برابان گرين در کتاب The Elegant universe که در آن به بررسي و توضيح نظريه ريسمان مي پردازد، سه تناقض اساسي که بين نظريه هاي فيزيکي در اواخر قرن نوزدهم و اوايل قرن بيستم بوجود آمده بود راچنين بيان مي کند:
1.تناقض بين نظريه حرکت نيوتن و الکترومغناطيس ماکسول : بنا برقوانين حرکت نيوتن اگر به اندازه ي کافي سرعت داشته باشيم ميتوانيم از يک دسته پرتو نور پيشي بگيريم.درحاليکه بنا به قوانين ماکسول جنين چيزي امکان ندارد. اين مساله بدست اينشتين و در نظريه نسبيت خاص او در سال 1905 حل شد.
2.تناقض بين نظريه نسبيت خاص و قانون جهاني گرانش نيوتن:اينشتين در نسبيت خاص سرعت همه اجرام را به سرعت نور محدود کرده بود.درحاليکه بنا به قانون گرانش نيوتن امواج گرانشي با سرعت بينهايت در فضا سفر مي کنند.اين مساله نيز بدست اينشتين در نظريه نسبيت عام او و در سال 1915 حل شد.
3.تناقض بين نسبيت عام اينشتين و کوانتوم مکانيک:اين اساسي ترين تناقض بين نظريه هاي فيزيکي است که با وجود تلاش فيزيکدانان هنوز سر به مهر باقيمانده است.
البته برايان گرين در اين کتاب بعد از توضيح 2 تناقض اولي بيشتر توجه خود را معطوف به تناقض سوم و راه حل برون رفت از اين مشکل بوسيله String theory کرده است که در اينجا مدنظر ما نيست. ولي در اين مقاله سعي خواهيم کرد که اولين راه حلي که از طرف اينشتين در سال 1905 انجام گرفت را بررسي کرده تا به يکي از شگفت آور ترين نتايج نسبيت خاص يعني اتساع زمان و مفهوم فيزيکي آن برسيم.
گفته ميشود که اگر در فضا با کسري از سرعت نور سفر کنيد بعد از مدتي که به زمين برميگرديد خواهيد ديد که بر روي زمين چندين سال سپري شده است،در حاليکه ممکن است سفر شما از ديد خودتان چند دقيقه هم نگذشته باشد! چگونه چنيين چيزي ممکن است؟ کداميک از زمانها " واقعي" است؟در انتهاي بخش نخست اين مقاله بحث واقعيت در نسبيت را بررسي ميکنيم.
ماکس بورن به اين مطلب اشاره ميکند که بيشتر ما در مفهوم زمان مشکل داريم. ما از ابتدا مفهوم زمان را بصورت مفهومي مطلق در نظر گرفته ايم.درحاليکه بنا به نظر اينشتين زمان نسبي است.ابتدا به بررسي اينکه چگونه در نسبيت خاص زمان نسبي مطرح مي شود مي پردازيم:
هاوکينگ در معروفترين کتاب خود يعني تاريخچه زمان (پرفروش ترين کتاب علمي تاريخ)اين مطلب را به گونه اي استادانه شرح ميدهد.ولي از آنجا که بيشتر خوانندگان کتاب با همين قسمت مشکل دارند بد نيست تا مقداري در اين مورد بحث بيشتري کنيم:
از ديدگاه نيوتن مکان نسبي است. (بر خلاف نظر ارسطو که مکان را مطلق مي پنداشت) بنا به رابطه X=Vt با توجه به نسبي بودن مکان،سرعت نيز نسبي و بنابراين زمان مطلق است.به عبارت ديگر وقتي رابطه را بصورت t=X/V بنويسيم حاصل تقسيم دو عبارت نسبي بر هم عبارتي مطلق خواهد شد.براي بسياري از ما مفهوم نسبي بودن مکان امري نسبتا واضح است.همچنين بارها در قوانين فيزيک کلاسيک نيوتني سرعت نسبي را هم پذيرفته ايم.پس مشکل کجاست؟اگر روابط بالا درست باشند زمان نسبي مفهومي زايد و غلط است.ولي ....
اينشتين در 1905 دو فرض اساسي را براي نظريه نسبيت خاص خود در نظر گرفت:(دو اصل موضوع) 1.سرعت نور نسبت به تمام چارچوبها و ناظرها ثابت است.2.شکل تمام قوانين فيزيکي در تمام دستگاه هاي لخت يکسان است.
