دیدکلی

در دهه اول قرن بیستم انقلابی در فلسفه علوم طبیعی  پیش آمد که بسیاری آن را از حیث عمق معنی و درهم ریزی احکام موجود پذیرفته شده ، نسبت به انقلاب کوپرنیکی-گالیله‌ای برتر به شمار می‌آورند. در این فاصله زمانی دو نظریه بسیار مهمی پا به عرصه رقابت نهادند، نظریه نسبیت و کوانتمی که نسبت به کارهای دانشمندان پیشین از جمله ماکسول ، سارین ، کلوین و کلاوزیوس به نحو چشمگیری متفاوت بودند. این نظریه‌های جدید با  مکانیک کلاسیک نیز در بعضی از اصول و فرضهای بنیادی اختلاف شدیدی داشتند.

این نظریه علاوه بر اینکه در برگیرنده پیچیدگیهای ریاضی است، تصور ذهنی و فهم آن ، بسیار دشوار است. البته شایان ذکر است که انیشتین در مقاله 1905 خود که برای اولین بار به نسبیت خاص خود پرداخت و از معادلات ریاضی ساده استفاده کرد، اما در مقاله 1919 که به نسبیت عام پرداخت، برخلاف مقاله پیشین از فرمولهای پیجیده ریاضی استفاده کرد. نسبیت از ریشه نسبی گرفته شده است، یعنی هر کدام از واحدهای فیزیکی شناخته شده برای توصیف پدیده‌های طبیعی نسبی هستند. به عبارت دیگر می‌توان گفت که بر اساس نسبیت جرم ، سرعت ، شتاب و حتی زمان که برای ما تعریف می‌شوند نسبی هستند.

چند مثال ساده

· در مکانیک کلاسیک   نیوتنی ، نیروی وزن هر جسم در کره زمین را مقدار نیرویی که از طرف زمین بر آن جسم وارد می‌شود و آن را با شتاب g به سمت خود می‌کشاند، تعریف کرده‌اند. اگر از شخصی بپرسید که وزنتان چقدر است؟ او احتمالا می‌گوید: در کجا؟ وزن شخص در آسانسوری که با شتاب به سمت پایین می‌رود، در مقایسه با هنگامی که آن آسانسور با همان شتاب به سمت بالا می رود، فرق می‌کند.

· بابک و نیما  دو دوست هستند که سوار بر اتومبیل پراید با سرعت ثابت  در حال حرکت هستند و مقصد آنها منزل آریا است. در این هنگام آریا از پشت بام منزلشان ، اتومبیل نیما را مشاهده می‌کند. وی در آنجا با انجام محاسباتی توسط دستگاهش ، سرعت نیما و بابک را V بدست می‌آورد (معادل سرعت اتومبیل). در این لحظه اتومبیل پدر آریا  با سرعت ثابت P از کنار اتومبیل نیما می‌گذرد، در آن لحظه عبور ، دستگاه تعبیه شده در اتومبیل پدر آریا، سرعت بابک و نیما را U = V + P نشان می‌دهد.

لحظه به لحظه در حین عبور ، آریا با نیما تماس می‌گیرد و از او می‌پرسد که سرعت بابک را اندازه گیری کند. نیما با شنیدن سخنان آریا ، تعجب می‌کند و می‌گوید: "این دیگر چه سوال احمقانه ای است. می‌بینی که بابک در کنار من ساکن نشسته است، پس باید سرعت او صفر باشد". آریا گوشی را قطع میکند و به پدرش زنگ می‌زند و از او می‌پرسد که دستگاه محاسبه گر او ، سرعت بابک و نیما را چقدر محاسبه کرده است؟ پدر می‌گوید: "سرعت بابک و نیما U = V + P است".

آریا در این هنگام با خود فکر می‌کند که چگونه فردی در درون اتومبیل با سرعت ثابت بنشیند در حالی که خود او دارای سه سرعت کاملاً متفاوتی باشد. آریا با مبنای سینماتیک آشنایی زیادی ندارد. پس سرعت هم نسبی است.

نسبیت خاص و مکانیک کلاسیک

· اصل نسبیت در تمام رویدادهای طبیعی صحیح و صادق است.

· سرعت نور در خلا ، در هر چارچوب لختی که اندازه گیری می‌شود با صرفه نظر از حرکت منبع نور ، معادل c است. اصل موضوع دوم نسبیت ، در واقع اندیشه مکانیک نیوتنی و سینماتیک گالیله‌ای را زیر پا می‌گذارد.

