نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه پنجم

اهداف جلسه:

• آشنایی با زندگی نامه آلبرت اینشتین
• آشنایی با نظریه نسبیت
• آشنایی با نسبیت خاص

وسایل مورد نیاز:

• کامپیوتر مجهز به اینترنت

مقدمه

در جلسات گذشته با مشخصات ظاهری ستارگان، هم چنین چگونگی شکل گیری آنها، انواع ستارگان و تولد و مرگ آنها، آشنا شدید. بنابراین تا این بخش از پژوهش اطلاعات کافی در مورد جهان بالای سرمان به دست آوردید و آموختید که اجرام تشکیل دهنده کهکشان ما که اغلب ستارگان هستند، چگونه باعث دگرگونی و تغییر در شرایط موجود در اطرافشان می شوند. در این جلسه قصد داریم درباره یکی از بزرگ ترین دانشمندان در زمینه فیزیک و نجوم که خدمات زیادی ارایه کرده است، آشنا شویم.

5-1 آلبرت انیشتین
حتماً نام آلبرت اینشتین دانشمند و فیزیکدان نظری آلمانی راشنیده اید. شهرت اینشتین بیش تر به دلیل ارائه نظریه نسبیت و به ویژه برای هم ‌ارزی جرم و انرژی است (E=MC²) این رابطه یکی از معروف ترین روابط فیزیک بین غیرفیزیک ‌دان‌ها است. با این نظریه تعدادی از مسائل که مدت ها فیزیکدانان را به خود مشغول کرده بود، حل شد. در این معادله انرژی (E) برابر است با حاصلضرب جرم(M)  در مجذور سرعت نور .(C) نوبل فیزیک در سال ۱۹۲۱به اینشتین اختصاص یافت به دلیل خدماتش در فیزیک نظری و به خصوص به خاطر کشف قانون اثر فوتوالکتریک. او به دلیل تأثیرات چشمگیرش، به عنوان یکی از بزرگ ترین فیزیکدانانی شناخته می‌شود که به این جهان پا گذاشته‌ است.

آلبرت اینشتین در چهاردهم مارس 1879 در شهر "اولم " آلمان متولد شد. ذوق هنری آلبرت چنان بود كه وقتی در سن پنج سالگی، پدرش قطب نمایی جیبی را به او نشان داد، خاصیت اسرار آمیز عقربه مغناطیسی تأثیر عمیقی بر وی گذاشت. در پانزده سالگی به همراه خانواده به شهر میلان ایتالیا رفتند. در این دوران، مشهورترین موسسه فنی در اروپای مركزی به استثنای آلمان، مدرسه دارالفنون سوئیس در شهر زوریخ بود. آلبرت در امتحان ورودی این موسسه شركت كرد، ولی به خاطر اینكه درعلوم طبیعی اطلاعات وسیعی نداشت، پذیرفته نشد. با این حال، مدیر دارالفنون زوریخ تحت تأثیر اطلاعات وسیع او در ریاضیات، وی را به مدرسه ممتاز شهر كوچك "آرائو" كه با روش جدیدی اداره می شد، معرفی كرد.

در اواخر سال 1910 كرسی فیزیك نظری در دانشگاه آلمانی پراگ خالی شد. تصمیم قطعی برای انتخاب داوطلب، قبل از همه، برعهده فیزیك دانی به نام "آنتون لامپا" بود و او برای انتخاب استاد، دو نفر را مد نظر داشت كه یكی از آنها اینشتین بود. دو ویژگی اینشتین موجب شد كه استاد زبردستی گردد: نخست اینكه، علاقه فراوانی داشت تا برای عده بیش تری از همنوعان خود، مفید باشد. ویژگی دوم، ذوق هنری اش بود که وی را وا می داشت كه افكار عمومی خود را به نحوی روشن و منطقی مرتب سازد.

