نظریه نسبیت

ایدهٔ اصلی این نظریه آن است که زمان و فضا به هم مرتبط هستند و جدا و ثابت نمی‌باشند.
نسبیت خاص در مورد تمام پدیده‌های فیزیکی در غیاب گرانش صدق می‌کند. نسبیت عام قانون گرانش و رابطه آن با دیگر نیروهای طبیعت را توضیح می‌دهد. این نظریه در قلمرو کیهان‌شناسی و اخترفیزیک، از جمله اخترشناسی کاربرد دارد.

این نظریه در طول قرن بیستم فیزیک نظری و اخترشناسی را دگرگون کرد و جایگزین نظریه مکانیک ۲۰۰ ساله‌ای شد که عمدتاً توسط ایزاک نیوتن ایجاد شده بود. این نظریه مفاهیمی را معرفی کرد که شامل فضا-زمان ۴-بعدی به عنوان یک موجودیت واحد از فضا و زمان، نسبیت هم‌زمانی، اتساع زمان سینماتیکی و گرانشی، و انقباض طول می‌شود. در زمینه فیزیک، نسبیت علم ذرات بنیادی و برهم‌کنش‌های بنیادی آن‌ها را بهبود بخشید و همچنین آغازگر عصر هسته‌ای بود. با نسبیت، کیهان‌شناسی و اخترفیزیک پدیده‌های نجومی خارق‌العاده‌ای مانند ستاره‌های نوترونی، سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی را پیش‌بینی کردند.

 توسعه و پذیرش 

بندانگشتی|شبیه‌سازی ادغام GW150914، که اعوجاج فضا-زمان ناشی از گرانش را هم‌زمان با چرخش و ادغام سیاه‌چاله‌ها نشان می‌دهدآلبرت اینشتین نظریه نسبیت خاص را در سال ۱۹۰۵ منتشر کرد، که بر پایه بسیاری از نتایج نظری و یافته‌های تجربی به‌دست‌آمده توسط آلبرت مایکلسون، هندریک لورنتز، آنری پوانکاره و دیگران بنا شده بود. ماکس پلانک، هرمان مینکوفسکی و دیگران کارهای بعدی را انجام دادند.

اینشتین نسبیت عام را بین سال‌های ۱۹۰۷ تا ۱۹۱۵ توسعه داد و پس از سال ۱۹۱۵ بسیاری دیگر در آن مشارکت کردند. شکل نهایی نسبیت عام در سال ۱۹۱۶ منتشر شد.

اصطلاح «نظریه نسبیت» بر اساس عبارت «نظریه نسبی» () بود که در سال ۱۹۰۶ توسط پلانک استفاده شد، کسی که تأکید داشت این نظریه چگونه از اصل نسبیت استفاده می‌کند. در بخش بحث همان مقاله، آلفرد بوخرر برای اولین بار از عبارت «نظریه نسبیت» () استفاده کرد.

تا دهه ۱۹۲۰، جامعه فیزیک نسبیت خاص را درک و پذیرفته بود. این نظریه به‌سرعت به ابزاری مهم و ضروری برای نظریه‌پردازان و آزمایشگران در زمینه‌های جدید فیزیک اتمی، فیزیک هسته‌ای و مکانیک کوانتومی تبدیل شد.

در مقایسه، نسبیت عام فراتر از ایجاد اصلاحات جزئی در پیش‌بینی‌های نظریه گرانش نیوتنی، چندان مفید به نظر نمی‌رسید. به نظر می‌رسید پتانسیل کمی برای آزمون تجربی دارد، زیرا اکثر ادعاهای آن در مقیاس نجومی بودند. ریاضیات آن دشوار به نظر می‌رسید و تنها توسط تعداد کمی از افراد کاملاً قابل درک بود. در حدود سال ۱۹۶۰، نسبیت عام به موضوعی مرکزی در فیزیک و اخترشناسی تبدیل شد. تکنیک‌های ریاضی جدید برای اعمال بر نسبیت عام، محاسبات را ساده کرد و مفاهیم آن را قابل‌تصورتر ساخت. با کشف پدیدههای نجومی، مانند اختروشها (۱۹۶۳)، تابش زمینه کیهانی ۳ کلوین (۱۹۶۵)، تپ‌اخترها (۱۹۶۷) و نخستین نامزدهای سیاه‌چاله (۱۹۸۱)، این نظریه ویژگی‌های آن‌ها را توضیح داد و اندازه‌گیری آن‌ها این نظریه را بیشتر تأیید کرد.

