دنیای اینشتین – بخش چهارم

بیگ بنگ: هم ارزی جرم و انرژی در نظریه نسبیت: یکی از مشکلاتی که افراد پس از درگیری با نظریه نیوتن (و البته تجربیات روزمره) پیدا می کنند، مربوط به جرم است. از این دیدگاه، جرم یک جسم، مجموعه ای از اتمهاست و در هر وضعیت فیزیکی مقدار آن ثابت و مطلق است. ما دوست داریم که جرم را یک پارامتر ذاتی دانسته و این جوهر در هر جایی و با هر وضعیتی تغییر ناپذیر خواهد بود!

برای وارد شدن به دنیای اینشتین، دیدگاه بالا را پاک کنید. ممنون! جرم نیز همانند دیگر پارامترهای فیزیکی، یک کمیت قابل اندازه گیری است که تغییر می کند. همین! در نسبیت خاص طبق معادله زیر با افزایش سرعت یک جسم، بر جرم آن افزوده می شود. m0 جرم در حالت سکون است.
m= m0/(1 – v2/c2)1/2

البته این به معنای افزایش تعداد اتمهای آن نیست، بلکه بر جرم تک تک اتمها یا تک تک ذرات بنیادی آن جسم اضافه می شود. بنابراین جرم یک جسم ساکن و متحرک برای یک ناظر مقادیر مختلفی دارد. البته این افزایش جرم معادل انرژی جنبشی آن جسم است. اینجا ما معادلات ریاضی مربوطه را دنبال نمی کنیم، اما اگر شما ریاضی وار آن را دنبال کنید، سرانجام به معادله مشهور E=mc2 خواهید رسید که نمایشگر هم ارزی جرم و انرژی است. بنابراین برخلاف فرضیه نیوتن از جرم یک ذره بنیادی نمی توان همچون یک خاصیت ذاتی در شناسنامه اش استفاده کرد. این مهم در نظریه نسبیت به جرم سکون محول می شود. جرم سکون یک ذره، جرم آن در حالت ساکن یا سرعت صفر است. در معادله نسبیت جرم، هرچه بر سرعت یک ذره افزوده شود، بر جرم آن اضافه می گردد و در سرعت نور به سمت بی نهایت میل می کند.

به همین خاطر از دیدگاه نسبیت، یک ذره دارای جرم سکون قادر نیست به سرعت نور برسد. پس می توان حدس زد که جرم سکون فوتونها و تمام ذراتی که قادرند با سرعت نور حرکت کنند، برابرصفر است. البته همین فوتونها ، در حال حرکت دارای جرم و بنابراین دارای مومنتوم می باشند. چرا معادله E=mc2 در تجربیات ما پنهان است؟ دلیل آن بزرگ بودن مقدار c2 است که باعث می شود مقدار زیادی از انرژی فقط با مقدار خیلی کمی از جرم معادل باشد. مثلا جسمی که گرم می شود، بر سرعت حرکت اتمهای آن افزوده می شود و در نتیجه جرم اتمها و خود جسم افزایش می یابد، اما به خاطر کوچک بودن مقدار آن عملا قابل تشخیص با ترازو و روشهای موجود نیست! اگر شما در یک سیستم بسته (بدون تبادل ماده) مقداری اسید و باز را بر روی همدیگر ریخته و صبر کنید که دمای آن به حالت معمول باز گردد، جرم این مخلوط از جرم اسید و باز اولیه کمتر است (چرا؟). یک فنر جمع یا کشیده شده، جرم بیشتری از حالت معمول خود دارد(چرا؟).

هنگامی که جسمی را از سطح زمین بلند می کنیم، بر جرم آن اضافه می شود که میزان افزایش معادل انرژیی است که صرف بالا بردن آن می شود. اگر دست قدرتمندی زمین و ماه را از یکدیگر دور کند، حدود چند تن بر جرم آنها اضافه می شود که این نیز معادل انرژیی است که صرف جدا کردن این سیارات می شود. عکس آن نیز صادق است. فرو پاشی گرانشی منجر به کاهش جرم و تبدیل آن به انرژی می شود. انرژی انفجار یک ابرنواختر اینگونه تامین می شود! رادیو اکتیویته به صورت شفاف تری هم ارزی جرم و انرژی را نشان می دهد. اگر خاکستر یک انفجار هسته ای را جمع کنیم، حتی با یک ترازو نیز کاهش جرم آن را نسبت به مواد اولیه انفجار تشخیص می دهیم. یک انفجار اتمی از لحاظ کلی تفاوتی با سوختن یک برگ کاغذ ندارد. در هر دو حالت مقداری از جرم به انرژی تبدیل می شود. تنها تفاوت این است که در سوختن کاغذ، تنها واکنشهای شیمیایی صورت می گیرد و اتمها تغییری نمی کنند، اما در انفجار اتمی، تبدیلات اتمی انجام می گیرد.

مثلا در یک نوع بمب اتمی، اتم اورانیوم به اتمهای سرب و هلیوم شکافته می شوند. جرم خاکستر حاصل از جرم اولیه اورانیوم کمتر بوده و معادل انرژی آزاد شده در انفجار است.جوش هسته ای نیز انرژی آزاد می کند. بمبهای هیدروژنی یا واکنشهای هسته ای درون خورشید و دیگر ستاره ها از این موضوع تبعیت می کند. با اینکه فرآیند جوش هسته ای منبع انرژی تقریبا نامحدودی را بر روی زمین در اختیار ما گذاشته است، اما متاسفانه ما تا کنون نتوانسته ایم از آن استفاده کنیم ، چرا که آزاد سازی این نوع انرژی به صورت کنترل شده خیلی مشکل است. البته مدتهاست که از انرژی شکست هسته ای در نیروگاه ها استفاده می شود، اما به این نوع انرژی نمی توان دلخوش بود، چرا که اولا همیشه خطر از هم پاشیدن چنین نیروگاه هایی، همچون چرنوبیل و فوکوشیما و آلوده شدن یک منطقه وسیع به مواد خطرناک رادیو اکتیو وجود دارد. دوما منابع اورانیوم محدود بوده و همچون نفت در آینده نه چندان دور به پایان می رسد.

انقباض طول: از دیگر فرضهای نیوتن ثابت بودن یک میله صلب برای تمام ناظرین بود. در نسبیت این فرض نیز باطل می شود. در واقع اگر شخص ساکنی طول یک میله صلب را برابر با∆x’بدست آورد، برای ناظری با سرعت v نسبت به میله، طول آن معادل ∆x بدست می آید که کوچکتر است.
∆x = ∆x’/(1 – v2/c2)1/2

شما درون یک سفینه می توانید هر چقدر که می خواهید به سرعت خود اضافه کنید، اما ناظری که شما را تماشا می کند، به خاطر استفاده از معادلات انقباض طول و اتساع زمان ، سرعتی که از شما اندازه گیری می کند، هیچگاه برابر با سرعت نور نخواهد شد!

ادامه دارد »»»

نویسنده : احمد مصدر / سایت علمی بیگ بنگ
منابع :
• نظریه نسبیت اینشتین، ماکس بورن – ترجمه هوشنگ گرمان
• نسبیت و مفهوم نسبیت، آلبرت اینشتین – ترجمه محمد رضا خواجه پور
• آشنایی با نسبیت خاص، رابرت رزنیک، ترجمه جعفر گودرزی
• نسبیت برای همگان ، مارتین گاردنر، ترجمه محمود مصاحب

لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=23919

(۱۵ نفر , میانگین : ۴,۸۷ از ۵)