نظریه نسبیت آلبرت انیشتین (Theory of Relativity)



تئوری جاذبه ای که نیوتن (Newton) ارائه کرد خیلی زود بدون تقریبآ هیچ سئوالی جدی مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. تا اینکه در اویل قرن بیستم آلبرت اینشتین (Albert Einstein 1879-1955) با ارائه نظریه نسبیت خاص در سال 1905 و نظریه نسبیت عام در سال 1915 نه تنها قوانین فیزک و جاذبه عمومی نیوتن بلکه پایه های فیزیک عصر خود را لرزاند.
هر چند قبل از او ماکس پلانک (Max Planck) با ارائه نظریه کوانتم (Quantum) تا حد زیادی فیزیک نیوتنی را زیر سئوال برده بود اما اینشتین با انتشار مقاله های خود راجع به تئوری نسبیت رسما" ثابت کرد که فیزیک نیوتن در حالت های بسیار خاص پاسخگوی پدیده های فیزیکی می باشد.
وی بعد ها با فعالیت هایی که در سالهای 1920 تا 1925 انجام داد بعنوان یکی از پایه گذاران اصلی مکانیک کوانتم نیز شناخته شد.
آلبرت اینشتین طی سالهای 1930 الی 1955 به بررسی رفتار عالم هستی پرداخت و مقالاتی در این باره منتشر کرد. او می خواست با ترکیب تئوری نسبیت و کوانتم به تئوری جامعی برای مدل کردن جهان هستی دست پیدا کند که زندگی این فرصت را برای تکمیل کار به او نداد. اما بعد ها در سال 1933 هابل (Hubble) و هومنسون (Humanson) با تحقیقاتی که در زمینه کهکشانهای مختلف انجام دادند بر نظریه های او را جع به جهان هستی صحه گذاردند.



مقدمه

از همان ابتدای خلقت ، دست یافتن به نظریه ای برای همه چیز دل مشغولی بشر بود ، یافتن جوابی كه پاسخ تمامی سئوالات باشد . سئوالاتی كه مطرح شده اند و یادر آینده ممكنست مطرح شوند چه سئوالات مربوط به متافیزیك ، چه سئوالات مربوط به جهان ماده .
ناممكن بودن دست یافتن به نظریه ای برای همه چیز در محدوده ی مسائل مادی و غیرمادی بشر را مجبور ساخت تا مشكلات خود را در دو حوضه ی  مجزا مورد مطالعه قرار دهد، در عرصه غیر مادی انسان به سرعت، شاید در همان دوران غارنشینی به نظریه ای برای همه چیز دست یافت اما در حیطه ی مسائل مادی هزاران سال است انسان برای رسیدن به این نظریه تلاش می كند ودر این راستا بشر و طبیعت به زور آزمایی با هم پرداخته اند ، این مبارزه من را به یاد كارتون های افسانه ای می اندازد كه پیرمردی با ریش سفید و بلند، عصا به دست (طبیعت) معمایی مطرح می كند و پسربچه ای (انسان) بی تجربه با تحمل مشقات زیاد و كسب تجربه و علم به آن پاسخ می دهد.
این رویارویی پایاپای تاكی ادامه دارد و برنده ی این بازی كیست ؟ انسان یا طبیعت ؟
بیش از صد سال پیش انسان موفق شد همه معما های به جا مانده از گذشته های دور را در قالب فیزیك كلاسیك قدرتمندانه پاسخ دهد و  دانشمندان را در به پایان رسیدن دوران جستجو و كنكاش دلخوش نماید .
در این میان فریادهای مستانه ی دانشمندانی از گوشه و كنار جهان به گوش می رسید كه ما دیگر قادر خواهیم بود هرآنچه در آینده ممكنست رخ دهد با مطالعه ی وضع موجود پیش بینی كنیم چرا كه راز نظم بنیادین طبیعت را كشف نموده ایم ودر قالب فیزیك كلاسیك فرمول بندی كرده ایم .
ولی چه زود طبیعت به حال خوش آنان (باپیش كشاندن چندین معما نظیر سرعت نور ، تابش جسم سیاه ، اثر كامپتون ، اثر فوتو الكتریك،...)   پایان داد مشكلات پیچیده ای كه برای حل آنها دیگر از دست فیزیك كلاسیك كاری بر نمی آمد .
اما دیری نپائید كه مسائل لاینحل و آزاردهنده ی پیش روی فیزیك كلاسیك با ابداع نظریه های نسبیت توسط انیشتین بر طرف شد و توپ را انسان برا ی بار دیگر  به زمین طبیعت انداخت .
فیزیك كلاسیك به همراه نسبیت ها  هرچه در زمین و ورای آن رخ می داد را قانونمند ساخت و به سئوالاتی مانند موقعیت یك ذره در آینده ( با مطالعه نیرو های وارد بر آن ) تاریخ كسوف های بعدی ، ماهیت عالم و چگونگی شكل گیری آن و صدها رخداد مشابه از این دست را به دقت پاسخ میداد .
طولی نكشید كه ایده ای دیگر سر از تخم تكامل اندیشه ی بشر بیرون آورد . كوانتوم . ایده ای جسورانه، نظریه ای كه ریزترین اجزاء طبیعت را مورد مطالعه قرار می دهد ، به یمن دست آورد های فیزیك كوانتومی بود كه به ناگاه ذراتی از پس پرده ی نمایان شدند كه تا آن زمان طبیعت آنها را از چشم بشر مخفی نگاه داشته بود ،دهها نوع ذره با نامها و رفتارها ی متفاوت ، این كوانتوم بود كه معما هایی چون ساختمان اتم و مولكول ها را به انسان شناسانید و او را در شكافتن دل ذرات یاری نمود تا آفتاب  نهان در آنها را به نظاره بنشیند و برای بار دیگر ذهنش را از سئوالات گوناگون رهایی بخشد.
انسان قرن بیستم موفق شد به طور باور نكردنی سئوالات به ارث مانده از پیشینیانش را كه طی صدها سال بی پاسخ مانده بود را پاسخ دهد . وتمام جوانب عالم را به كمك نظریه های گوناگون توضیح دهد اگر این نظریه ها را ما به شكل لباسی در نظر بگیریم كه انسان تن طبیعت كرده است ،این لباس در عین پوشاندن بدن عریان طبیعت اما از یك ناهمگونی آزاردهنده ای برخودار است ، پیراهن كوانتومی وصله خورده ،كت چروك و گشاد نسبیتی،بهمراه شلوار مرتب اما تنگ و كوتاه كلاسیكی .
 این لباسی كه ما به تن طبیعت كردیم به زحمت توانستیم قسمتی از پیراهن كوانتومی را به زیر شلوار كلاسیكی جای دهیم (كنایه از بسط برخی از روابط كوانتومی جهت استفاده در محاسبه وقایع ماكروسكوپی ) و وصله های آن را به زیر كت نسبیتی بپوشانیم (كنایه از اتحاد نسبیت خاص با مكانیك كوانتومی و تدوین نظریه كوانتومی میدان
با این اوضاع آیا می توانیم به انجام وظیفه مان خرسند باشیم و بگوییم هرچه طبیعت از ما طلب می كرد ما آن را به انجام رساندیم.
چگونه می توانیم طبیعت را از این پوشش نا مرتب برهانیم ؟ طبیعتی كه ما هنوز كفشی به پاهای برهنه اش نكرده ایم(منظورناتوانی در حل معماهای امروزی مانند ماده تاریك، انرژی تاریك ،سرانجام عالم ،ماهیت نوترینو ،...)

