نسبیت خاص فراتر از عجیب است. از جمله ادعاهای بسیار او این است که ساعت های متحرک به کندی کار می کنند و خط کش های متحرک کوچک می شوند. اما چگونه باید این را بدانیم؟ برای درک فیزیک نسبیت، باید دوباره به آن شیرجه بزنیم زمان کمی.
در سال 1865م جیمز کلرک ماکسول کشف کرد که آنچه ما “نور” می نامیم در واقع یک موج است الکتریسیته و مغناطیس. اما مانند همه امواج، این امواج باید از طریق چیزی موج می زند. امواج صوتی در هوا حرکت می کنند. امواج اقیانوس در سراسر اقیانوس ها حرکت می کنند. بنابراین ماکسول معتقد بود که امواج نور از طریق ماده ای که امروزه به عنوان “اتر نوردار” قدیمی شناخته می شود، عبور می کنند.
این “اتر” (یا “اتر”) قرار بود خواص عجیبی داشته باشد. شما نمی توانید آن را حس کنید، لمس کنید، آن را بو کنید، یا در غیر این صورت آن را حس کنید. بنابراین باید تقریباً نامرئی می بود، اما همچنین باید اجازه می داد نور در آن موج بزند، بنابراین باید وجود داشت. در اواخر دهه 1800، بحث های زیادی در مورد ماهیت اتر وجود داشت و همه ثابت کردند که اشتباه می کنند.
متصل: آزمایش دو شکاف: آیا نور یک موج است یا یک ذره؟
اما آنها نمی‌دانستند اشتباه می‌کنند تا اینکه دو دانشمند تصمیم گرفتند در سال 1887 حرکت ما را از طریق اتر اندازه‌گیری کنند. این زوج آلبرت میکلسون از دانشکده علوم کاربردی کیس و ادوارد مورلی از دانشگاه وسترن رزرو بودند که آزمایشی را ترتیب دادند که ما انجام دادیم. اکنون آزمایش میکلسون-مورلی را در چیزی که اکنون دانشگاه کیس وسترن رزرو می نامیم، نام ببرید.
ایده اصلی این است که اگر اتر وجود دارد، ما باید در آن شنا کنیم و این حرکت را به عنوان تغییری در سرعت نور.
آزمایش Mickelson-Morley تلاش کرد تا این را اندازه گیری کند و به طرز بدی شکست خورد. پس مشکلی پیش آمد. نور یک موج است و باید از طریق چیزی – اتر – عبور کند. اما به نظر نمی رسد که ما حرکت خود را از طریق اتر اندازه گیری کنیم. چه خبر؟
انقباضات طولانی
اندکی پس از آزمایش میکلسون-مورلی، فیزیکدان اولیور هیوساید متوجه چیز عجیبی شد: وقتی بارهای الکتریکی حرکت می کنند، میدان های الکتریکی آنها کمی در جهت آن حرکت منقبض می شود.
سپس هندریک لورنتز آمد، که یک فکر کاملاً شگفت انگیز داشت: اگر همه ما از بارهای الکتریکی ساخته شده ایم و میدان ها هنگام حرکت منقبض می شوند، پس شاید ما وقتی حرکت می کنیم منقبض می شویم بنابراین ما نمی‌توانیم تغییرات سرعت نور را به دلیل انقباض طول اندازه‌گیری کنیم – با حرکت در اتر، سرعت نور تغییر می‌کند، اما دستگاه اندازه‌گیری ما نیز تغییر می‌کند و در نتیجه آن را خنثی می‌کند.
این یک نظریه نسبتا موفق در نظر گرفته شد. کار می کند و تمام داده ها را توضیح می دهد. هنگامی که ماده توسط برخی فعل و انفعالات فیزیکی حرکت می کند خرد می شود و اتر وجود دارد اما قابل تشخیص نیست.
سپس، انیشتین ظاهر شد و یک سوال بسیار مهم پرسید: اگر این اتر همیشه و برای همیشه غیر قابل کشف است، پس چرا به آن نیاز داریم؟ چرا ما اجازه نمی دهیم همه چیز خود به خود کوچک شود – نه برای توضیح برخی از نتایج تجربی که دوست نداریم، بلکه به عنوان یک واقعیت آشکار جهان?
این نتیجه عالی اینشتین است. افراد دیگری در جهت نسبیت کار می کردند، اما هیچ کس جهشی را که او انجام داد انجام نداد. انیشتین اعلام کرد که انقباض طول یکی از ویژگی‌های جهان است، نه یک اشکال. دیگر نه اتری، نه تلاشی برای قرار دادن یک میخ الکترومغناطیسی مربعی در یک سوراخ اتر گرد. هنگام حرکت، طول ها کوچک می شوند. دوره زمانی. پایان بحث.
انقباض طول اینشتین کمی متفاوت از انقباض لورنتس بود. برای لورنز، این یک اثر فیزیکی بود، همه چیز با هم مخلوط می شد. برای انیشتین این یک ویژگی بود فضا خود مستقل از اشیاء واقعی. و این درک به انیشتین اجازه داد تا یک جهش قدرتمند دیگر انجام دهد.
تولد نسبیت
برای اینکه همه چیز به نتیجه برسد، انیشتین متوجه شد که باید دادن و گرفتن وجود داشته باشد. شما نمی توانید فقط طول را کوچک کنید – خط کش های نورد کوچک می شوند – فی نفسه. شما همچنین به تأخیر زمانی نیاز دارید – ساعت های چرخشی به کندی کار می کنند. آنها همیشه با هم کار می کنند تا اجازه دهند همه مشاهدات و همه دیدگاه ها معنا پیدا کنند.
برای مثال، میون فروتن، برادر سنگین‌تر را در نظر بگیرید الکترون. از آنجایی که میون عظیم است، عمر کوتاهی دارد که تنها 2.2 میکروثانیه است. هنگامی که ذرات پرانرژی به مولکول های هوا در اتمسفر بالایی برخورد می کنند، میون تولید می کنند که سپس به زمین می افتند.
این میون‌ها تقریباً با سرعت نور حرکت می‌کنند، اما هنوز آنقدر سریع نیست که در طول عمر کوتاه خود به زمین برسد. اما نسبیت به ما می‌آموزد که ساعت‌های متحرک به کندی کار می‌کنند – از دیدگاه ما، میون‌ها بسیار طولانی‌تر هستند، بنابراین زمان کافی برای انجام این سفر دارند.
اما میون دیدگاه دیگری دارد. او هیچ تاخیر زمانی را از دیدگاه خود تجربه نمی کند، که از آن تنها 2.2 میکروثانیه وجود خواهد داشت. پس چگونه میون از دیدگاه او زمان کافی برای رسیدن به زمین دارد؟ پاسخ در این سمت انقباض طول است – از نقطه نظر میون سریع، فاصله تا زمین بسیار کمتر است، بنابراین آنقدر دور نیست.
نسبیت خاص ماشین ریاضی است که ما برای تغییر دیدگاه و سازماندهی همه چیز به آن نیاز داریم. جهان ممکن است دیوانه باشد، اما حداقل از قوانینی پیروی می کند که ما درک می کنیم.
