از نیوتون تا انیشتین چگونه نگرش ما نسبت به ذات فضا و زمان تغییر کرد

[baten kaitos]

از نیوتون تا انیشتین (بخش اول)
در نوامبر 1915 آلبرت انیشتین در آکادمی علوم مربوط به تئوری نسبیت عام شرکت کرد و این نظریه تبدیل به موفقیتی بزرگ شد.

نسبیت عام بر مبنای نسبیت خاص انیشتین پایه ریزی شده که راه حل هایی را برای برخی از بزرگترین معماهای فیزیک نظری قرن ۱۹ ارائه داد.

بنابراین برای درک مفهوم و اهمیت نسبیت خاص ارزش دارد تا توجهی به شرایط فیزیک قرن ۱۹ بکنیم تا ببینیم چطور انیشتین متوجه شد که فضا زمان و هندسه چیزهایی مطلق نیستند بلکه وابسته به محیط فیزیکی هستند.


The Beauty of invariance

زیبایی تغییر ناپذیری

در قرن17آیزاک نیوتون یک سری معادلات را برای توصیف جهان پیرامون ما ارائه داد. این معادلات بسیار موفقیت آمیز از آب درآمدند ، از توصیف یک گلوله توپ گرفته تا حرکت سیارات.

اما این معادلات خصوصیتی بسیار جالب دارند: تمامی مشاهد کنندگان صرف نظر از اینکه حرکت میکنند یا نه یا صرف نظر از اینکه در کدام حالت عـریـ*ـان قرار دارند تمامی آنها توصیف یکسان از جهان پیرامون خود خواهند داشت. قوانین فیزیک برای تمامی افراد یکسان خواهد بود. اما در قرن ۱۹ مردم متوجه شدند که همه چیز طبق ایم قوانین نیست.

Problems with Electromagnetism

مشکلات الکترومغناطیس

قرن ۱۹ دوره ی مطالعات گسترده ی پدیده های الکتریسیته مغناطیس و نور بود. در سال 1865 جیمز کلارک مکسول تعدادی معادلات منتشر کرد که همه ی این پدیده ها را در یک کلمه خلاصه میکرد : الکترومغناطیس

خیلی زود پس از این کشف مردم متوجه شدند که چیزی عجیب در مورد این پدیده وجود دارد : زمانی که ما از یک موقعیت به موقعیت دیگر تغییر مکان میدهیم فرم آنها نیز تغییر میکند. بنابراین فردی که حرکت نمیکند پدیده های فیزیکی کاملا متفاوت را نسبت به فردی که حرکت میکند مشاهده خواهد کرد.

تمام زیبایی تغییر ناپذیری و بی ربطی حالت مشاهده گران که قبلا در قوانین فیزیک نیوتون به آن عادت کرده بودیم دیگر از دست رفته بود.

 

[baten kaitos]

از نیوتون تا انیشتین ( بخش دوم )
در آغاز قرن ۲۰ تحول ریاضی جدیدی کشف شد که ساختار معادلات مکسول را در زمان حرکت از حالتی به حالت دیگر حفظ میکرد. اگرچه بسیاری از مردم به این کشف کمک کردند اما این کشف را به نام تحول لورنتز میشناسیم.

تحول لورنتز با تحول استاندارد حالت های عـریـ*ـان که در قوانین فیزیک نیوتون کاربرد داشتند متفاوت است. در فیزیک نیوتون طول و زمان مطلق هستند بنابراین طول یک جسم در یک حالت یکسان با طول جسم در حالتی دیگر است. همچنین زمان در حالتی یکسان از حالتی به حالت دیگر عبور میکند.

اما تبدیلات لورنتز نشان میدهد که زمان و طول بسته به اینکه شما در کدام حالت هستید متغییر است.

