جهان مکانیک

 

جهان مکانیک       07/ 06/ 1384

 

 

درجلسه گذشته تاریخ نظریه نسبیت  ذکرشد. درآن زمان نظریه وجود  اتر مطرح بود که آزمایش مایکل سون مورلی رامردود شناخت وبعد آلبرت اینشتین  نظریه نسبیت را مطرح کرد. این داستان ازدیدگاه منطقی درست است اماازدیدگاه تاریخی  چنین نیست . من می خواهم درباره بخشی ازاین نظریه که هنوزانتقال  لورنس  نامیده می شود توضیحی  بدهم . درمعادلات انتقال  لورنس قبل ازهرچیزسرعت نورمطرح است  . سرعتی که ازمعادلات  مکث ون  بدست می آید.مایکل سون با دقت زیادی سرعت نور را سیصد هزار کیلومتردرثانیه  تعیین کرد. سرعت نوردرفیزیک جدید  و درک جهان هستی  ازاهمیت زیادی برخورداراست . دراواخرقرن نوزدهم سرعت که متحرک ترین  تجربه انسان بود با قطار تأ مین می شد. درآن  هنگام موتور هنوز تکامل نیافته بود.درآن  دوره هرنوع از قطارها نشان سرعت بودند .ولی تنها چیزی که همیشه انسانها راسریعترجابجا می کند سیاره زمین است که باسرعت صد وهشت  هزار کیلومتر درساعت به دور خورشید می گردد. برای فیزیکدانان  قرن بیستم سرعت زمین نسبت به سیال اتر اهمیت زیادی داشت . ازروزگارارسطو این باور شکل گرفته بود که فضا ازسیالی به نام اتر پرشده است      .این سیال مدتها بعنوان یک فرضیه مطرح بود تا سرانجام دوآمریکایی تصمیم گرفتند وجود سیال اتر رابرای همیشه اثبات کنند. این دو آمریکایی آلبرت مایکل سون  وادوارد مورلی  نام داشتند . هدف آنان ازاین آزمایش ، تعیین چگونگی حرکت زمین درون اتربا بررسی  تأثیرسرعت آن برسرعت نوربود. آنان باحساس ترین دستگاههای آزمایشی چیزی رایافتند که بدنبال آن نبودند . دستگاه اینترفرامت  نشان داد بدون درنظرگرفتن حرکت هرناظر سرعت نوربرای همه انها یکسان است . البته این خبرخوشایندی برای آن دونبود و این خبردرسراسرجهان منتشرشد وبه ایرلند رسید  درآنجا فیزیکدانی  به نام  چورال  که درزمینه نظریه  الکترومغناطیس  مکث ون  تحقیقاتی کرده بود ، نتایج بدست آمده ازآزمایش  مکث ون  رابازنگری  کرد. وی گفت  :" حرکت دستگاه اینترفرامت  درون سیال اترباعث انقباض یکی ازبازوهای آن شده است ومقداراین انقباض به اندازه ای بوده است که باعث شده است  هردوپرتو نورهمزمان باهم به دستگاه برسند.بسیاری ازدانشمندان بااین فرضیه مخالفت کردند . ولی هنگامی که فیزیکدانی  به نام  هنری لورنس  به این نتیجه رسید کسی بااومخالفت نکرد. لورنس  ازاستادان نظریه  الکترومغناطیس  مکث ون بود که توانست توضیح محسوسی درباره پدیده انقباض عرضه کند. به نظراو این انقباض ازخواص الکترونها بود که وجود آنها به وسیله تامسون وهمکارانش  درانگلستان اثبات شده است .به نظرمی رسید که الکترونها بخشی ازاتمها ویکی ازذرات بنیادین ماده باشد. ولی درآن دوران همه تواناییهای الکترونها کشف نشد. لورنس احتمال داد که الکترونها درامتداد جهت حرکت  منقبض می شوند.