اینشتین در مدتی كه در پراگ تدریس می كرد، نه تنها نظریه جدید خود را بنا نهاد، بلكه با شدت بیشتری، نظریه خود درباره كوآنتوم  نو را كه در شهر برن شروع كرده بود، توسعه داد. اهمیت نظریه جدید به زودی مورد تأیید و توجه دانشمندانی واقع گردید كه دارای قدرت خلاق علمی بودند. تأیید تجربی نظریه اینشتین، توجه عموم مردم را نیز به شدت جلب كرده بود. از این پس، دیگر اینشتین مردی نبود كه فقط مورد توجه دانشمندان باشد. به زودی، او نیز همچون زمامداران مشهور ممالك، بازیگران بزرگ سینما و تئاتر، شهرت عام بدست آورد.
ده سال پایان عمر اینشتین، درست مصادف با عهد بمب اتمی بوده و بشریت، تمرین و آموزش خود را در این زمینه آغاز نمود. سرانجام در روز هجدهم آوریل 1955 بزرگ ترین دانشمند و متفكر قرن بیستم، مردی كه همراه با ناپلئون و بتهوون مشهورتر از همه مردان جهان بوده است، در شهر پرینستون واقع در آمریكای شمالی از زندگی، تفكر و مبارزه دست كشید و درگذشت.

5-2 نسبیت چیست؟
ما برای شناخت بسیاری از جنبه های سیاهچاله، باید با ماهیت نسبیت آشنا شویم. آلبرت اینشتین، با یافتن راهی جدید برای ادراک جهان فیزیکی، تصور انسان را از چگونگی کار جهان به صورت اساسی دگرگون کرد. تئوری جاذبه ای که نیوتن ارایه کرد، خیلی زود بدون تقریباً هیچ سئوال جدی مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. تا اینکه در اوایل قرن بیستم آلبرت اینشتین با ارائه نظریه نسبیت خاص در سال ۱۹۰۵ و نظریه نسبیت عام در سال ۱۹۱۵ نه تنها قوانین فیزیک و جاذبه عمومی نیوتن بلکه پایه های فیزیک عصر خود را لرزاند.
مدت ها بود که در آزمایشگاه های فیزیک، چندین نتیجه عجیب، به ویژه در ارتباط با خواص نور، به دست آمده بود. اما اینشتین دریافت که اگر ماهیت نور متفاوت از آن باشد که قبلاً فیزیکدان ها فرض می کردند، درک بسیاری از این پدیده ها آسان تر خواهد بود. یک قرن پیش تر معلوم شده بود که نور، در قالب پدیده ای موجی با نوسان های فوق العاده سریع قابل شناخت است.

اما اگر این تابش ها به صورت موج باشند ، می باید در یک محیط منتشر شوند. درست همان طور که آب موج های روی دریاچه را منتقل می کند و هوا، موج های صدا را از یک سو به سوی دیگر می رساند. از این رو فیزیکدان ها به این اندیشه افتادند که می باید در فضا ماده ای فراگیر وجود داشته باشد تا محیطی برای انتشار امواج نور تدارک ببیند. آنها این ماده را "اتر" نامیدند اما ماهیت اتر مرموز و تا حدی نامتقاعد کننده باقی ماند.

آیا زمین در گردش خود بر گرد خورشید اتر را می شکافد؟ آیا خورشید نیز در سیر سریع خود در میان ستارگان راه خود را از میان اتر می گشاید؟ فیزیکدان ها استدلال می کردند که ظاهراً چنین است، چرا که در غیر این صورت نور نمی‌توانست در فضا منتقل شود و ما در ظلمت ابدی به سر می بردیم.

به نظر می رسد اینشتین کلید دست یابی به نسبیت را از آزمایشی برگرفت که برای آشکار ساختن اتر انجام شده بود. پیش از آغاز قرن حاضر دو فیزیکدان آمریکایی به نام های "مایکلسون" و "مورلی" ابزارهای نوری پیچیده ای را به کار گرفتند تا اثرات حرکت زمین در میان اتر را اندازه گیری کنند آنها با شگفتی دریافتند که نه تنها اثری ناشی از وجود اتر مشهود نیست بلکه حتی هیچ گونه اثری هم که منتج از حرکت زمین در میات اتر باشد وجود ندارد. ظاهراً برخلاف آنچه عقل سلیم حکم می کرد، سرعت اندازه گیری شده نور چه در راستای نور، چه در راستای حرکت زمین و چه عمود بر این راستا یکسان بود.

