سریع‌تر از نور، بحثی در باب نظریه‌ی اطلاعات – قسمت چهارم

بیگ بنگ: کار مایکلسون و مورلی، نیمی از مشکل نور را حل کرد که توضیح انتشار نور بدون استفاده از رسانه اتر برای حمل موج بود. اما هنوز گیر دیگری وجود داشت. اینبار نوبت معادلات ماکسول بود. این معادلات در توصیف چگونگی رفتار میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و نور شاید مهم‌ترین دستاورد فیزیک در قرن نوزدهم بود. اما متأسفانه یک نقص اساسی داشت. معادلات ماکسول تنها برای ناظری که در حال سکون است، صادق‌اند و به وضوح در مورد چارچوب‌های مرجع متحرک به کار نمی‌آمدند.  میدان‌های الکتریکی شروع به تبدیل‌شدن به میدان‌های مغناطیسی می‌کردند و زمانی‌که ناظری متحرک، نیروهایی را که روی جسم اثر می‌کردند با هم جمع می‌کرد، اغلب اوقات پاسخ اشتباه به دست می‌آورد.

Albert-Einstein-HD-Wallpaperاین مسئله منطقی به نظر نمی‌رسید. قوانین یکسان طبیعت باید بدون توجه به وضعیت ناظر به کار بروند. ناظری که در حال حرکت با یک قطار است و از معادلات ماکسول استفاده می‌کند تا دریابد ذره‌ای چگونه رفتار می‌کند، باید همان جوابی را به دست آورد که وقتی حرکت نمی‌کند.  این ایده که قوانین فیزیک به حرکت ناظر ربطی ندارند، اولین فرض از دو فرض اساسی نظریه‌ی نسبیت است. از طرفی گرچه قوانین نسبیت کاملاً سرراست و گویا هستند، با این حال پیچیده و ظریف هم هستند و کمی کار می‌برد تا ببینیم عالم چگونه ممکن است جور دیگری باشد.

مایکلسون و مورلی نشان دادند که حرکت زمین روی سرعت نور تأثیری نمی‌گذارد. اینشتین فرض کرد سرعت نور تحت تأثیر هیچ حرکتی قرار ندارد و از این منظر آزمایش مایکلسون و مورلی را توضیح داد. بدون توجه به آنکه چگونه حرکت می‌کنید، سرعت نور را همیشه ثابت است. با این حال، تا آنجا که از ظاهر امر بر می‌آید، این فرض کاملاً مضحک و نامعقول به نظر می‌رسد. اما چرا؟

فرض کنید در خیابانی راه می‌روید، ناگهان مگسی با بینی شما برخورد می‌کند، بعید است از شدت درد ناگهان خود را به عقب بکشید. یک مگس کوچک تنها می‌تواند با سرعت چند مایل در ساعت بال بزند و با در نظرگرفتن وزنش و بدون توجه به باقی شرایط، هنگام برخورد با شما فقط می‌تواند سبب بروز تأثیری جزئی شود. حال اگر در هنگام رانندگی مگسی با شیشه ماشین برخورد کند، پخش و پلا خواهد شد. در حد سرعت اتومبیل در بزرگراه، اگر آن حشره به صورت شما اصابت می‌کرد، احتمالاً به شما آسیب می‌رساند.

albertپس حرکت شما روی نحوه‌ی درک‌تان از سرعت حشره تأثیر می‌گذارد. حرکت نسبی حشره زمانی‌که بی‌حرکت ایستاده‌اید با زمانی‌که در حال حرکت با اتومبیل هستید، متفاوت است. اگر حشره‌ای با سرعت ۱۰ مایل در ساعت حرکت کند، زمانی‌که شما ساکن هستید، با سرعت ۱۰ مایل در ساعت به شما اصابت می‌کند. اما اگر شما در حال حرکت با سرعت ۸۰ مایل در ساعت هستید، در اصل حشره با سرعت ۹۰ مایل در ساعت با شما برخورد می‌کند. اگر نسبت به جسمی حرکت کنید، سرعت شما با سرعت آن جسم جمع می‌شود و این مقدار است که سرعت حرکت نسبی شما به حساب می‌آید. همه چیز در دنیا اینطور عمل می‌کند.

به مثال دیگری توجه کنید:

افسر پلیسی را فرض کنید که باید با استفاده از سرعت سنج خود سرعتش را هنگام تعقیب راننده‌ای که بیش از سرعت مجاز می‌راند، تنظیم کند. ابزاری که او برای تشخیص سرعت چنین اتومبیلی استفاده می‌کند، اگر خودش در حال حرکت باشد، سرعت آن وسیله را درست نشان نمی‌دهد. فرض می‌کنیم سرعت اتومبیل راننده متخلف ۱۰۰ مایل در ساعت باشد. سه حالت وجود دارد:

 یک: افسر ساکن است. پس دستگاهش به وضوح و صحیح سرعت خودرو را ۱۰۰ مایل در ساعت ثبت می‌کند.

