نسبیت خاص و مسئله هم زمانی رویدادها

مقدمه:
صد سال قبل از این زمانی كه هنوز فیزیك به درستی با نیوتن و قوانینش شناخته می شد و هیچ كس به فكر كاستی های مكانیك نیوتنی نیفتاده بود ، آلبرت انیشتین در مقاله ای تحت عنوان « درباره الكترو دینامیك اجسام متحرك» چنین نوشت: « هیچ یك از ویژگیهای واقعیتهای مشاهده شده با مفهوم سكون مطلق ارتباط ندارند، ...برای تمام دستگاههائی كه معادلات مكانیك در آنها بر قراراند ، معادلات الكترودینامیكی و اپتیكی نیز در آنها برقرار خواهد بود...بر این اساس اینشتین دو فرض اساسی بسیار مهم اما ساده كرد كه به جرات می توان گفت: این دو فرض ضمن اینكه برای بیان یك نظریه ساده و سازگار الكترو دینامیك اجسام متحرك ، بر پایه نظریه ماكسول برای اجسام ساكن ، كاملاً كافی اند ،دنیای فیزیك را نیز دگرگون كردند .
فرض های انیشتین كه بعدها اصل نسبیت انیشتین نامیده شد ، نسبت به فرض های نیوتن(اصل نسبیت نیوتنی) این رجحان را دارند كه فراتر از قوانین مكانیك ، تمام قوانین فیزیك را نیز در بر می گیرند.
انیشتین فرض های خود را این گونه بیان كرد:
۱ - قوانین فیزیك در تمام دستگاههای لخت یكسان هستند و هیچ دستگاه لخت مرجحی وجود ندارد ( اصل نسبیت ).
۲ - در فضای تهی مقدار سرعت نور در تمام دستگاههای لخت یكسان و برابر با C است ( اصل ثابت بودن سرعت نور).
در حقیقت اصل نسبیت انیشتین اعتقاد به این موضوع دارد كه ما فقط از حركت نسبی دو دستگاه می توانیم صحبت كنیم و به هیچ عنوان نمی توانیم به وسیله اندازه گیریهای فیزیكی بگوئیم یك دستگاه لخت به خودی خود ساكن است یا متحرّك.
تئوری نسبیت خاص انیشتین پیشگوئیهای مختلفی می كند كه حقیقتاً برخی از آنها در جهت مقابل مشاهده های ما و به عبارت دیگر تصورات اولیه ی ما از آنچه به وقوع می پیوندد می باشد توجه به این نكته بسیار مهم است كه این پیشگوئیها با چارچوبهای مرجع مختلف ثابت و متحرك با سرعت نسبی V در ارتباطند و نیز در نسبیت تنها زمانی نتایج را قابل قبول می دانیم كه سرعت V یك كسر متعارف از C سرعت نور باشد. ( به عبارت دیگر V/C برای ما تعریف شده باشد ).
دو پیشگوئی اساسی و مهم كه انیشتین با نسبیت خاص می كند یكی انقباض طول و دیگری تاخیر زمان است.
همان طور كه از گذشته می دانیم انقباض طول به نتیجه ی اندازه گیری یك جسم در دو چارچوب مختلف اشاره دارد ، اگر در چارچوب مرجع ثابت طول اندازه گیری شده باشد ، در چارچوب دیگری كه نسبت به چارچوب مرجع اولیه حركت دارد طول منقبض شده به نظر می رسد ، و یا به عبارتی دیگر حركت جسم در طول حركت نسبی اش منقبض شده به نظر می رسد .
تاخیر زمانی نیز به این واقعیت مهم اشاره دارد كه زمان بین رویدادهائی كه در موقعیت های یكسان از چارچوب اندازه گیری ثابت هستند كوتاهتر از زمانی است كه به وسیله یك ناظر در چارچوب متحرك با سرعت Vاندازه گیری می شود ، به عبارتی دیگر این طور گفته می شود كه به نظر می رسد ساعتها كندتر كار می كنند .
در اصل یكی از مهمترین این نتیجه ها نسبی بودن همزمانی است كه می توان گفت این مطلب تعبیر دیگری از تاخیر زمانی است و به این صورت توضیح داده می شود كه اگرچه ممكن است از دید یك ناظر در یك چارچوب مرجع دو رویداد در دو مكان متفاوت كاملاً همزمان باشند اما از دید ناظر دیگر كه در چارچوب مرجع دیگری قرار گرفته است این اندازه گیری به صورت همزمان نیست و این طور بیان می كنیم كه همزمانی نیز یك مفهوم نسبی است .
از آنجا كه انقباض طول و تاخیر زمانی از مهمترین مسائل در فیزیك نسبیت هستند به تفسیر و حل یكی از مهمترین مسائل در این مورد می پردازیم :
مساله از این قرار است : قهرمان پرش با نیزه ای را تصور می كنیم ،( به خاطر داشته باشیم كه یكی از مهمترین مسائل در پرش با نیزه ، طول خود نیزه می باشد ) قهرمان را A می نامیم ، او طول نیزه خود را lo اندازه می گیرد كه ما این طول را طول اولیه یا طول صحیح نیزه می نامیم و توجه می كنیم كه A با سرعت نسبی V در حال حركت است . حال اگر ما یك فرد تماشاچی را در جایگاه در نظر بگیریم و او را B بنامیم و از او بخواهیم در دستگاهی كه وی قرار دارد طول میله را اندازه بگیرد ، Bبا توجه به اینكه می بیند قهرمان با سرعت بسیار زیاد می دود به گونه ای كه برای وی سرعت نسبی در نظر می گیرد ، این طول را l اندازه خواهد گرفت كه پس از مقایسه مشاهده خواهیم كرد كه l از دید B كوچكتر از loاز دید Aاست.