این امر بدین اندازه تعجب آور است که ببینیم سرعت هواپیمایی بدون توجه به سرعت و راستای وزش باد همواره به یک مقدار است.  مثال مشابه دیگر برای درک نتایج اکتشاف مایکلسون و مورلی این است که فرض کنیم اتومبیلی با سرعت 150 کیلومتر در ساعت حرکت می کند و در همین حین یکی از سرنشینان اتومبیل تفنگی را در راستای حرکت اتومبیل نشانه می رود و گلوله ای با سرعت 500 متر در ثانیه (یا 1800 کیلومتر در ساعت) شلیک می کند.

ناظری که در کنار جاده قرار دارد و ساکن است سرعت گلوله را 1950=1800+150 کیلومتر در ساعت اندازه می گیرد. اما اگر راننده چراغ های جلوی اتومبیل را روشن کند برای ناظر سرعت نور این چراغ ها همان است، نه c+150 کیلومتر در ثانیه. ( در اینجا c نماد سرعت و مقدار آن 300،000 کیلومتر در ثانیه است). به همین ترتیب اگر چراغ های عقب این اتومبیل روشن شوند باز سرعت نورc  خواهد بود، نه c-150کیلومتر بر ثانیه علاوه بر این سرعت نور نسبت به خود اتومبیل نیز همواره c است.

اینشتین دریافت که آزمایش مایکلسون-مورلی دلیلی است بر این که نور نه مثل هواپیما است و نه مثل گلوله که در محیطی حرکت می کند یا موجی که در روی حوض اجرا می شود. بلکه نور بدون نیاز به محیط در فضای تهی سیر می کند، همچنین نور ویژگی های بنیادی معین و غیر عادی دارد که با ماهیت اساسی ماده، فضا و زمان گره خورده است. اینشتین به این نکته پی برد که سرعت نور یک کمیت بنیادی است و نتایج حاصل از این نظریه تماماً با هم سازگارند و راهی نو برای شناخت طبیعت فراهم می کنند.

5-3 نظریه نسبیت خاص
برداشتن اولین گام ها در راه آشنایی با نسبیت هنگامی میسر است که دریابیم در این راه عقل سلیم چندان قابل اعتماد نیست. ثابت بودن سرعت نور که واقعیتی اثبات شده است با عقل سلیم همخوان نیست چرا که این واقعیت با تجربه ی معمولی ناسازگاری دارد اما این هشداری است بی شبهه که در شناخت مفاهیم فیزیک بر آنچه که باید تکیه کنیم، ریاضیات دقیق و آزمایش ها هستند نه پیشداوری های مبتنی بر تجربیات عادی.

اینشتین نشان داد که ثابت بودن سرعت نور توام با فرمولبندی دقیق تعاریف و اندازه گیری های مربوط به مفاهیم بنیادی طول، زمان و جرم؛ چگونه در بررسی سرعت های نزدیک به نور به نتایج شگفت آوری منجر می شود.

اثر زمان: نتایج اساسی کشف اینشتین چنین است: اگر جسمی سرعت بگیرد و به سرعت نور نزدیک شود زمان اندازه گیری شده به وسیله ی ناظر ساکن با زمان اندازه گیری شده توسط شخصی که با آن جسم حرکت می‌کند متفاوت است.

برای مثال اگر اتومبیلی بتواند با سرعت مثلاً 90 درصد سرعت نور حرکت کند ناظر ساکن در کنار جاده احساس می ‌کند که ساعت نصب شده بر روی اتومبیل درست کار نمی‌کند، چرا که به نظر او این ساعت عقب می ماند البته این ساعت نیست که کند کار می‌کند بلکه خود زمان کند می شود و اگر راننده اتومبیل زمان را اندازه گیری کند، چیزی عجیب و غیر عادی در ساعت خود نمی بیند.