دو: افسر پلیس در مسیر ترافیک با سرعت ۶۰ مایل در ساعت در حال حرکت باشد. دستگاه اختلاف سرعت بین اتومبیل پلیس و راننده متخلف را یعنی ۴۰ مایل در ساعت ثبت می‌کند.

سه: افسر پلیس در خلاف جهت اتومبیل و با همان سرعت ۶۰ مایل در ساعت در حال حرکت است.  دستگاه جمع سرعت دو اتومبیل یعنی ۱۶۰ مایل در ساعت را ثبت می‌کند.

آنچه دستگاه سرعت‌سنج پلیس هنگام اندازه‌گیری سرعت آن اتومبیل نمایش می‌دهد، به چگونگی حرکت پلیس بستگی دارد. پس نتیجه اندازه‌گیری وابسته به چارچوب مرجع پلیس است. حال اگر به جای اتومبیل آن راننده متخلف از یک باریکه‌ی نور استفاده کنید. طبق نظریه‌ی ثبات سرعت نور اینشتین، افسر پلیس چه ساکن باشد چه در جهت باریکه‌ی نور و چه در جهت مخالف آن حرکت کند، هر سه سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه را ثبت می‌کنند.

چطور ممکن است سه ناظر با سرعت‌های مختلف که در جهت‌های گوناگون هم حرکت می‌کنند، یک مقدار را ثبت کرده و در یک زمان بر اساس اصل نسبیت، همه درست باشند؟ این مسئله امکا‌ن‌پذیر است و اتفاقاً بی‌تناقض است. سه ناظر همگی سرعت نور را اندازه‌ می‌گیرند و هر سه هم اینکار را درست انجام می‌دهند. اندازه‌گیری‌های پیشرفته امکان به دست آوردن دقت‌های بسیار بالا را ممکن می‌سازند. فرقی نمی‌کند که سفینه‌ای به شما نزدیک می‌شود یا از شما فاصله می‌گیرد، چون سیگنالی که به سوی شما می‌فرستد، همیشه سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه دارد. پس چطور می‌شود که تناقضی وجود نداشته باشد؟

پاسخ در مفهوم سرعت و البته اطلاعات نهفته است. سرعت عبارت است از فاصله‌ی پیموده‌ شده در یک مدت زمان مشخص. اما شما برای ثبت سرعت یک جسم، باید آن را به شکلی اندازه‌گیری کنید. لازم است اطلاعاتی درباره‌ی فاصله و مدت زمان گردآوری کنید. مثلاً با استفاده از متر و ساعت، ملاحظه کنید که یک جسم در مدت یک ثانیه تا کجا می‌رود. اگر سه افسر پلیس در حال اندازه‌گیری سرعت یک باریکه‌ی نور هستند، هر کدام به طور مستقل مشغول جمع‌آوری کاربردی اطلاعاتی درباره‌ی زمان و فاصله بر حسب نوار مترها و ساعت‌های خود هستند.

تنها راه خلاصی از درک این تضاد ظاهری که حاصل دو فرضیه اینشتین است، عبارت است از این فرضی که ساعت‌ها و نوار مترها به نوعی تحت تأثیر حرکت قرار می‌گیرند. زمان و مکان نسبی هستند. آنها بسته به چارچوب مرجع شما تغییر می‌کنند. علاون بر این وقتی مفهوم زمان و مکان نزد شما تغییر می‌کند، بر نحوه‌ی اندازه‌گیری شما از سرعت هم تأثیر می‌گذارند.

 برگردیم به آن راننده‌ی متخلف. برای لحظه‌ای فرض کنید آن راننده متخلف یک پرتو نور است. سه پلیس در مسیرهای گوناگون آماده ثبت سرعت آن راننده هستند. یکی ایستاده و دو تای دیگر در جهات مخالف یکدیگر به سه پنجم یا ۰٫۶ سرعت نور، سرعت این راننده را اندازه می‌گیرند و همگی یک جواب به دست می‌آورند. ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه. چرا؟ چون هر پلیس باید زمان و فاصله را بسنجد و نوار مترها و ساعت‌های آنها همگی مختل می‌شود. وقتی پلیس ساکن به نوار مترش نگاه می‌کند، می‌بیند طول آن طبیعی است. وقتی ساعتش را نیز بررسی می‌کند، به نظرش تیک تاک آن منظم و معقول است. با این وجود اگر به آن دو پلیس دیگر هر کدام با سرعت سه پنجم سرعت نور حرکت می‌کنند، بنگرید، می‌بینید نوار مترهای هر کدام از آنها ۲۰ درصد آب رفته است. به علاوه ساعت‌ها کند شده‌اند. وقتی پلیس ساکن با ساعت خود ۱۰ ثانیه را می‌شمارد، متوجه می‌شود که ساعت‌های آن دو تای دیگر هر کدام تنها ۸ ثانیه گذشته است.

