تاریخ جهان

مقالاتی در باره تاریخ!

تاريخ جهان History of World أَفَلَمْ يَسِيرُوا فِي الأرْضِ فَيَنْظُرُوا كَيْفَ كَانَ عَاقِبَةُ الَّذِينَ مِنْ قَبْلِهِمْ كَانُوا أَكْثَرَ مِنْهُمْ وَأَشَدَّ قُوَّةً وَآثَارًا فِي الأرْضِ فَمَا أَغْنَى عَنْهُمْ مَا كَانُوا يَكْسِبُونَ قرآن كريم؛ سوره 40.غافر؛آيه 82 تاريخ معلّم انسان‌ها است. امام خميني رحمة‌اللّه عليه
بررسی نسبیت از دیدگاه آیزاک نیوتن و اِرنست ماخ
ساعت ٦:٢۱ ‎ب.ظ روز دوشنبه ٢٩ اسفند ۱۳٩٠  کلمات کليدي: تاریخ علم

ارنست ماخ از معاصرات البرت اینشتین بود که اندیشه های نسبی گرایانه وی تاثیرات شگرفی بر اینشتین نهاد در حین این مقاله به توضیح و توسعه نسبیت ماخ می پردازیم.
منبع:دانشمند شماره556


ارنست ماخ در اندیشه فضا و زمان دارای نوعی تضاد با آیزاد نیوتن بود.نیوتن معتقد بود که فضا و زمان به دو صورت است:1-فضا و زمان نسبی 2-فضا و زمان مطلق.از دیدگاه نیوتن فضا و زمان نسبی همان فضا و زمانی است که مردم به صورت معمول و روزمره با آن سرو کار دارند که نوعا با توجه به موقعیت نسبی آشیا شکل می گیرد مثلا این گفته که:«من در فاصله 2 متری از درختی مشخص ایستاده ام»گویای فضای نسبی است یعنی موقعیت چیزی را نسبت به موقعیت چیز دیگری سنجیدن.و یا این گفته که:«من در ساعت 2 به خانه برمی گردم «گویای زمان نسبی است این زمان نسبی در اصل موید آن است که تمام ساعت های عقربه ای [یا هر نوع ساعت دیگری]به نوعی مشخص کننده زمان نسبی اند و این بدان معناست که ساعت به گونه ای طراحی شده که مدت زمان گردش زمین به دور خودش نسبت به زمان دو دور چرخش عقربه کوچک، عدد یک است.
در دو مثال فوق اگر درخت و گردش زمین را حذف کنیم منظورمان نامفهوم خواهد شد.ولی اندیشه نسبی بودن این فکررا درآدمی به وجود می آورد که اصولا تمام قوانین طبیعت اعم ازسرعت و شتاب نیز باید نسبی باشند یعنی سنجیدن آنها تنها با توجه به موقعیت اشیا نسبت به یکدیگر معنا دارد.این فکر شاید با عقیده نیوتن نسبت به خدا در تضاد قرار گرفت.چون اندیشه بر این است که خداوند ذات مطلقی است نیوتن نپذیرفت که قوانین طبیعت که از اراده و ذات خداوند سرچشمه می گیرد اموری نسبی اند،اوفرض کرد که قوانینی از فیزیک باید وجود داشته باشد که در نهایت، حق مطلقیت را ادا کنند بنابراین او مفاهیم فضا و زمان مطلق را نیز به صورت جداگانه ای از فضا و زمان نسبی پذیرفت و آنها را جاری و ساری در تمام عالم و در میان همه اشیا در نظر گرفت.
در این میان فضای مطلق که ظاهرا شهود بیشتری از زمان مطلق داشت در نظر نیوتن جلوه کرد او فضای مطلق را بستری فرض کرد که قوانین حقیقی و مطلق فیزیک وقتی توجیه پذیر خواهند بود که نسبت به این فضای مطلق سنجیده شوند علاوه بر مکان، سرعت و شتاب نسبی که گویای قوانین نسبی فیزیک اند، مکان، سرعت و شتابی که نسبت به فضای مطلق سنجیده شود قوانین حقیقی و مطلق فیزیکند.نیوتن با این اندیشه که ساعت های معمولی متشابه در هر حالتی از حرکت و در هر مکانی نسبت به هم، دارای آهنگ های ثابت اند، زمان نسبی را با زمان مطلق متحد کرد [بعدا اینشتین با این قسمت مخالفت کرد].
اما ارنست ماخ فضا و زمان مطلق را نپذیرفت، او بیان داشت که «آنچه را که قابل آزمایش نباشد، باید از چارچوب فیزیک حذف کرد.» بنابراین با استناد بر اندیشه ماخ چون حقیقتا نمی توان فضا و زمان مطلق را با آزمایش تعیین کرد و هر آزمایشی لاجرم موید نسبی بودن آن خواهد بود پس فضا و زمان مطلق مفاهیمی نالازم یا زائد در فیزیک محسوب شده که باید این مفاهیم را از سر بیرون کرد، ماخ برای دفاع از اندیشه خود این گونه مثال می زند:
