نظریه‌ی نسبیت انشتین در زندگی واقعی

نسبیت به ما می‌گوید قوانین فیزیک در همه‌جا یکسان هستند و رفتار اشیاء در فضا و زمان را توضیح می‌دهد اما برخلاف آنچه به نظر می‌رسد منطق این نظریه به طرز اسرار آمیزی ساده است

1. ۱ – هیچ مطلقی به عنوان مرجع وجود ندارد هر بار که حرکت جسمی را می‌بینید یا سرعت آن را محاسبه می‌کنید یا حتی جسمی را ثابت در نظر می‌گیرید در حقیقت رفتار آن جسم را در بازه‌ی زمان با جسم دیگری مقایسه می‌کنید.
2. ۲ – سرعت نور همواره ثابت است، مهم نیست فردی که آن را اندازه‌گیری می‌کند با چه سرعتی حرکت می‌کند یا منبع نور چه سرعتی دارد.
3. ۳ – سرعت نور بالاترین سرعت است، امکان ندارد چیزی سریع‌تر از نور حرکت کند.

اما با وجود سادگی مفاهیم تئوری نسبیت انشتین بسیار عمیق است، سرعت همیشه ثابت نور باعث می‌شود زمان برای فضانوردی که با سرعت بسیار بالا نسبت به ناظران زمینی حرکت می‌کند دیرتر بگذرد و تیک تیک ثانیه‌ها در فضاپیما بیشتر طول خواهند کشید، پدیده‌ای که به آن انبساط زمان می‌گویند. هر شی در یک میدان گرانشی بزرگ شتاب می‌گیرد و انبساط زمان را تجربه می‌کند بنابراین فضانوردی که در سفینه‌ی فضایی فوق پیشرفته است با پدیده‌ای به نام انقباض طول مواجه می‌شود به این معنی که اگر شما عکسی از فضاپیما هنگام پرواز سریع بگیرید به نظرتان فضاپیما در جهت حرکت جمع می‌شود علاوه بر این جرم سفینه‌ی فضایی از نقطه نظر افراد روی زمین بزرگ‌تر دیده می‌شود در صورتی که درون فضاپیما همه‌چیز عادی است. اما برای دیدن اثرات قانون نسبیت انشتین لزوماً احتیاجی به سفینه‌ی فضایی با سرعت نور نداریم، در موارد متعددی ما این قانون را دیده‌ایم و در زندگی روزمره تجربه کرده‌ایم، حتی بسیاری از فناوری‌هایی که امروزه استفاده می‌کنیم به لطف قانون نسبیت این دانشمند بزرگ کشف شده‌اند.

۱ – موقعیت یاب جغرافیایی GPS

امروزه در اکثر تلفن‌های همراه و سیستم ناوبری‌های اتومبیل از این تکنولوژی استفاده‌ی زیادی می‌شود. موقعیت یاب جغرافیایی می‌تواند مکان شما را با دقت بالایی تشخیص دهد ولی این دقت بدون در نظر گرفتن اثرات قانون نسبیت انشتین ممکن نخواهد بود. با وجود اینکه ماهواره‌ها از لحاظ سرعت به هیچ وجه به نزدیکی سرعت نور هم نمی‌رسند اما باز هم بسیار سریع حرکت می‌کنند، آن‌ها سیگنال‌هایی را به گیرنده‌های رادیویی در سطح زمین مانند تلفن همراه شما ارسال می‌کنند اما این گیرنده‌ها شتاب بیشتری را از نیروی گرانشی زمین نسبت به ماهواره‌ها در مدار زمین تجربه می‌کنند. برای محاسبه‌ی دقیق مکان اجسام توسط گیرنده‌های زمینی، در ماهواره‌ها ساعتی حساس به میلیاردم ثانیه (نانوثانیه) نصب شده است؛ از آنجا که هر ماهواره در ارتفاع ۲۰ هزار و ۳۰۰ کیلومتری از سطح زمین و با سرعت ۱۰ هزار کیلومتر در ساعت حرکت می‌کند انبساط زمانی در حدود چهار میکروثانیه نسبت به زمین برای ماهواره وجود دارد، با اضافه کردن این میزان به اثرات گرانش تفاوت زمانی حدود هفت میکروثانیه می‌شود (۷۰۰۰ نانوثانیه). در نظر گرفتن این مقدار بزرگ بسیار مهم است، اگر این اثر به دقت محاسبه و اعمال نشود، آنوقت اگر فاصله‌ی شما با مقصد هشت دهم کیلومتر باشد در روز بعد موقعیت یاب آن را هشت کیلومتر تشخیص خواهید داد.