Principle of Relativity

قانون نسبیت

این موضوع انیشتین را سردرگم کرد که آیا این تحول که ساختار معادلات مکسول را حفظ میکرد فقط یک حقه ی ریاضی بود یا اینکه مسئله ای بنیادی در مورد آن وجود داشت. او درگیر این موضوع بود که آیا فضا و زمان هر دو چیز جداگانه و مستقل هستند یا اینکه قوانین تغییر ناپذیری فیزیک بایستی برتر باشند.

در سال 1915 انیشتین به این نتیجه رسید که تغییرناپذیری قوانین فیزیک که باید بالاترین موقعیت را داشته باشند به عنوان قوانین نسبیت فرض میشوند : اینکه تمامی حالات عـریـ*ـان (چهارچوب های عـریـ*ـان) یکسان هستند. حرکت مشاهده گر با سرعت ثابت بی ربط به این حالت ها است و همه ی قوانین فیزیک باید حالت های یکسانی در همه ی فرم های عـریـ*ـان داشته باشند.

زمانی که این موضوع با پدیده ی الکترومغناطیس ترکیب میشود این قانون بایستی برای تغییر حالت از یک فرم عـریـ*ـان به فرم دیگر ساختاری از تحول لورنتز را داشته باشند بدین معنی که فضا زمان دیگر چیزهای مطلق نیستند و در زمان تغییر از یک حالت عـریـ*ـان به حالت دیگر تغییر میکنند.

What about gravity ?

در مورد گرانش چه ؟

در سال 1907 انیشتین عنوان کرد که نظریه او هنوز کامل نشده. قوانین نسبیت تنها در مورد مشاهده گران با سرعت حرکت ثابت قابل اطلاق بود و همچنین با توصیف نیوتون در مورد گرانش متناسب نبود.

انیشتین به عنوان افسر ثبت اختراع دسترسی به تجهیزات آزمایشگاه را نداشت. برای جبران این مورد مجبور بود تا آزمایش های فکری انجام دهد. او سناریوهای مختلفی را در ذهن خود در نظر گرفت و قدم به قدم بر روی آنها کار کرد.

این آزمایشات فکری به او نشان دادند که گرانش تفاوتی با شتاب ندارد. کسی که روی زمین ایستاده احساس مشابهی با کسی که در سفینه ای با شتاب ثابت 1G قرار دارد خواهد داشت.

و اینکه مشاهده گر دارای شتاب خصوصیات هندسی بنیادی را متفاوت خواهد دید.

بنابراین نه تنها فضا و زمان مفهوم مطلق خود را از دست دادند بلکه انیشتین پی برد که هندسه به خودی خود چیزی مطلق نیست و میتواند نسبت به شرایط فیزیکی حساس باشد.

The Road to General Relativity

مسیری به سوی نسبیت عام

همه ی این دلایل انیشتین را متقاعد کرد که هندسه ی فضا زمان و فرآیندهای فیزیکی که در فضا زمان روی میدهند به یکدیگر مرتبط هستند و میتوانند بر یکدیگر تاثیرگذار باشند.

یک نتیجه گیری قابل توجه اینکه : آنچه ما به عنوان گرانش تصور میکنیم تنها یکی از پیامدهای حرکت در فضا زمان است. هر قدر انحنای فضا بیشتر باشد گرانش قوی تر است و زمان بیشتر کش می آید.

۸ سال طول کشید تا انیشتین به رابـ ـطه ی میان هندسه ی فضا زمان و فیزیک پی ببرد.

معادلاتی که او در سال 1915 مطرح کرد نه تنها باعث تفسیر متفاوت از رویدادها اطراف ما شد بلکه توصیفی برای پدیده های ناشناخته نیز ارائه داد : از مدار غیر عادی سیاره ی عطارد ، خمش نور توسط گرانش خورشید ، تا پیش بینی وجود سیاهچاله ها و کیهان در حال گسترش.

راه سختی از فیزیک نیوتون تا رسیدن به نسبیت های عام و خاص طی شده اما هر قدم با بینش انیشتین برداشته شده و به سمت تصویری از کائنات که تا به امروز ادامه دارد رسیده است.