 نسبیت خاص 

نسبیت خاص، نگره‌ای دربارهٔ ساختار فضازمان است. این نگره را اینشتین، ۱۹۰۵، در مقالهٔ «دربارهٔ الکترودینامیک اجسام در حرکت» پیش نهاد. این نگره بر پایه دو فرض است که در تناقض با مکانیک کلاسیک هستند:
 قوانین فیزیک در دستگاه ناظر کلی (نظارت کیهانی) برای همهٔ اجسام، یک‌سان است. (اصل نسبیت).
 سرعت نور در فضای آزاد، برای همه ناظران، صرف‌نظر از حرکت نسبی‌شان یا حرکت منبع نور، ثابت است.
چنین نگره‌ای هم‌خوانی بیشتری با آزمایش‌ها نشان می‌دهد. برای نمونه، آزمایش مایکلسون-مورلی نه تنها فرض دوم را تأیید می‌کرد، بلکه نتایج جالب دیگری را نیز به‌همراه داشت:
 نسبیت هم‌زمانی: دو رویداد که برای یک ناظر هم‌زمان هستند، ممکن است برای ناظر دیگری که نسبت به ناظر نخست در حرکت است، هم‌زمان نباشند.
 کش‌آمدن زمان: برای ناظر در حرکت، نسبت به ناظر ساکن، گذر زمان آرام‌تر است.
 کوتاه‌شدن طول: از دید ناظر ایستا، طول یک جسم متحرک در راستای حرکت، کوتاه می‌شود.
 هم‌ارزی جرم و انرژی:  جرم و انرژی، هم‌ارز هستند و به‌هم تبدیل می‌شوند.
 سرعت نور، بیشترین سرعت ممکن است: هیچ جسمی یا موجی نمی‌تواند در فضای آزاد با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند.
 جاذبه در فضا با سرعت نور حرکت می‌کند، نه سریع‌تر، نه آرام‌تر.

نسبیت خاص، در جابه‌جایی ترادیسی‌های گالیله در مکانیک کلاسیک، با تبدیلات لورنتس تعریف می‌شود.

بی‌تردید، مفهوم نسبیت زمان از همهٔ موضوعات دیگری که اینشتین عرضه کرده است برای فهم دشوارتر و با معتقدات سابق ناسازگارتر است. اینشتین اعلام داشت که وقایعی که در نقاط مختلف در نظر ناظری در یک لحظه روی می‌دهند در چشم ناظر دیگری که نسبت به ناظر اولی در حرکت باشد در همان لحظه وقوع نمی‌یابند؛ مثلاً، اگر در نظر کسی که روی زمین است دو واقعه در یک لحظه و باهم صورت پذیرند، این دو واقعه برای ناظری که در قطار یا هواپیما در حال حرکت است باهم روی نمی‌دهند. زمان مطلق نیست و با سرعت و موقعیت ناظر بستگی و نسبت دارد. اگر این تئوری را دربارهٔ جهان بیان کنیم، باید بگوییم واقعه‌ای که در ستاره‌ای رخ می‌دهد (مثلاً انفجاری که در آن واقع می‌شود) در همان لحظه که به چشم ناظر زمینی می‌رسد وقوع نمی‌یابد، بلکه از آنجا که نور با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه طی‌طریق می‌کند، ممکن است خبر واقعهٔ ستاره‌ای سال‌ها پس از وقوع به چشم زمینیان برسد و ستاره‌ای را که امروز به وضعی می‌بینیم مدتی پیش به این وضع بوده و شاید امروز معدوم شده باشد. اگر تصور این امر ممکن بود که شخصی سرعتی بالاتر از آنِ نور احراز کند، به‌موجب نظریهٔ نسبیت زمان برای او به عقب برمی‌گشت و تولد او در آینده صورت می‌پذیرفت.

