند كار كردن
ساعت متحرك را
فقط در مقايسه
با ساعت ديگر
و در لحظه اي
كه از كنار آن
عبور ميكند
درك ميكنيم . و
اگر
ساعت C را ساكن
فرض كرده و
ساعات ديگر را
متحرك ، نتيجه
برعكس ميشود .
يعني
بسته به
موقعيت ناظر
است كه اين
واقعه تفسير
ميشود .
نظريه نسبيت
ميگويد فرقي
نميكند كه كدام
ساعت را متحرك
يا كدام را
ثابت فرض كنيم در
اتساع زمان (
كشيدگي زمان )
تنها
حركت نسبي
قطعيت دارد .
موضوع
اتساع زمان يا
كشيدگي زمان
حيرت آورترين
دستاورد
نظريه نسبيت
انشتين بود كه
آْزمايش آن
بسيار بعيد و
مشكل مينمود
اما در سال 1938 دو
فيزيكدان به
نامهاي ايوس و
ستيل ول
آمريكايي
اين اندازه
گيري را انجام
دادند .
اين اندازه
گيري ها امروزه
در
آزمايشگاههاي
فيزيك ذرات
بنيادي مانند سرن انجام
ميشوند . ( در
آزمايش
مشاهده شد كه
سرعت فروپاشي
ذرات ميون در حال
حركت
كند تر صورت
ميگيرد – ميون
ها ذراتي شبيه
الكترون اما
بسيار
ناپايدار
هستند كه پس
از پيدايش در
فاصله چند
ميليونيوم
ثانيه نابود
ميشوند
. اين ذرات در
حدود ده
كيلومتري زمين
در اثر برخورد
هاي با امواج
آسماني ايجاد
ميشوند )
انقباض
لورنتس
قبل
از آنكه در
آزمايشگاه
سرن طول عمر
ميون ها
اندازه گيري
شود با
مقايسه طول
عمر ميونهاي موجود
در جو زمين كه در اثر
برخوردهاي
اشعه كيهاني
بوجود مي آيند و ميون
هاي موجود در
سطح زمين نيز
اين نتيجه
بدست آمده بود
يعني
ميونهايي كه
با سرعت از
فاصله حدود ده
كيلومتري جو
به زمين مي
آمدند
طول عمر بيشتري
داشتند و به
همين دليل
بخشي از اين
ميون ها هنوز
ميتوانند به
اعماق زمين
نيز نفوذ كنند
. حال
ميتوان اين
موضوع را چنين
نيز تفسير كرد
:
هر
گاه ناظري با
سرعت V از
برابر مسافتي
به طول H عبور
كند
مسافت
مزبور
با نسبتي
كوتاه تر
ميشود . اين
ميزان انقباض
از فرمول
انقباض
لورنتس بدست
مي آيد
به عبارت
ديگر در سفر
ميون ها از جو
زمين تا به
سطح زمين از نظر
ناظري كه با
اين ذرات سفر
ميكند فاصله
كمتر از ده
كيلومتر
ميباشد .
سرعت
نور بالاترين
سرعت ممكن است
:
دانشمندان
وسائلي به نام
شتاب دهنده
ساخته اند . يك
شتاب دهنده
چيزي شبيه يك
تفنگ است كه
الكترون را
شليك ميكند .
ميدانيم كه
الكترون جرم
بسيار كم و بار
منفي دارد پس
ميتوان
اگر دور تا
دور لوله تفنگ
را سيمپيچهاي
مغناطيسي
قرار داده و
در آنها جريان
برق ايجاد
كنيم
به الكترون
سرعت و شتاب
بدهيم .