از نظر پلیس ایستاده، هنگام اندازه‌گیری سرعت نور، جواب درست را به دست آورده است. اما دو پلیس در حال حرکت اندازه‌گیری‌های اشتباهی انجام می‌دهند چون دریافت آنها از زمان و مکان به هم ریخته است. این اختلال در فضازمان و این تلقی که ساعت‌های آن دو پلیس متحرک کند شده و نوار مترهای‌شان کوتاه، هر سه اندازه‌گیری‌ سرعت نور را به یک شکل ثبت می‌کنند. (توجه شود که اعداد درست هستند، هرچند ظاهرا اینطور نیست. ریاضیات به کار رفته برای تعویض دیدگاه‌ها را تبدیلات لورنتس می‌نامند و کمی پیچیده‌تر از جمع ساده تبدیلات سرعت‌های روزمره‌ای است که از آن‌ها استفاده می‌کنیم).

اما عجیب این است که هیچ‌کدام از دو پلیس‌ متحرک در نظر خود متوجه آب‌ رفتن نوار متر ی کند شدن ساعتش نمی‌شود. در واقع، وقتی هر کدام از این دو به نوار متر و ساعتش نگاه می‌کند، همه چیز در نظرش معمولی است. اما وقتی هر کدام به مال دیگری نگاه می‌کند، درمی‌یابد که نوار مترش آب رفته و ساعتش کند شده است. پس هر کدام از پلیس‌ها نوارمتر و ساعت به هم ریخته همکار خود را در «««به دست آوردن پاسخ صحیح از راه غلط مقصر می‌داند»»».

 شاید نوارمترهایی که آب شده‌اند و یا ساعت‌هایی که کند شده‌اند، به نظر مسخره باشد، اما چنین چیزهایی مشاهده شده‌اند. مثلاً فیزیک‌دانان ذرات، ساعت‌هایی را می‌بینند که همواره کند می‌شوند. برخی از ذرات زیراتمی مانند موئون یا تائو، خواهران سنگین‌تر الکترون، پیش از آنکه به طور خود به خود به ذرات پایدار دیگری متلاشی شوند، تنها زمان کوتاهی دوام می‌آورند. مثلاً موئون به طور میانگین در حدود دو میلیونیوم ثانیه دوام می‌آورد. البته در یک شتاب‌دهنده ذرات، یک موئون اغلب با سرعتی بیش از ۹۹ درصد سرعت نور حرکت می‌کند و نتیجه ساعت درونی آن نسبت به ساعت آزمایشگاه کند می‌شود. این بدان معنا است که موئون چیزی به مراتب بیشتر از آن زمانی‌ دوام می‌آورد که اگر ساکن می‌بود.

گیرنده‌های GPS که سیگنال‌های ساعت را از ماهواره‌هایی که به دور زمین می‌چرخند دریافت می‌کنند، باید هنگامی‌که می‌خواهند موقعیت‌مان را اعلام کنند، از ساعت‌های نسبیتی استفاده نمایند. و البته در سال ۱۹۷۱ دو دانشمند، چهار ساعت اتمی را با استفاده از جت‌های تجاری دور پرواز به حرکت درآوردند. آن ساعت‌ها به خاطر سرعت نسبی آنها نسبت به زمین بعد از سفرشان با هم تطابق نداشتند. انقباض طول و اتساع زمان به انضمام چند اثر نسبیتی دیگر، همچون ازدیاد جرم در سرعت‌های بالا و یا کند شدن زمان در کنار جرم سنگین‌تر، همگی حقیقت دارند. آنها مشاهده شده‌اند و به طرز اعجاب‌انگیز با نسبیت اینشتین همخوانی دارند.

ادامه دارد »»»

image_pdfimage_print
(12 نفر , میانگین : 4٫75 از 5)
لینک کوتاه مقاله : http://bigbangpage.com/?p=31781
اسماعیل جوکار

اسماعیل جوکار

نویسنده این مطلب: اسماعیل جوکار، دانشجوی مقطع کارشناسی فیزیک، علاقمند به فیزیک، نجوم و کیهان شناسی می باشد و به عنوان نویسنده در وب سایت بیگ بنگ فعالیت می کند.

شما ممکن است این را هم بپسندید

یک پاسخ

  1. طجرلو گفت:

    ممنونم ازتون
    خیلی روان و ساده

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *