دید کلی

اگر ناظرهای متفاوت پدیده واحدی را بنگرند، دریافتهای آنان را نمی‌توان به نحو صحیحی مقایسه کرد، مگر اینکه نتایج هر ناظر به معیارهای مورد استفاده ناظرهای دیگر تبدیل ‌شود. موضوع مثل ترجمه از زبانی به زبان دیگر است که در صورتی می‌توان مفاهیم دقیق زبانی را منتقل کرد که تعاریف فرهنگ لغت ، مورد قبول افراد بیگانه باشد.

به عنوان مثال ، همه مردم جهان قبول دارند که یک کیلومتر برابر 8.5 مایل است. ریاضیدانان این موضوع را تبدیل از یک دستگاه به دستگاه دیگر می‌نامند و به کمک مجموعه‌ای از معادلات تبدیل ، این کار را انجام می‌دهند. مکانیک کلاسیک (قبل از سال 1900) ، با چنین معادلات تبدیلی ، به آنچه می‌توان نسبیت نیوتنی گفت، مدتها روی خوش نشان داد.

یک مثال ساده

فرض کنید خط آهنی از جلگه‌های بزرگ عبور ‌کند و هیچ‌گونه پیچ و خم یا تپه‌ای که بر سرعت ثابت آن تاثیر بگذارد، وجود نداشته باشد، اما خرابکاران ، خط آهن را توسط دو بمب و در زمانها و مکانهای متفاوتی منفجر کرده باشند. این انفجارها توسط دو شخص متفاوت که یکی از آن دو رئیس ایستگاه و دیگری مسافر داخل قطار است، مشاهده می‌شود. ساعتهای این دو همزمان است و به محض این که قطار به سرعت از ایستگاه خارج می‌شود و به سرعت ثابت می‌رسد، هر یک از آن دو نفر می‌بیند که ساعت دقیقا برابر 12 است. هر یک از دو ناظر هم وسیله‌هایی دارد که می‌تواند فاصله را اندازه‌گیری کند.

وقتی‌ که بمبها منفجر می‌شوند، رئیس ایستگاه دو علامت x₁ و x₂ را به‌عنوان معرف فواصل دو انفجار از محل ایستگاه و T₁ و T₂ را به‌عنوان زمان انفجارها یادداشت می‌کند. فردی که در قطار واقع است و به‌سرعت ، به طرف محل انفجار پیش می‌رود، علامتهای x₁ و x₂ را برای فاصله و T₁ و T₂ را برای زمان مربوط به خود می‌نویسد.

ناورداهای مکانیک کلاسیک

در مکانیک کلاسیک ، زمان و فاصله دو مطلق مجزا و برای همه ناظرها تغییرناپذیر و یکسان هستند. بنابراین در مثال فوق ، اگر رئیس ایستگاه به این نتیجه برسد که فاصله بین دو انفجار ده مایل است، ناظر واقع در قطار نیز باید به همین نتیجه برسد. اگر ناظر سوار بر قطار ، زمان بین دو انفجار را 35 دقیقه محاسبه کند، ناظر واقع در ایستگاه هم باید با این عدد موافق باشد.

علاوه بر این ، در چنین چارچوب مقایسه‌ای ، فواصل زمانی و مکانی بین رویدادها باید برای همه ناظرها و بدون ارتباط به سرعت آنها نسبت به یکدیگر یکسان باشد (سرعت نسبی). این موضوع به معادله تبدیل ساده‌ای منجر می‌شود که بوسیله آن می‌توان هر رویداد مربوط به هر دستگاه متحرک را به عنوان اشتقاق از هر دستگاه ثابت توضیح داد. این معادله تبدیل به عنوان تبدیلات گالیله معروف است.

اصل ناوردایی

اما علم خواسته دیگری را تحمیل می‌کند و آن اصل ناوردایی است. مطابق این اصل ، تبدیل از یک دستگاه به دستگاه دیگر ، نباید فقط بخاطر سهولت محاسبه به سرسری گرفتن قانون طبیعت منجر شود. این نوع تبدیل ریاضی علی‌الاصول به سه قانون حرکت نیوتونی و اصول پایستگی انرژی بیش از حد نزدیک نیست و تا اواسط قرن نوزدهم کسی به آن اعتراض نداشت. در آن هنگام ماکسول ، بعد از کارهای تجربی مایکل فاراده ، فیزیکدان بریتانیایی ، درباره الکترومغناطیس ، معادلات خود را ارائه کرد.

