فصل ۱: اصول نسبیت
مقدمه‌ای بر مفاهیم فضا و زمان
در اصل تئوری خاص نسبیت اینشتین، مفاهیم بنیادی فضا و زمان قرار دارند. برای قرون سال، فیزیکدانان و فلاسفه سعی در درک طبیعت این مفاهیم داشتند. افتراض طولانی مدت بود که فضا و زمان مطلق و جهانی هستند - که مستقل از هر مشاهده‌گر یا قاب مرجعی وجود دارند.
با این حال، کار پیشگامانه اینشتین در اوایل قرن بیستم کاملاً با این دیدگاه سر و کله زد. نظریه خاص نسبیت او نشان داد که فضا و زمان به طور نزدیک و بی‌تردید مرتبط هستند و مشاهده‌گران مختلف ممکن است در مورد طول اشیاء و زمان بندی وقایع اختلاف نظر داشته باشند، به تبع حرکت نسبی خود.
برای درک اینکه این نتیجه انقلابی اینشتین چگونه به دست آمد، باید ابتدا اصول و افتراضات پایه‌ای را که در پایه‌ی نظریه خاص نسبیت قرار دارند، مورد بررسی قرار دهیم. دو اصل اساسی در این نظریه وجود دارند:
۱. قوانین فیزیک در همه قاب‌های مرجعی غیرتابع در همه جا یکسان است، ۲. سرعت نور در خلاء ثابت است و مستقل از حرکت منبع نور یا مشاهده‌گر است.
بیایید هر یک از این اصول را به طور دقیق‌تر مورد بررسی قرار دهیم.
اصل نسبیت
اصل نخست که به آن اصل نسبیت معروف است، می‌گوید که قوانین فیزیک در همه قاب‌های مرجعی غیرتابع هم‌شکل هستند. یک قاب مرجعی همان قابی است که با سرعت ثابت حرکت می‌کند - به عبارت دیگر، هیچ شتابی ندارد یا دورانی نمی‌کند.
این به این معنا است که هر آزمایش فیزیکی که در یک قاب مرجعی انجام شود، نتایج دقیقاً یکسانی را در صورت انجام آن در یک قاب مرجعی دیگر خواهد داشت. هیچ قاب مرجعی "ترجیح‌شده" یا "ویژه" در نظر گرفته نمی‌شود. بنا به اینکه آیا بر روی زمین در حال استراحت هستید، با سرعت ثابت در یک اتومبیل حرکت می‌کنید، یا در فضا با سرعت زیادی در یک موشک در حال حرکت هستید، قوانین بنیادی طبیعت - مانند قوانین حرکت نیوتن یا معادلات ماکسول در مورد الکترومغناطیس - مشابه خواهند بود.
همین اصل نسبیت قرن‌ها پیشتر توسط گالیلئو ارائه شده بود با شکستهایی از این دیدگاه. او متوجه شد که یک نفر پایین کشتی در حرکت قادر به تشخیص حرکت کشتی نخواهد بود. هر آزمایش مکانیکی که در کشتی انجام شود، نتیجه مشابهی به اگر کشتی در حال استراحت باشد، خواهد داد. اینشتین این اصل را تا همه‌ی فیزیک گسترش داد و نه فقط مکانیک.
ثابت‌ماندن سرعت نور
اصل کلیدی دیگری از نسبیت خاص به سرعت نور مربوط است. اینشتین ادعا کرد که سرعت نور در خلاء همیشه به یک مقدار ثابت (تقریباً ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) اندازه‌گیری می‌شود، مستقل از حرکت منبع نور یا مشاهده‌گری که نور را اندازه‌گیری می‌کند.
این اصل به طور قطعانه مغایرتی با تجربه‌ی روزمره دارد. اگر در یک اتومبیل با سرعت ۵۰ کیلومتر در ساعت حرکت می‌کنید و چراغ‌های خودرو خود را روشن کنید، ممکن است انتظار داشته باشید که نور چراغ‌های خودروی شما با سرعت ۳۰۰٬۰۵۰ کیلومتر در ساعت (۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر در ثانیه به‌همراه ۵۰ کیلومتر در ساعت) نسبت به زمین حرکت کند. اما براساس گفته‌ی اینشتین، این صحیح نیست. نور همچنان به طور اندازه‌گیری شده با سرعت ۳۰۰٬۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه به شکلی که همه‌ی مشاهده‌گران، چه در اتومبیل حرکت کننده و چه در کنار جاده‌ای با سرعت ثابت، همگی همین سرعت را اندازه‌گیری می‌کنند.