 نسبیت عام 

نسبیت عام، نظریه‌ای هندسی برای گرانش است که آلبرت اینشتین (و دیگران)، ۱۹۰۷ و ۱۹۱۵، مطرح کرده، توسعه دادند. اینشتین، شکل نهایی نسبیت عام را ۱۹۱۶ منتشر کرد که تصویر فیزیک جدید از گرانش را تشکیل می‌دهد. نسبیت عام، نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتن را تعمیم می‌دهد و توصیفی یکتا از گرانش، به عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان (فضازمان) به‌دست می‌دهد. به‌ویژه در این نظریه، انحنای فضای زمان، مستقیم به انرژی و تکانه ماده و تابش مربوط است. این رابطه با معادلات میدان اینشتین توصیف می‌شود که یک دستگاه معادلات مشتقات پاره‌ای است.

برخی از پیش‌بینی‌های نسبیت عام، به‌ویژه دربارهٔ گذشت زمان، هندسهٔ فضا، حرکت جسم در سقوط آزاد و انتشار نور، با پیش‌بینی‌های فیزیک کلاسیک تفاوت اساسی دارند. برای نمونه، می‌توان به کش‌آمدن گرانشی زمان، هم‌گرایی گرانشی، انتقال‌به‌سرخ گرانشی نور و تاخیر گرانشی اشاره کرد. پیش‌بینی‌های نسبیت عام تابه‌امروز در همه آزمون‌ها تأیید شده‌اند. هرچند نسبیت عام تنها نظریه نسبیتی نور نیست، ساده‌ترین نظریه‌ای است که با آزمایش‌ها مطابقت دارد؛ گرچه پرسش‌هایی بی‌پاسخ مانده‌اند، که بنیادی‌ترین آن‌ها، چگونگی آشتی‌دادن نسبیت عام با فیزیک کوانتومی در راستای یک نظریه خودسازگار و کامل از گرانش کوانتومی است.

نسبیت عام، نتایج اخترفیزیکی مهمی در پی دارد. برای نمونه، سیاه‌چاله‌ها را تأیید می‌کند (جاهایی در فضا که فضا و زمان طوری ناهم‌وار شده‌اند که هیچ چیز، حتی نور نمی‌تواند از آن بگریزد)، چیزی که در پایان عمر ستاره‌های پرجرم پیش می‌آید. شواهد فراوانی نشان می‌دهند که تابش‌های شدید از برخی اجسام نجومی، از سیاه‌چاله‌هاست. برای نمونه، ریزاختروش‌ها یا هسته کهکشانی فعال، نتیجه سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار و سیاه‌چاله‌هایی با جرم‌های بسیار بسیار بیشتر هستند. خم‌شدن نور از سوی گرانش می‌تواند به هم‌گرایی گرانشی، و به دیده شدن چند تصویر از یک شئ نجومیِ دور در آسمان بینجامد. نسبیت عام، همچنین امواج گرانشی را پیش‌بینی می‌کند. مشاهده و اندازه‌گیری مستقیم آن‌ها هدف پروژه‌هایی نظیر لیگو، آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری ناسا/اِسا و آرایه‌های زمان‌سنجی تپ‌اختر است.

در ۱۱ فوریه ۲۰۱۶، پژوهشگران در LIGO، برای نخستین‌بار امواج گرانشی را مشاهده کردند. هم‌چنین، نسبیت عام اساس مدل‌های کنونی کیهان‌شناختی از یک جهان در حال انبساط است.

 شواهد تجربی 
اینشتین توضیح داد که نظریه نسبیت در دسته‌ای از چارچوب‌های علمی قرار می‌گیرد که به عنوان «نظریه‌های اصولی» شناخته می‌شوند؛ نظریه‌هایی که نه از سازه‌های حدسی یا مکانیزم‌های خیالی، بلکه از حقایق تجربی تثبیت‌شده و نظم‌های مشاهده‌شده در طبیعت آغاز می‌شوند. برخلاف نظریه‌های سازنده که تلاش می‌کنند مدل‌هایی از پدیده‌ها را بر اساس فرایندهای زیربنایی فرضی بسازند، نظریه‌های اصولی مانند نسبیت، رویکردی تحلیلی را اتخاذ می‌کنند: آن‌ها با اصول تأییدشده تجربی آغاز کرده و به‌صورت قیاسی کار می‌کنند تا پیامدهای منطقی و محدودیت‌هایی را که هر فرایند فیزیکی باید از آن‌ها پیروی کند، آشکار سازند. با مشاهده فرایندهای طبیعی، ما ویژگی‌های عمومی آن‌ها را درک می‌کنیم، مدل‌های ریاضی برای توصیف آنچه مشاهده کرده‌ایم ابداع می‌کنیم و با ابزارهای تحلیلی، شرایط لازمی را که باید برآورده شوند استنتاج می‌کنیم. اندازه‌گیری رویدادهای جداگانه باید این شرایط را برآورده کند و با نتایج نظریه مطابقت داشته باشد.