«در جهانی که ما هستیم موقعیت و سرع شی ء فرضی A تنها نسبت به اشیا D,C,B و ...که در اطراف شی A هستند قابل سنجیدن می باشد اگر ما این اشیاء D,C,B و ...را که در اصل تمام اشیا موجود در عالمند از اطراف شی ء A حذف کنیم آنگاه ناظر فرضی ایستاده بر روی جسم A چیزی جز تیرگی نمی بیند!حال این ناظر چگونه می خواهد مکان یا سرعت خود را درک کند؟ در حالی که هیچ چیز در اطراف او نیست که مکان یا سرعتش را به آن نسبت دهد.»
اما گویا خود نیوتن نیز از ضعف فضا و زمان مطلق آگاه بود و برای دفاع از آن بحث نیرو را در مثال معروف سطل دوّار به میان می کشد و مدعی می شود که نیرو [عامل شتاب]همان چیزی است که نسبت به فضای مطلق سنجیده می شود، اگر سطل آبی را در فضا با طنابی که به دسته اش متصل است دور خود بچرخانید، آب درون سطل به کف سطل فشرده می شود [می توانید به جای آب خودتان را درون سطل در نظر بگیرید و این نیرو را که بدنتان تحمل می کند احساس کنید].به نظر می رسد که نیوتن با این مثال قصد دارد نشان دهد که نیروی تولید شده ارتباطی با موقعیت اشیا اطراف سطل [که تمام عالم را تشکیل می دهند]ندارند و این اشیا چه باشند و چه نباشند تاثیری بر نیروی ایجاد شده ندارند.ماخ با این امر مخالفت کرد او گفت ناظری که درون سطل است حالت دوران خود را نسبت به اشیا بیرون خود درک می کند.یعنی می بیند که جهان گِرد او می چرخد پس اگر این اشیا را از اطراف سطل حذف کنیم برای ناظر درون سطل دوران معنایی ندارد و بنابراین اگر تمام اجرام موجود در عالم را از اطراف سطل حذف کنیم، کم کم نیرویی که ناظر درون سطل [آب]احساس می کند از بین می رود!!به نظر می رسد که ارنست ماخ قصد داشت تمام هویت ها را در فیزیک هویت های نسبی فرض کند اما در این میان مفهوم جرم کمی درد سر ساز می شود:
آیا جرمی مشخص که در فضا و به دور از اجرام دیگر به صورت جرم ماندی[عامل مقاوم در برابر شتاب]ظاهر می شود باز هویتی نسبی است؟
با توجه به شق دیگری از اندیشه ماخ، جواب مثبت است، ماخ اظهار داشت که آنچه به عنوان جرم یک جسم تجلی می کند در اصل ناشی از تاثیرات تمام اجرام دیگر تشکیل دهنده عالم است یعنی اگر عالم، یک ستاره را حذف کنیم از جرم تمام ستاره های موجود در عالم به اندازه بسیار کوچکی کاسته می شود این اندیشه بسیار عمیق و پیچیده است که می تواند نه مخالف اندیشه آقای نیوتن بلکه مخالف اندیشه خود ماخ نیز باشد!ماخ می دانست که چنین اندیشه ای درباره جرم مستلزم آن خواهد بود که فاصله اجرام از یکدیگر را هم در نظر آوریم زیرا اگر قرار است با حذف کردن یک جرم مشخص از جهان از جرم تمام اجرام دیگر جهان کمی کاسته شود پس در اصل جرم مذکور علاوه بر مقدار قابل توجهی که در محل خود در فضا دارد باید اثری کمتر را در اطراف خود و اثری به مراتب کمتر را در تمام نقاط عالم بر جای گذارد و این گفته وقتی منطقی است که این اثر در محل جرم حداکثر تاثیرگذاری را داشته باشد و هر قدر از جرم فاصله می گیریم از شدت این اثر کاسته می شود که بنا بر استناد، اتفاق زیر رخ خواهد داد:
اگر تمام اجرام عالم را به یک ستاره نزدیک کنیم، آنگاه جرم ستاره افزایش می یابد!
و اگر تمام اجرام عالم را از ستاره دور کنیم جرم ستاره کاهش می یابد!این گفته در حالت جزئی نیز باید صادق باشد:
اگر دست خود را به مجله دانشمند پیش روی خود نزدیک کنید جرم هر دوی آنها به مقدار بسیار کوچکی افزایش می یابد و به عکس اگر آنها را از هم دور کنید از جرمشان کاسته می شود!البته باید توجه داشته باشید مقدار این افزایش یا کاهش جرم آنقدر کوچک است که شاید نتوان با دستگاه های امروزی آن را سنجید و این امر را تنها پیشرفت فلسفی توجیه می کند.
