نسبیت (Relativity)
نگاه اجمالی
- نسبیت یکی از شاخه‌های مهم فیزیک است که جنبه‌های نظری و عملی آن از قرن گذشته توجه فیزیکدانان را به خود جلب کرده است. نظریه‌هایی مانند مکانیک و الکترومغناطیس که قبل از نظریه نسبیت ظهور یافتند و یا نظریه‌هایی مانند مکانیک کوانتومی و نظریه ریسمان که بعد از نسبیت پدید آمدند در فرمول بندی‌های مناسب با نسبیت سازگاری پیدا کرده‌اند. ضرورت این سازگاری به دلیل شمول فراگیر نظریه نسبیت پیش آمده است و خوشبختانه تا این زمان بین نظریه‌های دیگر تضاد یا سازگاری مشاهده نشده است.
- نظریه نسبیت از نقش چارچوبهای مرجع که در توصیف قوانین طبیعت بکار می‌روند، نهایت استفاده را می‌کند. استفاده از هندسه مختصاتی ، برای بیان موثر قوانین معلوم ، و نیز استنتاج قوانین فیزیکی جدید تعمیم داده می‌شود. هدف نسبیت این است که برای بیان قوانین فیزیک روشهایی بدست آورد به طوری که قوانین مزبور توسط مختصات چارچوب مرجعی که در آن نوشته می‌شوند تغییر نیافته یا متمایز نشوند. اصلی که فرض می‌کند چنین روشهای بیان لازم بوده و می‌توانند بدست آیند، اصل ناورلایی است.
تاریخچه
در اواخر قرن نوزدهم ، بعد از اینکه نظریه
الکترومغناطیس کلاسیک به صورت کنونی‌اش توسعه یافت، نیاز به یک نظریه نسبیت رضایتبخش در
فیزیک احساس شد. در آن زمان آشکار شد که مشاهدات تجربی
انتشار نور در ارتباط با اثرهای حرکت ناظر نسبت به محیطی که فرض می‌شد نور در آن حرکت کند، تناقص‌هایی با عقاید رایج آن زمان دارد. برای داشتن توصیفی از
حرکت نور که با تجربه سازگار باشد، لازم شد
قانون تبدیل پیشنهادی لورنتس که مختصات
چارچوبهای دارای
حرکت نسبی یکنواخت را به هم مربوط می‌سازد، پذیرفته شود.
مکانیک کلاسیک نیوتن تا زمانی که توصیف درست و ذاتا سازگاری از حرکت ذرات مادی در طبیعت را می‌داد که دامنه کاربردش محدود به ذرات مادی و چارچوبهای مرجعی بود که سرعتهای نسبی آنها کسر کوچکی از
سرعت نور بود. اما در
سرعتهای نزدیک به سرعت نور با شکست مواجه شد. موفقیت بزرگ مکانیک کلاسیک نیوتنی در پیشگویی دقیق رویدادهای زمینی و
حرکتهای کیهانی ، موضعی برای تردید در اعتبار مکانیک کلاسیک باقی نگذاشت، به گونه‌ای که درست بعد از زمانی که
تبدیلات لورنتس برای توصیف صحیح انتشار نور از نظر ناظر در حال حرکت پذیرفته شد، دقت و نوع تقریبی که در
قوانین نیوتن وجود داشت صرفا به عنوان نتیجه‌ای از کشف تبدیلات لورنتس بدست آمد.
با توجه به رابطه‌ای که انتخاب چارچوب مختصات با شکل قوانین فیزیکی دارد،
خواص دستگاههای مختصات و تبدیلاتشان جایگاه مهمی در مطالعه نسبیت دارد. در جهان فیزیکی موقعیت فضایی توسط سه
مختصه مکان ، مانند (X ، Y ، Z ) (در
دستگاه مختصات دکارتی) مشخص می‌شود، ولی با بسط
نظریه نسبیت معلوم شد که پارامتر زمان نیز بطور طبیعی با اهمیت مشابهی به صورت مختصه پنجم ، در فضای رویداد چهاربعدی ظاهر می‌شود. در این فضای چهاربعدی مختصه عمومی با
شاخص یونانی نوشته می‌شود.
شاخه‌های مختلف نسبیت
نظریه نسبیت در سیر تاریخی خود ، در دو زیر گروه اصلی موسوم به
نسبیت خاص و
عام توسعه یافته است. این ، نظریه‌های مجزا نبوده ، هر دو بخشهایی از یک نظریه واحد می‌باشند. در واقع نسبیت خاص مورد خاص از نسبیت عام است.
این نظریه با چارچوبهای مرجع لخت سروکار دارد و بر دو اصل زیر استوار است:
- کلیه قوانین فیزیکی در تمام چارچوبهای مرجع لخت یکسان هستند و هیچ چارچوب مرجع اولویت وجود ندارد.
- سرعت نور در کلیه چارچوبهای مرجع یکسان است.
این نظریه با چارچوبهای نالخت سروکار دارد و در
کیهان شناسی و
گرانش کاربرد دارد.
فرض اساسی نسبیت عام این است که تمام
دستگاههای مختصات که در حالت‌های حرکت اختیاری هستند، برای بیان ریاضی
قوانین فیزیک باید به یک اندازه مناسب باشند. بنابراین ، باید برای نوشتن قوانین فیزیک روشهایی یافت، بطوری که تحت هر تبدیل مختصات دلخواه ، تغییری در شکل آنها حاصل نشود.
نقش تساوی
جرم گرانشی و
جرم لختی در پیشرفت نسبیت مساوی بودن جرم گرانشی و جرم لختی نقش اساسی در پیشرفت تاریخی نسبیت عام داشت. منشا تساوی مزبور در این نکته است که
قانون دوم نیوتن f=ma برای
شتابهای گرانشی در میدان گرانشی با شدت g، به صورت m
Gg=m
Aa در می‌آید. چون مشاهده می‌شد که در یک میدن گرانشی هر اشیاء به یک میزان شتاب می‌گیرند، یعنی g=a
انیشتین به تحقیق دریافت که گرانش اساسا یک پدیده سینماتیکی است که شامل تغییر در
مختصات فضا و زمان در همسایگی منبع
میدان گرانشی است.
