نظریه نسبیت خاص، که در سال 1905 توسط انیشتین منتشر شد و تعمیم مهم تعدادی از فرضیه های قبلی، یکی از طنین انداز ترین و مورد بحث در فیزیک است.
در واقع، تصور اینکه وقتی یک جسم با سرعت نزدیک به نور حرکت می کند، دشوار است، فرآیندهای فیزیکی برای آن به روشی کاملاً غیرعادی شروع می شود: طول آن کاهش می یابد، جرم آن افزایش می یابد و زمان کند می شود. بلافاصله پس از انتشار، تلاش هایی برای بی اعتبار کردن این نظریه آغاز شد، که امروزه نیز ادامه دارد، اگرچه بیش از صد سال می گذرد. این تعجب آور نیست، زیرا این سؤال که زمان چیست، مدتهاست که بشر را نگران کرده و توجه همه را به خود جلب کرده است.
نسبیت گرایی چیست
ماهیت مکانیک نسبیتی (همچنین نظریه نسبیت خاص است که از این پس SRT نامیده می شود) و تفاوت آن با مکانیک کلاسیک با ترجمه مستقیم نام آن به وضوح بیان می شود: relativus لاتین به معنای "نسبی" است. SRT اجتناب ناپذیری اتساع زمانی را برای یک جسم در حین حرکت نسبت به ناظر فرض می کند.
تفاوتاین نظریه که توسط آلبرت انیشتین از مکانیک نیوتنی ارائه شده است و در این واقعیت نهفته است که همه فرآیندهای در حال انجام را فقط می توان نسبت به یکدیگر یا ناظر خارجی در نظر گرفت. قبل از توضیح اینکه اتساع زمانی نسبیتی چیست، لازم است اندکی به مسئله شکل‌گیری این نظریه بپردازیم و مشخص کنیم که چرا فرمول‌بندی آن ممکن و حتی اجباری شده است.
منشأ نسبیت
در پایان قرن نوزدهم، دانشمندان دریافتند که برخی از داده های تجربی با تصویر جهان بر اساس مکانیک کلاسیک مطابقت ندارند.
تضادهای اساسی منجر به تلاش هایی برای ترکیب مکانیک نیوتن با معادلات ماکسول شد که حرکت امواج الکترومغناطیسی را در محیط خلاء و پیوسته توصیف می کند. قبلاً شناخته شده بود که نور دقیقاً چنین موجی است و باید آن را در چارچوب الکترودینامیک در نظر گرفت، اما بحث با مکانیک بصری و مهمتر از همه با زمان آزمایش شده بسیار مشکل بود.
اما تناقض آشکار بود. فرض کنید که یک فانوس در مقابل یک قطار در حال حرکت ثابت است که به جلو می تابد. به گفته نیوتن، سرعت قطار و نوری که از فانوس می آید باید با هم جمع شوند. معادلات ماکسول در این موقعیت فرضی به سادگی «شکست» شد. یک رویکرد کاملاً جدید مورد نیاز بود.
نسبیت خاص
این باور نادرست است که اینشتین نظریه نسبیت را اختراع کند. در واقع او به آثار و فرضیه های دانشمندانی که قبل از او کار می کردند روی آورد. با این حال، نویسنده نزدیک شداز سوی دیگر، به جای مکانیک نیوتن، معادلات ماکسول را "صحیح پیشین" تشخیص داد.
علاوه بر اصل معروف نسبیت (در واقع توسط گالیله، اما در چارچوب مکانیک کلاسیک فرموله شد)، این رویکرد انیشتین را به یک جمله جالب سوق داد: سرعت نور در تمام فریم‌های نور ثابت است. مرجع. و این نتیجه گیری است که به ما امکان می دهد در مورد امکان تغییر استانداردهای زمانی هنگام حرکت جسم صحبت کنیم.
ثابت سرعت نور
به نظر می رسد که جمله "سرعت نور ثابت است" تعجب آور نیست. اما سعی کنید تصور کنید که ثابت ایستاده اید و نور را با سرعت ثابت از شما دور می کنید. شما پرتو را دنبال می کنید، اما دقیقاً با همان سرعت از شما دور می شود. علاوه بر این، با چرخش و پرواز در جهت مخالف پرتو، به هیچ وجه سرعت فاصله خود را از یکدیگر تغییر نمی دهید!
چطور این امکان وجود دارد؟ در اینجا گفتگو درباره اثر نسبیتی اتساع زمان آغاز می شود. جالب هست؟ سپس ادامه دهید!
اتساع زمان نسبیتی بر اساس اینشتین
وقتی سرعت یک جسم به سرعت نور نزدیک می شود، زمان درونی جسم برای کاهش سرعت محاسبه می شود. اگر فرض کنیم که فردی با سرعتی مشابه به موازات پرتو خورشید حرکت کند، زمان برای او به هیچ وجه از دویدن باز می ماند. فرمولی برای اتساع زمان نسبیتی وجود دارد که رابطه آن را با سرعت یک جسم منعکس می‌کند.
اما هنگام مطالعه این موضوع باید به خاطر داشت که هیچ جسمی با جرم حتی از نظر تئوری نمی تواند به سرعت نور برسد.
پارادوکس های مربوط به نظریه
نسبیت خاص یک کار علمی است و درک آن آسان نیست. با این حال، علاقه عمومی به این سوال که زمان به طور منظم چقدر است، ایده هایی را به وجود می آورد که در سطح روزمره به نظر می رسد پارادوکس های حل نشدنی باشند. به عنوان مثال، مثال زیر اکثر افرادی را که بدون دانش فیزیک با SRT آشنا شده اند را گیج می کند.