بنابر معادلات ماکسول انتشار هر نوع تابش (از جمله نور) به شکل موج صورت می‌گیرد. وی نشان داد که سرعت نور ثابت و از حرکت منبع نور و حرکت ناظر مستقل است. اما اگر کسی بخواهد با استفاده از معادله تبدیل ، مثال مربوط به خرابکاری سرعت نور را محاسبه کند، معلوم خواهد شد که سرعت محاسبه شده توسط مسافر ، تا حدودی از سرعت بدست آمده توسط ناظر ثابت ، کمتر است. این موضوع با تجارب عادی زندگی هم سازگار است و در مورد کلیه اشیای متحرک به نحو آشکاری صدق می‌کند و همانطور که فیزیکدانان قرن نوزدهم مدعی بودند، هرچه که ماکسول بر خلاف آن گفته ، باید غلط باشد.

تایید نظریه ماکسول

در سال 1988 آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلی ، فیزیکدانان آمریکایی ، آزمایشی برای تعیین اختلاف سرعت نور در جهت‌های متفاوت طرح کردند (آزمایش مایکلسون_مورلی). اگر سرعت نور برای یک ناظر متحرک فرق می‌کرد، باید آنها می‌توانستند آن را با اندازه‌گیری سرعت نور نشان دهند و نتیجه را با مقدار بدست آمده در نظریه ماکسول ، که برای تعیین سرعت زمین در فضا بکار می‌رود، مقایسه کنند، اما نتایج آزمایش نظریه ماکسول را تایید کرد.

رهایی از تناقض

این تناقض فیزیک کلاسیک تا سال 1905 همچنان برقرار بود تا اینکه انیشتین با ارائه نظریه نسبیت خاص به این تناقض خاتمه داد و تحولی عظیم در فیزیک بوجود آورد. انیشتین کار خود را با دو فرض اساسی آغاز کرد. فرض اول اینکه تمام قوانین طبیعت باید مستقل از حرکت نسبی ناظرهایی که با سرعت یکنواخت حرکت می‌کنند، بدون تغییر باقی بمانند. دوم اینکه سرعت نور ، مستقل از حرکت نسبی ناظرها و مقداری ثابت است.

مباحث مرتبط با عنوان

• آزمایش مایکلسون_مورلی
• اصل ثبات سرعت نور
• اصل ناوردایی
• تبدیلات گالیله
• تبدیلات لورنتس
• حرکت نسبی
• دستگاه مختصات
• سرعت نسبی
• سرعت نور
• فیزیک کلاسیک
• معادلات ماکسول
• مکانیک کلاسیک
• نظریه ماکسول
• نسبیت
• نسبیت خاص
• نسبیت عام

• نسبیت کلاسیک

اگر ناظرهای متفاوت پدیده واحدی را بنگرند، دریافتهای آنان را نمی توان به نحو صحیحی مقایسه کرد، مگر اینکه نتایج هر ناظر به معیارهای مورد استفاده ناظرهای دیگر تبدیل می شود. موضوع مثل ترجمه از زبانی به زبان دیگر است که در صورتی می توان مفاهیم دقیق زبانی را منتقل کرد که تعاریف فرهنگ لغت ، مورد قبول افراد بیگانه باشد. بعنوان مثال همه مردم جهان قبول دارند که یک کیلومتر برابر 5/8 مایل است. ریاضیدانان این موضوع را تبدیل از یک دستگاه به دستگاه دیگر می نامند و به کمک مجموعه ای از معادلات تبدیل این کار را انجام میدهند.
مکانیک کلاسیک (قبل از سال 1900) ، با چنین معادلات تبدیلی ، به آنچه می توان نسبیت نیوتنی گفت، مدتها روی خوش نشان داد.

یک مثال ساده

فرض کنید خط آهن از جلگه‌های بزرگ عبور می کند و هیچ گونه پیچ و خم یا تپه ای که بر سرعت ثابت آن تاثیر بگذارد وجود نداشته باشد. اما خرابکاران ، خط آهن را توسط دو بمب و در زمانها و مکانهای متفاوتی منفجر کرده باشند. این انفجارها توسط دو شخص متفاوت که یکی از آن دو رییس ایستگاه و دیگری مسافر داخل قطار است مشاهده می شود. ساعتهای این دو همزمان است و به محض این که قطار به سرعت از ایستگاه خارج می شود و به سرعت ثابت می رسد، هریک از آن دو نفر می بیند که ساعت دقیقا برابر 12 است. هر یک از دو ناظر هم وسیله‌هایی دارد که می تواند فاصله را اندازه‌گیری کند.
وقتیکه بمبها منفجر می شوند، رییس ایستگاه در علامت X₁ و X₂ را به عنوان معرف فواصل دو انفجار از محل ایستگاه و T₁ و T₂ را به عنوان زمان انفجارها یادداشت می کند. بردی که در قطار واقع است و به سرعت به طرف محل انفجار پیش می رود، علامتهای X₁ و X₂ را برای فاصله و T₁ و T₂ را برای زمان مربوط به خود می نویسد.