آلبرت انیشتین دو نظریه دارد. نسبیت خاص را در سن 25 سالگی بوجود آورد و ده سال بعد توانست نسبیت عام را مطرح کند.


نظریه نسبیت خاص

نسبیت خاص یکی از نظریاتی است که انیشتین مطرح کرده و شامل سه پدیده در سرعت ‌های بالا است .

* انقباض لورنتزی که کاهش طول جسم در مسیر حرکت است
* اتساع زمان که کند شدن زمان است
* افزایش جرم .

نسبیت خاص بطور خلاصه تنها نظریه ایست که در سرعتهای بالا ( در شرایطی که سرعت در خلال حرکت تغییر نکند--سرعت ثابت ( میتوان به اعداد و محاسباتش اعتماد کرد. جهان ما جوریست که در سرعتهای بالا از قوانین عجیبی پیروی می کند که در زندگی ما قابل دیدن نیستند. مثلا وقتی جسمی با سرعت نزدیک سرعت نور حرکت کند زمان برای او بسیار کند می گذرد. و همچنین ابعاد این جسم کوچک تر میشود. جرم جسمی که با سرعت بسیار زیاد حرکت می کند دیگر ثابت نیست بلکه ازدیاد پیدا می کند. اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند، زمان برایش متوقف می شود، طولش به صفر میرسد و جرمش بینهایت میشود.


حتی زمان هم نسبی می باشد!

از نتایج جالب تئوری نسبیت خاص می توان به بیان ارتباط میان زمان و و فضا (فاصله) و اینکه تمام موجودیت ها در دنیا با یکدیگر مرتبط بوده و بر یکدیگر اثر می گذارند، اشاره کرد. نیوتن معتقد بود که زمان ثابت است و در تمام نقاط به یک صورت عمل می کند. اما اینشتین نشان داد که اینگونه نیست.
مثال جالبی که معمولا" در این باره بیان می شود آن است که دو برادر دوقلو را در نظر بگیرید. یکی روی زمین می ماند و دیگری با یک فضا پیما با سرعت نزدیک به نور به سمت فضا حرکت می کند. پس از آنکه برادر روی زمین 100 سال از عمرش بگذرد، برادری که در فضا پیما می باشد فقط یکسال از عمرش گذشته است!