۲ – الکترومغناطیس و برق

مغناطیس اثری نسبیتی است و هرگاه که از وسیله‌ای برقی استفاده می‌کنید باید از قانون نسبیت تشکر کنید. بر اثر حرکت حلقه‌ای سیمی در جریان مغناطیسی نیروی الکتریکی ایجاد می‌شود. ذرات باردار درون سیم بر اثر حرکت میدان مغناطیسی تحت تأثیر قرار گرفته و جریان الکتریکی به وجود می‌آورند؛ حال حالتی را تصور کنید که سیم ثابت است و آهنربا در نزدیکی آن در حال حرکت است، در این حالت ذرات باردار سیم حرکتی نمی‌کنند پس چرا نیروی مغناطیسی به وجود می‌آید؟ نسبیت به ما می‌گوید هیچ مرجع ثابتی برای سنجش حرکت یا سکون وجود ندارد، سیم نسبت به بدن ما ثابت است اما نسبت به آهنربا در حال حرکت است.

توماس مور استاد فیزیک کالج پومونا درکلرمونت کالیفرنیا از اصل نسبیت برای نشان دادن قانون فارادی استفاده می‌کند. قانون فارادی به ما می‌گوید تغییر میدان مغناطیسی جریان الکتریکی را به وجود می‌آورد؛ این اساس کار پشت سر هر موتور الکتریکی و ژنراتور تولید برق است. هنگامی که یک جریان مستقیم (DC) از یک سیم می‌گذرد در واقع الکترون‌ها هستند که از درون فلز عبور می‌کنند، بار الکترونیکی سیم خنثی است یعنی مقدار الکترون و پروتون‌های درون آن برابر است اما اگر سیم دیگری را با جریان DC در نزدیکی این سیم قرار دهیم، دو سیم با توجه به جهت حرکت الکترون‌ها یکدیگر را جذب یا دفع می‌کنند. اگر جهت حرکت الکترون‌ها در هر دو سیم یکی باشد از دید الکترون‌های سیم اول الکترون‌های سیم دوم ثابت به نظر هستند اما پروتون‌ها در حال حرکت هستند، بنا بر انقباض طول نسبیتی با حرکت سریع الکترون‌ها فاصله‌ها برای آن‌ها کوتاه‌تر می‌شود و در نتیجه نسبت بیشتری از ذرات پروتون با نیروی مثبت در برابر نیروی منفی در طول یکسان سیم جای می‌گیرند و در نتیجه دو سیم یکدیگر را دفع می‌کنند، به همین ترتیب جریان در جهت مخالف باعث جذب سیم‌ها می‌شود.

۳ – رنگ زرد طلا

اکثر فلزات به دلیل پرش الکترون‌ها از سطوح مختلف انرژی یا مدار ملکولی براق هستند، برخی از فتون‌ها وقتی با فلز برخورد می‌کنند جذب شده و دوباره ساطع می‌شوند هرچند در طول موجی طولانی‌تر، بیشتر فتون‌های مرئی نور توسط فلزات بازتاب داده می‌شوند. طلا فلزی سنگین است بنابراین الکترون‌های دور هسته‌ی آن به اندازه‌ای سریع هستند که افزایش جرم نسبیتی و در نتیجه انقباض طول قابل توجهی را تجربه کنند، به همین ترتیب الکترون‌هایی که در مدارهای نزدیک‌تر به هسته می‌چرخند شتاب بیشتری نسبت به الکترون‌های دورتر دارند و اثرات نسبیتی قوی‌تری را تجربه می‌کنند. الکترون‌های اربیتال‌های داخلی طلا انرژی نزدیک‌تری به انرژی الکترون‌های خارجی را حمل می‌کنند و طول موج‌های بلندتر را جذب و دوباره ساطع می‌کنند. رنگ سفید ترکیبی از طول موج‌های مرئی نور همانند رنگ‌های رنگین کمان است اما طلا این رنگ‌ها را جذب و با طول موج طولانی‌تری ساطع می‌کند که در نتیجه رنگ زردی به خود می‌گیرد. نمایش زیبای رنگ‌های مختلف در بسیاری از سنگ‌های قیمتی نیز از همین خاصیت استفاده می‌کند.

