نسبیت خاص

نسبیت خاص

 

        ((نسبیت و حقیقت))

صبر کنید...  سرعت بیشتر از نور هم داریم.

                نور با سرعت ثابت سیصد هزار کیلومتر در ثانیه در خلاء حرکت میکند. چشم ما امواج نورانی را با طول موج 4/0 تا 8/. میکرون میتواند ببیند. امواج کمتر و بیشتر از این برای ما قابل رویت نیست.

اطلاعات محیط زندگی ما از دور و نزدیک بوسیله نور به چشم ما میرسد و در این مرحله پس از تبدیل این اطلاعات به جریان های عصبی... مغز آنها را دریافت کرده و بصورتی که مشاهده میکنیم به ما تفهیم مینماید.

بنا بر این اگر نور نبود ما هیچ خبری از دنیای دور از دسترس خود نداشتیم . در این موقعیت گوش جانشین بهترین حس ما میگشت و صدا ها ما را با دنیای اطرافمان مرتبط میکردند.

در فرضیه نسبیت خاص انیشتین ، صحبت از عوارضی میشود که در سرعت های قابل مقایسه با سرعت نور پدید میآید. برخی از این عوارض عبارتند از ازدیاد جرم ....، کند شدن گذشت زمان ...، کوتاه شدن طول اجسام در جهت حرکت ... و غیره .

بنا بر همین فرضیه ، وقتی سرعت حرکت جسمی به سرعت سیر نور برسد ... طول آن در جهت حرکت صفر ، و جرم آن بینهایت میگردد. زمان هم در چنین سرعتی از حرکت باز میایستد و ساعتهای متحرک دیگر کار نمیکنند.

با استفاده از ایجاد همین عوارض ،‌ مطالبی عنوان میشود که حقیقت ندارد . یکی از این مطلب ها جوان ماندن انسانی است که بتواند با سرعت قابل مقایسه با سرعت نور حرکت کند.

برای اینکه حقیقت این مسئله روشن شود ابتدا باید چند نکته را روشن سازیم .

1-  فرضیه نسبیت خاص انیشتین در مورد حرکت یکنواخت صحبت میکند و در این نوع حرکت سرعت و جهت حرکت ثابت است . یعنی حرکت جسم در این وضعیت بدون تغییر سرعت و بدون تغییر جهت میباشد.

2-  حرکت عبارتست از تغییر وضعیت دو جسم نسبت به یکدیگر... بنا بر این تعریف جسمی که نسبت به جسم دوم متحرک است میتواند نسبت به جسم سومی ثابت باشد.

3-  برای درک حرکت ،‌نقطه مقایسه ای لازم است . لذا از دو جسمی که در حال تغییر وضعیت نسبت به یکدیگر هستند هر کدام را میتوان ثابت فرض کرد و دیگری را متغیر ....

4-  سریعترین وسیله ای که اخبار دنیای هستی را به ما میرساند ،‌ نور  است(با سرعت سیصد هزار کیلومتر در ثانیه ) و ما قادر نیستیم این اخبار را با سرعتی بیش از این دریافت کنیم .

 

با توجه به این تعاریف...، به بررسی مسئله عوارض حرکت در نسبیت خاص میپردازیم.

میگویند: اگر دو برادر دوقلو را که همه چیزشان شبیه هم باشد در نظر بگیریم.... اگر یکی از آنها با سرعت نزدیک به نور از دیگری دور شود و بعد از چند دقیقه باز گردد... از عمر وی فقط همان چند دقیقه گذشته در حالیکه از عمر برادرش چندین سال سپری شده است . و این مسئله را جزو نتایج فرضیه نسبیت خاص میدانند که میگوید ساعت متحرک از ساعت ثابت کند تر کار میکند.

اولین اشکال این مسئله اینست که حرکت در آن یکنواخت نیست و سرعت و جهت حرکت تغییر میکند.

سرعت حرکت برادر متحرک در ابتدا کم کم افزایش پیدا میکند و سپس به سرعت مورد نظر میرسد و این حرکت شتاب دار میباشد. همچنین هنگامیکه برادر متحرک میخواهد دور بزند و باز گردد جهت حرکتش عوض میشود و این نیز نشان میدهد که حرکت یکنواخت نیست.

به این ترتیب قوانین فرضیه نسبیت خاص که از حرکت یکنواخت صحبت میکند ... در این حرکت صادق نمیباشد و نتیجتا برادر متحرک نمیتواند جوانتر از برادر ساکن باشد.