 آزمون‌های نسبیت خاص 
بندانگشتی|نموداری از آزمایش مایکلسون-مورلی
نسبیت یک نظریه ابطال‌پذیر است: پیش‌بینی‌هایی انجام می‌دهد که می‌توانند با آزمایش سنجیده شوند. در مورد نسبیت خاص، این موارد شامل اصل نسبیت، ثبات سرعت نور و اتساع زمان است. پیش‌بینی‌های نسبیت خاص در آزمایش‌های متعددی از زمان انتشار مقاله اینشتین در سال ۱۹۰۵ تأیید شده‌اند، اما سه آزمایش که بین سال‌های ۱۸۸۱ تا ۱۹۳۸ انجام شدند، برای تأیید آن حیاتی بودند. این آزمایش‌ها عبارتند از آزمایش مایکلسون-مورلی، آزمایش کندی-تورندایک و آزمایش ایوز-استیل‌ول. اینشتین تبدیلات لورنتس را در سال ۱۹۰۵ از اصول اولیه استخراج کرد، اما این سه آزمایش اجازه می‌دهند که این تبدیلات از شواهد تجربی استقرا شوند.

معادلات ماکسول — بنیاد الکترومغناطیس کلاسیک — نور را به عنوان موجی توصیف می‌کنند که با سرعتی مشخص حرکت می‌کند. دیدگاه مدرن این است که نور به محیطی برای انتقال نیاز ندارد، اما ماکسول و هم‌عصرانش متقاعد شده بودند که امواج نور در محیطی منتشر می‌شوند، مشابه انتشار صدا در هوا و انتشار امواج روی سطح یک برکه. این محیط فرضی اتر درخشان نامیده می‌شد که نسبت به «ستارگان ثابت» ساکن بود و زمین از میان آن حرکت می‌کرد. فرضیه کشش جزئی اتر فرنل اندازه‌گیری اثرات مرتبه اول ($v/c$) را رد کرد و اگرچه مشاهده اثرات مرتبه دوم ($v^2/c^2$) از نظر اصولی ممکن بود، ماکسول فکر می‌کرد که آن‌ها کوچک‌تر از آن هستند که با فناوری آن زمان قابل تشخیص باشند.

آزمایش مایکلسون-مورلی برای تشخیص اثرات مرتبه دوم «باد اتر» — حرکت اتر نسبت به زمین — طراحی شده بود. مایکلسون ابزاری به نام تداخل‌سنج مایکلسون را برای انجام این کار طراحی کرد. دستگاه به‌اندازه کافی دقیق بود تا اثرات مورد انتظار را تشخیص دهد، اما زمانی که اولین آزمایش در سال ۱۸۸۱ انجام شد، او به یک نتیجه منفی (پوچ) دست یافت، و دوباره در سال ۱۸۸۷ نیز همین نتیجه تکرار شد. اگرچه شکست در تشخیص باد اتر یک ناامیدی بود، اما نتایج توسط جامعه علمی پذیرفته شد. در تلاشی برای نجات پارادایم اتر، فیتزجرالد و لورنتس به‌طور مستقل یک فرضیه اد هاک (موردی) ایجاد کردند که در آن طول اجسام مادی با توجه به حرکت آن‌ها در اتر تغییر می‌کند. این منشأ انقباض فیتزجرالد-لورنتس بود و فرضیه آن‌ها هیچ مبنای نظری نداشت. تفسیر نتیجه منفی آزمایش مایکلسون-مورلی این است که زمان رفت و برگشت نور همسان‌گرد (مستقل از جهت) است، اما این نتیجه به تنهایی برای رد نظریه اتر یا تأیید پیش‌بینی‌های نسبیت خاص کافی نیست.