نظریه نسبیت عام

انیشتین در نوامبر سال ۱۹۱۵ یک سری سخنرانی‌هایی در آکادمی علوم پروس ایراد کرد که در آن نظریه جدید گرانش، موسوم به نسبیت عام را مطرح کرد. او در آخرین سخنرانی ای که ایراد کرد معادله‌ای را مطرح کرد که جانشین قانون جاذبه نیوتون شد، معادله میدان انیشتین. این نظریه قائل به این است که نه تنها کسانی که یا یک سرعت ثابت در حرکتند، بلکه تمامی ناظران یکسان و هم ارز هستند. در نسبیت عام، گرانش دیگر نیرو محسوب نمی‌شود (مانند قانون جاذبه نیوتون)، بلکه آن نتیجه خمیدگی مکان- زمان است .
به خاطر جنگ، مقالاتی که انیشتین در مورد نسبیت عام چاپ کرده بود، در خارج از آلمان در دسترس نبود. خبر نظریه جدید انیشتین توسط فیزیک دانهای هلندی هنریک آنتون لورنتز و پل اهرنفست و همکار آنها ویلیام دو سیتر که مدیر رصد خانه لیدن بود، به منجمان انگلیسی زبان در انگلیس و آمریکا رسانده شد. در انگلیس، آرتور استنلی ادینگتون که دبیر انجمن نجوم سلطنتی از دو سیتر خواست تا یک سری مفالاتی به زبان انگلیسی به نفع منجمان بنویسد. نظریه جدید او را مجذوب خود ساخته بود و از این رو یکی از مدافعان و مبلغان اصلی نسبیت شد. . اغلب منجمان هندسی سازی گرانش توسط انیشتین را نمی‌پسندیدند و معتقد بودند پیش بینی‌های او در مورد خمیدگی نور و به قرمزی گرایی گرانشی درست از آب در نخواهد آمد. در سال ۱۹۱۷، منجمان رصد خانه ویلسون در کالیفرنیای جنوبی نتایج تحلیل طیف نور را که در ظاهر نشان می‌داد که در پرتو خورشید به قرمزی گرایی گرانشی وجود ندارد، منتشر کردند. . در سال ۱۹۱۸، منجمان رصد خانه لیک در شمال کالیفرنیا تصاویری از خورشیدگرفتگی که در ایالات متحده قابل رویت بود گرفتند.پس از پایان جنگ، آنها نتایج بررسی‌های خود را اعلام کردند و مدعی شدند که پیش بینی نسبیت عام انیشتین در خصوص خمیدگی نور اشتباه بوده‌است. با این حال آنها به خاطر خطاهای احتمالی فراوان، هیچگاه اقدام به چاپ نتایجی که به دست آورده بودند نکردند .
آرتور استنلی ادینگتون، طی سفرهایی که درماه می ‌سال، ۱۹۱۹ در زمانی که خورشید گرفتگی در بریتانیا رخ داد، به سوبرال سیارا برزیل و جزیره پرینسیپ در ساحل غربی آفریقا داشت، اندازه گیری خمیدگی گرانشی عدسی نور ستاره را به هنگام عبور از نزدیکی خورشید تحت نظارت داشت و در نهایت به این نتیجه رسید که محل قرار گرفتن ستاره از خورشید دورتر است. این حالت عدسی گرایی گرانشی نامیده می‌شود و وضعیت ستاره‌های مشاهده شده دو برابر حالتی بود که فزیک نیوتنی پیش بینی اش را می‌کرد. معهذا، این حالت با پیش بینی هم ارزی میدانی انیشتین (هم ارزی میدانی) نسبیت عام همخوان بود. ادینگتون اعلام کرد که نتایج به دست آمده پیش بینی انیشتین را تایید می‌کند و مجله تایمز در هفتم نوامبر آن سال با اتنخاب تیتر زیر تایید شدن پیش بینی انیشتین را گزارش کرد: ""انقلابی در علم، نظریه‌ای جدید در مورد جهان، ایده‌های نیوتن اعتبار خود را از دست می‌دهد."" ماکس بورن، برنده جایزه نوبل از نسبیت عام به عنوان ‹‹ بزرگ‌ترین دستاورد و شاهکار تفکر بشری در مورد طبیعت›› بر شمرد و پل دیراک نیز که یکی از برندگان جایزه نوبل است، از آن به عنوان ‹‹ بزرگ ‌ترین اکتشاف علمی آن زمان›› یاد کرد. این اظهار نظرها و تبلیغات متعاقب از آن، باعث شهرت و معروفیت انیشتین شد.او در سطح جهانی معروف شد که موفقیت استثنایی و خاصی برای یک دانشمند محسوب می‌شود.
با این حال هنوز هم بسیاری از دانشمندان به دلایل مختلفی که شامل دلایل علمی (مخالفت با تفسیر انیشتین از آزمایش ‌های انجام شده، اعتقاد به اتر و یا ضرورت وجود ملاک مطلق) و دلایل روانی- اجتماعی (محافظه کاری، یهود ستیزی) می‌شد، نظریات انیشتین را نمی‌پذیرفتند. به نظر انیشتین، اغلب مخالفتهایی که با نظریه او می‌شد، از جانب آزمایش باورانی بود که درک ناچیزی از نظریه مطرح شده داشتند .
شهرتی که انیشتین بعد از چاپ مقاله ۱۹۱۹ دست آورده بود، باعث شد بسیاری از دانشمندان نسبت به ابراز نفرت و انزجار کنند و نفرت و انزجار برخی از آنها حتی تا دهه ۳۰ نیز ادامه یافت. مباحث زیادی در مورد ابراز انزجار نسبت به شهرت و معروفیت انیشتین وجود دارد، بویژه در میان آن دسته: از فیزیک ‌دانان آلمانی که بعد‌ها جنبش ضد انیشتینی ‹‹دویچه فیزیک›› را در مقدمه Klaus Hentschel ؛ یعنی ‹‹ فیزیک و سوسیالسم اجتماعی›› به راه انداختند.
انیشتین در ۳۰ مارس سال ۱۹۲۱، یعنی همان سالی که برنده جایزه نوبل شد، برای ایراد سخنرانی در مورد نظریه جدید نسیبت به نیویورک رفت. اگرچه امروزه انیشتین به خاطر فعالیتهایش د رمورد نسبیت شهرت یافته، اما جایزه نوبل به خاطر کارهای او در مورد اثر فوتوالکتریک به او اعطا شد؛ چرا که در مورد نسبیت عام در آن زمان هنوز اختلاف نظر وجود داشت. هیات نوبل با خود به این نتیجه رسیند که اشاره به آن نظریه انیشتین در نوبل که اختلاف نظر و مخالفت در مورد آن کمتر است، بیشتر مورد قبول جامعه علمی واقع خواهد شد.