نکته بعد آنست که ما در این مثال متحرک و یا ساکن مطلق نداریم ... بلکه اگر یک برادر را ساکن فرض کنیم دیگری متحرک خواهد بود و اگر دومی را ساکن در نظر گرفتیم اولی متحرک میشود . به این ترتیب معلوم نیست کدام جوان میمانند و کدام پیر میشوند.

بنا بر این باز هم نمیتواند مسئله پیر نشدن و غیره واقعیت داشته باشد.

در توضیح این مسئله یک مثال دیگر میزنم .

هم اکنون در گستره های دور کیهانی... کرات و ستاره ها و کهکشانهایی وجود دارند که با سرعتی قابل مقایسه با نور از ما دور میشوند. سرعت فرار این کرات از طریق بررسی رنگ نور آنها مشخص و اثبات گردیده است.

حال آیا میتوان گفت که اگر در این کرات ساعتی وجود داشته باشد ... از ساعت ساکن نزد ما کندتر کار میکند و اگر انسانی در آنجا باشد بعلت همین سرعت زیاد عمرش بسیار طولانی تر از ماست .

خیر و این فرض هم اشتباه است ... زیرا آن انسان میتواند خود را ساکن فرض کند و در این صورت ما هستیم که با سرعت گفته شده از او دور میشویم . پس عمر ما باید طولانی تر از وی باشد و ساعت نزد ما هم باید کند تر کار کند.

در اینجا میبینیم که تناقض بوجود میآید.

به این ترتیب میتوان نتیجه گرفت که عوارض سرعت در نسبیت خاص یک چیز حقیقی مطلق نیست و کاملا بستگی به مقایسه با نقطه ساکن دارد.

بنا بر این فراموش کنیم که سرعت زیاد میتواند ما را جوان نگاهدارد و یا ساعت متحرک کند تر از ساعت ثابت کار میکند.

 

در اینجا میخواهیم ببینیم دقیقا ... نسبیت خاص در این مورد چه گفته است و چرا اصولا این اتفاق میافتد؟

همانطور که اشاره شد ... حرکت نسبی است و تغییر وضعیت دو جسم را نسبت به یکدیگر حرکت مینامند.

حال اگر به فرض محال...... ،‌ ما بتوانیم ساعتی را که دارای سرعت نزدیک به نور است و در حال دور شدن از ما میباشد همواره مشاهده کنیم ..... عوارض حرکت را در آن خواهیم یافت.

علت این است که خود نور باید این گزارش را به ما برساند و وی قادر به این کار نیست.

مثلا... اگر ساعتی با سرعت برابر نور از ما دور شود و در لحظه نخست عقربه های آن روی ساعت دوازده باشند... با دور شدن ساعت نوری که از عقربه های آن ساطع شده در فضا نسبت به ما معلق خواهد شد. علت این امر اینستکه ساعت خود با سرعت نور در حال دور شدن از ماست و نور منتشره از آن هم با همان سرعت بسمت ما میآید ... بنا بر این نسبت به ما حرکتی نخواهد داشت .

به این ترتیب ما همواره همان نوری که در لحظه اول از عقربه های قرار گرفته ساعت روی عدد دوازده به ما رسیده مشاهده خواهیم کرد.

به همین دلیل میگوئیم ساعت متحرک در سرعت نور کار نمیکند.

اگر سرعت ساعت مذکور نزدیک به نور باشد ... در اینحالت چون قسمتی از سرعت نور بوسیله سرعت حرکت ساعت خنثی میشود زمان کش میآید و ما میبینیم که ساعت کند تر کار میکند.

اما همه اینها فقط فرض است ... واقعا ساعت بطور عادی کار خود را انجام میدهد و سن افراد متحرک هم بطور عادی خواهد گذشت و ما نیز هیچگاه قادر نیستیم چنین اجسام متحرکی را همواره ببینیم.

جالب است که برخی از روزنامه ها بقدری شتاب زده جلو رفته اند که میگویند: به عمر فضا نوردانی که به فضا میروند بعلت سرعت زیاد کسری از ثانیه اضافه شده است .

به دلایل گفته شده این امر صحیح نیست و فقط برای جلب مشتری و ایجاد هیجان میباشد.

مخصوصا اینکه فضانوردان در رفت و برگشت دارای سرعت متغیر و تغییر مسیر هستند که حرکت آنها را شتاب دار مینماید.

در مورد کوتاه شدن طول اجسام در جهت حرکت و نیز ازدیاد جرم جسم متحرک نیز همین مسئله صادق است . اشکال در اینجاست که خود نور باید اطلاعات هر تغییری را به ما برساند.