چپ|بندانگشتی|آزمایش کندی-تورندایک که با نوارهای تداخل نشان داده شده است
در حالی که آزمایش مایکلسون-مورلی نشان داد که سرعت نور همسان‌گرد است، چیزی در مورد چگونگی تغییر بزرگی سرعت (در صورت وجود) در دستگاه‌های لخت مختلف نگفت. آزمایش کندی-تورندایک برای انجام این کار طراحی شد و اولین بار در سال ۱۹۳۲ توسط روی کندی و ادوارد تورندایک انجام شد. آن‌ها به یک نتیجه منفی دست یافتند و نتیجه گرفتند که «هیچ اثری وجود ندارد… مگر اینکه سرعت منظومه شمسی در فضا بیش از حدود نیمی از سرعت زمین در مدارش نباشد». تصور می‌شد که این احتمال بیش از حد تصادفی است که بتواند توضیحی قابل قبول ارائه دهد، بنابراین از نتیجه منفی آزمایش آن‌ها نتیجه‌گیری شد که زمان رفت و برگشت نور در تمام دستگاه‌های مرجع لخت یکسان است.

آزمایش ایوز-استیل‌ول توسط هربرت ایوز و جی.آر. استیل‌ول ابتدا در سال ۱۹۳۸ و با دقت بهتر در سال ۱۹۴۱ انجام شد. این آزمایش برای آزمون اثر دوپلر عرضی — انتقال به سرخ نور از یک منبع متحرک در جهت عمود بر سرعت آن — طراحی شده بود که توسط اینشتین در سال ۱۹۰۵ پیش‌بینی شده بود. استراتژی این بود که تغییرات دوپلر مشاهده‌شده با آنچه توسط نظریه کلاسیک پیش‌بینی شده بود مقایسه شود و به دنبال یک اصلاحیه فاکتور لورنتس باشند. چنین اصلاحیه‌ای مشاهده شد که از آن نتیجه‌گیری شد که فرکانس یک ساعت اتمی متحرک طبق نسبیت خاص تغییر می‌کند.

آن آزمایش‌های کلاسیک بارها با دقت بیشتر تکرار شده‌اند. آزمایش‌های دیگر شامل، برای مثال، افزایش انرژی و تکانه نسبیتی در سرعت‌های بالا، آزمون تجربی اتساع زمان، و جستجوهای مدرن برای نقض لورنتس هستند.

 آزمون‌های نسبیت عام 

نسبیت عام نیز بارها تأیید شده است؛ آزمایش‌های کلاسیک آن شامل حرکت تقدیمی حضیض مدار عطارد، انحراف نور توسط خورشید، و انتقال به سرخ گرانشی نور است. سایر آزمون‌ها اصل هم‌ارزی و کشش چارچوب را تأیید کردند.

 کاربردهای مدرن 
اثرات نسبیتی به‌جای اینکه صرفاً جذابیت نظری داشته باشند، نگرانی‌های مهم مهندسی عملی هستند. اندازه‌گیری مبتنی بر ماهواره باید اثرات نسبیتی را در نظر بگیرد، زیرا هر ماهواره نسبت به یک کاربر روی زمین در حرکت است و بنابراین طبق نظریه نسبیت در چارچوب مرجع متفاوتی قرار دارد. سامانه‌های موقعیت‌یاب جهانی مانند GPS، گلوناس و گالیلئو، برای اینکه با دقت کار کنند، باید تمام اثرات نسبیتی، مانند پیامدهای میدان گرانشی زمین را در نظر بگیرند.Ashby, N. Relativity in the Global Positioning System. Living Rev. Relativ. 6, 1 (2003).  این موضوع در مورد اندازه‌گیری با دقت بالای زمان نیز صادق است. ابزارهایی از میکروسکوپ‌های الکترونی گرفته تا شتاب‌دهنده‌های ذرات، اگر ملاحظات نسبیتی نادیده گرفته شوند، کار نخواهند کرد.

 جستارهای وابسته 
 نسبیت خاص دوگانه
 ناوردایی گالیله‌ای

 منابع 

 برای مطالعه بیشتر 






 The Meaning of Relativity Albert Einstein: Four lectures delivered at Princeton University, مه ۱۹۲۱
 How I created the theory of relativity Albert Einstein, 14 December 1922; Physics Today اوت ۱۹۸۲
 Relativity Sidney Perkowitz Encyclopædia Britannica

 پیوند به بیرون 




رده:آلبرت اینشتین
رده:فیزیک نظری


رده:نظریه‌های آلبرت اینشتین