سرعت نور و اصل نسبیت

8
1736

بیگ بنگ: اینکه یک نفر انتظار داشته باشد بالاترین مرز سرعت در کیهان بی نهایت(که به صورت بزرگترین عدد قابل تصور معنی می شود) باشد منطقی به نظر می رسد. با وجود این، در جهان ما عدد نسبتا کم(نسبت به بی نهایت) 300 هزار کیلومتر بر ثانیه، که سرعت نور در خلا است، عملا بیشترین سرعت ممکن میباشد و در عمل هیچکس نمی تواند به سرعت یک پرتو نور برسد.

earth_to_sun_-_enبه گزارش بیگ بنگ، برای اولین بار در اواخر قرن نوزدهم این موضوع توجه آلبرت اینشتین 16 ساله را جلب کرد. سرعت نور بارها به صورت نسبتا دقیق اندازه گیری شده بود، مثلا در سال 1675 ستاره شناس دانمارکی اوله رومر نشان داد که نور با سرعت محدودی(هر چند بسیار بزرگ) حرکت می کند. مشاهدات رومر از اقمار سیاره ی مشتری منجر به تخمین سرعت نور به اندازه ی تقریبی 225000 کیلومتر بر ثانیه شد.

رومر با تلسکوپ سه متری رصدخانه ی سلطنتی پاریس به مشاهدۀ قمرهای مشتری پرداخت و مدت زمان عبور قمرها را از جلوی مشتری اندازه گیری کرد تا اینکه متوجه شد شش ماه از سال مدت زمان عبور آیو(نزدیک ترین قمر مشتری) هر قمر به اندازه 3.5 دقیقه کاهش و در شش ماه بعد هر قمر به اندازه 3.5 دقیقه افزایش می یابد. یعنی در هر شش ماه 21 دقیقه مدت عبور تغییر می کند. از آنجایی که رومر تردید داشت سرعت قمر آیو متغیر باشد، این تغییرات را به تغییرات فاصله ی زمین از مشتری ربط داد و با دانستن اینکه قطر مدار زمین به دور خورشید 300 میلیون کیلومتر است، سرعت نور را تعیین کرد.-مترجم. هر چند آزمایش های بعدی، به صورت دقیق تر نشان دادند که سرعت نور 299,792,458 متر بر ثانیه است.

relativity_speed_of_lightدر سال 1868، معادلات جیمز کلرک ماکسول ریاضیدان و فیزیکدان اسکاتلندی، که بر پایه ی کارهای پیشتر آمپر، کولمب و فارادی ساخته شده بود نشان داد همه ی امواج الکترومغناطیس در خلا دقیقا با سرعتی برابر با سرعت نور حرکت می کنند چرا که نور خود موجی بود که در میدان های نامرئی الکتریکی و مغناطیسی تولید می شد. ماکسول به این نتیجه رسید که نور و سایر امواج الکترومغناطیسی باید با سرعت ثابت و معینی در محیط تایید نشده ای که وی آن را اتر میخواند حرکت کنند. آزمایش معروف مایکلسون – مورلی در سال 1887 در یک تلاش ناموفق برای اثبات اینکه نور در محیطی از جنس اتر حرکت می کند، به طرز غیر منتظره ای نشان داد که سرعت نور هم در جهت حرکت زمین و هم در جهت عمود بر حرکت زمین یکسان است. حداقل موضوع این است که از دیرباز می دانیم وقتی نور از محیطی وارد محیط دیگر می شود (مثلا از هوا به شیشه) سرعت آن متناسب با ضریب شکست محیط جدید تغییر می کند و این شکست نور اساس کار لنز هاست و این با وجود محیطی از جنس اتر متناقض است.

بنابراین چه منبع نور به سمت شما حرکت کند و چه هم جهت با شما حرکت کند سرعت نور یکسان و برابر با 300 هزار کیلومتر بر ثانیه اندازه گیری می شود، دقیقا مخالف نظر فیزیک کلاسیک و افکار معمول. این نبوغ اینشتین جوان بود که توانست توضیح دهد چرا سرعت نور ثابت است و به سرعت و جهت حرکت منبع و بیننده بستگی ندارد. در سال 1905، اینشتین ( و ریاضی دان فرانسوی هنری پوانکاره، که با نگاهی کاملا محاسباتی(از طریق معادلات ریاضی) در همان مقطع زمانی به نتایجی مشابه رسیده بود) پی برد که محیطی از جنس اتر که نور در آن حرکت کند کاملا غیر ضروری(اضافی) است، مشروط بر اینکه، همانطور که خواهیم دید، نظریه زمان مطلق را کنار بگذاریم.