در واقع شتاب
دهنده لوله
تفنگي است كه
كاملا گرد
ميباشد تا بتوانند
بارها و بارها
الكترون را در
اين لوله گرد
چرخانده و سرعت
دهند . خوب
حالا با دانش
گذشته فيزيك و
بدون در نظر
گرفتن مسائلي
كه انشتين به
ميان آورد . بايد
به سادگي
بتوان با يك
لوله گرد به
طول كمي بيش
از يك كيلومتر
( 1200 متر ) و صرف
مقدار كمي انرژي
الكترون را كه
وزن ناچيزي
دارد به سرعت
نور و يا
نزديك آن
رساند .
اما در واقع
اين كار بسيار
بسيار مشكل
است و
نه تنها لوله
تفنگ گرد و يا
طول همان شتاب
دهنده بايد به
جاي يك
كيلومتر حدود
سي كيلومتر
شود بلكه به
جاي يك موتور
برق قوي بايد
برق چند شهر
بزرگ دنيا را
در يك لحظه
مصرف كرد تا بتوان
الكترون را به
چنين سرعتي
رساند .قطر
لوله تفنگ هم
آنقدر بزرگ
است كه چند
ماشين از توي
آن به راحتي
حركت ميكنند . در ساخت
اين
شتابدهنده
مسائل فني
خاصي بوجود مي
آيد از جمله
جنس سيم
سيمپيچها و
مسئله گرم شدن
آنها و هزاران
مسئله فني
ديگر كه ساخت
آن را از
عهده يك كشور
نيز خارج
ميكند
و كشورهاي زيادي
در ساخت آن بايد
همكاري
كنند . (
شتابدهنده
مركز سرن )
نسبيت
همزماني
فرض
كنيد دو سفينه
روسي و
آمريكايي با طول
برابر و با
سرعت نصف سرعت
نور در فضا در
دو جهت مختلف
از كنار هم
عبور ميكنند و
تصميم ميگيرند
ساعتهاي خود
را با هم
ميزان كنند .
براي اين كار يك
فلاش در وسط
هر سفينه قرار
ميگيرد كه
قرار ميگذارند
وقتي دو سفينه
درست كنار هم
قرار گرفتند
روشن شود و
نوري ساطح كند
سپس دو ساعت،
يكي در دماغه
و ديگري در دو
موشك
وقتي نور به
آنها رسيد
شروع به كار
كنند .
پس از انجام
اين آزمايش هر يك از
سفينه ها به ديگري
اطلاع ميدهند
كه ساعت هاي
موجود در
سفينه خود آنها
به موقع اما
ساعت هاي موجود
در دم موشك
طرف مقابل زودتر
از ساعت موجود
در دماغه آن
روشن شده است!
در
تصاوير سمت
چپ از ديد
سفينه آمريكايي
در پايين ابتدا
ساعتي كه در
دم سفينه
روسي
قرار دارد روشن
ميشود . پس از
آن ساعتهاي
سفينه خودشان
هر دو با هم
روشن ميشوند و
و در آخر ساعت
موجود در
دماغه سفينه
روسي روشن
ميشود .
در تصاوير
سمت راست قضيه
برعكس است و
از ديد سفينه
روسي در بالا
ابتدا ساعتي
كه در دم
سفينه
آمريكايي
قرار دارد
روشن ميشود و
سپس ساعتهاي
روسي هر دو با
هم روشن
ميشوند و در
آخر هم ساعت
دماغه سفينه
آمريكايي
روشن ميشود .
اين
واقعه نمونه
خاصي است از
دو رويداد كه در دو
محل مختلف روي
داده اند و
نتيجه ميشود
كه :
اگر
در يك دستگاه
لخت دو رويداد
در نقاط مختلف
همزمان رخ
دهند
همين دو
رويداد در يك
دستگاه لخت
ديگر كه نسبت
به دستگاه
قبلي متحرك
بوده است در
زمانهاي مختلف
روي داده است .
اثر
دوپلر و نسبيت
:
در
اثر دوپلر
ميدانيم كه
اگر ناظر يا
منبع صوتي
نسبت به هوا
حركت كند بلندي
صدايي كه به
گوش ميرسد
تغيير خواهد
كرد ( موتور يا
ماشيني كه با
سرعت از كنار
شما رد ميشود
و تغييرات
صداي آن در حال
نزديك شدن و
دور شدن ) .
در اثر دوپلر
در مورد نور
فقط سرعت نسبي
منبع و ناظر
مطرح است و
اگر انقباض
زمان را
منظور كنيم
باز قضيه صادق
است .
چنانچه يك
منبع نور
امواجي با
فركانس F
منتشر كند ناظري
كه سرعت V نسبت به
منبع مزبور
حركت ميكند امواج
نور را با
فركانسي كه از
اين رابطه
بدست مي آيد
دريافت خواهد
كرد .
افزايش
جرم نسبيتي :
وقتي
سرعت جسمي را زياد
ميكنيم
اتفاقي رخ
ميدهد كه نميگذارد
بتوانيم سرعت
آن را از سرعت
نور بيشتر كنيم
! آن اتفاق اين
است كه جرم
جسم با افزايش
سرعتش زياد
ميشود .
اگر جرم جسم
در حال سكون را
m بناميم جرم
همين
جسم در حال
حركت
كه جرم
ديناميكي
ناميده ميشود
از رابطه زير
بدست مي آيد .
به
همين دليل
براي شتاب
دادن به آن
الكترون در شتاب
دهنده و
رساندنش به
سرعت نزديك
نور آن همه
انرژي نياز
است . كه در
بالا ذكر شد
هم
ارزي جرم و
انرژي :
بدون
آنكه ديگر
وارد جزئيات
فيزيكي مسئله
شويم اين را
هم بدانيم كه
اگر به جسمي
به اندازه E انرژي
بدهيم به
اندازه اين
ميزان انرژي
تقسيم بر
مجذور سرعت
نور بر
جرم جسم افزوده
ميشود .
و اگر جسمي
به مقدار E به ما انرژي بدهد به
اندازه آن
مقدار انرژي
تقسيم بر
مجذور سرعت
نور از جرمش كم
ميشود .
و رابطه زير
بين ميزان جرم
جسم و ميزان
انرژي آن در
حال سكون وجود دارد
( يعني اين
ميزان انرژي
در درون جسم
وجود دارد حتي
اگر جسم در
حال سكون باشد
) اين همان ميزان
انرژي است كه
اگر از يك
كيلو گرم اورانيوم
آزاد
شود شهري را
نابود خواهد كرد
.
همچنين
اگر ذرات
الكترون با
بار منفي به
ذراتي به نام
پوزيترون كه
همانند
الكترونها
هستند اما با
بار مثبت
برخورد كنند جرم
ساكن اين دو
ذره كلا به
انرژي و
تشعشع
تبديل خواهد
شد و آن دو
يعني الكترون
و پوزيترون
محو ونابود
خواهند شد .
پوزيترون ها
اولين پاد ذره
ها هستند . اگر
ضد ماده يا
همان پاد
ماده
با ماده
برخورد كنند
نتيجه آن محو
كامل هر دو و
تبديل شدن به
انرژي است . ضد
ماده ها در
محيط زندگي ما
وجود ندارند و
تنها در
شتابدهندهاي
بزرگ و در
لحظات كوتاهي
توليد ميشوند
.
و
اينك كه با
كليات نسبيت
خاص آشنا
شديم .
وقت آن است كه
با نسبيت
عام انشتين
هم آشنا شويم يعني
زماني كه انشتين ادعا
كرد كه ساعتها
نه تنها در اثر
سرعت كند
ميشوند
بلكه
نيروي گرانش
هم بر
كار آنها اثر
ميگذارد !
مظفر
شريعتي
منابع كتابهاي
فيزيك و شيمي 1
دانشگاهي و
فيزيك پپيش
دانشگاهي نوشته سكسل
راب
استريروويتس ترجمه
دكتر هوشنگ
گرمان
عكسها از
همين كتاب