اگراین امر صحت داشت با توجه به اینکه همه چیز ازالکترون سا خته شده است دستگاه اینترفرامت نیزممکن بود درجهت حرکت منقبض شود. به نظرمی زسید که انقباض طولی توضیح مناسبی برای نتیجه  آزمایش مایکل سون  مورلی وتمام آزمایشهایی است که برای حرکت زمین درون سیال اتر انجام شده است . همانطورکه گالیله  درعصررنسانس آگاه بود وامروزه می دانیم سرعت هرجسم بستگی به سرعت ناظردارد . ولی لورنس اعتقاد داشت که ماهیت امواج نوری اینگونه نیست . وی پیشنهادکرد که حتی اگرفردی با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند بازهم  سرعت نور  را  سیصد هزار  کیلومتر در ساعت  خواهد دید  . فرض کنید دو ناظر که آلبرت  وهنری  هستند نسبت به هم درحال حرکت هستند .این دوناظر درزمان ومکان معینی ازکناریکدیگر می گذزند وهردو باهم  نوری را مشاهده می کنند. نورازنقطه ای به صورت  موجی کروی منتشرمی شود. هردو ناظرسرعت نور را نسبت به خود اندازه می گیرند،براین باورند که درمرکز موج کروی  قراردارند .درظاهراین دوناظر ازیکدیگردورمی شوند .ولی چگونه ممکن است که دوناظر که درمکانهای مختلفی قراردارند هردو درمرکز یک کره قرارداشته باشند.برای تأئید درستی مشاهده خودهریک ازاین دو ناظر دوحس گر نوری درفاصله های مساوی  قرارمی دهند.  درحالیکه نورهرزمان  به حس گرهای اینشتین می رسد. ازنظروی نوری دردولحظه  متفاوت به حس گرهای لورنس می رسد. درعین حال  هنری نیز پدیده  همسانی رابه صورت معکوس  تجربه می کند. این دوناظردرباره سرعت نوراتفاق نظردارند ولی درباره روی دادن هنگام  پدیده ها هم عقیده نیستند. این امرگویای این مطلب است که زمان نیزمانند فاصله  تحت تأثیرحرکت قراردارد. ریاضیدانی فرانسوی به نام هاری پان کاره  طبیعت محدود توضیح  لورنس را یادآوری کرد. به نظراودراین میان به قوانین جدید بنیادین درعلم  فیزیک نیازشد. قوانینی مانند اصل نسبیت که به کمک آن پدیده های فیزیکی برای ناظران ثابت وناظرانی که باسرعت یکسان حرکت می کنند به گونه ای یکسان توصیف شود. به عبارت دیگربه گفته گالیله هروضعیتی درحرکت یکنواخت ارزش یکسانی دارد. این توصیف  سیصد سال زیربنای استدلالهای  گالیله وقوانین اینرسی بود . هانری پان کاره پیشنهاد داد که قوانین گالیله باید تغییرداده شود تا تمام پدیده های فیزیکی  مانندنور را نیزدربربگیرد. گرچه  پان کاره  نتوانست نتایج حاصل ازچنین تحقیقاتی را به درستی تحلیل کند. ولی لورنس معادلاتی بدست آورد که دقیقا" نشان می داد که خط کش ها درزمان حرکت چقدرمنقبض می شود وساعتها چقدر آهسته ترکارمی کنند. ماهیت استدلالهای اورابه کمک یک ساعت ساده  می توان بهتردرک کرد .  بین هرواحدزمانی ساعت پرتو نور مسیرمایلی را   تعیین می کند واین به این معنی است که  این پرتو مسیرطولانی تری را می پیماید. این سرعت نوربرای هرناظری  یکسان است درنتیجه نور برای پیمودن مسافتهای طولانی تر به زمان بیشتری نیزنیازدارد.