هرچند که آقای ماخ عقیده داشت که جرم هر جسم موجود در جهان در اصل برایند اثرات اجرام دیگر آسمانی است ولی نکته مهم در این جاست که نمی توان انتظار داشت که همه اجرام به صورت ذاتی و تنها در عالم دارای جرمی معادل صفر مطلقند چه در این صورت اثرات آنها بر یکدیگر نیز صفر خواهد شد و نیز می توان یک ناحیه مشخص از فضا را به ابعاد مثلا یک متر مکعب از پنبه پر کرده و سپس آنها را آهن جایگزین کرد و آنگا این سوال که چرا در یک ناحیه مشخص از فضا و در مدت کوتاه این برایند اجرام کیهانی شدیدا متفاوت است چندان قابل دفاع نخواهد بود.
بنابراین به نظر بنده بهتر است بخش قابل توجهی از جرم لختی را فی النفسه بدانیم و بخش دیگر را متاثر از اجرام کیهانی که در این صورت به نظر می آید باید با احتیاط بیشتر با نظر آقای ماخ و آقای نیوتن برخورد کرد این نوع اندیشه در اصل عامل ایجاد نوعی چارچوب مطلق خواهد بود که تا اندازه ی مخالف اندیشه آقایان ماخ و اینشتین می باشد که ظاهرا با آزمایش نمی توان آن را دریافت که شبیه همان مفهوم نیوتن است ولی نه به صورت فضای صرف که نیوتن مطرح کرده بود بلکه به عنوان هویتی که علاوه بر مفهوم فضا، مفهوم جرم را نیز دارد. درباره دوران بیشتر صحبت می کنیم.مثال سطل دوار نیوتن، البرت اینشتین را نیز اندکی سردر گم کرده بود، اینشتین در کتاب خود با عنوان«فیزیک و واقعیت»انتشارات خوارزمی، تهران، چاپ دوم مرداد 1377، صفحه 257]پس از جانب داری از ارنست ماخ نکته مبهمی را مطرح می کند:
«هیچ کس نمی تواند بگوید که اگر دیواره های ظرف لحظه به لحظه ضخیم تر و جرم دارتر شود و سرانجام به ضخامت چندین کیلومتر برسد سرنوشت آزمایش چه خواهد شد!»
در این مقاله می خواهیم با توسعه اندیشه ماخ به سوال اینشتین جواب داده و یک نتیجه عجیب در اصول فیزیک به دست آوریم.آزمایش سطل دوار را به خاطر آورید در این مثال باید اولا نکته ای را خاطر نشان کرد:
اگر طبق گفته آقای ماخ تنها عامل تشخیص دوران یک شیء به کمک اجسامی صورت می گیرد که گرد آن وجود داردند و با حذف آنها دوران شیء مذکور نیز معنی خود را از دست می دهد و در اصل می توان فرض کرد که دوران تمام اشیا [ثوابت کیهانی]خود می تواند نیروی گریز از مرکز ایجاد کند، آنگاه این فکر به ذهن خطور می کند که اگر فرض کنیم ثوابت کیهانی از n جرم تشکیل یافته اند و دوران آنها باعث ایجاد شتاب گریز از مرکز می شود حذف نیمی از این اجرام باید این شتاب را کاهش دهد و حذف تمامی اجرام آن را صفر کند، اما می دانیم اگر بحث سر تشخیص یا عدم تشخیص یک حرکت نسبت به اشیا دیگر است، با حذف نیمی از ثوابت کیهانی هنوز «به اندازه کافی»[یعنی نیمی دیگر]از ثوابت کیهانی باقی می ماند.
تا ناظر روی زمین دوران خود را نسبت به آنها یا دوران آنها نسبت به خود را مفروض شمارد و به نظر می آید این انتقاد حتی بر شتاب های خطی [حرکت مستقیم الخط شتابدار]نیز وارد است و گفته نیوتن محتمل می شود اما ما می خواهیم گفته ماخ را علاوه بر ایراد فوق بپذیریم چه در این صورت از اهمیت «مشاهده»در تدوین قوانین فیزیک خواهیم کاست.
حال برای توسعه اصل ماخ دستگاهی را در فضا و به شکل زیر فرض کنید:سیاره ای با جرم زیاد را به توسط یک پوسته با جرم ناچیز فرا می گیریم.