ناورداهای مکانیک کلاسیک

در مکانیک کلاسیک ، زمان و فاصله دو مطلق مجزا ، و برای همه ناظرها تغییرناپذیر و یکسان هستند. بنابراین در مثال فوق ، اگر رییس ایستگاه به این نتیجه برسد که فاصله بین دو انفجار ده مایل است. ناظر واقع در قطار نیز باید به همین نتیجه برسد. اگر ناظر سوار بر قطار ، زمان بین دو انفجار را 35 دقیقه محاسبه کند، ناظر واقع در ایستگاه هم باید با این عدد موافق باشد.

علاوه بر این ، در چنین چارچوب مقایسه ای ، فواصل زمانی و مکانی بین رویدادها باید برای همه ناظرها ، و بدون ارتباط به سرعت آنها نسبت به یکدیگر یکسان باشد. این موضوع به معادله تبدیل ساده ای منجر می شود که به وسیله آن می توان هر رویداد مربوط به هر دستگاه متحرک را به عنوان اشتقاق از هر دستگاه ثابت توضیح داد. این معادله تبدیل به عنوان تبدیل گالیله معروف است.

اصل ناوردایی

اما علم خواسته دیگری را تحمیل می کند و آن اصل ناوردایی است. مطابق این اصل ، تبدیل از یک دستگاه به دستگاه دیگر ، نباید فقط بخاطر سهولت محاسبه به سرسری گرفتن طبیعت بینجامد. این نوع تبدیل ریاضی علی الاصول به سه قانون حرکت نیوتونی و اصول پایستگی انرژی بیش از حد نزدیک نیست و تا اواسط قرن نوزدهم کسی به آن اعتراض نداشت.

در آن هنگام ماکسول ، بعد از کارهای تجربی مایکل فاراده ، فیزیکدان بریتانیایی ، درباره الکترومغناطیس معادلات خود را ارایه کرد. بنابر معادلات ماکسول انتشار هر نوع تابش (ازجمله نور) به شکل موج صورت می گیرد. وی نشان داد که سرعت نور ثابت و از حرکت منبع نور و حرکت ناظر مستقل است.

اما اگر کسی بخواهد با استفاده از معادله تبدیل مثال مربوط به خرابکاری سرعت نور را محاسبه کند. معلوم خواهد شد که سرعت محاسبه شده توسط مسافر تا حدودی از سرعت بدست آمده توسط ناظر ثابت کمتر است. این موضوع با تجارب عادی زندگی هم سازگار است، و در مورد کلیه اشیای متحرک به نحو آشکاری صدق می کند، و آن طور که فیزیکدانان قرن نوزدهم مدعی بودند، هرچه که ماکسول بر خلاف آن گفته باید غلط باشد.

تایید نظریه ماکسول

در سال 1988 آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلی ، فیزیکدانان آمریکایی ، آزمایشی برای تعیین اختلاف سرعت نور در جهتهای متفاوت سرح کردند. اگر سرعت نور برای یک ناظر متحرک فرق می کرد، باید آنها می توانستند آن را با اندازه گیری سرعت نور نشان دهند و نتیجه را با مقدار بدست آمد و در نظریه ماکسول ، که برای تعیین سرعت زمین در فضا به کار می رود، مقایسه کنند. اما نتایج آزمایش نظریه ماکسول را تایید کرد.

رهایی از تناقض

این تناقض فیزیک کلاسیک تا سال 1905 همچنان برقرار بود تا اینکه با ارایه نظریه نسبیت خاص به این تناقض خاتمه داد. و تحولی عظیم در فیزیک بوجود آورد. اینشتین کار خود را با دو فرض اساسی آغاز کرد. فرض اول اینکه تمام قوانین طبیعت باید مستقل از حرکت نسبی ناظرهایی که با سرعت یکنواخت حرکت می کنند، بدون تغییر باقی بمانند. دوم اینکه سرعت نور مستقل از حرکت نسبی ناظرها مقداری ثابت است.

مباحث مرتبط با عنوان