این حقیقت عجیب به صورت ضمنی توسط نتایج صفر آزمایش‌های قرن نوزدهم که سعی در شناسایی حرکت زمین را از داشتن "آیتم اثرات نوری" که تصور می‌شد در فضا وجود داشته باشد، داشتند، نشان داده شده بود. معروف‌ترین آزمایش از این دست آزمایش مایکلسون-مورلی بود.
از این تجربه تجربی اینشتین به استنباط منطقی رسید - سرعت نور باید ثابت یکنواخت باشد. اما این چگونه می‌تواند با اصل نسبیت سازگار باشد؟ اگر قوانین فیزیک در همه قاب‌های مرجعی یکسان هستند و سرعت نور یکی از آن قوانین است، چگونه مشاهده‌گران در وضعیت‌های مختلف حرکت همه یک سرعت یکسان را برای نور اندازه‌گیری می‌کنند؟
پاسخ این سوال را، همانطور که خواهیم دید، نیاز به برگردان کامل عقاید ما از فضا و زمان داشت.
قاب‌های مرجعی و چارچوب‌های مختصات
برای به دست آوردن درک عمیق‌تر از تأثیرات اصول اینشتین، به چهارچوب ریاضی دقیقی نیاز داریم تا موقعیت و حرکات اشیاء را توصیف کند. این کار به وسیله‌ی مفهومی به نام چارچوب مرجع به ما داده می‌شود.
چارچوب مرجع در واقع یک سیستم مختصات است که برای مشخص کردن موقعیت یک شی یا رویداد استفاده می‌شود. این تشکیل شده است از نقطهٔ مبدأ و مجموعه‌ای از محورها (معمولاً با نماد x، y و z نشان داده می‌شوند) که جهت‌ها در فضا را مشخص می‌کنند. می‌توانیم چارچوب مرجع را به عنوان یک تحتانی‌بندی از تیک‌های متری و ساعت‌های همگام که تمام فضا را پر می‌کنند و به ما امکان می‌دهند موقعیت‌ها و زمان‌ها را اندازه‌گیری کنیم، تصور کنیم.
در فيزيک قبل از نسبيت، فرض مي‌شد که يک قاب مرجع مطلق وجود دارد که معمولاً به عنوان قابی در استراحت نسبت به ستارگان دور در نظر گرفته می‌شود. مواقع و زمان‌های اندازه‌گیری شده در این قاب به عنوان مواقع و زمان‌های "واقعی" در نظر گرفته می‌شدند. هر چارچوب مرجعی دیگری که نسبت به چارچوب مطلق حرکت کند، مواقع و زمان‌های متفاوتی را ثبت خواهد کرد، اما این مواقع و زمان‌ها به عنوان ارزش‌های مصنوعی یا به‌طور غیرطبیعی در نظر گرفته می‌شدند.
اگرچه، اصل نسبیت مفهوم یک چارچوب مرجع مطلق را از بین می‌برد. اگر قوانین فيزيک در همه قاب‌های مرجعی غیرتابع همبستگی داشته باشند، پس هیچ قاب خاصی به عنوان "در استراحت" معرفی نمی‌شود. هر مشاهده‌گری در هر چارچوب مرجعی می‌تواند خودش را پیوسته در استراحت در نظر بگیرد. رویدادهایی که در یک ناحیه و زمانی در یک چارچوب مرجع رخ می‌دهند، ممکن است در مکان‌ها و زمان‌های مختلف در چارچوب دیگری رخ دهند. وظیفه نسبیت این است که مجموعه‌ای از تبدیل‌های ریاضی را ارائه دهد که مختاره که به رویدادها در یک چارچوب اختصاص داده شده اند را با مختاره که در چارچوب متحرک دیگری اختصاص داده شده اند، مرتبط کنند. این تبدیلات به عنوان تبدیلات لورنتس شناخته می‌شوند و ما در فصل‌های بعدی به تفصیل در مورد آنها بحث خواهیم کرد.
نسبیت همزمانی
یکی از برترین نتایج ناگویا بنیادین نظریه رابطه خاص است نسبیت همزمانی. در زندگی روزمره، ما یک مفهوم به عقیده خود داریم که رویدادها به "همان زمان" رخ می‌دهند. اگر دو موشک به طور همزمان در چارچوب مرجع شما منفجر شوند، شما آنها را در همان لحظه خواهید دید و خواهید شنید.