نظریه نسبیت عام به زبان ساده
 

نسبیت عام برای حرکتهایی ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغییر می کند یا باصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمین g که همان عدد 9.81m/sاست نیز یک نوع شتاب است. پس نسبیت عام با شتابها کار دارد نه با حرکت. نظریه ایست راجع به اجرام ی که شتاب ثقل دارند. کلا هرجا در عالم، جرمی در فضا ی خالی باشد حتما یک شتاب جاذبه در اطراف خود دارد که مقدار عددی آن وابسته به جرم آن جسم می باشد. پس در اطراف هر جسمی شتابی وجود دارد. نسبیت عام با این شتابها سر و کار دارد و بیان می کند که هر جسمی که از سطح یک سیاره دور شود زمان برای او کند تر میشود. یعنی مثلا، اگر دوربینی روی ساعت من بگذارند و از عقربه های ساعتم فیلم زنده بگیرند و روی ساعت آدمی که دارد بالا میرود و از سیاره ی زمین جدا میشود هم دوربینی بگذارند و هردو فیلم را کنار هم روی یک صفحه ی تلویزیونی پخش کنند، ملاحظه خواهیم کرد که ساعت من تند تر کار می کند. نسبیت عام نتایج بسیار عجیب و قابل اثبات در آزمایشگاهی دارد. مثلا نوری که به اطراف ستاره ای سنگین میرسد کمی بسمت آن ستاره خم میشود. سیاهچاله ها(سیاهچاله ها: اگر یه ستاره چند برابر خورشید باشد و همه سوختش را بسوزاند، از انجا كه یك نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده میشود و یك حفره سیاه رنگ مثل یه قیف درست میكند كه نیروی جاذبه فوق العاده زیادی دارد طوری كه حتی نور هم نمیتواند از آن فرار كند) هم بر اساس همین خاصیت است که کار می کنند. جرم انها بقدری زیاد و حجمشان بقدری کم است که نور وقتی از کنار آنها می گذرد به داخل آنها می افتد و هرگز بیرون نمی آید.
همه ما برای یک‌بار هم که شده گذرمان به ساعت‌فروشی افتاده است و ساعتهای بزرگ و کوچک را دیده ایم که روی ساعت ده و ده دقیقه قرار دارند. ولی هیچگاه از خودمان نپرسیده ایم چرا؟ آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت خاص با حرکت شتابدار و یا با گرانش کاری نداشت. اولین موضوعات را در نظریه نسبیت عام خود که در 1915 انتشار یافت مورد بحث قرار داد.نظریه نسبیت عام دید گرانشی را بکلی تغییر داد و در این نظریه جدید نیرو ی گرانش را مانند خاصیتی از فضا در نظر گرفت نه مانند نیرو یی بین اجرام ، یعنی برخلاف آنچه که اسحاق نیوتن گفته بود !در نظریه او فضا در مجاورت ماده کمی انحنا پیدا می‌کرد. در نتیجه حضور ماده اجرام ، مسیر یا به اصطلاح کمترین مقاومت را در میان منحنیها اختیار می‌کردند. با این که فکر آلبرت انیشتین عجیب به نظر می‌رسید می‌توانست چیزی را جواب دهد که قانون ثقل نیوتن از جواب دادن آن عاجز می ماند.سیاره اورانوس در سال 1781 میلادی کشف شده بود و مدارش به دور خورشید اندکی ناجور به نظر می‌رسید و یا به عبارتی کج بود !
نیم قرن مطالعه این موضوع را خدشه ناپذیر کرده بود.بنابر قوانین اسحاق نیوتن می بایست جاذبه ای برآن وارد شود. یعنی باید سیاره ای بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از طرف آن نیرو یی بر اورانوس وارد شود.در سال 1846 میلادی اختر شناس آلمانی دوربین نجومی خودش را متوجه نقطه ای کرد که « لووریه» گفته بود و بی هیچ تردید سیاره جدیدی را در آنجا دید که از آن پس نپتون نام گرفت.نزدیک ترین نقطه مدار سیاره عطارد به خورشید در هر دور حرکت سالیانه سیاره تغییر میکرد و هیچ گاه دوبار پشت سر هم این تغییر در یک نقطه خاص اتفاق نمی‌افتاد.اختر شناسان بیشتر این بی نظمی ها را به حساب اختلال ناشی از کشش سیاره های مجاور عطارد می دانستند !مقدار این انحراف برابر 43 ثانیه قوس بود. این حرکت در سال 1845 به وسیله لووریه کشف شد بالاخره با ارائه نظریه نسبیت عام جواب فراهم شد این فرضیه با اتکایی که بر هندسه نااقلیدسی داشت نشان داد که حضیض هر جسم دوران کننده حرکتی دارد علاوه برآنچه اسحاق نیوتن گفته بود.وقتی که فرمولهای آلبرت انیشتین را در مورد سیاره عطارد به کار بردند، دیدند که با تغییر مکان حضیض این سیاره سازگاری کامل دارد. سیاره هایی که فاصله شان از خورشید بیشتر از فاصله تیر تا آن است تغییر مکان حضیضی دارند که به طور تصاعدی کوچک می شوند.