اگر ما یک حس برتر داشتیم که میتوانست اطلاعات مربوط به جهان هستی را با سرعت مثلا یک میلیون کیلومتر در ثانیه به ما برساند... دیگر هیچ عارضه ای از انواع گفته شده در سرعت های قابل مقایسه با نور بنظر نمیرسید... ولی فعلا که چنین حس برتری را نداریم و گرفتار نور و سرعت آن میباشیم.

نکته مهم دیگر این است که سرعت نور حد نهایی سرعت ها در جهان نیست و باز به همین دلیل گفته شده ما نمیتوانیم سرعت بالاتر از آنرا درک کنیم.

یک راه ساده برای اثبات آنچه گفته شد وجود دارد....

شما کافیست چشم خود را ببندید تا ببینید تمام عوارض گفته شده.... در سرعت صوت که برای ما قابل درک است اتفاق میافتد.

بنا بر این ... این ما هستیم که سرعت نور را بالاترین سرعت در جهان میبینیم و این ما هستیم که عوارض نسبیت خاص را بخاطر محدودیت حواس خود اینگونه درک میکنیم.

برای نابینایان ... حد نهایی سرعت ها ... سرعت صوت است.

این حواس ماست که ناقص است و جهان را برای ما بصورتی که میبینیم نشان میدهد.

سرعت نور شکسته شد

فیزیک اخترشناسان دانشگاه تگزاس با مطالعه بر روی پالسار یا تب اختری در فاصله 10 هزار سال نوری از زمین متوجه شدند امواج رادیویی تابش یافته شده از این تب اختر با سرعتی بیشتر از سرعت نور در فضا سفر می کنند.
تب اختران بقایای ستاره ای مرده هستند که بسیار مغناطیسی بوده و با سرعتی بالا در گردشند. عبور از سرعت نور و یا حرکت با سرعتی بیش از سرعت نور نیز تا کنون یکی از غیر ممکنهای همیشگی بشر بوده است که این حصار با کشف چنین پدیده های کیهانی به آرامی در هم شکسته می شود.

اینشتین در گذشته نظریه ای مبنی بر امکان حرکت سریعتر از نور ارائه کرده بود که بر اساس آن درصورتی که پدیده ای خالی از اطلاعات باشد می تواند سریعتر از نور حرکت کند. این قانون فیزیکی در آزمایشهایی که بر روی زمین شکل گرفته اند به اثبات رسیده است.

با این حال تب اختر فوق سریع در نوع خود اولین نمونه ای است که تا به حال در خارج از سیاره دیده شده است. چه امواج آن حاوی اطلاعات باشند یا نه، این پدیده به موضوعی جدی برای مطالعه اخترشناسان تبدیل شده است.

بر اساس گزارش یونیورس تودی، اخترشناسان بر این باورند گاهی اوقات سرعت امواج رادیویی این تب اختر در اثر عبور از میان ابرهای هیدروژنی غنی به دست به وجود می آید زیرا این ابرها باعث افزایش طول موج الکترومغناطیسی امواج می شوند.

