دنیای اینشتین – بخش چهارم

3
702

بیگ بنگ: هم ارزي جرم و انرژي در نظريه نسبيت: يكي از مشكلاتي كه افراد پس از درگيري با نظريه نيوتن (و البته تجربيات روزمره) پيدا مي كنند، مربوط به جرم است. از اين ديدگاه، جرم يك جسم، مجموعه اي از اتمهاست و در هر وضعيت فيزيكي مقدار آن ثابت و مطلق است. ما دوست داريم كه جرم را يك پارامتر ذاتي دانسته و اين جوهر در هر جايي و با هر وضعيتي تغيير ناپذير خواهد بود!

albert-einsteinبراي وارد شدن به دنياي اينشتين، ديدگاه بالا را پاك كنيد. ممنون! جرم نيز همانند ديگر پارامترهاي فيزيكي، يك كميت قابل اندازه گيري است كه تغيير مي كند. همين! در نسبيت خاص طبق معادله زير با افزايش سرعت يك جسم، بر جرم آن افزوده مي شود. m0 جرم در حالت سكون است.
m= m0/(1 – v2/c2)1/2

البته اين به معناي افزايش تعداد اتمهاي آن نيست، بلكه بر جرم تك تك اتمها يا تك تك ذرات بنيادي آن جسم اضافه مي شود. بنابراين جرم يك جسم ساكن و متحرك براي يك ناظر مقادير مختلفي دارد. البته اين افزايش جرم معادل انرژي جنبشي آن جسم است. اينجا ما معادلات رياضي مربوطه را دنبال نمي كنيم، اما اگر شما رياضي وار آن را دنبال كنيد، سرانجام به معادله مشهور E=mc2 خواهيد رسيد كه نمايشگر هم ارزي جرم و انرژي است. بنابراين برخلاف فرضيه نيوتن از جرم يك ذره بنيادي نمي توان همچون يك خاصيت ذاتي در شناسنامه اش استفاده كرد. اين مهم در نظريه نسبيت به جرم سكون محول مي شود. جرم سكون يك ذره، جرم آن در حالت ساكن يا سرعت صفر است. در معادله نسبيت جرم، هرچه بر سرعت يك ذره افزوده شود، بر جرم آن اضافه مي گردد و در سرعت نور به سمت بي نهايت ميل مي كند.

8به همين خاطر از ديدگاه نسبيت، يك ذره داراي جرم سكون قادر نيست به سرعت نور برسد. پس مي توان حدس زد كه جرم سكون فوتونها و تمام ذراتي كه قادرند با سرعت نور حركت كنند، برابرصفر است. البته همين فوتونها ، در حال حركت داراي جرم و بنابراين داراي مومنتوم مي باشند. چرا معادله E=mc2 در تجربيات ما پنهان است؟ دليل آن بزرگ بودن مقدار c2 است كه باعث مي شود مقدار زيادي از انرژي فقط با مقدار خيلي كمي از جرم معادل باشد. مثلا جسمي كه گرم مي شود، بر سرعت حركت اتمهاي آن افزوده مي شود و در نتيجه جرم اتمها و خود جسم افزايش مي يابد، اما به خاطر كوچك بودن مقدار آن عملا قابل تشخيص با ترازو و روشهاي موجود نيست! اگر شما در يك سيستم بسته (بدون تبادل ماده) مقداري اسيد و باز را بر روي همديگر ريخته و صبر كنيد كه دماي آن به حالت معمول باز گردد، جرم اين مخلوط از جرم اسيد و باز اوليه كمتر است (چرا؟). يك فنر جمع يا كشيده شده، جرم بيشتري از حالت معمول خود دارد(چرا؟).