بدین ترتیب برای ناظردرحال سکون ساعت درحال حرکت  به اندازه ضریب گاما آهسته ترکارمی کند. خط کش یاهرجسم دیگری به اندازه همین ضریب  منقبض می شوند.این انقباض به انقباض  فیزچورال  معروف است . برای سرعتهایی که نسبت به سرعت نورکوچکترهستند ضریب گاما  چندان بزرگ نیست . مثلا" سیاره زمین درحین  حرکت به دور خورشید به اندازه یک پرکاه منقبض می شود. درزمانی که لورنس مشغول تکمیل فرضیه خود بود قطارهای بخار رکورد سرعت صد  مایل درساعت را شکستند. درچنین سرعتی طول کل قطار به اندازه یک اتم کوتاهتر می شود .لورنس با سرعت هرچه بیشتر فرضیه خود را تکمیل می کرد . اواکنون یک فیزیکدان بین المللی بود که فیزیکدانان  جوان سراسردنیا درکلاسهای اوحاضرمی شدند. کلاسهای اودرکلاسهای لاتین بود. اینشتین نیزبه دانشگاه لاتین آمد. لورنس طی سالها تأثیرزیادی براینشتین گذاشت .اینشتین  قبل ازمرگش گفت :" من  لورنس رابیش ازهرکس دیگری دوست دارم  وهمیشه اوراتحسین کردم " . لورنس باعلم به اینکه درمسیردرستی است نتایج کارهای خودراگسترش داد وسؤالی رامطرح کرد . اگراجسام درحال حرکت کوتاهترمی شوند ، پس ساعتهای درحال حرکت نیزآهسته ترکارمی کنند، آنگاه چطور دوناظری که نسبت به هم درحال حرکت هستند می توانند برزمان ومکان پدیده ها اتفاق نظرداشته باشند. برای پاسخ به این سؤال به معادلاتی نیازبود که بتوان آنها را جانشین معادلات قدیمی  انتقال  گالیله کرد. هرچند یافتن این معادلات کاردشواری نبود  ولی باور بعضی از کاربردهای آن بسیار دشواربنظر می رسید . برای متغیرزمان هرچند می توان ساعتهارا برای دستگاه  مختصات به گونه ای تنظیم کرد که هماهنگ باشد ولی زمان بدست آمده  ازآنها به موقعیت مکانی بستگی دارد .زمان دریک دستگاه مختصات متحرک از رابطه   :                             