مقایسه نبوغ اینشتین و نیوتن

مى توان میزان نبوغ آلبرت اینشتین را اندازه گرفت؟
از بسیارى از جهات این کار شدنى نیست. اگر به گذشته برگردیم و سده هاى متوالى را پشت سر بگذاریم با دانشمندان برجسته اى همچون جیمز کلرک ماکسول، لودویگ بولتسمان، چارلز داروین، لویى پاستور و آنتوان لاوازیه مواجه مى شویم، اما پیش از یافتن شخصى که دستاورد هاى علمى اش همانند ایساک نیوتن با اینشتین قابل مقایسه باشد باید راه درازى پیمود. قبل از نیوتن شاید نتوان شخص دیگرى را پیدا کرد.
اینشتین و نیوتن چنان هوشمند بودند که در سراسر جهان در حوزه پژوهشى خود و وراى آن کاملاً شناخته شده اند. نیوتن حسابان را ابداع کرد، قوانین مکانیک و حرکت را فرموله و نظریه گرانش جهانى را ارائه کرد. اینشتین مبنایى در آسمانخراش فیزیک نوین یعنى نسبیت خاص و مکانیک کوآنتوم را پى ریزى و نظریه جدید گرانش را ابداع کرد.
اما سواى این دستاورد هاى ویژه هر دوى این دانشمندان شیوه تفکر در علم را به طور اساسى تغییر دادند. هر دو جهان بینى ما را گسترش دادند. امروز ما از جهان «نیوتنى» و جهان «اینشتینى» سخن مى گوییم. جهان نیوتنى جهان مطلق ها است و جهان اینشتینى جهان نسبیت. در جهان نیوتن زمان بى وقفه در جریان است، زمان اکنون و همیشه با سرعت یکسانى جارى مى شود. علیت مطلقاً برقرار است، گویى که فرمان الهى است. بدون استثنا هر معلولى علتى دارد، با دانستن گذشته، آینده را مى توان به طور کامل پیشگویى کرد. در جهان اینشتین زمان مطلق نیست. سرعت جریان زمان به ناظر بستگى دارد. گذشته از این مطابق نظریه جدید مکانیک کوآنتوم که اینشتین به رغم شک و تردید هاى بعدى در تدوین آن نقش داشت، عدم قطعیت هاى ذاتى طبیعت در سطح زیراتمى مانع از آن مى شود که با دانستن گذشته، آینده را پیشگویى کنیم. احتمالات باید جانشین قطعیت ها شود.
هم اینشتین و هم نیوتن اصولاً فیزیکدان نظرى بوده اند. مثل هر فیزیکدان نظرى دیگر آنها هم مهم ترین پژوهش هاى خود را در اوج جوانى به انجام رساندند.
هر دوى آنها آزمایش هایى هم انجام دادند. نیوتن که بزرگترین آزمایشگر بود، کشفیات بزرگى داشته است، از جمله وى دریافت که نور سفید از اختلاط رنگ هاى مختلف حاصل مى شود. نیوتن ریاضیاتى را که احتیاج داشت، خود ابداع کرد. اینشتین البته چنین کارى نکرد، اما شهود درخشان وى او را به بررسى و اقتباس هندسه مبهم نااقلیدسى ریمان و گاوس رهنمون شد تا نظریه هندسى گرانش خود را بنیان نهد.
هر دو هنرمند بودند. هر دو خود را وقف سادگى، ظرافت و زیبایى ریاضى کردند. هر دو آنها ترجیح دادند که مثل هنرمندان در انزوا کار کنند. نیوتن هنگامى که روى طرح خاصى پژوهش مى کرد، ماه هاى متوالى را یکسره در انزوا به سر مى برد. اینشتین هیچ گاه دانشجوى تحصیلات تکمیلى نداشت و بسیار کم تدریس کرده است. هر دو تنها بودند. تنهایى نیوتن بیشتر بود. به نظر مى رسد که شاید وى عملاً روحیات ضداجتماعى داشته است و همانطور که ولتر در هنگام مرگش خاطرنشان کرد: «نیوتن طى عمر چنین طولانى خود هیچ گاه شور و عشقى از خود بروز نداده است؛ وى هیچ گاه به زنى نزدیک نشده بود.» نیوتن حتى طرحى را براى ابقاى تجرد خود ارائه کرده بود. وى نوشت: «راه تجرد این نیست که با نفس خود مبارزه کنیم، بلکه باید با انجام یک کار مطالعه و تعمق در سایر امور با چنین تفکراتى مقابله کرد.»
اینشتین در اواخر خود را با فعالیت هاى اجتماعى متعدد مشغول کرد، از جمله حمایت از انجمن حقوق بشر، ارائه سخنرانى هاى متعدد در سرتاسر جهان در مورد سیاست، فلسفه و آموزش و همکارى براى تاسیس دانشگاه یهودى اورشلیم. اینشتین طى زندگى خود روابط عاشقانه بسیارى داشته است. اما به نظر مى رسد که وى در شخصى ترین سطح زندگى همانند نیوتن منزوى و تنها بود. اینشتین در سال ۱۹۳۱ هنگامى که ۵۲ساله بود، مقاله اى منتشر ساخت و طى آن نوشت: «احساسات شدید من در مورد عدالت اجتماعى و مسئولیت اجتماعى همیشه به نحو عجیبى در تقابل با فقدان نیاز براى ارتباط مستقیم با انسان هاى دیگر و جوامع انسانى است. من حقیقتاً «مسافر تنها» هستم و هیچ گاه با تمام قلبم به کشورم، خانه ام، دوستانم و حتى خانواده درجه یک خودم تعلق نداشتم.»