همچنین اینشتین دریافت که معادلات ماکسول ظاهرا به پارادوکس یا ناسازگاری با قوانین فیزیک ختم می شوند، چرا که معادلات بیان می کنند اگر کسی بتواند به سرعت نور دست یابد می تواند امواج الکترومغناطیس را در حال سکون ببیند، چیزی که غیر ممکن شمرده می شود. بنابراین اینشتین فرض کرد، سرعت نور در جهان ما نقش سرعت بی نهایت را بازی می کند به طوریکه هیچ چیزی نمی تواند سریع تر از نور در کیهان حرکت کند. باید به این نکته اشاره شود که اینشتین ثابت بودن سرعت نور در همه ی چهارچوب های مرجع را هرگز عملا اثبات نکرد. بلکه او این را به عنوان فرض اساسی که باقی نظریه اش بر پایه ی آن بنا شده، پذیرفته بود. این فرض می تواند با آزمایش های عملی تایید شود ولی تا کنون در هیچ محاسبه ی نظری ای اثبات نشده است.

relativity_principleثابت بودن سرعت نور بعدها یکی از دو قسمت اصلی نظریه ی نسبیت خاص وی شد. قسمت اصلی دیگر “اصل نسبیت” یا “اصل تغییر ناپذیری  بود که اولین بار توسط گالیله در سال 1632 بیان شده بود. گالیله مطرح کرد قوانین مکانیکی فیزیک برای همه ی ناظرینی که همواره با سرعت ثابت روی خط راست حرکت می کنند یکسان است، بنابراین پژوهشگر صرفا با مشاهده ی نتایج آزمایش های مکانیکی حالت سرعت ثابت نمی تواند در مورد باقی حالات اظهار نظر کند.

گالیله برای تفهیم نظریه ی خود کشتی ای را که با سرعت ثابت و بدون تکان بر روی دریایی آرام حرکت می کرد را مثال زد و گفت ناظری که در اتاق تاریک(بدون پنجره) زیر عرشه ی کشتی است نمی تواند بفهمد کشتی در حال حرکت است یا ساکن. به عنوان مثال: توپی را در نظر بگیرید که درون هواپیمایی که با سرعت 800 کیلومتر بر ساعت در ارتفاع 12000 متری از سطح زمین هم راستا با جهت حرکت هواپیما پرتاب می شود از توپی که در درون هواپیمایی ساکن بر روی سطح زمین پرتاب می شود قابل تمییز نیست. زمانی که اینشتین اصل نسبیت و ثابت بودن سرعت نور را با هم ترکیب کرد، به این نتیجه رسید که سرعت نور فارغ از سرعت منبع یا ناظر همواره ثابت است، به دیگر سخن هر کسی در کیهان فارغ از اینکه با چه سرعتی حرکت کند، سرعت نور را دقیقا برابر 300 هزار کیلومتر بر ثانیه اندازی گیری خواهد کرد.

ترجمه: محمد آقائی مقدم/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: physicsoftheuniverse.com



ارسال یک پاسخ

لطفا دیدگاه خود را وارد کنید!
لطفا نام خود را در اینجا وارد کنید

این سایت از اکیسمت برای کاهش هرزنامه استفاده می کند. بیاموزید که چگونه اطلاعات دیدگاه های شما پردازش می‌شوند.

8 دیدگاه‌ها

  1. خوب میگین زمان مطلق نیست فرض کنید از نقطه A زمین به نقطه B سیاره ای که چهار میلیارد سال نوری نقطه فاصله داره خوب جواب کی وجود داره چهارمیلیارد ساله این مسافت نسبت به فاصله AوB تعیین شده در طور مسیر تغییر میکنه یعنی حد وسط فاصله بین AوB دو میلیارد سال نیست صورت مسله رو جابجا کنیم مثل این که حرکتی وجود نداشته نمیدوم شاید نسبیت منظوراش اینه نسبت به هم تعریف میشن جواب وجود نداره این امکان داره نسبیت اش به جای برسه که هر کجای دنیا با یه پلک زدن باشی تعریف وجود نداره وقتی زمان مطلق نیست همین میشه به کمک فضا وزمان میشه هرکجا بود کلمه نسبیت از نسبی و مطلق نبودن میاد خاص از فرد میاد و عام یعنی جم نمیدونم شایدام به نور لازم نیست برسیم یه لاک پشت هم میتونه مسیر طی کنه فراتر وجود شایدام جواب اش جواب توی نسبیت ها اش باشه

