نسبیت خاص

برای نخستین بار در سال 1676، ستاره شناس دانمارکی اوله کریستن سن روامر(Ole Christensen Roemer) کشف کرد که نور با سرعتی معین اما بسیار بالا حرکت می کند.

تا سال 1865 نظریه شایسته و مناسبی برای انتشار نور تدوین نگردید. در آن سال فیزیکدان انگلیسی جیمز کلارک ماکسول (James Clark Maxwell) توانست نظریه های محدود و پراکنده ای را که تا آن روزگار پیرامون نیروهای الکتریسیته و مغناطیس مطرح شده بود، در نطریه ای جامع یکپارچه گرداند. معادله ی ماکسول پیش بینی می کرد که آشفتگی های موجی شکلی که در میدان الکترومغناطیسی وجود دارد که مثل امواج آب با سرعتی ثابت در فضا منتشر می شوند.

نظریه ماکسول می گفت اواج رادیویی یا نور با سرعت ثابت و معینی منتشر می شوند. در همین زمان نظریه وجود اتر در فضا به دلیل ثابت بودن سرعت نور مطرح شد.
اینیشتین در سال 1905 در مقاله معروف خود خاطرنشان کرد که چنانچه مفهوم زمان مطلق را کنار بگذاریم، فرض وجود اتر اساسا ضرورتی ندارد.

فرض بنیادی نظریه نوین که نسبیت نام گرفت، این بود که برای همه ناظرانی که حرکت آزاد دارند، سرعتشان هر چه باشد، قوانین علم یکسان است. همچنین از اصول این نظریه این است که برای ناظران ،سرعتشان هر چه باشد، سرعت نور ثابت است.

به عقیده انیشتین، اگر شما سوار بر موشکی پر سرعت باشید، گذر زمان، نسبت به کسی که روی زمین است، باید در درون موشک آهسته تر شود. بسته به سرعت شما، زمان با آهنگ های متفاوتی می گذرد. گذشته از آن، فضا در درون آن موشک فشرده خواهد شد، پس طول خط کش می تواند بر حسب سرعت شما تغییر پیدا کند. در ضمن جرم موشک هم افزایش خواهد یافت. اگر ما با تلسکوپ به درون این موشک بنگریم، می توانیم ببینیم که ساعت های درون موشک آهسته تر کار می کنند، افراد به کندی راه میروند و گویی له و لورده شده اند.

در واقع اگر موشک با سرعت نور برود، زمان در درون موشک به ظاهر از کار می افتد، موشک تا صفر فشرده می شود، و جرم موشک سر به بی نهایت می زند. چون هیچ کدام از این مشاهدات معقول نیست، انیشتین ابراز داشت که هیچ چیزی نمی تواند دیوار نوری بشکند. (E=mc^2)

در سال 1911 میلادی پُل لانژوین (Paul Langevin) به استناد انبساط زمان، پدیده ای را مطرح ساخت که عنوان پارادوکس دو قلو را به خود گرفت. دو قلوهایی که هر یک بیست سال دارندو یکی از آنها سوار بر سفینه فضایی خود با سرعت 296000 کیلومتر بر ثانیه به مسافرت فضایی می رود. او در مسافرت فضایی خود به یکی از کهکشان های مجاور که بیست سال نوری از زمین فاصله دارد رفت و برگشت می کند. هنگام بازگشت او تقریبا 26 ساله است در صورتی که برادر دو قلویش که روی زمین ساکن و در انتظار وی مانده است، 60 سال دارد. در واقع برای برادر دوقلویی که در حرکت به طرف کهکشان مجاور است، آهنگ گذر زمان کند تر می شود.

این پدیده به علت انبساط زمان رخ می دهد. یعنی کند شدن زمان در سفینه با توجه به تبدیلات لورنس می توان به معادله زیر رسید که توجیهی بر انبساط زمان است:

که در آن T_1 زمان روی زمین و T_2 زمان در سفینه است و v معرف سرعت سفینه. پس 20 سال زمین برای برادر داخل سفینه 3/3 سال می گذرد. زیرا:

این 3/3 سال مدت زمان رفت فضانورد به سمت کهکشان مجاور است. او در زمان برگشت نیز همین زمان را طی می کند. پس زمان برای برادر فضانورد 3⁄3+3⁄3=6/6 سال می گذرد و برای برادری که در زمین است 20+20=40 سال می گذرد. به این ترتیب برادر فضا نورد 26/6 سال سن دارد در حالی که برادر دیگر 60 ساله است. احتمالا در بازگشت فضانورد، برادر دوقلو او را نمی شناسد.

هنوز تکنولوژی ساخت سفینه های فضایی به حدی نرسیده است که سفینه هایی با سرعت نزدیک به نور بسازیم. اما با آزمایش هایی که در هواپیماهای تندرو توسط ساعت های بسیار دقیق اتمی انجام شده است و یا آزمایش هایی که در شتاب دهنده های ذرات صورت می گیرد، اختلاف زمان ساعت های متحرک نسبت به ساعت های ساکن مشهود است. پس باید به دنبال راه بهتری برای سفر در زمان بود.

شاید روزی ماشینی ساخته شود که بتوان با آن به آینده سفر کرد. اما درباره ی عقب رفتن در زمان چه؟ آیا با این ماشین می توان به گذشته رفت؟

اگر می توانستیم به گذشته سفر کنیم، نوشتن تاریخ ناممکن می شد. به محض اینکه تاریخ نویسی دست به نگارش تاریخ گذشته می زد، کسی می توانست به گذشته برود و آن را از نو بنویسد. ماشین های زمان نه تنها تاریخ نویسان را بی کار می کرد، بلکه دست بردن دلخواه در روند زمان را برای ما ممکن می ساخت. مثلا اگر به زمان دایناسورها می رفتیم و تصادفا پستانداری را که قرار بود نیای ما شود زیر پا له می کردیم، شاید از سر اتفاق نژاد انسان را از میان بر می داشتیم. تاریخ سر به بی کران می زد، و رویدادهای تاریخی زیر دست و پای توریست هایی از اینده که سعی در پیدا کردن بهترین زاویه ی دوربین داشتند خرد و خاکستر می شد.

منابع:
جهان های موازی: کاکو، م (1390)، ترجمه ع. هادیان، س. ایزدیار، تهران، انتشارات مازیار ( تاریخ انتشار اثر به زبان اصلی 2005)
فیزیک دانان بزرگ: کراپر، ویلیام. اچ. (1387)، ترجمه م. ع. جعفری، تهران، نشر اختران ( تاریخ انتشار اثر به زبان اصلی 2001)
آیا اینشتین درست می گفت؟: ویل، ک. ا. (1391)، ترجمه ا. شریعتی، تهران، سازمان چاپ و انتشارات (تاریخ انتشار به زبان اصلی 1995).
تاریخچه زمان: هاوکینگ، ا. (1391)، ترجمه م. ر. محجوب، تهران، شرکت سهامی انتشار (تاریخ انتشار اثر به زبان اصلی 1988)