سیاره نسبت به ثوابت کیهانی بدون دوران است، ناظری بین پوسته و سیاره قرار دارد [ناظر A] و با ساختن دستگاهی ساده شامل دو چرخ دنده با دوران دسته ای کوچک تمام پوسته را به گرد سیاره به گردش درمی آورد که این گردش با توجه به ناچیز بودن جرم پوسته ساخته شده می تواند به هر مقدار دلخواهی [لااقل تا نزدیکی سرعت نور]تغییر کند.ناظر B به این سیاره سفر می کند و در اصل بر روی پوسته فرود می آید، اگر این حالت نظریه ماخ را قبول کنیم از دید ناظر B معیار تشخیص دوران تمام همان ثوابت عالم اند و اگر این ثوابت را کم کم حذف کنیم از دیدگاه او شتاب گریز از مرکز هم باید از بین برود و این برای ما که از ساختار این سیاره عجیب اگاهیم به معنای آن است که ناظر A در چرخاندن پوسته «ناتوان»می شود و قدرت عضلات خود را از دست می دهد!و هر قدر هم سعی کند نمی تواند آن را بچرخاند، چرا که اگر آن را بچرخاند ناظر B نمی تواند شتاب گریز از مرکز تولید شده را در یک «جهان خالی»توضیح دهد.این قضیه همان طور که گفتیم می تواند تا حدودی از اهمیت «مشاهده»در فیزیک بکاهد یعنی لزوما آنچه مشاهده می شود تعیین کننده قوانین فیزیک نمی باشد که این امر به نوبه خود به ضرر نسبیت آقای اینشتین است.
در مثال فوق برای دفاع از گفته آقای ماخ باید فرض کرد که با حذف ثوابت کیهانی، محتوی انرژی سیاره و پوسته و ناظران آن به سمت صفر میل می کند یعنی هم ناظر A بی حال و ناتوان می شود و هم همه جرم ها [به عنوان انرژی متمرکز]جرم خود را تا نزدیکی صفر از دست می دهند.البته در این صورت هم شق دیگری از بحث باقی می ماند:
اگر فرض کنیم اصطکاک پوسته و سیاره در محل اتصالات ناچیز است و در حضور سایر ثوابت کیهانی ناظر A پوسته را با سرعت زاویه ای W به حرکت درآورد، پوسته تمایل دارد تا مدت نامحدودی به دوران خود با سرعت زاویه ای W ادامه دهد که این حرکت، شتاب گریز از مرکز مشخصی را روی پوسته تولید می کند.در این حالت حذف کردن کم کم ثوابت کیهانی علاوه بر کاستن جرم سیاره و پوسته باید سرعت زاویه ای پوسته را نیز کاهش دهد تا ناظر روی سیاره شاهد کاهش شتاب گریز از مرکز باشد.
اگر چنین چیزی امکان پذیر شود و ما جرم را با سرعت زاویه ای در ارتباط بدانیم سوال به ظاهر بی جواب اینشتین نیز پاسخی قانع کننده می یابد یعنی افزایش جرم سطل در حال دوران باعث افزایش سرعت زاویه ای آن و کاهش جرم سطل باعث کاهش سرعت زاویه ای اش می شود و این قضیه را می توان در فیزیک تعمیم داد:
«افزایش یا کاهش جرم یک سیستم لخت سرعت آن را نسبت به ظاهر لخت مربوطه تغییر می دهد.»
برای درک بهتر موضوع مثال زیر را در نظر آورید:
فرض کنید جسمی به جرم m نسبت به ناظر O با سرعت ثابت V از آن دور می شود.دو سفینه با سرعت های ثابت هر یک در بالا و پایین آن جرم با فاصله ای زیاد و باهمان سرعت V از ناظر O حرکت می کنند، ناگهان از هر دو سفینه اجسامی به جرم M دقیقا در راستای عمود بر سرعت V همزمان جدا شده و به سمت جرم m حرکت می کنند و پس از برخورد به آن می چسبند [فرض کنید جرم m کمی چسبناک است]پس از یکی شدن جرم ها می دانیم طبق نظر نیوتن نباید سرعت مجموعه جدید نسبت به ناظر O تغییر کند زیرا در راستای حرکت اولیه هیچ مولفه سرعت[یا تکانه]ای به جز همان سرعت اولیه V وجود ندارد ولی با پذیرش و گسترش اصل ماخ جرم مجموعه زیاد شده [از m به M+M+mافزایش می یابد]و باید انتظار داشته باشیم که سرعت V مجموعه نسبت به ناظر O افزایش یابد!این امر برعکس یکی از نتایج نسبیت خاص است، با توجه به نسبیت خاص می دانیم:
"هر قدر سرعت یک جسم فزونی یابد آنگاه جرم آن نیز نسبت به ناظر لخت فزونی می یابد."
و در این حالت میگوییم:
"هر قدر جرم یک جسم افزایش یاد آنگاه سرعت آن نیز نسبت به ناظر لخت افزایش می یابد."


 
 
 
 

سرور و قالب: پرشین بلاگ
تمامي حقوق اين وبلاگ متعلق به بلاگ تاريخ جهان است.