· طبق اصول سینماتیک ، اگر دو جسم متحرک با سرعت ثابت در حال حرکت به سمت یکدیگر باشند، سرعت هر یک از آنها در نقطه بر خورد ، برابر با مجموع سرعتشان است. اما در نسبیت اینیشتین این گونه نیست. اگر در نقطه‌ای نوری را گسیل کنیم، ناظر ساکن و ناظر متحرک که با سرعت v در حال حرکت به سمت منبع است، سرعت نور را c محاسبه می‌کنند. این دو اصل سه نتیجه حیرت آوری به همراه دارد که عبارتند از:

· اتساع زمان: مطابق مکانیک نیوتنی زمان مطلق است، یعنی زمان در تمام نقاط جهان و بدون وابستگی به شرایط حاکم بر محیط ، بطور یکنواخت جریان دارد. اما نیشتین خلاف آن را معتقد است. و در واقع اینجاست که اسحاق نیوتن و انیشتین از هم جدا می‌شوند. انیشتین برای اثبات گفته‌های خود در مورد عدم مطلق بودن زمان ، به اصل موضوعی دوم خود پناه می‌برد، که خلاصه این داستان بدین شرح است که، یکی از دو قلوها تصمیم می‌گیرد که با یک فضاپیما که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند به یک سیاره دور برود. این مسافرت 70 سال زمینی طول می‌کشد. هنگامی که او بر می‌گردد می‌بیند که برادرش به سن 90 سالگی رسیده و در حالی که او 29 سال بیشتر سن ندارد.

· پارادوکس دو قلوها: اتساع زمان در نظریه نسبیت ما را به پارادوکس دو قلوها می‌کشاند ، این پارادوکس بیش از 50 سال بعد از انتشار نظریه نسبیت انیشتین ، مورد بحث میان دانشمندان بوده است.

· انقباض جرالد-لورنتس: اتساع زمان که یکی از مهمترین نتایج نظریه نسبیت است، موجب شد که انقباض لورنتس-جرالد ، قدم به صحنه رقابت بگذارد. ناظر o در چارچوب ساکن لختی قرار دارد و می‌خواهد طول لوله‌ای را محاسبه کند. روش اندازه گیری او ، اینگونه است که یک شی را با سرعت ثابت v ، از یک سر لوله پرتاب می کند و با ثبت مدت زمانی که آن شیء به آن سر لوله می‌رسد و با استفاده از فومولهای سینماتیک ، طول لوله را می‌یابد، او طول لوله را L محاسبه می‌کند. (L = t .v) ناظر Z واقع در چارچوب متحرک لختی نیز می‌خواهد طول همان لوله را محاسبه کند.

او برای محاسبه طول لوله از شیوه ناظر O استفاده می‌کند و طول لوله را `L می‌یابد (`L` = t` .v ). طبق نتایج قبلی نسبیت (اتساع زمان) ، به این نتیجه رسیدیم که زمان در چارچوب متحرک نسبت به چارچوب ساکن ، کندتر می‌گذرد. پس t` > t بنابراین L` > L ، که نشان دهنده انقباض طول لوله در چارچوب متحرک است. درک چنین واقعیتی بسیار دشوار و سخت است. اما لورنتس علت آن را تغییر در نیروی الکترومغناطیسی اتمها در سرعتهای بالا می‌داند. اما متأسفانه تا کنون دانشمندان موفق نشده‌اند که انقباض لورنتس-جرالد را در حد آزمایش عملی کنند.

نسبیت عام

اینیشتین در سال 1919 با ترمیم و تعمیم نسبیت خود ، نسبیت عام را مطرح کرد. نسبیت عام برخلاف نسبیت خاص ، در برگیرنده معادلات و پیچیدگیهای ریاضی بود. یکی از پیش بینیهای این نظریه آن بود که ساعتها در میدان گرانشی بسیار قوی ، کندتر کار می‌کنند و همچنین نور در میدان گرانشی بسیار قوی ، در مسیر مستقیم خود منحرف می شوند. این نظریه توانست به بسیاری از معماهای کیهان شناسی در مورد سیاهچاله ، عمر کرات و سیارات ، انرژی ستاره‌ها و کهکشانها ، چگالی جهان و ... پاسخ دهد.