دو هواپیما وجود دارد، یکی از آنها مستقیم پرواز می کند، و دومی بلند می شود و با توصیف یک کمان با سرعت نزدیک به سرعت نور، به هواپیمای اول می رسد. به طور قابل پیش بینی، معلوم می شود که زمان برای دستگاه دوم (که با سرعت نزدیک به نور پرواز می کرد) کندتر از دستگاه اول گذشت. با این حال، مطابق با فرض SRT، چارچوب های مرجع برای هر دو هواپیما برابر است. این بدان معنی است که زمان می تواند برای یک دستگاه و دستگاه دیگر کندتر بگذرد. به نظر می رسد که این یک بن بست است. اما…
حل پارادوکس
در واقع، منشأ این نوع پارادوکس ها، درک نادرست مکانیسم نظریه است. این تناقض را می توان با استفاده از یک آزمایش گمانه زنی معروف حل کرد.
ما یک سوله داریم که دو در آن یک گذرگاه و یک تیرک کمی بلندتر از طول سوله است. اگر تیرک را از در به در بکشیم، نمی توانند ببندند یا به سادگی میله ما را می شکنند. اگر قطب، پرواز به انبار،سرعتی نزدیک به سرعت نور خواهد داشت، طول آن کاهش می یابد (به یاد داشته باشید: جسمی که با سرعت نور حرکت می کند طولی برابر با صفر خواهد داشت) و در لحظه ای که در داخل انبار است، می توانیم آن را ببندیم و باز کنیم. درها بدون شکستن وسایل ما.
از سوی دیگر، مانند مثال با هواپیما، این انبار است که باید نسبت به قطب کاهش یابد. پارادوکس تکرار می شود و به نظر می رسد هیچ راهی وجود ندارد - طول هر دو شی به طور همزمان کاهش می یابد. با این حال، به یاد داشته باشید که همه چیز نسبی است و مشکل را با تغییر زمان حل کنید.
نسبیت همزمانی
وقتی لبه جلوی تیرک داخل است، جلوی درب جلو، می‌توانیم آن را ببندیم و باز کنیم و در لحظه‌ای که میل کاملاً به داخل سوله پرواز کرد، همین کار را با پشت آن انجام می‌دهیم. در، درب. به نظر می رسد که ما همزمان این کار را انجام نمی دهیم و آزمایش شکست خورد، اما نکته اصلی در اینجا معلوم می شود: مطابق با نظریه نسبیت خاص، لحظات بسته شدن هر دو در در یک نقطه در یک نقطه قرار دارند. محور زمان.
این اتفاق می افتد زیرا رویدادهایی که به طور همزمان در یک چارچوب مرجع رخ می دهند در دیگری همزمان نیستند. اتساع زمان نسبیتی در رابطه اشیاء آشکار می شود، و ما به تعمیم مطلقاً روزمره نظریه انیشتین باز می گردیم: همه چیز نسبی است.
یک جزئیات دیگر وجود دارد: برابری سیستم های مرجع در SRT مربوط می شود، زمانی که هر دو جسم به طور یکنواخت و مستقیم حرکت می کنند. به محض اینکه یکی از اجسام شروع به شتاب یا کاهش سرعت کند، چارچوب مرجع آن منحصر به فرد می شودممکن است.
پارادوکس دوقلو
مشهورترین پارادوکسی که اتساع زمان نسبیتی را "به روشی ساده" توضیح می دهد، یک آزمایش فکری با دو برادر دوقلو است. یکی از آنها در یک سفینه فضایی با سرعتی نزدیک به سرعت نور پرواز می کند و دیگری روی زمین می ماند. برادر فضانورد پس از بازگشت متوجه می شود که خودش 10 سال پیر شده است و برادرش که در خانه مانده بود به 20 سالگی رسیده است.
تصویر کلی باید قبلاً از توضیحات قبلی برای خواننده روشن باشد: برای برادری که در سفینه فضایی است، زمان کند می شود زیرا سرعت او نزدیک به سرعت نور است. ما نمی توانیم چارچوب مرجع را نسبت به برادر روی زمین بپذیریم، زیرا معلوم می شود که غیر اینرسی است (فقط یک برادر بارهای اضافه را تجربه می کند).
می خواهم به نکته دیگری توجه کنم: مهم نیست که مخالفان در اختلاف به چه درجه ای می رسند، این واقعیت باقی است: زمان در قدر مطلق خود ثابت می ماند. مهم نیست که یک برادر چند سال با یک سفینه فضایی پرواز می کند، دقیقاً با همان سرعتی که زمان در چارچوب مرجع او می گذرد به پیری ادامه می دهد و برادر دوم دقیقاً با همان سرعت پیر می شود - تفاوت تنها زمانی آشکار می شود که آنها ملاقات می کنند، و نه در هیچ مورد دیگری.
اتساع زمان جاذبه
در نتیجه، باید توجه داشت که نوع دومی از اتساع زمانی وجود دارد که قبلاً با نظریه نسبیت عام مرتبط است.
حتی در قرن هجدهم، میچل وجود رنگ قرمز را پیش بینی کرد.جابجایی، به این معنی که وقتی یک جسم بین مناطقی با گرانش قوی و ضعیف حرکت می کند، زمان آن تغییر می کند. علی‌رغم تلاش‌هایی که لاپلاس و زولدنر برای مطالعه این موضوع انجام دادند، تنها انیشتین در سال 1911 کار کاملی را در مورد این موضوع ارائه کرد.
این اثر کمتر از اتساع زمان نسبیتی جالب نیست، اما به مطالعه جداگانه ای نیاز دارد. و این، همانطور که می گویند، داستان کاملاً متفاوتی است.