اثر بخش‌تر از اینها دو پدیده تازه بود که فقط نظریه آلبرت انیشتین آن‌را پیشگویی کرده بود. نخست آنکه آلبرت انیشتین معتقد بود که میدان گرانشی شدید موجب کند شدن ارتعاش اتمها می شود و گواه بر این کند شدن تغییر جای خطوط طیف است به طرف رنگ سرخ! یعنی اینکه اگر ستاره ای بسیار داغ باشد و به طوری که محاسبه می کنیم بگوییم که نور آن باید آبی درخشان باشد در عمل سرخ رنگ به نظر می‌رسد کجا برویم تا این مقدار قوای گرانشی و حرارت ی بالا را داشته باشیم، پاسخ مربوط به کوتوله های سفید است.دانشمندان به بررسی طیف کوتوله های سفید پرداختند و در حقیقت تغییر مکان پیش بینی شده را با چشم دیدند! اسم این را تغییر مکان آلبرت انیشتینی گذاشتند. آلبرت انیشتین می گفت که میدان گرانشی شعاع های نور را منحرف می‌کند چگونه ممکن بود این مطلب را امتحان کرد.اگر ستاره ای در آسمان آن سوی خورشید درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان کسوف خورشید قابل رؤیت باشد اگر وضع آنها را با زمانی که فرض کنیم خورشیدی در کار نباشد مقایسه کنیم خم شدن نور آنها مسلم است. درست مثل موقعی که انگشت دستتان را جلوی چشمتان در فاصله 8 سانتیمتری قرار دهید و یکبار فقط با چشم چپ و بار دیگر فقط با چشم راست به آن نگاه کنید به نظر می رسد که انگشت دستتان در مقابل زمینه پشت آن تغییر جا می‌دهد ولی واقعاً انگشت شما که جابجا نشده است!
دانشمندان در موقع کسوف در جزیره پرنسیپ پرتغال واقع در آفریقای غربی دیدند که نور ستاره ها به جای آنکه به خط راست حرکت کنند در مجاورت خورشید و در اثر نیرو ی گرانشی آن خم می شوند و به صورت منحنی در می آیند. یعنی ما وضع ستاره ها را کمی بالاتر از محل واقعیش می‌بینیم.ماهیت تمام پیروزیهای نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین نجومی بود ولی دانشمندان حسرت می کشیدند که ای کاش راهی برای امتحان آن در آزمایشگاه داشتند.ـ نظریه آلبرت انیشتین به ماده به صورت بسته متراکمی از انرژی نگاه می کرد به همین خاطر می گفت که این دو به هم تبدیل پذیرند یعنی ماده به انرژی و انرژی به ماده تبدیل می شود. E = mc²دانشمندان به ناگاه جواب بسیاری از سؤالها را یافتند. پدیده رادیواکتیو ی به راحتی توسط این معادله توجیه شد. کم کم دانشمندان متوجه شدند که هر ذره مادی یک پادماده مساوی خود دارد و در اینجا بود که ماده و انرژی غیر قابل تفکیک شدند.تا اینکه آلبرت انیشتین طی نامه ای به رئیس جمهور آمریکا نوشت که می توان ماده را به انرژی تبدیل کنیم و یک بمب اتمی درست کنیم و آمریکا دستور تأسیس سازمان عظیمی را داد تا به بمب اتمی دست پیدا کند. برای شکافت هسته اتم اورانیوم 235 انتخاب شد. اورانیوم عنصری است که در پوسته زمین بسیار زیاد است. تقریباً 2 گرم در هر تن سنگ! یعنی از طلا چهارصد مرتبه فراوانتر است اما خیلی پراکنده.در سال 1945 مقدار کافی برای ساخت بمب جمـع شـده بود و ایـن کار یعنی ساختن بمب در آزمایشگاهــی در « لوس آلاموس » به سرپرستی فیزیکدان آمریکایی «رابرت اوپنهایمر» صورت گرفت. آزمودن چنین وسیله ای در مقیاس کوچک ناممکن بود. بمب یا باید بالای اندازه بحرانی باشد یا اصلاً نباشد و در نتیجه اولین بمب برای آزمایش منفجر شد. در ساعت 5/5 صبح روز 16 ژوئیه 1945 برابر با 25 تیرماه 1324 و نیرو ی انفجاری برابر 20 هزار تنT.N.T آزاد کرده دو بمب دیگر هم تهیه شد. یکی بمب اورانیوم بنام پسرک با سه متر و 60 سانتیمتر طول و به وزن 5/4 تن و دیگری مرد چاق که پلوتونیم هم داشت. اولی روی هیروشیما و دومی روی ناکازاکی در ژاپن انداخته شد. صبح روز 16 اوت 1945 در ساعت 10 و ده دقیقه صبح شهر هیروشیما با یک انفجار اتمی به خاک و خون کشیده شد. با بمباران هیروشیما جهان ناگهان به خود آمد، 160000 کشته در یک روز وجدان خفته فیزیکدان ها بیدارر شد! « اوپنهایمر» مسئول پروژه بمب و دیگران از شدت عذاب وجدان لب به اعتراض گشودند و به زندان افتادند. آلبرت انیشتین اعلام کرد که اگر روزی بخواهم دوباره به دنیا بیایم دوست دارم یک لوله‌کش بشوم نه یک دانشمند!