اصل موضوع اولي را اصل ثبات سرعت نور در نسبيت مي گوييم.خوب! وقتي سرعت نور ثابت و برابر C باشد رابطه سرعت برابر جابه جايي بخش بر زمان را به گونه اي ديگر بايد تفسير کرد.سرعت ثابت است. پس صورت مخرج کسر X/t بايستي نسبي باشند تا حاصل تقسيم آنها عبارتي ثابت (سرعت نور) شود! به اين صورت زمان نسبي بدست مي آيد.به عبارت ديگر يکي از نتايج اصل ثبات سرعت نور بدست آمدن زمان نسبي است.اين مفهوم را مي توان با اصل موضوع دوم و به صورتي ديگر نيز تفسير کرد. هاوکينگ به ساده ترين شکل ممکن مي گويد:"نيوتن فاتحه مفهوم مکان مطلق و نسبيت فاتحه زمان مطلق را خواند! "
فرمول بدست آمده براي اتساع زمان طبق روابط نسبيتي چنين است : T=t[(1-v^2/c^2)^-1/2] ]^1/2 T=t/[1-v^2/c^2
طبق اين رابطه اگرV=C باشد مخرج کسر صفر شده و لذاT بينهايت مي شود.يعني بازه ي زماني که از ديد ناظر ساکن براي جسم متحرک اندازه گرفته ميشود به سمت بينهايت ميل مي کند.به عنوان مثال فرض کنيد با کسري از سرعت نور سفر مي کنيد و زمان را يک ثانيه اندازه ميگيريد.اين زمان اندازه گيري شده توسط شما بسته يه سرعتي که داريد براي ناظر ساکن از چند دقيقه تا چند سال اندازه گرفته مي شود.گاهي اوقات اين مطلب را به عنوان سفر به آينده تفسير مي کنند: زمان براي ناظر متحرک در فضا نسبت به ناظر ساکن روي زمين کندتر مي گذرد.اذا وقتي از سفر باز ميگردد ميبيند که روي زمين چندين سال گذشته در حاليکه او تنها جند ساعت در سفر بوده است!
ولي آيا اندامهاي بدن متوجه گذشت کند زمان ميشوند؟اين مطلب جالبي است که در آزمايشي که در بخش دوم مقاله گفته خواهد شد به آن پي خواهيم برد.آزمايشي موسوم به آزمايش ميون ها.
در نسبيت زمان مطلقي در کار نيست."هر ناظري زمان مخصوص به خود رااندازه مي گيرد."
بخش نخست اين مقاله را با اين مطلب به پايان مي برم: کدام يک از زمانهاي اندازه گيري شده بايستي واقعي تلقي شود؟
به نظر من اين مطلب را ماکس بورن(برنده ي جايزه نوبل فيزيک) در کتاب نظريه نسبيت اينشتين به بهترين وجه توضيح داده است.او مي گويد: فرض شود که مي خواهم يک ورقه از تکه کالباس ببرم.اينک به حسب آنکه برش ، بيشتر يا کمتر مايل انجام گيرد،ورقه ي کالباس کلفت تر يا نازک تر خواهد بود.پس بي معنا خوهد بود اگرورقه هاي کالباس به کلفتيهاي مختلف را اندازه ي ظاهري تلقي کنيم و مثلا نازک ترين ورقه که از برش عمودي بدست مي آيد اندازه واقعي بدانيم." به نظر من اين ميتواند زيباترين تعبيري باشد که مفهوم واقعيت در نسبيت را بيان مي کند.
بد نيست که سخناني ديگر از ماکس بورن را به عنوان نتيجه بحث بخوانيم که انصافا با توانايي استادانه گفته شده است: " نسبي انگاشتن مفهومهاي طول و مدت زمان براي بسياري از افراد دشوار مي نمايد، صرفا به اين دليل که با اين مفاهيم انس نگرفته اند.نسبي انگاري مفهوم هاي "پايين" و" بالا" که به دنبال شناسايي کرويت زمين جنبه عادي يافت،براي مردم آن روزگار بيگمان کمتر دشواري را فراهم نکرده بود.در آن زمان هم دستاورد پژوهش برخلاف مشهودات عقلي متاثر از وقوف مستقيم حکم مي کرد.اينک مشابه همان وضع چنين مي نمايد که نسبي انگاري زماني اينشتين با وقوف زماني افراد مطابقت نداشته باشد.................."
