نسبیت انیشتین و مکانیک کوانتومی :
مقدمه
پروفسور استیفن هاوکینگ می نویسد :
امروزه دانشمندان ، جهان بزرگ را بر حسب دو نظریّه ی بنیادی تشریح و تبیین می کنند ،
یکی نظریّه ی نسبیّت عام و دیگری نظریّه ی مکانیک کوانتومی ، که متاسفانه این دونظریّه با
یکدیگر ناسازگار شناخته شده و هر دو با هم درست در نمی آید .
یکی از کوشش های عمده ی فیزیک امروز کاوشی برای بدست آوردن نظریّه ای نوین است
که فراگیر هر دو نظریّه باشد یعنی یک نظریّه ی کوانتومی ـ گرانشی ( کوانتومی ـ
نسبیّتی عام ) و از هم اکنون از خیلی از مشخّصاتی که چنین نظریّه ای باید داشته باشد
آگاهیم .
نسبیت عام
نسبیت عام نظریهایست که در سال ۱۹۱۵ توسط اینشتین مطرح شد. این نظریه تعمیمی بر
نظریه نسبیت خاص است که در مورد تمامی ناظرها اعم از لخت و غیر لخت صحبت
میکند.در این نظریه فضا-زمانِ توسط هندسه ریمانی بررسی میشود.این نظریه گرانش را به
عنوان یک عامل هندسی و نه یک نیرو برسی میکند.پایه نظری گرانش کیهان شناسی این
نظریه و تعمیمهای آن است.
تصور دوبعدی از انحنای فضا-زمان. حضور ماده/انرژی فرم هندسی فضا-زمان را تغییر
میدهد. از این انحنای هندسی به عنوان جاذبه تعبیر میشود.
اصول نسبیت عام :
اصل هم ارزی
هیچ ناظری نمیتواند فقط با آزمایش موضعی بین شتاب و میدان گرانشی تفاوت قائل شود.
اصل ماخ
اصل ماخ، اساسی ترین اصل نسبیت عام، بصورتهای مختلفی تعبیر میشود. قویترین صورت
این اصل عبارتست از:
• "ماده هندسه را تعیین میکند و عدم وجود ان مبنی بر عدم وجود هندسه است.
نسبیت عام با این صورت اصل ماخ سازگار نیست.
اما صورت دیگری از اصل ماخ که نسبیت عام با آن سازگار است عبارتست از:
• "توزیع ماده چگونگی هندسه را تعیین میکند." ماده تعیین میکند که فضا چگونه خمیده
شود.
صورت دیگری از اصل ماخ که با نسبیت عام سازگاری ندارد و نزدیکترین صورت به بیان
ماخ است عبارتست از:
• "یک جسم در فضای کاملا تهی، هیچ خاصیت هندسی به خود نمیگیرد.
اصل کمینه جفتیدگی گرانشی :
این اصل چگونگی گذار از نسبیت خاص به عام را بیان میکند.
هنگام گذار از نسبیت خاص به نسبیت عام نیازی به افزودن جملات غیر ضروری به معادلات
نسبیت خاص نمیباشد.
اصل همخوانی :
نظریه نسبیت عام در حالتهای حدی به گرانش نیوتنی و نسبیت خاص تبدیل میشود.
نسبیت خاص :
آزمایش گربه شرویدینگر: مفاهیم عمیق فلسفی مکانیک کوانتمی دانشمندان زیادی را
به خود جلب کردهاست.
نسبیت خاص نظریهای دربارهٔ برخی از مهمترین مفاهیم فیزیک، یعنی زمان و مکان است.
این نظریه در سال ۱۹۰۵ میلادی توسط آلبرت اینشتین مطرح شد. نسبیت خاص درک
فیزیکی ما از فضا و زمان را، که پیش از این با مکانیک کلاسیک فهمیده میشد، گسترش
داد و اصلاح کرد.
اثرهای نسبیت خاص برای اجسامی که با سرعتهای بسیار زیاد (نزدیک به سرعت نور)
حرکت میکنند مهم میشود. برای اجسامی که سرعتشان بسیار کمتر از سرعت نور است
(یعنی تقریباً همهٔ پدیدههای روزمره) نسبیت خاص به همان نتایجی منجر میشود که پیش
از این در فیزیک کلاسیک نیز به تقریب پیشبینی میشد. بنابراین در مطالعهٔ بسیاری از
پدیدههای روزمره همچنان از مکانیک کلاسیک استفاده میشود.
