توضیح نظریه نسبیت انیشتین

شاید وقتی نام نظریه نسبیت به گوشتان می‌خورد تصور کنید چیز عجیب و پیچیده‌ای باشد، اما منطق جاری در این نظریه به طرز شگفت‌آوری ساده است: 1 _ هیچ مطلقی به عنوان «مرجع» وجود ندارد. هر بار که سرعت جسم یا حرکت آن را دیده و محاسبه می‌کنید یا حتی جسمی را ثابت در نظر می‌گیرید، در واقع رفتار آن جسم را در یک بازه‌ زمانی با جسم دیگری مقایسه می‌کنید. 2 _ سرعت نور همواره ثابت است. این عدد به سرعت حرکت فردی که آن را محاسبه می‌کند یا به سرعت منبع نور وابسته نیست. 3 _ هیچ چیزی سریع‌تر از نور نیست و سرعت نور بالاترین سرعت در جهان است. این نظریه مهم و تاثیرگذار در جهان علم که دیدگاه ما را نسبت به فضا و زمان تغییر داده، شامل دو بخش نسبیت عام و نسبیت خاص است. آلبرت انیشتین نسبیت خاص را در سن ۲۵ سالگی مطرح کرد و ده سال بعد نظریه نسبیت عام را ارائه داد.

نظریه نسبیت خاص به زبان ساده در سال ۱۹۰۵ آلبرت انیشتین نظریه نسبیت خاص انیشتین را طی مقالات «در باب الکترودینامیک و حرکت اجسام» در زمینه فیزیک منتشر کرد. نسبیت خاص توضیحاتی درباره چگونگی تاثیر سرعت بر جرم، زمان و مکان است. نسبیت خاص حالتی ویژه از نسبیت عام است. این نظریه برای اجسامی که با سرعت بسیار بالا (نزدیک به سرعت نور) حرکت می‌کنند به کار می‌رود. برای این اجسامی که با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کنند، قوانین نیوتن کاربرد ندارد. نظریه نسبیت خاص برای حالت‌های خاصی که دستگاه‌های مرجع حرکت، شتاب ندارند (یعنی سرعت در آن‌ها ثابت است) به کار می‌رود. این دستگاه‌های مرجع بدون شتاب را لَخت می‌نامند. آیا سفر با سرعت نور ممکن است؟ از نتایج جالب نظریه نسبیت وجود ارتباط بین فضا (فاصله) و زمان است. نیوتن باور داشت زمان ثابت بوده و در تمام نقاط به یک صورت عمل می‌کند، اما نظریه نسبیت انیشتین بر نسبی بودن زمان نیز دلالت داشت. نسبیت خاص نشان داد وقتی جسمی با سرعت نور حرکت می‌کند، زمان برایش متوقف می‌شود که به ان اتساع زمان (Time Dilation) می‌گویند. همچنین طولش در مسیر حرکت کاهش و جرمش افزایش می‌یابد.

بر اساس نظریه نسبیت خاص، تمام چیزها در دنیا با یکدیگر ارتباط داشته و برهم اثر می‌گذارند. پارادوکس دوقلوها از مثال‌های جالبی است که برای توضیح این نظریه بیان می‌شود؛ دو شخص دوقلو را در نظر بگیرید که یکی روی زمین است و دیگری توسط فضاپیما با سرعت نزدیک به نور به سمت فضا رهسپار می‌شود. پس از آنکه شخص روی زمین ۱۰۰ سال از عمرش بگذرد، شخصی که در فضاپیما بوده فقط یک سال از عمرش گذشته است. مغناطیس، رنگ زرد طلا، مایع بودن جیوه، تلویزیون‌های قدیمی، نور، نیروگاه‌های هسته‌ای و ابرنواخترها همه تاثیراتی از این نظریه را نشان می‌دهند.

نظریه نسبیت عام به زبان ساده طی سال‌های ۱۹۰۷ تا ۱۹۱۵ نظریه نسبیت عام توسط آلبرت انیشتین و شاگردانش مطرح و توسعه داده شد. نسبیت عام، نظریه‌ای هندسی در ارتباط با گرانش است که آلبرت انیشتین در سخنرانی‌های آکادمی علوم پروس (Prussian Academy of Sciences) آلمان در نوامبر۱۹۱۵ آن را مطرح کرد. او در این سخنرانی‌ها معادله‌ای را طرح نمود که قانون جهانی جاذبه نیوتون را تغییر داد و به «معادله میدان انیشتین (EFE)» معروف شد. در این نظریه کسانی که با سرعت ثابت در حرکتند و تمامی ناظران، یکسان و هم ارز هستند. در نظریه نسبیت عام، گرانش نتیجه خمیدگی فضا (مکان)-زمان است و نیرو محسوب نمی‌شود. در حقیقت گرانش یک عامل هندسی است؛ در قانون نیوتون، جاذبه نیرو بود. نظریه نسبیت عام انیشتین برای توضیح حرکت‌های شتابدار است؛ یعنی حرکت‌هایی که سرعت آن‌ها تغییر می‌کند. بر این اساس g (شتاب گرانش زمین) که همان عدد ۹/۸۱ متر برثانیه بوده نیز نوعی شتاب است. پس نسبیت عام با شتاب‌های ثقل اشیا و اجرام سروکار دارد، نه با حرکت. در هر جای عالم، هر جرمی در فضای خالی باشد قطعا داری یک شتاب جاذبه در اطراف خود بوده که مقدار عددی آن به جرم جسم وابسته است.