هنگامي كه جسمي را از سطح زمين بلند مي كنيم، بر جرم آن اضافه مي شود كه ميزان افزايش معادل انرژيي است كه صرف بالا بردن آن مي شود. اگر دست قدرتمندي زمين و ماه را از يكديگر دور كند، حدود چند تن بر جرم آنها اضافه مي شود كه اين نيز معادل انرژيي است كه صرف جدا كردن اين سيارات مي شود. عكس آن نيز صادق است. فرو پاشي گرانشي منجر به كاهش جرم و تبديل آن به انرژي مي شود. انرژي انفجار يك ابرنواختر اينگونه تامين مي شود! راديو اكتيويته به صورت شفاف تري هم ارزي جرم و انرژي را نشان مي دهد. اگر خاكستر يك انفجار هسته اي را جمع كنيم، حتي با يك ترازو نيز كاهش جرم آن را نسبت به مواد اوليه انفجار تشخيص مي دهيم. يك انفجار اتمي از لحاظ كلي تفاوتي با سوختن يك برگ كاغذ ندارد. در هر دو حالت مقداري از جرم به انرژي تبديل مي شود. تنها تفاوت اين است كه در سوختن كاغذ، تنها واكنشهاي شيميايي صورت مي گيرد و اتمها تغييري نمي كنند، اما در انفجار اتمي، تبديلات اتمي انجام مي گيرد.

2252مثلا در يك نوع بمب اتمي، اتم اورانيوم به اتمهاي سرب و هليوم شكافته مي شوند. جرم خاكستر حاصل از جرم اوليه اورانيوم كمتر بوده و معادل انرژي آزاد شده در انفجار است.جوش هسته اي نيز انرژي آزاد مي كند. بمبهاي هيدروژني يا واكنشهاي هسته اي درون خورشيد و ديگر ستاره ها از اين موضوع تبعيت مي كند. با اينكه فرآيند جوش هسته اي منبع انرژي تقريبا نامحدودي را بر روي زمين در اختيار ما گذاشته است، اما متاسفانه ما تا كنون نتوانسته ايم از آن استفاده كنيم ، چرا كه آزاد سازي اين نوع انرژي به صورت كنترل شده خيلي مشكل است. البته مدتهاست كه از انرژي شكست هسته اي در نيروگاه ها استفاده مي شود، اما به اين نوع انرژي نمي توان دلخوش بود، چرا كه اولا هميشه خطر از هم پاشيدن چنين نيروگاه هايي، همچون چرنوبيل و فوكوشيما و آلوده شدن يك منطقه وسيع به مواد خطرناك راديو اكتيو وجود دارد. دوما منابع اورانيوم محدود بوده و همچون نفت در آينده نه چندان دور به پايان مي رسد.

انقباض طول: از ديگر فرضهاي نيوتن ثابت بودن يك ميله صلب براي تمام ناظرين بود. در نسبيت اين فرض نيز باطل مي شود. در واقع اگر شخص ساكني طول يك ميله صلب را برابر با∆x’بدست آورد، براي ناظري با سرعت v نسبت به ميله، طول آن معادل ∆x بدست مي آيد كه كوچكتر است.
∆x = ∆x’/(1 – v2/c2)1/2

شما درون يك سفينه مي توانيد هر چقدر كه مي خواهيد به سرعت خود اضافه كنيد، اما ناظري كه شما را تماشا مي كند، به خاطر استفاده از معادلات انقباض طول و اتساع زمان ، سرعتي كه از شما اندازه گيري مي كند، هيچگاه 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



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.