با وجود این هنگامی که اتومبیل به نقطه آغاز حرکت باز می‌گردد و متوقف می شود راننده آن (بسته به اینکه چه مدت در سفر بوده) از ناظری که ساکن بوده است، چند دقیقه جوان تر خواهد بود. ممکن است این را باور نکنید اما چنین پدیده هایی روی می دهند و کند شدن زمان حتی در ساعت هایی که بر سفینه های در حال گردش به دور زمین نصب شده اند، اندازه گیری می شود. میزان کند شدن درست به همان مقداری است که اینشتین در سال 1905 پیش بینی کرده بود.

مثال جالبی که معمولا” در این باره بیان می شود آن است که دو برادر دوقلو را در نظر بگیرید. یکی با یک فضا پیما با سرعت نزدیک به نور به سمت فضا حرکت می کند و دیگری روی زمین می ماند. پس از آنکه برادر روی زمین ۱۰۰ سال از عمرش بگذرد، برادری که در فضا پیما می باشد فقط یکسال از عمرش گذشته است.

اثر طولی جسم: اثر شگفت آور دیگر به طول جسمی که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کند مربوط می شود. در همان مثال پیش که اتومبیل مسابقه ای با سرعت 90 درصد سرعت نور حرکت می کرد ناظر ساکن با تعجب می بیند که طول اتومبیل کوتاهتر می شود و به نصف طول معمولی آن می رسد، اتومبیل پهن تر نیز دیده می شود. اما طول آن در راستای حرکت به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. البته راننده اتومبیل هیچ تغییر غیر عادی احساس نمی کند فیزیکدانان این اثر انقباض نسبیتی طول را نیز در آزمایشگاه اندازه گیری کرده اند.

اثر جرمی جسم: سومین اثر به جرم مربوط است. اینشتین نشان داد که جرم جسم متحرک از نظر ناظر ساکن به سرعت آن جسم وابسته است. برای مثال اگر وزن اتومبیل مسابقه ای مثلاً 500 کیلو گرم باشد، هنگامی که سرعت اتومبیل به 90 درصد سرعت نور می رسد، وزن آن نیز دو برابر می شود و به 1000 کیلوگرم می رسد.

سه پیشگویی اساسی نظریه ی نسبیت خاص که اثرات مهم ناشی از حرکت در سرعت های نزدیک به سرعت نور هستند از نظر ناظر ساکن عبارتند از: زمان کند می شود، طول در راستای حرکت منقبض می شود و جرم افزایش می یابد . به طوری که برای جسمی که تقریباً با سرعت نور حرکت می کند زمان تقریباً متوقف می شود. جسم به صورت صفحه ای پهن می شود و جرم تقریباً بی نهایت می شود. ( این پدیده ها از نظر ساکن چنین است)
برای کسب اطلاع بیشتر در زمینه اتساع زمان فیلم زیر را مشاهده نمایید.

فیلم اتساع زمان 

تکلیف1:  در متن درس درباره "تئوری جاذبه ای نیوتن" صحبت شده است، در این زمینه تحقیق کرده و نتایج به دست آمده را برای ما ارسال نمایید.

تکلیف2:  در زمینه معروف ترین روابطه که توسط آلبرت اینشتین ارائه شد،(E=MC²) بیش تر جستجو کنید و یافته های خود را به صورت گزارش کامل برای ما ارسال نمایید.

محل بازدید/ اردو/ خرید:  مرکز نجومی آسمان شب، یکی از مراکزی است که می توانید اطلاعات مناسبی در زمینه ادوات و تجهیزات نجومی کسب نمایید، هم چنین در این مرکز می توانید برای تهیه کتب و وسایل کمک آموزشی اقدام نمایید. اطلاعات کامل آن را در آدرس زیر ببینید.

http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=171497

منابع مطالعه:  در آدرس اینترنتی زیر می توانید اطلاعات مفیدی در زمینه نظریه نسبیت خاص کسب نمایید.

http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=188145

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان
تهیه: الهام گارسچی - تنظیم: علی سرمدی

مطالب مرتبط

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه اول
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه دوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه سوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه چهارم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه پنجم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه ششم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هفتم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هشتم