l < lo
در حقیقت اگر فرض كنیم كه میله دوم قهرمان( كه همانند میله اول است) در كنار تماشاچی افتاده است تماشاچی طول این میله را بزرگتر از طول میله ای كه در دست A است اندازه گیری می كند ، بنابراین B تصمیم می گیرد این مطلب را به كمیته فنی مسابقات اعلام كند و آنها هم این مطلب را به A ارجاع می دهند و مباحثه سختی بین A وB در می گیرد ، A از B می خواهد كه این مساله را به وی اثبات كند .
برای اثبات این مدعی تماشاچی در صدد ساختن اتاقكی به طول l كه كوتاهتر از lo بوده و وی اندازه گرفته بود بر می آید . او برای این اتاقك از پشت و جلو درب می سازد و از A میخواهد كه با میله كوتاه شده ای كه در دست دارد با سرعت به داخل این ساختمان داخل شود B هر دو درب را می بندد در حالیكه میله A كاملاً در داخل اتاقك قرار گرفته است ( البتّه تاكید كنیم كه این مساله به خاطر سرعت قهرمان A كه از یك طرف داخل و از طرف دیگر خارج می شود فقط برای یك لحظه است) اما در هر حال تماشاچی ادعای خود مبنی بر اینكه طول میله كوتاه شده است را ثابت كرده است.
به نظر شما آیا B درست می گوید؟
A این نظریه را باز هم قبول نمی كند و به B می گوید موقعی كه میله من از درب جلو وارد انبار شده شما درب پشتی را بسته اید ، پس همواره میله من بلندتر خواهد بود.
از آنجائی كه یكی از معروفترین آزمایشها در این گونه مسائل استفاده از لامپ های فلش زن است،
B در فكر ترتیب آزمایشی دیگر به این ترتیب بر می آید:
B می گوید كه برای بر طرف شدن این فكر این بار از چراغ های فلش زن استفاده كنیم . طرز كار این چراغ ها به این صورت است كه با بسته شدن درب ها این چراغ ها كه بر روی درب های جلو و عقب نصب شده است ، روشن می شود . با این توضیحات B از A می خواهد كه بار دیگر با سرعت وارد اتاقك شود تا هر دو نتیجه مشاهدات خود را گزارش كنند .
B این طور گزارش می كند :
هر دو چراغ فلش زن رو به درب های جلوئی و پشتی همزمان با هم روشن می شوند و نتیجه این كه طول میله كوتاه شده است .
و اما آنچه A گزارش می كند به ترتیب زیر است :
هنگامی كه میله من از درب جلو وارد انبار شده چراغی كه روی درب پشتی نصب شده بود زودتر روشن شد .
به نظر شما این اختلاف نظرها از كجا ناشی می شود ؟ به عبارت دیگر آیا یكی از این دو نفر اشتباه می كنند ؟ و كدام یك ؟
بیائید این موضوع را بیشتر تفسیر كنیم :
گفته تماشا چی (B) صحت دارد زیرا او این دو رویداد را كاملاً همزمان مشاهده می كند ، در عین حال گفته قهرمان A هم صحیح است ، به این علت كه در چارچوب اندازه گیری وی كه در حال حركت با سرعت نسبی V است همزمانی مفهومی نسبی پیدا می كند .
شاید بزرگترین اشتباهی كه ما در مسائل نسبیت می كنیم عدم توجه به مسائلی از قبیل نسبی بودن سرعت ، نسبی بودن همزمانی و ... است . در حقیقت اگر بخواهیم از تعریف انقباض طول هم استفاده كنیم ، می بینیم ناظری كه در حال حركت با سرعت نسبی V نسبت به ناظر در دستگاه دیگراست ، امّا در دستگاه خود حركتش نسبت به میله با سرعت نسبی همراه نیست با توجه به مساله تاخیر زمانی طول میله را بزرگتر از ناظر در دستگاه دیگر می بیند . یكی از بهترین نمایش های كلی برای مسائل نسبیت ، رسم نمودار مكان- زمان می باشد . كه در زیر این نمودار را برای هر دو ناظر رسم می كنیم :
در این نمودار خطوط نقطه چین نمایش گر دید ناظرهاست هنگامی كه از لامپهای فلش زن استفاده شد ، خطوط كم رنگ نمایش گر دید ناظرهاست هنگامی كه قهرمان با سرعت داخل اطاقك ساخته شده شد و خطوط پررنگ نمایش گر دید ناظرها در لحظه اول می باشد .


نوشته : طیبه طهماسبی

منبع : شبکه فیزیکی هوپا