برخی نتایج حاصل از نسبیت

اینشتین با نظریه نسبیت خاص خود نشان داد که سه قانون فیزیک نیوتن تنها در شرایط خاصی آنهم بصورت تقریبی صحت دارند و هنگامی که سرعت اجسام زیاد شده و با سرعت نور قابل مقایسه شوند به هیچ وجه نمی توان قوانین نیوتن را در مورد اجسام حتی با تقریب بالا بکار برد. همچنین نظریه نسبیت عام او نشان داد که باز نظریه نیوتن راجع به قانون جاذبه عمومی دقیق نمی باشد و در میدان های جاذبه بسیار قوی فرمول نیوتن جای بحث دارد.
مطالعه حرکت عطارد (Mercury) به دور خورشید از دیر باز مورد علاقه ستاره شناسان و فیزیک دانان بوده است. مشکل اینجا بوجود آمد که مشاهده شد صفحه ای که عطارد در آن به دور خوشید می چرخد خود دارای حرکت می باشد. این حرکت در شکل بوضوح نشان داده شده است.
اندازه گیری ها نشان داد که این حرکت در هر یکصد سال معادل 43 ثانیه (در اینجا منظور از ثانیه واحد اندازه گیری کمان می باشد که معادل 1/3600 درجه است) می باشد. با وجود آنکه این مقدار حرکت برای هر سال بسیار کم می باشد اما قانون جاذبه عمومی نیوتن از توجیه آن عاجز است.
نیوتن معتقد بود که نور در یک مسیر مستقیم حرکت می کند اما اینشتین نشان داد که اگر جسمی دارای یک میدان جاذبه بزرگ باشد و نور از کنار آن عبور کند دچار انحراف از مسیر مستقیم خود می شود.
دیگر مواردی که از قانون نسبیت عام می توان نتیجه گرفت آن که نور ستارگانی که دارای میدانهای مغناطیسی قوی میباشند در راه رسیدن به زمین تغییر طول موج می دهند. این اثر که به Red Shift مشهور است، باعث می شود طول موج نور این ستاره ها بزرگتر شود. این مسئله که باز با قوانین نیوتن قابل تحلیل نمی باشد توسط معادلات تئوری نسبیت عام بسادگی مدل می شود.


آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟


نظریه نسبیت آلبرت انیشتین / Theory of Relativity
تصور یك تصویرگر از فضا-زمان خمیده در اطراف زمین


زمان و فضا –بر طبق نظریه نسبیت انیشتین –به یكدیگر بافته شده اند و ساختار تار و پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمین ، این ساختار را به شكل یك گودی در می آورد.مانند شخص سنگینی كه وسط یك تشك بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله ها، ستاره های نوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می توانیم بیابیم).
بر طبق نظریه نسبیت عام انیشتین ، حركت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می گیرد. یعنی جسم در حال حركت تابع شكل فضا-زمانی است كه در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه، گرانش باعث تغییر شكل ساختار فضا-زمان می شود و در نتیجه حركت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می كند. می توان گفت كه به زبان انیشتین گرانش در اصل حركت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین ر مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می شود.
اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این كاوش نبود، ولی از آنجا كه زمین به دور خود حركت دورانی دارد ، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد.زمین با پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یك ساختار چرخشی ۴ بعدی در می آورد.این همان چیزی است كه ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.
این آزمایش براساس فكر بسیار ساده ای انجام می شود: یك ژیروسكوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداری در نزدیكی زمین قرار می دهند ، در حالی كه محور چرخش آن به سمت یك ستاره بسیار دور -در نقش یك مرجع ثابت و بدون حركت- نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسكوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.ولی چون فضا-زمان در نزدیكی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسكوپ به مرور زمان تغییر می كند.با اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسكوپ نسبت به ستاره، می توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیكی زمین اندازه گرفت.

اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است :
۴ ژیروسكوپی كه در GP-B كار گذاشته شده اند، كامل ترین كره هایی هستند كه تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.این كره ها كه هر کدام به اندازه یک توپ پینگ پونگ اند (به قطر حدود ۴ سانتی متر)، از جنس سیلیكون و كوارتز هستند. هیچ گاه اختلاف آنها با یك كره كامل بیش از ۴۰ لایه اتمی نیست. اگر ژیروسكوپ ها كاملا كروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی ‌، حركت می كرد.

بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا كرده در نزدیكی زمین باعث می شود تا محور ژیروسكوپ در طول یك سال به اندازه ی ۰.۰۴۱ ثانیه قوس جابه جا شود. یك ثانیه قوس ۳۶۰۰/۱ یك درجه است. برای اندازه گیری دقیق این زاویه، GP-B به دقت سنجش فوق العاده ۰.۰۰۰۵ ثانیه قوس نیاز دارد.این عمل مانند آن است كه بخواهیم قطر یك ورق كاغذ را از فاصله ی ۱۵۰ کیلومتری اندازه بگیریم.
محققان GP-B فناوری های كاملا جدیدی را برای این اندازه گیری اختراع كرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا “بدون لرزش” ساخته اند تا در هنگام حركت ماهواره در لایه های بالایی جو به ژیروسكوپ ها لرزشی وارد نشود. آنها دریافتند كه چگونه از نفوذ میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیری كنند و همچنین دستگاهی را برای اندازه گیری چرخش ژیروسكوپ ، بدون تماس با آن، اختراع كردند.
فرانسیس اوریت ، استاد فیزیك دانشگاه استنفورد و محقق اصلی پروژه GP-B می گوید: “در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیر كننده ای اتفاق نیفتاده است.” اكنون كه مرحله جمع آوری اطلاعات پایان یافته است ، او می گوید : “دانشمندان GP-B با اشتیاق و علاقه بیشتری به كار خود ادامه می دهند و كار سخت پیش روی خود را نادیده نمی گیرند.”
در مرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و كامل بررسی كنند.اوریت توضیح می دهد كه دانشمندان GP-B این كار را در سه مرحله انجام می دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسی می كنند تا بی نظمی های موجود در آنها را بیابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در می آورند و در نهایت آنها را به صورت یك مجموعه كامل به دست آمده در طول یك سال، تحلیل می كنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات موجود در اطلاعات را ، كه از طریق یك روش تجزیه و تحلیل ساده نمی توان پیدا كرد، می یابند.
نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی می كنند.اوریت می گوید: “بدین طریق به سخت ترین منتقدان، اجازه شركت در این پروژه داده می شود.” اگر GP-B بتواند به طور دقیق چاله فضا-زمانی را كه انتظار می رود مشخص كند، بدین معنی است كه بر اساس باور عمومی فیزیکدانان نظریه انیشتین حقیقت داشته است ولی اگر این گونه نشود، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ شاید ایرادی در نظریه نسبیت عام انیشتین یافته شود. اختلاف كوچكی كه ظهور انقلابی بزرگ را در فیزیك عصر جدید اعلام خواهد كرد.


حلقه های انیشتین

شاهد عینی نسبیت عام انیشتین حلقه هایی از نور است که بر اثر خمیده شدن نور کهکشانهای دوردست در گذر از کنار میدان گرانشی نیرومند کهکشان بزرگ یا مجموعه کهکشانهای میان راه پدید آمده اند.

حلقه های انیشتین
در تصاویر بالا كه با تلسكوپ فضایی هابل گرفته شده است،اشكال آبی رنگی كــه مانند چشم گاو به نظر می رسند، به حلقه های انیشتین معروف اند و زیباترین جلوه ی پدیده انحنای گرانشی در کیهان هستند. لكه های قرمز مایل به زرد، كهكشان های بیضوی غولپیكری هستند که نقش منحرف کننده نور یا همان عدسی های گرانشی را اجرا می کنند. آنها  2 تا 4 میلیارد سال نوری از ما فاصله دارند و با وجود فتصله زیادشان بسیار نزدیکتر از کهکشانهای منشا حلقه های انیشتین اند.

حلقه معمولا نماد عینی رمز آلود بودن، نماد یك قدرت- مانند داستان معروف ارباب حلقه ها- یا نماد پیوند بین دو انسان است. اما در فضا حلقه ای از نور ، چیزی بیش از یك نماد است.این حلقه یا کمان نورانی ، ما را به ماده نامریی راهنمایی می كند و نوری است كه از كهكشان های بسیار دور به ما می رسد.آلبرت انیشتین حدود ۷۰ سال پیش ، وجود چنین حلقه هایی را پیش بینی كرد.وی در مقاله ای در سال ۱۹۳۶ توصیف كرد كه چگونه بر اثر انحراف نور در میدان گرانشی یک جرم عظیم ممکن است نور دوردستی چنان منحرف شود كه حلقه ای كامل به نام “حلقه ی انیشتین” بسازد. جرم منحرف کننده نور در بین راه مانند یک عدسی عمل می کند و علاوه بر ایجاد تصویری بزرگتر، هر چند به هم ریخته، از جرم دوردست، همچنین منبع نور را روشن تر می سازد؛ به صورتی كه در بعضی موارد این عدسی های عظیم کیهانی كهكشان های بسیار كم نور را قابل مشاهده می نمایند.
آدام بولتون از مركز اخترفیزیك هاروارد-اسمیت سونی (CFA)   می گوید:“حلقه انیشتین یكی از جذاب ترین جلوه های نظریه نسبیت عام در كیهان به شمار می رود و به ما امكان می دهد تا كهكشان های بسیار پرجرم موجود در كیهان را مطالعه كنیم.”