3 دیدگاه‌ها

  1. باسلام
    حقیقتا من یکی اصلا نمیتوانم «دیدگاه بالا را پاک» کنم! (یعنی حذف جرم بعنوان یک پارامتر ذاتی)
    من فقط می توانم از محاسبات مسقیم (بدون کجروی) نسبیت بپذیریم که با افزایش انرژی جنبشی، مقاومت جسم در برابر تغییر سرعت افزایش میابد و نه بیشتر. حتی اینکه چگونه این انرژی به مقاومت تبدیل شد را نمیدانیم. که اگر بدانیم پس باید منشا جرم را بدانیم! فرقی نمیکند حتی اگر فرض کنیم که واقعا جرم افزایش میابد، باز مشکل لاینحل باقی خواهد ماند، وحتی misleading هایی نیز ایجاد خواهد شد.
    مثلا جرم نسبیتی ناوردایی لورنتس را نقض میکند، که تایید کننده ی تقارن بنیادی CPT در طبیعت است. البته میشه فرض کرد که این تقارن نقض شود ولی فعلا نشده. از طرفی دیده شده که بار الکتریکی ذرات کاملا مستقل از سرعت آنهاست یعنی همیشه ناورداست. پس چگونه است که صرفا باید بطور غیر مستقیم اونم، بپذیریم که جرم افزایش پیدا میکند؟!!این افزایش جرم ذرات زیراتمی چگونه است که هیچ تاثیری بر بار آنها ندارد؟ من خیلی راحترم که بپذیرم جرم افزایش پیدا نکرده تا این مشکلاتو نداشته باشم و در ضمن خودم رو هم مجبور نکرده باشم به (بقول طرفداران جرم نسبیتی)”something happening” در حالی که لزوما واجب نیست!!.
    ما باید بدانیم که تکانه، انرژی و …میتوانند جرم باشند ولی جرم، آنها نیست.
    mass is not associated with identifiable matter but matter has the exhibit mass.
    جرم نیوتنی حقیقتا واقعی است و مستقل ازسرعت و بامعنی، که حتی بدون آن رساله ی خود نسبیت نیز خدشه دار خواهد شد. سوالی که در اینجا باید پرسیده شود این است که؛ اگر ناوردایی جرم بایستی برداشته شود، یعنی جرم نسبیتی جرم محسوب شود، پس چگونه است که باید حتما انرژی سکون همچنان باقی بماند؟؟ (مثلا در متن هم مجبور شده ایم که بگوییم: …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….) جواب چیزی جز این نباید باشد که جرم باید ثابت باشد در حالی که انرژی (بعنوان یک مولفه از چاربردار نسبیتی) در سیستم های مختلف تغییر خواهد کرد.
    ایندو جرم اساسا متفاوتند و در واقع جرم نسبیتی حقیقت ندارد، جرم سکون یک ویژگی ذاتی است و مستقل از سیستم مختصات در حالی که جرم نسبیتی (ظاهری و غیر قابل grasp) تلفیقی از هر دو بدون هیچ توضیحی است!
    خوب است بدانیم که اینشتین در ارائه رابطه E=mc2 از m بعنوان جرم سکون یاد میکرد و اصلا تمایلی به وجود ایده ی جرم نسبیتی نداشت.
    Einstein, A. (1905) Annalen der Physik 18 (13): 639
    بسیاری دانشمندان ترجیح میدهند به جای جرم نسبیتی از واژه انرژی استفاده کنن. دیدگاهی مثل آنچه بنده معتقدم می گوید که جرم نیوتنی کانسپتی اساسی و اصیل ذره است در حالی که جرم نسبیتی آن آمیزه ای است با سرعت و فضازمان(conglomeration) که هیچ ارتباط دقیقی از آن پیدا نیست.

    رابطه ی E=mc2 در اصل برای انرژی internal جسم و جرم سکون (نیوتنی ) ان است. و ارائه ی ان برای شرایط نسبیتی تنها از نظر ریاضیاتی درست است و مفهوم فیزیکی ان بشدت ناشناخته است.برای جسم متحرک، E انرژیtotal آن که شامل انرژی جنبشی نیز میشود میباشد و m جرم نسبیتی.در اصل انرژی کل بصورت رابطه ای از جرم سکونinvariant massو تکانه ی کل است . لذا جرم نسبیتی را از آنجایی که از تکانه نسبیتی استنتاج میکنیم در اصل “بطور مستقیم”بصورت تقسیم تکانه بر سرعت تعریف میکنیم یا انرژی کل بر c2 و نه بصورت رابطه ریاضی موجود در متن، گرچه در محاسبات محض از آن استفاده شود.
    ((((سعی کردم که انگلیسی نشه آخرش، ولی نشد.))))