۴ – مقاومت طلا در برابر پوسیدگی

اثرات نسبیتی در الکترون‌های طلا بجز رنگ زرد باعث می‌شود این فلز زنگ نزند و به راحتی با مواد دیگر واکنشی ایجاد نکند. با اینکه طلا تنها یک الکترون در پوسته‌ی خود دارد اما تمایلی به انجام واکنش با کلسیم یا لیتیوم ندارد. در عوض الکترون‌های طلا سنگین‌تر از آنکه باید باشند هستند و در نتیجه به هسته‌ی آن نزدیک‌ترند، به این ترتیب الکترون لایه‌ی خارجی در مکانی قرار نمی‌گیرد که به مرحله‌ی جفت شدن با الکترون‌های اتم‌های دیگر برسد و به جای آن با الکترون‌های درونی همراه می‌شود.

۵ – مایع بودن جیوه

همچون طلا جیوه نیز یک اتم سنگین است که در نتیجه الکترون‌های آن به هسته نزدیک‌تر می‌شوند و سریع‌تر حرکت کرده و جرم بالاتری پیدا می‌کنند، اما در مورد جیوه این عامل باعث می‌شود پیوندهای بین اتم‌ها ضعیف‌تر شود و در نتیجه در دمای پایین‌تر از بقیه‌ی فلزات، این فلز را در حالت مایع می‌توانیم ببینیم.

6 – تلویزیون‌های قدیمی

تا چند سال پیش اکثر مانیتورها و تلویزیون‌ها از نمایشگر لامپ اشعه کاتد استفاده می‌کردند که با شلیک الکترون‌ها به صفحه‌ای فسفری به وسیله‌ی یک آهن‌ربای بزرگ باعث روشن شدن پیکسل‌های تصویر می‌شد. سرعت این الکترون‌ها تا ۳۰ درصد سرعت نور نیز می‌رسد که باعث اثرات نسبیتی قابل توجهی می‌شود. تولید کنندگان در تولید آهن‌ربای این نمایشگرها این تأثیرات را نیز حساب می‌کردند.

7 – نور

اگر عقیده‌ی ایزاک نیوتن در باره‌ای اینکه جهان ثابت است درست بود ما باید توضیح دیگری برای نور پیدا می‌کردیم. همانطور که قبلاً گفتیم وجود مغناطیس بدون نسبیت غیر ممکن است و حال توضیح می‌دهیم که وجود نور نیز بدون نسبیت غیر ممکن خواهد بود. اگر قانون نسبیت حداکثر سرعت را به سرعت نور محدود نکرده بود تغییرات در میدان مغناطیسی بلافاصله به سرعت بالاتر الکترون‌ها منجر میشد به جای آنکه انرژی به امواج الکترومغناطیسی تبدیل شود و در نتیجه وجود مغناطیس و نور غیر ضروری می‌شد.

۸ – نیروگاه‌های هسته‌ای و ابرنواخترها

ابرنواختر remnant w498 – تصویر ترکیبی از تصاویر مادون قرمز از سطح زمین (رنگ‌های سبز و قرمز) و داده‌های اشعه‌ی ایکس از تلسکوپ فضایی چاندرای ناسا (رنگ آبی)

نسبیت است که باعث می‌شود در نیروگاه‌های عظیم هسته‌ای جرم به انرژی تبدیل شود و به همین ترتیب این قانون است که باعث درخشندگی ستاره‌ها می‌شود. سیگنال‌های مرگ ستارگان عظیم یعنی ابرنواخترها نیز گواه مهمی بر قانون نسبیت انشتین هستند. توماس مور می‌گوید:

ابرنواخترها به دلیل غلبه‌ی اثرات نسبیتی بر اثرات کوانتومی در هسته‌ی یک ستاره‌ی به اندازه‌ی کافی عظیم اتفاق می‌افتند و همین اثر است که اجازه می‌دهند ستاره به طور ناگهانی در نیروی جاذبه‌ی خود سقوط کند تا زمانی که تبدیل به یک ستاره‌ی نوترونی بسیار کوچک و فشرده شود.

در ابرنواخترها لایه‌ی خارجی ستاره به درون هسته می‌ریزد و باعث انفجار عظیمی می‌شود که عناصر سنگین‌تر از آهن را به وجود می‌آورد، در حقیقت تمام عناصر سنگین‌تر از آهنی که ما امروزه می‌بینیم زمانی در آتش ابرنواخترها به وجود آمده‌اند. مور می‌گوید:

بدن ما از موادی که در ابرنواخترها ساخته و پراکنده شده ساخته شده است، اگر نسبیت وجود نداشت حتی عظیم ترین ستاره‌ها نیز هرگز منفجر نمی‌شدند و فقط می‌سوختند تا به کوتوله‌های سفید تبدیل شوند که در نتیجه انسانی نیز به وجود نمی‌آمد که در مورد این مطالب فکر کند.