طبق نظریه‌ نسبیت انیشتین، جاذبه، کشیدگی‌ها و خمیدگی‌ها‌ی فضا است که از طرف اجرام وارد می‌شود. این توصیف در آغاز قرن بیستم برای مدتی بیش از ۲۰۰ سال به عنوان توصیف پذیرفته‌شده برای گرانش بین اجسام مطرح بود. در این قانون جهانی گرانش نیوتون، گرانش ناشی از نیرویی جذب‌کننده بین دو جسم است، اما نیوتن هیچ‌‌گاه متوجه شیوه کار‌کرد نیروی گرانش نشد. این مدل برای توصیف حرکت تحت تاثیر گرانش بسیار موفق بود؛ حرکت سیاره‌ها در منظومه شمسی را به خوبی توضیح می‌داد و زمان ظهور دنباله‌دارها را به دقت پیش‌بینی می‌کرد، اما نقص‌هایی نیز داشت؛ از جمله اینکه نمی‌توانست پدیده‌هایی چون وجود ناهنجاری‌ در مدار حرکت برخی سیاره‌ها مثل عطارد و مریخ را پیش‌بینی کند. اگرچه نسبیت عام هنوز نظریه کاملی نیست، اما توانسته است بسیاری از مشکلات را حل کند و به ابزاری اساسی در اخترفیزیک تبدیل شود. همچنین پدیده‌هایی چون همگرایی گرانشی (Gravitational lens)، امواج گرانشی و اثر گرانش بر روی زمان را پیش‌بینی کرد که توسط آزمایش تایید شده و یا در حال بررسی هستند. نسبیت عام به درک ما درباره سیاه‌چاله‌ها نیز کمک اساسی نمود.

کاربرد نظریه نسبیت در فضا یکی از سوالات همیشگی مردم عادی و دانشجویان رشته‌هایی به جز علوم پایه و به ویژه سیاستمداران این است که فیزیک بنیادی و نظریه نسبیت چه فایده‌ای دارد و چرا باید بودجه‌های خاصی برای آن در نظر گرفت؟ نسبیت خاص انیشتین می‌گوید یک جسم در حال حرکت اتساع زمانی را تجربه می‌کند؛ به این معنی که وقتی یک جسم با سرعت بالایی در حال حرکت است زمان برای آن کندتر از زمانی می‌گذرد که در حالت سکون است. به عنوان مثال، زمانی که اسکات کلی (Scott Kelly)، فضانورد ناسا، در سال ۲۰۱۵ نزدیک به یک سال در ایستگاه فضایی بین‌المللی اقامت داشت، بسیار سریع‌تر از مارک کلی (Mark Kelly)، فضانورد و برادر دوقلوی خود که در زمین بود، حرکت می‌کرد. با توجه به پدیده اتساع زمان، مارک کلی فقط کمی سریع‌تر از اسکات پیر شد؛ چیزی در حدود پنج میلی‌ثانیه. از آن جایی که اسکات کلی نزدیک به سرعت نور حرکت نمی‌کرد، تفاوت واقعی در پیری به دلیل اتساع زمان ناچیز بود، اما در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور، اثرات اتساع زمان می‌تواند بسیار آشکارتر باشد. اتساع زمان گرانشی چیست؟ ما در حال حاضر فناوری لازم برای سفر با سرعت نزدیک به سرعت نور را نداریم، اما در فناوری مدرن امروزی، اتساع زمان ساخته‌های دست بشر را تحت تاثیر قرار می‌دهد.