با این حال، در چارچوب نسبیت، سؤال این است که آیا دو رویداد تکانه با فاصله مکانی "به صورت همزمان" هستند یا خیر به طور مطلق است. دیدگاه‌ها در وضعیت‌های متفاوت حرکت می‌توانند درباره اینکه رویدادها در همان یک زمان رخ داده‌اند یا خیر، با یکدیگر مخالفت داشته باشند.
یک مشاهده‌گری را در نظر بگیرید که در یک پله قطار، در نصفه راه بین دو نقطه A و B ایستاده است. تصور کنید که شب‌بان به وضوح ضربه در A و B را به صورت همزمان قضاوت می‌کند. نور ضربه‌ها در همان لحظه به چشم شب‌بان می‌رسد و همزمانی آن را تأیید می‌کند.
حال فکر کنید مشاهده‌گر دومی در قطاری قرار دارد که با سرعت بالایی از ایستگاه عبور می‌کند. از دیدگاه آنها، آنها به سمت نور از B حرکت کرده و از نور از A دور شده‌اند. بنابراین، آنها نور از B را قبل از نور از A خواهند دید، که منجر به استنباط می‌شود که رعد و برق B قبل از رعد و برق A ضرب کرده‌است. دو مشاهده‌گر در مورد زمان برخورد رویدادها مخالفت دارند.
این تنها یک حقلی نوری یا حقلی شعور نیست. در چارچوب نسبیت، نظریه‌های هر دو دیدگاه به یکان اعتبار دارند. همزمانی نسبی است و بستگی به وضعیت حرکت مشاهده‌گر دارد.
این ایدهٔ ناملموس نزدیک و از عمده ابتکارهای اینشتین بود. این نشان می‌دهد که زمان مطلق نیست، بلکه با فضا پیوند دارد و تحت تأثیر حرکت قرار می‌گیرد. نسبیت همزمانی به پدیده‌های عجیب‌تری هم می‌انجامد مانند انقباض زمان و تغییر درازایی، که در فصل بعدی بررسی خواهیم کرد.
نتیجه‌گیری
نظریه خاص نسبیت درک ما از فضا و زمان را به طرز انقلابی تحول داد. با فرض کردن جامعیت قوانین فیزیکی و ثابت بودن سرعت نور، اینشتین نشان داد که مفاهیم روزمره ما از فضای مطلق و زمان نیازمند جایگزینی با یک مدل پیچیده‌تر است که دو مفهوم با یکدیگر جفت‌شوند.
مفاهیم معرفی شده در این فصل - اصل نسبیت، ثابت بودن سرعت نور، چارچوب‌های مرجع و نسبیت همزمانی - پایهٔ بنیادی نظریه خاص نسبیت را تشکیل می‌دهند. در فصل‌های آینده، خواهیم دید که چگونگی این ایده‌ها منجر به نتایج شگفت‌انگیز در مورد طبیعت زمان، رفتار اشیاء در حال حرکت و معادل بودن جرم و انرژی می‌شود.
اگرچه نتایج نسبیت ممکن است عجیب و غیرقابل فهم به نظر برسند، اما مهم است به یاد داشت که این نظریه براساس شواهد تجربی قوی استوار است. تعداد بی‌شماری از آزمایش‌ها در یک قرن گذشته به دقت بی‌نظیری پیش‌بینی‌های آن را تأیید کرده‌اند. این نشان دهنده قدرت استدلال علمی برای واگذار کردن فرضیات طولانی‌مدت و آشکار کردن حقایق عمیق‌تر دربارهٔ طبیعت واقعیت است.
همانطور که در سفر خود در نظریه خاص نسبیت ادامه می‌دهیم، باید ذهن باز و کنجکاو داشته باشیم. جهانی که توسط اینشتین توصیف شده است جایی عجیب و شگفت‌انگیز است، پر از سورپریزها و درهم‌ریختگی‌ها. با مبارزه در برابر این ایده‌ها، نه‌تنها درک عمیق‌تری از جهان فیزیک می‌کنیم، بلکه افق عقلانی خود را نیز گسترش می‌دهیم و خود را به تفکر در راه‌های جدید و فراگیر چالش می‌کنیم.