نسبیت خاص از چند فرض بنیادی به دست میآید. با این فرضها میتوان به طور منطقی
تمام این نظریه را به دست آورد. البته در همهٔ نظریههای فیزیکی فرضهای بسیار زیاد
دیگری نیز وجود دارند که معمولاً به صراحت بیان نمیشوند.
اصل موضوع اول : سرعت جهانی نور
سرعت نور در خلاء (c) برای تمام ناظران لَخت ثابت است و به حرکت چشمهٔ نور یا
حرکت ناظر بستگی ندارد.
اگر شما سوار اتومبیلی باشید که با سرعت ۵۰ کیلومتر بر ساعت حرکت میکند، و
اتومبیل دیگری با سرعت ۲۰ کیلومتر بر ساعت به شما نزدیک شود، سرعت نسبی
اتومبیل شما و اتومبیل مقابل ۷۰ کیلومتر بر ساعت خواهد بود. اما، طبق اصل
موضوع اول نسبیت خاص، اگر چشمهٔ نوری با سرعت دلخواهی به شما نزدیک
شود، و شما هم با سرعت متفاوتی به سمت آن چشمه حرکت کنید، باز هم سرعت نور
نسبت به شما همان c خواهد بود. این ادعا کاملاً مخالف شهود روزمرهٔ ما از حرکت
و سرعت اجسام است.
اصل موضوع دوم : اصل نسبیت
قوانین فیزیک در تمام چارچوبهای لَخت شکل یکسانی دارند .
اصل نسبیت (با کمی سادهسازی و چشمپوشی از برخی جزئیات) میگوید که اگر شما
در آزمایشگاه سربستهای قرار داشته باشید و آن آزمایشگاه با سرعت ثابتی نسبت به
زمین حرکت کند، شما با هیچ روشی نمیتوانید تعیین کنید که سرعتتان نسبت به
زمین چقدر است. (در این بیان از اصل نسبیت فرض شده است که زمین یک
چارچوب لخت است (این موضوع دربارهٔ زمین فقط به تقریب صادق است) و نیز
فرض شده است که شما نسبت به زمین به نرمی حرکت میکنید و آزمایشگاه هیچ
لرزش و تکانی ندارد.) به زبان دیگر، هیچ تمایزی میان یک چارچوب لخت و
چارچوب لخت دیگری که با سرعت ثابتی نسبت به آن حرکت میکند، وجود ندارد،
یعنی هیچ چارچوب لخت متمایزی وجود ندارد.
تبدیلات لورنتس :
تبدیلات لورنتس در نسبیت خاص معادلههایی هستند که مختصههای فضایی و زمانی
یک رویداد را از دید دو ناظر مختلف به هم تبدیل میکنند. یعنی اگر یک ناظر برای
رویداد خاصی در فضا-زمان مختصههای مکانی x و y و z و زمان t را اندازه بگیرد،
و ناظر دیگری (که در مکان دیگری واقع است و با سرعت خاصی نسبت به ناظر
اول حرکت میکند) مختصههای 'x و 'y و 'z و 't را برای همان رویداد اندازه بگیرد،
تبدیلات لورنتس رابطهٔ بین این دو مختصات را بیان میکند.
پیامدهای نسبیت خاص :
دو اصل موضوع نسبیت خاص به همراه فرضهای دیگری، مانند همگن و همسانگرد
بودن فضا، منجر به نتایجی میشوند که همانند خودِ این اصل موضوعها خلاف شهود
و تجربههای روزمرهٔ ما هستند. با وجود این، این پیامدها بارها در آزمایشهای
گوناگون آزموده شده و مورد تأیید قرار گرفتهاند. امروزه نسبیت خاص کاملاً پذیرفته
شده است و جزئی از دانش عملی هر فیزیکدانی به شمار میآید. این پدیدهها به طور
ریاضی از تبدیلات لورنتس نتیجه میشوند.
نسبی بودن همزمانی :
اگر یک ناظر لَخت دو پدیدهٔ آ و ب را همزمان ببیند، ناظر لخت دیگری که با سرعت
نسبت به ناظر اول حرکت میکند، بسته به شرایط ممکن است پدیدهٔ آ را زودتر،
همزمان، یا دیرتر از پدیدهٔ ب ببیند. همزمانی در نسبیت خاص معنای مطلق و نیوتنی
خود را از دست میدهد و پدیدهای نسبی میشود.
همارزی جرم و انرژی :
مقالهٔ اصلی: E=mc²
انرژی کل یک ذره در نسبیت خاص برابر است با E = mc2 که در آن m جرم ذره
و c سرعت نور است. انرژی در حال سکون ذره برابر است با E = m0c2 که در
آن m0 جرم سکون ذره است.
برخی از کاربردهای نسبیت خاص :
• انرژی اتمی، چه نوع انفجاریاش (در بمب اتمی) و چه نوع کنترلشدهاش (در
نیروگاه هستهای) از رابطهٔ معروف E = mc2 پیروی میکند.
• جهش گونههای زیستی: یکی از منشاءهای احتمالی برای جهشهای ژنتیکی،
پرتوهای کیهانی است. جزء اصلی پرتوهای کیهانی که به سطح دریا میرسند، ذرهای
به نام میوئون است. این ذره در لایههای بالایی جو از برخورد اتمها با پروتونهای
پرتوهای کیهانی ساخته میشود و بسیار ناپایدار است. میوئونها سرعت بسیار زیادی
دارند و اگر به خاطر اتساع زمان نسبیتی، طول عمرشان زیاد نمیشد، این ذرهها
خیلی پیش از آن که به سطح دریا برسند، نابود میشدند.
• سامانه موقعیتیاب جهانی (جیپیاس) متشکل از ماهوارههایی است که در
مدار زمین قرار دارند. گیرندههای ویژهای موسوم به گیرندههای جیپیاس به کمک
این ماهوارهها میتوانند طول و عرض جغرافیایی و زمان را با دقت زیادی اندازه
بگیرند. در طراحی این ماهوارهها و گیرندهها، اثرات نسبیت خاص (و نیز اثرات
نسبیت عام) به دقت در نظر گرفته شدهاند و بدون آنها این سیستم کاملاً بیفایده میشد.
مکانیک کوانتومی : Quantum Mechanics
مکانیک کوانتومی شاخهای بنیادی از فیزیک نظری است که در مقیاس اتمی و
زیراتمی به جای مکانیک کلاسیک و الکترومغناطیس کلاسیک به کار میرود.
مکانیک کوانتومی بنیادیتر از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک است،
زیرا در مقیاسهای اتمی و زیراتمی که این نظریهها با شکست مواجه میشوند،
میتواند با دقت زیادی بسیاری از پدیدهها را توصیف کند. مکانیک کوانتومی به همراه
نسبیت عام پایههای فیزیک جدید را تشکیل میدهند.
آشنایی :
واژهٔ کوانتوم (به معنی «بسته» یا «دانه») در مکانیک کوانتومی از اینجا میآید که
این نظریه به بعضی از کمیتهای فیزیکی (مانند انرژی یک اتم در حال سکون)
مقدارهای گسستهای نسبت میدهد. بسیاری از شاخههای دیگر فیزیک و شیمی از
مکانیک کوانتومی به عنوان چهارچوب خود استفاده میکنند؛ مانند فیزیک ماده
چگال، فیزیک حالت جامد، فیزیک اتمی، فیزیک مولکولی، شیمی محاسباتی، شیمی
کوانتومی، فیزیک ذرات بنیادی، و فیزیک هستهای. پایههای مکانیک کوانتومی در
نیمهٔ اول قرن بیستم به وسیلهٔ ورنر هایزنبرگ، ماکس پلانک، لویی دوبروی، نیلس
بور، اروین شرودینگر، ماکس بورن، جان فون نویمان، پاول دیراک، ولفگانگ
پاولی و دیگران ساخته شد. بعضی از جنبههای بنیادی این نظریه هنوز هم در حال
پیشرفت است.
توصیف مکانیک کوانتومی از رفتار سامانههای فیزیکی اهمیت زیادی دارد، زیرا در
مقیاس اتمی نظریههای کلاسیک نمیتوانند توصیف درستی ارائه دهند. مثلاً، اگر
قرار بود مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس کلاسیک بر رفتار یک اتم حاکم باشند،
الکترونها به سرعت به سمت هسته اتم حرکت میکردند و به آن برمیخوردند. ولی
در دنیای واقعی الکترونها در نواحی خاصی دور اتمها باقی میمانند.