در طي سالها تلاشهاي بسياري براي مشاهده انبساط زمان انجام شده است.به عنوان مثال يکي از ايده ها جاسازي يک ساعت اتمي در هواپيمايي پر سرعت و نگه داشتن آن در آسمان به مدت کافي بود ، تا هنگامي که هواپيما به زمين مراجعت کرد و ساعت هواپيما با ساعت ساکن روي زمين مقايسه شد،اثر انبساط زمان ديده شود.(اين آزمايش در ايستگاه فضايي انجام شده است.) اما نتيجه جالب توجه در مدت زمان طولاني بدست مي آيد.هنگاميکه بتوان پارادوکس دوقلو ها را اجرا کرد.
بهترين و دقيق ترين مشاهده اتساع زمان،آزمايشي به نام آزمايش ميون ها است که اثر کند شدن زمان را به خوبي نشان مي دهد.در اين آزمايش شار ميون ها در ارتفاعات مختلف از جو زمين اندازه گيري و با مقدار بدست آمده از محاسبات کلاسيکي مقايسه مي شود.ميون يک لپتون است که از واپاشي پيون ها در ارتفاعات گوناگون در جو زمين توليد مي شود. نيم عمر سکون ميون،0.00000156 ثانيه است. به دليل اين نيم عمر کوتاه،با وجود سرعت بسيار زيادي که دارند (0.98 سرعت نور) تعداد قابل توجهي از آنها در راه رسيدن به سطح وا مي پاشند.مقايسه ميان مقدار اندازه گيري شده شار ميون ها با محاسبات نسبيتي و کلاسيکي شار در سطح، تاييد محکمي بر اثر انبساط زمان است. زمان غير نسبيتي شار ميون هايي که از فاصله 10 کيلومتري در جو بالايي زمين با سرعت 0.98 C به سطح مي رسند از ديد ناظر ساکن روي سطح چنين است: 34×10 ^ -6 t = L / V
تعداد ميون هاي بازمانده برابر 0.27×10 ^ -6 مي باشد که فقط حدود 0.3در ميان يک ميليون ميون است.
تعداد نسبيتي باز مانده ها را به دو روش متفاوت ميتوان حساب کرد:
1.مي توان گفت براي ميون هايي که با سرعت نور حرکت مي کنند پديده اتساع زمان اتفاق مي افتد.(نسبت به ناظر ساکن زمان براي ميون ها کند مي شود.) بنابر اين نيم عمر ساکن آنها با ضريب 7.8×10 ^-6 افزايش مي يابد. پس با توجه به اين مطلب، تعداد ميون هاي بازمانده حدود4900 ميون در ميان يک ميليون ميون بدست خواهد آمد. مقدار بدست آمده کاملا با مشاهدات مطابقت دارد.
2.مي توان گفت براي ميون هايي که با سرعت هاي نسبيتي حرکت مي کنند پديده انقباض طول رخ داده است.به اين ترتيب بايد مسافت کوتاهتري را طي کنند ودر زمان کمتري به سطح زمين مي سند.از رابطه انقباض طول در نسبيت خاص ، طول L که پيش روي ميون ها است ،0.2×10 ^ 4 بدست مي آيد.بنابر اين 4900 ميون در هر يک مليون ميون به سطح زمين مي رسند.
نحوه تعبير اين مطلب بدين گونه است : ميون هايي که با سرعت هاي نسبيتي حرکت مي کنند،ساعت مخصوص به خود را دارند و اين ساعت نسبت به ساعت ساکن روي زمين کندتر مي گذرد. بنابر اين از ديد ناظر ساکن نيم عمر ميون ها افزايش يافته است.پس فرصت کافي براي رسيدن به سطح زمين را دارند.
همين مطلب در مورد مسافر فضاپيما که با سرعت نزديک به نور حرکت مي کند نيز صادق است. وقتي اين مسافر به زمين برگردد چندين سال بر روي زمين سپري شده است. درحاليکه از ديد او، سفرش تنها دقايقي طول کشيده است. به عبارت ديگر هر کدام از اندام هاي بدن زمان نسبيتي را اندازه مي گيرند. درست مانند ميون که نيم عمر نسبيتي را براي خود اندازه مي گيرد.در صورتيکه تکنولوژي آن قدر پيشرفت کند که بتوان فضاپيماهايي با بيش از 10 درصد سرعت نور توليد کرد، مي توان اثر هاي نسبيتي را به خوبي بر سرنشينان فضاپيما مشاهده کرد.
به هر حال، کند شدن زمان واقعيتي پيش روي ماست.شايد روزي افسار آن در اختيار انسان باشد.
منبع:آسمان پارس
ارسال توسط کاربر محترم سايت :hosseinkhorrami