مکانیک یعنی ................................. ثبات


+ ادامه نظریه نسبیت آلبرت انیشتین

در ادامه مطلب قبلی به توضیح نظریه نسبیت عام انیشتین به زبان ساده می پردازیم.


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/s است نیز یک نوع شتاب است. پس نسبیت عام با شتابها کار دارد نه با حرکت. نظریه ای است راجع به اجرامی که شتاب ثقل دارند. به طور کلی، در هر کجای جهان، جرمی که در فضای 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 هر دو 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 که یک نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده میشود و یک حفره سیاه رنگ مثل یه قیف درست میکند که نیروی جاذبه فوق العاده زیادی دارد طوری که حتی نور هم نمیتواند از آن فرار کند) 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.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 نیرویی 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 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 = mc². دانشمندان به ناگاه جواب بسیاری از سؤالها را یافتند. پدیده رادیواکتیوی 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 بیدار 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.
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؟

زمان و فضا –بر طبق نظریه نسبیت انیشتین –به یکدیگر 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 شکل یک گودی در می آورد.مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله‌ها، 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 ، حرکت اجسام در ساختار تار و پودی فضا-زمان صورت می گیرد. یعنی جسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه، گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می شود و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می کند. می توان گفت که به زبان انیشتین گرانش در اصل حرکت 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 کاوش نبود، ولی از آنجا که زمین به دور خود حرکت 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 یک ساختار چرخشی چهار بعدی در می آورد.این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.
این آزمایش براساس فکر بسیار ساده ای انجام می شود: یک ژیروسکوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار می دهند ، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستاره بسیار دور -در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می کند.با اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.

اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است :

چهار ژیروسکوپی که در GP-B کار گذاشته شده اند، کامل ترین کره هایی هستند که تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.این کره ها که هر کدام به اندازه یک توپ پینگ پونگ اند (به قطر حدود 4 سانتی متر)، از جنس سیلیکون و کوارتز هستند. هیچ گاه اختلاف آنها با یک کره کامل بیش از 40 لایه اتمی نیست. اگر ژیروسکوپ ها کاملا کروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی ‌، حرکت می کرد.
بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا کرده در نزدیکی زمین باعث می شود تا محور ژیروسکوپ در طول یک سال به اندازه ی 0.041 ثانیه قوس جابه جا شود. یک ثانیه قوس 3600/1 یک درجه است. برای اندازه گیری دقیق این زاویه، GP-B به دقت سنجش فوق العاده 0.0005 ثانیه قوس نیاز دارد.این عمل مانند آن است که بخواهیم قطر یک ورق کاغذ را از فاصله ی 150 کیلومتری اندازه بگیریم.
محققان GP-B فناوری های کاملا جدیدی را برای این اندازه گیری اختراع کرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا «بدون لرز» ساخته اند تا در هنگام حرکت ماهواره در لایه های بالایی جو به ژیروسکوپ ها لرزشی وارد نشود. آنها دریافتند که چگونه از نفوذ میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیری کنند و همچنین دستگاهی را برای اندازه گیری چرخش ژیروسکوپ ، بدون تماس با آن، اختراع کردند.
فرانسیس اوریت ، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و محقق اصلی پروژه GP-B می گوید: «در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیر کننده ای اتفاق نیفتاده است.» اکنون که مرحله جمع آوری اطلاعات پایان یافته است ، او می گوید : «دانشمندان GP-B با اشتیاق و علاقه بیشتری به کار خود ادامه می دهند و کار سخت پیش روی خود را نادیده نمی گیرند.»
در مرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و کامل بررسی کنند.اوریت توضیح می دهد که دانشمندان GP-B این کار را در سه مرحله انجام می دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسی می کنند 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 یک مجموعه کامل به دست آمده در طول یک سال، تحلیل می کنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات موجود در اطلاعات را ، که از طریق یک روش تجزیه و تحلیل ساده نمی توان پیدا کرد، می یابند.

نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی می کنند.اوریت می گوید: «بدین طریق به سخت ترین منتقدان، اجازه شرکت در این پروژه داده می شود.» اگر GP-B بتواند به طور دقیق چاله فضا-زمانی را که انتظار می رود مشخص کند، بدین معنی است که 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 کوچکی که ظهور انقلابی بزرگ را در فیزیک عصر جدید اعلام خواهد کرد.

برگرفته از: سایت «شگفتیها»

نویسنده : احمدی ; ساعت ٩:٥۳ ‎ق.ظ ; ۱۳٩٠/٢/۳٠
تگ ها: مهندسی
comment نظرات () لینک