در ساختار مکانیک کوانتومی، حالت هر سیستم در هر لحظه به وسیلهٔ یک تابع موج
مختلط توصیف میشود (که در مورد اتمهای یک الکترون گاهی به آن اُربیتال
میگویند). با این ابزار ریاضی میتوان احتمال نتایج مختلف در آزمایشها را پیشبینی
کرد. مثلاً با آن میتوان احتمال یافتن الکترون را در ناحیهٔ خاصی در اطراف هسته
در یک زمان مشخص محاسبه کرد. بر خلاف مکانیک کلاسیک، نمیتوان همزمان
کمیتهای مزدوج را، مانند مکان و تکانه، با هر دقتی پیشبینی کرد. مثلاً میتوان گفت
که الکترون در ناحیهٔ مشخصی از فضا است، ولی مکان دقیق آن را نمیتوان معلوم
کرد. البته معنی این حرف این نیست که الکترون در تمام این ناحیه پخش شدهاست.
الکترون در یک ناحیه از فضا یا هست و یا نیست. این ناتوانی در تعیین مکان الکترون
را اصل عدم قطعیت هایزنبرگ به طور ریاضی بیان میکند.
پدیدهٔ دیگری که منجر به پیدایش مکانیک کوانتومی شد، امواج الکترومغناطیسی مانند
نور بودند. ماکس پلانک در سال ۱۹۰۰ هنگام مطالعه بر روی تابش جسم سیاه کشف
کرد که انرژی این امواج را میتوان به شکل بستههای کوچکی در نظر گرفت. آلبرت
اینشتین از این فکر بهره برد و نشان داد که امواجی مثل نور را میتوان با ذرهای به
نام فوتون که انرژیاش به بسامدش بستگی دارد توصیف کرد. این نظریهها به
دیدگاهی به نام دوگانگی موج-ذره بین ذرات زیراتمی و امواج الکترومغناطیسی منجر
شد که در آن ذرات نه موج و نه ذره بودند، بلکه ویژگیهای هر دو را از خود بروز
میدادند. مکانیک کوانتومی علاوه بر این که دنیای ذرات بسیار ریز را توصیف
میکند، برای توضیح برخی از پدیدههای بزرگمقیاس (ماکروسکوپیک) هم کاربرد
دارد، مانند ابررسانایی و ابرشارگی .
اثرات و پدیدههایی که در مکانیک کوانتومی و نسبیت پیشبینی میشوند، فقط برای
اجسام بسیار ریز یا در سرعتهای بسیار بالا آشکار میشوند. تقربیاً همهٔ پدیدههایی که انسان
در زندگی روزمره با آنها سروکار دارد به طور کاملاً دقیقی توسط فیزیک نیونتی قابل
پیشبینی است.
در مقادیر بسیار کم ماده، یا در انرژیهای بسیار پایین، مکانیک کوانتومی اثرهایی را
پیشبینی میکند که فیزیک کلاسیک از پیشبینی آن ناتوان است. ولی اگر مقدار ماده یا
سطح انرژی را افزایش دهیم، به حدی میرسیم که میتوانیم قوانین فیزیک کلاسیک را
بدون این که خطای قابل ملاحظهای مرتکب شده باشیم، برای توصیف پدیدهها به کار ببریم.
به این «حد» که در آن قوانین فیزیک کلاسیک (که معمولاً سادهتر هستند) میتوانند به
جای مکانیک کوانتومی پدیدهها را به درستی توصیف کنند، حد کلاسیک گفته میشود.
کوشش برای نظریهٔ وحدتیافته :
وقتی میخواهیم مکانیک کوانتومی را با نظریهٔ نسبیت عام (که توصیفگر فضا-زمان در
حضور گرانش است) ترکیب کنیم، به ناسازگاریهایی برمیخوریم که این کار را ناممکن
میکند. حل این ناسازگاریها هدف بزرگ فیزیکدانان قرن بیستم و بیستویکم است.
فیزیکدانان بزرگی همچون استیون هاوکینگ در راه رسیدن به نظریهی وحدتیافته ی
نهایی تلاش میکنند ؛ نظریهای که نه تنها مدلهای مختلف فیزیک زیر اتمی را یکی کند،
بلکه چهار نیروی بنیادی طبیعت - نیروی قوی ، نیروی ضعیف، الکترومغناطیس و گرانش را
نیز به شکل جلوههای مختلفی از یک نیرو یا پدیده نشان دهد.
دوست عزیز مو ضوع مقاله ی بعدی را لطفا شما پیشنهاد دهید .
اگر هر گونه انتقاد و پیشنهادی دارید در قسمت نظر خواهی یا در غیر اینصورت به آدرس زیر ارسال نمایید .
Deworf_star@yahoo.com
|
+| نوشته شده توسط
مسعود رحیم پور در یکشنبه ششم آبان 1386
|