نظریه نسبیت و دستگاه‌های موقعیت‌یاب جهانی (GPS) فناوری GPS که برای کاربردهای نظامی طراحی شده بود، اکنون به یکی از اساسی‌ترین نیازهای ما تبدیل شده است و هر روز با آن سروکار داریم. دستگاه‌های GPS به وسیله حداقل چهار ماهواره که سرعت بالایی دارند، در مدارهای دور زمین کار و موقعیت را محاسبه می‌‌نمایند. نسبیت خاص به ما می‌گوید که ماهواره‌ها گذر زمانی آهسته‌تری را تجربه می‌کنند. برای یک دستگاه GPS معمولی، موقعیت کاربر زمینی با دقت در حدود ۵ تا ۱۰ متر اندازه‌گیری می‌شود؛ یعنی ممکن است موقعیت کاربر را روی نقشه ۱۰ متر آن طرف‌تر نشان دهد. این خطا برای یک عابر پیاده قابل چشم‌پوشی است، اما تصور کنید برای ماشین‌های خودران، یا هواپیماها، سفینه‌های فضایی می‌خواهیم از GPS استفاده کنیم. در این صورت با یک خطای ۱۰ متری خسارت‌های جبران‌ناپذیری رخ خواهد داد. پس به دقت بالاتری نیاز داریم.

پس این ماهواره‌ها باید زمان را با دقت بسیار بالایی تعیین نمایند؛ در نتیجه با ساعت‌های اتمی کار می‌کنند، اما از آنجایی که این ساعت‌های اتمی روی ماهواره‌هایی قرار دارند که دائما با سرعت ۱۴ هزار کیلومتر در ساعت در فضا می‌چرخند، بر اساس نسبیت خاص هر روز ۷ میکروثانیه یا ۷ میلیونم ثانیه زمان اضافه می‌آورند. به منظور حفظ ارتباط زمانی با ساعت‌های زمین، ساعت‌های اتمی در ماهواره های GPS باید هر روز ۷ میکروثانیه کم کنند.

با تاثیرات از نسبیت عام، هر چه نیروی گرانشی بیشتری به جسمی وارد شود، زمان برای آن جسم در آن فضا نسبت به جسم دیگری که در جای دیگری و در معرض جاذبه‌ کمتری قرار دارد، کندتر می‌گذرد. این یعنی زمان برای ناظر روی زمین نسبت به ماهواره‌ای که دور زمین در حال حرکت است و در معرض جاذبه‌ کمتری است، گذر کندتری دارد. طبق محاسبه‌های صورت‌گرفته، این اثر گرانشی باعث می‌شود که ساعت تعبیه‌شده در ‌‌ماهواره‌های GPS، روزانه ۴۵ میکروثانیه از ساعت‌های سامانه‌های روی زمین جلو بیفتد و زمان برای ماهواره‌ها سریع‌تر بگذرد.

در نهایت بر اساس این دو نظریه، ساعت ماهواره‌ها هر روز نسبت به ساعت سامانه‌های روی زمین ۳۸ میکروثانیه جلوتر می‌افتد. سامانه‌های موقعیت‌یابی جهانی مانند گلوناس (GLONASS) روسیه، GPS آمریکا و گالیلئو (Galileo) اروپا باید تمام اثرات نسبیتی مانند پیامدهای میدان گرانشی زمین را در نظر بگیرند تا با دقت کار کنند. بنابراین طراحی ساعت ماهواره‌ها به گونه‌ای انجام شده است تا این اختلاف زمانی برطرف شود. اگر تصحیح‌های نسبیتی حذف شوند، ابزارهای مختلف از میکروسکوپ‌های الکترونی گرفته تا شتاب‌دهنده‌های ذره‌ها از کار می‌افتند. اما نظریه نسبیت انیشتین مخالفانی نیز دارد.

مخالفان نظریه نسبیت مخالفان نظریه نسبیت عام، سعی در توصیف پدیده گرانش در رقابت با این نظریه دارند. برای مثال برخی به دنبال ارائه تئوری‌هایی با استفاده از اصول مکانیک کوانتومی هستند که به عنوان نظریه‌های گرانش کوانتیزه (Quantized Gravity) شناخته می‌شوند. همچنین نظریه‌هایی وجود دارد که تلاش می‌کنند گرانش و سایر نیروها را همزمان توضیح دهند و معرفی آن‌ها تحت عنوان تئوری‌های میدان یکپارچه کلاسیک (Classical Unified Field) صورت می‌گیرد. البته هیچ یک از این جایگزین‌ها برای نسبیت عام مقبولیت گسترده‌ای پیدا نکرده‌اند. نظریه نسبیت عام آزمایش‌های زیادی را پشت سر گذاشته و با همه مشاهده‌های انجام‌شده تاکنون سازگار است. به علاوه، بسیاری از تئوری‌های جایگزین اولیه به طور قطعی رد شده‌اند. با این حال، برخی از نظریه های جایگزین گرانش توسط اقلیتی از فیزیکدانان پشتیبانی شده و در دست مطالعه هستند. اگر این مقاله برای شما مفید بوده است، پیشنهاد می‌کنیم قوانین جالب یوهانس کپلر را نیز مطالعه کنید.