هم اینشتین و هم نیوتن شدیداً حافظ استقلال خود بودند. هر دو به شدت انزواى خود را قدر مى دانستند.
ایساک نیوتن و آلبرت اینشتین میراث گرانبهایى براى ما بر جاى گذاشتند. نیوتن بر این تصور که بعضى حوزه هاى دانش دور از دسترس ذهن بشر است، تصورى که طى سده هاى متوالى در فرهنگ غرب ریشه دوانده بود، غلبه کرد.
بسیارى از متفکران پیش از نیوتن بر این باور بودند که بشر مجاز است فقط از آن چیزهاى سر درآورد که خداوند بر ما منت نهاده و کشف آنها را مجاز دانسته است. آدم  و حوا به این دلیل از بهشت رانده شدند که از میوه درخت معرفت، معرفت خداوند، خورده اند.
زئوس، پرمتئوس را با زنجیر به صخره اى در بند کشید؛ چرا که وى راز خدایان یعنى آتش را به بشر فانى ارزانى داشت. در کتاب بهشت گمشده (paradise lost) اثر جان میلتون آدم از رافائل فرشته در مورد مکانیک اجرام آسمانى مى  پرسد، رافائل مختصراً آدم را راهنمایى مى کند و سپس مى گوید: «معمار بزرگ در تصمیمى عاقلانه مابقى ماجرا را از انسان و فرشته مخفى نگاه داشته است.»
نیوتن در اثر ماندگار خود با نام اصول (principia,1687) بر همه این محدودیت ها غلبه کرد و ممنوعیت ها را کنار گذاشت. نیوتن در این اثر تمام پدیده هاى جهان فیزیکى شناخته شده از آونگ گرفته تا فنر، از ستاره هاى  دنباله دار تا مدار سیاره ها را با عبارت هاى دقیق ریاضى بررسى کرده است. پس از نیوتن تمایز بین جهان فیزیکى و فراطبیعى آشکارتر شده است. از آن پس جهان فیزیکى براى انسان قابل شناخت شد.
اینشتین در پذیره هاى شگفت انگیز و به ظاهر محال خود در نسبیت خاص نشان داد که حقایق بزرگ طبیعت را صرفاً با مشاهده هاى دقیق از جهان خارج نمى توان به دست آورد، بلکه دانشمندان گاهى اوقات باید فرضیه ها و سیستم هاى منطقى اى را در ذهن خود ابداع کنند که فقط با گذشت زمان مى توان آنها را آزمود. براى مثال همه ما از بدو تولد تجربه مى کنیم که زمان با سرعت یکنواختى جارى است، با این همه این باور حقیقت ندارد. فیزیک نوین حداقل به این درجه از پیشرفت رسیده است که طبیعت را وراى احساس و ادراک بشر فهمیده است و بدین ترتیب به ما مى آموزد که درک عقل سلیم ما از جهان هم ممکن است اشتباه باشد. اینشتین در میراث خود بر این تفکر چند قرنه که پژوهش هاى تجربى و آزمایش ها برترند، فائق آمد. اما وى با نظر مشهور نیوتن که گفت: «hypotheses non fingo» (از فرضیه پردازى بیزارم) نیز مخالف بود، چرا که منظور دانشمند انگلیسى آن بود که وى همانند ارسطو فیلسوف راحت طلبى نیست، بلکه نظریه هاى خود را بر حقیقت هاى قابل مشاهده بنا مى کند.
اینشتین در زندگینامه خود نوشتش اختلاف نظر خود را با نیوتن اینگونه توضیح مى دهد: «نیوتن، مى بخشید، شما تنها روشى را که از زمانه شما فقط براى انسان هاى با قدرت تفکر و خلاقیت بالا قابل درک بود، کشف کردید. مفهوم هایى که شما ابداع کردید، هنوز هم تفکر ما را در فیزیک  هدایت مى کند، اگرچه اکنون مى دانیم که این مفاهیم باید با مفاهیم دیگرى که پیش از این خارج از فضاى تجربه مستقیم قرار داشته است، جایگزین شود.»
اینشتین در مقدمه اى بر ویرایش سال ۱۹۳۱ کتاب اپتیک (opticks) نیوتن در مورد وى نوشت: «طبیعت در مقابل وى همچون کتابى گشوده بود... وى فردى بود که خصلت هاى یک آزمایشگر، نظریه پرداز، مکانیک و علاوه بر آنها هنرمند تشریح مفاهیم در وى جمع بود.» اگر نیوتن بتواند حقه اى سوار کند و سفر ممنوع زمانى را امکان پذیر ساخته و در آینده ظاهر شود، شاید چیزهایى مشابه همین را در مورد اینشتین بگوید.