 (C    T= Y ( T - VX /    (  گاما  در T  منهای  VX      برروی  مجذور C            بدست می آید . این معادلات ، معادلات انتقال لورنس نامیده می شود وماهیت ریاضی نظریه         وجود نسبیت رابه نمایش می گذارد . معادلات  انتقال  لورنس بدون درنظرگرفتن دستگاه مختصات درحال حرکت ، زمان را کند و فواصل را منقبض می کند. این معادلات  کارهای دیگری  نیزانجام می دهد ودرواقع زمان وفضا را با یکدیگر مرتبط می کند. زمان اتفاق یک واقعه بدون تغییر مکان آن معنی ندارد. درسال  1904  لورنس نسخه قطعی نظریه خود درباره الکترونها را درهلند منتشرمی کند که حاوی معادلات  اصلی نظریه نسبیت است . ولی هنوزهیچکس  نام  آلبرت  اینشتین  را نشنیده بود . ازاین روبعضی براین باورند که وی درطول تاریخ  بیشترازآنچه استحقاقش بود تمجید شده است .درسال 1905  فیزیکدان  جوانی درشهربرن سوئیس ازناپایداری هایی  که درعالم فیزیک به چشم می خورد آزرده است . آیا می توان اینرسی وقوانین مکانیک را پایدارکرد؟ با توجه به نظر مکث ون  درباره نور و الکترومغناطیس ، اینشتین به این نتیجه می رسد که این امرامکان پذیر نیست . حتی اگراین کار به قیمت چشم پوشی ازسیال اتر ومفهوم ساعتی زمان وفضا باشد. اودوقضیه بنیادین را پیش می کشد . اولین آن  اصل نسبیت  پان کاره است  که  طبق آ ن  قوانین  فیزیک برای تمام دستگاههای دارای انرژی  صادق است . قضیه دوم نیز می گوید : سرعت نور برای هرناظری یکسان است . اوپدیده هایی که لورنس سعی در توصیف آن داشت به عنوان فرض درنظرگرفت . اینشتین  ازاین دوقضیه همان معادلاتی رابدست آورد که لورنس  قبلا" بدست آورده بود. ولی اکنون این معادلات  مفهوم متفاوتی داشت  چون مفاهیم  زمان  وفضا با هم ترکیب شده بود. ماهیت این فرضیه را می توان با درنظرگرفتن زمان به عنوان بعدی  جدید بهتردرک کرد. هنگامی که آلبرت  وهنری  یک موج نوری کروی شکل درحال انبساط  رامشاهده می کنند این موج درنقاط  معینی اززمان وفضا به حس گرهای نوری آنان می رسد و هریک ازآنها  یک  واقعه نام دارد. درعین حال موج نورمخروطی  را تشکیل  می دهد. ازدیدگاه آلبرت وقایعی که درمقطع افقی اتفاق می افتند همزمان هستند.برای او ابتدا یکی از حس گرهای  هنری روشن می شود، سپس هردوحس گر خودش باهم روشن می شود. درنهایت نیز حس گر دیگر هنری روشن می شود. ازاین رو ازدیدگاه وی این دو واقعه همزمان روی داده اند ولی ازدیدگاه هنری  برعکس است .بدین ترتیب علاوه برمایل شدن خطوط  هم وضعیت ، خطوط همزمان نیز برای  هنری مایل شدند. برای  هنری  وقایع  همزمان برروی منبع مایل اتفاق می افتد . ازدیدگاه هنری  خطوط  هم وضعیت  وهمزمان  بریکدیگرعمودند .نکته جالب این است که این امر باعث تغییر شکل درمخروط  نور نمی شود . چنین دیدگاهی  دیاگرام زمان فضا  نامیده می شود وبه کمک  آن بسیاری ازتأ ثیرهای عجیب نسبیت رامی توان تصورکرد. دردیاگرام زمان فضا ، اینشتین روی محور فضای خود اندازه می گیرد، که  خط کش هنری  نسبت به  خط کش او کوتاهتر است . درمحوردیگرنیز عکس این قضیه است . حال به معمای ساعت برمی گردیم . چگونه هریک از آنان تصورمی کند که ساعت دیگری آهسته ترکارمی کند. کافی است که دردیاگرام زمان فضا  ، مسیر پرتوهای  نور را دنبال کنید. برروی محورزمان اینشتین  ساعت هنری بافاصله زمانی بیشتری نوسان می کند .ازطرف دیگربرروی محور زمان هنری ساعت آلبرت نوسانهایی  با فاصله زمانی بیشتردارد. معادلات انتقال  لورنس را ازدیدگاههای متفاوتی  می توان  بررسی کرد. هنگامی که لورنس این معادلات را برای نخستین بار بدست آورد اینشتین  نیز ازمسیر جداگانه ای   به این معادلات رسید . لورنس  ازاین معادلات برای توضیح نتایج  بدست آمده ازآزمایش مایکل سون مورلی استفاده کرد. درحالیکه هدف اینشتین  ازبدست آوردن این معادلات  ، طرح نظریه نسبیت به عنوان یکی از اصول بنیادین درحیطه علم فیزیک بود .

بدین ترتیب  دو تاریخ  کاملا"  مجزا  برای نظریه نسبیت  وجود دارد. یکی ازآنها بدین گونه است که هنگام وجودسیال اتر آزمایشهای مایکل سون مورلی  ودیگر آزمایشها به اثبات او موفق نبودند. لورنس  وپان کاره  باسعی  وتلاش  معادلاتی بدست آوردند که برای توضیح نتیجه این آزمایشها لازم بود.  اینشتین  نیز ازمسیر مستقل دیگر درباره  مشکلات نور والکتریسیته  تحقیق کرد وبا درکی عمیق تر به نظریه  همگونی دست پیدا کرد. شایدبتوان گفت که اینشتین  سهم  اندکی درنظریه نسبیت  داشت این گفته همانند این است که بگوییم  کوپرنیک هم جزانتقال  مختصات  ریاضی کاری نکرد. این گفته ها حس بی اهمیت جلوه دادن تاریخچه  واقعی  این دو موضوع است .

/ 0 نظر / 10 بازدید