  2. اولا حسین اقا درست میگه اگه سفینه ها فقط تو هم و یک جهت حرکت کنن.هر چن که سرعت که بالا بره به جرم جسم افزوده میشه.ولی تا حدی این وضع ادامه داره وبا ادامه حرکت مذکور مشکل حل میشه.ویا اگه بتونیم انرژی هسته ای رو تو متور بیاریم خیلی راحتتر به سرعت نور میرسیم.
    ضمنا سرعت نور مطلق نیست.این اشتباه اینشتین بود که خودشم میدونست ولی بخاطر نسبیت نگفت.

  3. جواب شما تو این معادلس برو مطالعه کن علم با ازمایش جلو میره نه با نظریه شخصی شما e=mc2وضمنا این سفینه ای که در نظر گرفتی که سه میلیون سفینه توش جا میگیره هر سفینه موقع حرکت خودش تو سفینه بزرگ زمانش از صفر شروع میشه و به قول خودت به 100m در ثانیه میرسه که همون تاخیر زمان تو بلند شدنش اجازه بهش نمیده تا به سرعت دلخواه شما برسه فرمول e=mc2 یادت نره

  4. اصلن چرا اینیشتن گفت سرعت نور نهایت سرعتهاست؟
    به نظر من ما میتونیم با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کنیم. این آزمایش ذهنی رو در نظر بگیرید:
    فرض کنید سفینه ای بزرگ ساخته ایم که با سرعت 100 متر بر ثانیه حرکت میکنه. حالا اگه داخل این سفینه سفینه کوچک تری باشه که با سرعت 100 متر بر ثانیه در جهت حرکت سفینه بزرگ حرکت کنه، مسافران داخل سفینه کوچک تر با سرعتی برابر با 200 متر بر ثانیه حرکت می کنند.
    حالا اگه ما 3میلیون سفینه رو داخل هم بذاریم، آیا نمیتونیم به سرعت نور برسیم؟

      • بازگشت به عقب غیر ممکنه . واقعا گفتن این حرف از زبان یک دانشمند مسخرس . ضمنا حتی اگه نور حد نهایی سرعت هم باشه با وسایلی مثل ماشین وارپ میشه سریع تر از اون حرکت کرد . در مورد 3 میلیون سفینه داخل هم میشه گفت حتی اگه عملی هم باشه (که فکر نمی کنم باشه) فقط برای سفر به مسافت های کوتاه تا ماه و مریخ کاربرد خواهد داشت که البته به خاطر هزینه ی بسیار زیاد و بی فایده بودن این طرح دانشمندا هرگز چنین کاری رو انجام نمیدن .

    • با سلام
      مشکل ایده شما این هست که لختی رو در نظر نگرفتید. ببینید سفینه کوچکتر در نظر یک ناظر ساکن خارج از مجموعه سفینه ها سرعتش 200 متر بر ثانیه هست و این درسته ولی برای ناظر داخل سفینه بزرگتر هنور سرعتش 100 متر بر ثانیه است. این یعنی چی؟ یعنی این در نهایت از خود سفینه بزرگتر میزنه جلو پس یعنی ایده اولیه مبنی بر بستگی داشتن سرعت سفینه کوچیک به سفینه بزرگ بی معناست. دلیلش فکر کنم الان باید واضح شده باشه براتون. در واقع سفینه کوچکتر حتی وقتی سرعت اولیه ای رو از سفینه بزرگ به ارث ببره باز میزان نیروی وارده برش (چه لخت یا غیرلخت) برابر با جسمی خواهد بود که بخواد از صفر حرکت با سرعت 200 متر بر ثانیه رو شروع بکنه. یعنی شما اگر برای جسم با جرم مشخصی مثلا 100 نیوتن نیرو بخواید تا برسه به سرعت 200 متر بر ثانیه، سفینه کوچکتر هم برای رسیدن به 100 متر بر ثانیه ای که طبق فرض شما مستقل از سفینه بزرگتر هست نیاز به همون 100 نیوتن داره. لذا هر قدر هم سفینه ها تو در تو بشن برای رسیدن به سرعت مشخص نیرو همیشه ثابته. لذا ممکن نیست.

      • البته این رو تاکید کنم که چون نیمی از سرعت اولیه اش رو از سفینه بزرگتر گرفته طبعا میزان نیروی لازم برای رسیدن به اون سرعت رو خود سفینه بزرگتر تامین کرده.