این خطای اپتیكی ایجاد شده بر اثر انحنای فضا به “همگرایی گرانشی” معروف است.درست مانند آنكه یك عدسی بزرگ با بزرگنمایی بالا را در فضا قرار دهیم تا ضمن تشدید نور اجسام دورتر ، به آن انحنا دهد.در همگرایی گرانشی نور كهكشانی دور می تواند بر اثر یك كهكشان در بین راه منحرف شود و یك كمان یا چند تصویر جدا از هم بسازد.هنگامی كه هر دو كهكشان ذكر شده نسبت به ما درست در یك خط قرار گیرند، نور به شكل حلقه ای مانند “چشم گاو” در می آید، كه به “حلقه انیشتین” معروف است و پیرامون كهكشان نزدیك تر یعنی همان عدسی گرانشی تشكیل می شود.
اخترشناسان در حال حاضر دو منبع قوی برای جمع آوری اطلاعات در این زمینه در اختیار دارند: طرح نقشه برداری دیجیتالی آسمان یا (Sloan Digital Sky Survey) SDSS  و تلسكوپ فضایی هابل كه از آنها برای شناسایی ۱۹ مورد مشكوك به پدیده انحنای گرانشی كهكشانی استفاده می كنند. این موارد به ۱۰۰ مورد از قبل شناسایی شده اضافه می شوند. با بررسی این كمان ها و حلقه های تشكیل شده بر اثر انحراف نور، اخترشناسان می توانند به صورت دقیق جرم كهكشان نزدیك تر را محاسبه كنند. در بین این ۱۹ مورد، آنها ۸ مورد از “حلقه های انیشتین” یافته اند كه فقط ۳ مورد از آنها قبلا در طیف مریی دیده شده بودند.
این موارد تازه كشف شده، از طرح در حال انجامی به نام « slacs » گرفته شده اند.گروهی از منجمان به سرپرستی آدام بولتون از  «CfA »  و لئون كوپمانس از مؤسسه نجوم كپتین در هلند، نامزدهای پدیده انحنای گرانشی را از میان چند صدهزار طیف مرئی گرفته شده از كهكشان های بیضوی در طرح «SDSS »  انتخاب كردند.آنان برای تایید این انتخاب از چشمان تیزبین دوربین پیشرفته نقشه برداری هابل استفاده كردند. بولتون توضیح می دهد که “حجم انبوه اطلاعات « sdss » همراه با كیفیت عكس برداری تلسكوپ فضایی هابل فرصت جدیدی را برای كشف موارد جدیدی از انحنای گرانشی فراهم آورده است. ما موفق شده ایم از هر هزار كهكشان كه علائمی از انحنای گرانشی نشان می دادند، فقط یك مورد را از بقیه جدا كنیم.”

نظریه نسبیت آلبرت انیشتین / Theory of Relativity

علاوه بر ایجاد این اشكال عجیب، پدیده همگرایی گرانشی مستقیم ترین نشانه وجود ماده ی تاریك در كهكشان های بیضوی است.
ماده تاریك شكل نامرئی و بسیار اسرارآمیز ماده است كه هنوز به طور مستقیم مشاهده نشده است و اخترشناسان وجود آن را با اندازه گیری تاثیر گرانشی آن بر محیط اطراف نتیجه می گیرند. ماده تاریك در داخل كهكشان ها پخش شده و بیشتر مقدار ماده ی موجود در کیهان را تشكیل می دهد. با بررسی ماده تاریك در كهكشان ها، اختر شناسان امیدوارند تا بینش بهتری نسبت به تشكیل كهكشان ها، كه در زمان فشردگی ماده تاریك در عالم اولیه آغاز شده است، به دست آورند.
كوپمانس می گوید:“با مطالعه موارد مختلف پدیده انحنای گرانشی كه نور منشا آنها به چندین میلیارد سال پیش بر می گردد، این امكان فراهم می شود تا تغییرات توزیع ماده تاریك و مرئی را در طی زمان از ابتدای عالم تا دوران نزدیک به ما بررسی كنیم. با استفاده از این اطلاعات ، درستی نظریه رایجی كه بر طبق آن كهكشان ها از جمع شدن و به هم پیوستن كهكشان های كوچكتر به وجود می آیند، آزمایش می شود.”طرح تحقیقاتی «Slacs »  كه بولتون آن را در دانشگاه « MIT »  آغاز كرد ، كماكان ادامه دارد و تاكنون گروه او از تلسكوپ فضایی هابل برای بررسی ۵۰ كهكشان نامزد به منظور جستجوی پدیده همگرایی گرانشی استفاده كرده است. تعداد كهكشان های مطالعه شده در نهایت بالغ بر ۱۰۰ عدد خواهد بود كه در بین آنها موارد وقوع همگرایی گرانشی بیشتری وجود خواهد داشت. یافته های اولیه این تحقیق در مقاله ای در فوریه ۲۰۰۶ در نشریه اخترفیزیك «(Astrophysical Journal) »

 
Theory of Relativity :  (Physics) theory of relativity as developed by Albert Einstein, theory that time and space are relative concepts and that motion must be defined in relation to a point of reference

گردآورنده : دنیایی از همه چیز - http://piranshahr2008.blogfa.com

منابع :
fa.wikipedia.org
www.roshd.ir
piranshahr2008.blogfa.com
www.spaceflightnow.com
www.senmerv.com
نویسنده موضوع وبلاگ:مهدی اصغری