چرا نمی توان با سرعت نور حرکت کرد؟

MacTavish · 10/9/19

آلبرت اینشتین بیشتر به دلیل نظریه نسبیت شهرت دارد. از زمانی که اینشتین نظریه‌ نسبیت را ارائه داد دیدگاه کلاسیک به عنوان یک نظریه‌ای پیش پا افتاده محسوب می‌گردید و به همین دلیل، اینشتین شهرت جهانی پیدا کرد. به علت ارتباط دادن حرکت اجسام در جهان هستی توسط نسبیت خاص، دانشمندان توانستند فرضیه‌های خود را در مباحث حساسی، مانند فضا و زمان را دوباره از نو مورد بررسی قرار دهند. این نظریه پرده از اسرار مهمی در مبحث ارتباط بین انرژی و ماده برداشت. سرعت نور

در سال 1905 مقاله‌ای به نام «الکترودینامیک در اجسام متحرک» توسط اینشتین منتشر شد که به نظریه‌ی نسبیت خاص پرداخته شده بود. او این نظریه را در پی تناقض‌هایی که بین معادله‌های قوانین حرکتی آیزاک نیوتن و الکترومغناطیس جیمز کلرک ماکسول وجود داشت، ارائه کرد. بنا به نظریه‌ی ماکسول، آنچه باعث ثابت بودن نور در خلاء می‌شود، ارتعاش نور در میدان الکترومغناطیس است. تقریبا بیش از 100 سال پیش نیز قوانین حرکتی توسط نیوتون ارائه شده بود.

اگر این نظریه‌ها را در کنار عقایدی که گالیله داشت، قرار دهیم، متوجه می‌شویم که تفاوت برآورد سرعت تا چه اندازه می‌تواند متفاوت باشد. این تفاوت بستگی به شخصی که آن را اندازه می‌گیرد و حرکت آن فرد نسبت به جسم، دارد. توپی که در دست می‌گیرید، حتی در درون یک ماشین، ممکن است از نظر شما ثابت به نظر رسد، ولی همین توپ از دید یک شخصی که در پیاده‌ رو ایستاده، متحرک است.

فرض کنید شخصی در یک قطار نشسته و توپی را به طرف دیوار روبروی خود و چند متر جلوتر از محلی که شما نشستید پرتاب می‌کند. شما سرعت حرکت توپ را که در سکوی ایستگاه نشسته‌اید، برابر با سرعتی که آن شخص در درون قطار محاسبه می‌کند، ارزیابی می‌کنید. وقتی‌که قطار شروع به حرکت می‌کند، شما این بار اندازه‌ی سرعت توپ را دقیق‌تر از قبل محاسبه می‌کنید؛ اما در این لحظه، آن شخص درون قطار، تفاوت سرعت را احساس نخواهد کرد. این دو سرعتی که شما از حرکت توپ به دست آوردید، هر دو از نظر شما صحیح می‌باشند.

اگر صورت مسئله را از توپ به نور تغییر دهیم، نتایج این برآوردها متفاوت خواهد بود. اگر فرد درون قطار، نوری را روی دیوار روبه‌روی خود، بتاباند و سرعت ذرات نور (فوتون) را برآورد کند، شما و فرد درون قطار به هر حال سرعت نور را ثابت تصور خواهید کرد. تحت هرگونه شرایطی، سرعت حرکت فوتون‌ها کمتر از 300 هزار کیلومتر در ثانیه بوده است، معادله‌های ماکسول نیز همین نتایج را اثبات می‌کند.

ثابت بودن سرعت نور

یکی از دو شرط نظریه نسبیت خاص اینشتین، همین ثابت بودن سرعت نور بود. شرط دوم هم این بود که قوانین فیزیک در هر شرایط یکسان عمل می‌کند، چه در هواپیما، چه در جاده و… اما برای اینکه بتوان سرعت نور را در هر زمان و از دید هر فردی ثابت نگه داشت، در نسبیت خاص، فضا و زمان متغیر خواهند بود. دیگر زمان ثابت و مطلق نخواهد بود. عقربه‌های ساعت هنگام حرکت، آهسته‌تر از عقربه‌های ساعت ثابت، حرکت خواهند کرد. زمان، در صورتی که حرکت با سرعت نور باشد، متوقف خواهد شد.

فرمول نظریه نسبیت خاص اینشتین

توسط دو معادله‌ای که در تصویر بالا می‌بینید، میزان کندی سرعت اندازه‌گیری می‌شود. در سمت راست Δt، فاصله زمانی بین دو رخداد از نظر شخص تحت تاثیر (در مثالی که در بالا ذکر شد این فرد نقش همان شخص درون قطار را دارد) است؛ و در سمت چپ Δt، فاصله زمانی بین دو رخداد از نظر ناظر خارجی (شخصی که در سکوی ایستگاه نشسته) است. این دو زمان با عامل لورنتس (γ) به یکدیگر مرتبط هستند. در این مثال عامل لورنتس برابر است با سرعت (v) قطار نسبت به سکوی ایستگاه که در واقع ثابت است. ضریب c در این معادله ثابت و معادل سرعت نور در خلا است.

از تقسیم طول موثر جسم بر عامل لورنتس، می‌توان میزان کاهش طول در اجسام متحرک، نسبت به اجسام ثابت را اندازه‌گیری کرد. طول اجسام متحرک در جهت آنها کوتاه‌تر می‌شود. در صورت حرکت جسمی با سرعت نور (به فرض مثال که عملا غیرممکن است) طول آن به عدد صفر خواهد رسید. اگر این توانایی را داشته باشید که از حد معمول خود سریع‌تر حرکت کنید، گذر زمان بر روی شما مثل مثال قبلی خواهد بود و باعث خواهد شد که قد شما دیگر کوتاه نشود.

شخصی که از یک سکوی ثابت شما را می‌بیند، می‌تواند توسط عامل لورنتس، تغییرات را برآورد کند. عامل لورنتس برای اجسام و سرعت‌ها‌ی روزانه، تقریبا عدد یک است. آثار نسبیتی فقط در سرعت‌هایی که به سرعت نور نزدیک است، اهمیت پیدا می‌کند. یکی از مشخصات دیگر در نظریه‌ی نسبیت خاص این است که با افزایش سرعت یک جسم متحرک، جرم آن نیز افرایش می‌یابد. افرایش جرم باعث می‌شود که انرژی مصرف شده جهت افزایش سرعت جسم، کاملا صرف افزایش سرعت آن شود. جرم وانرژی هر دو یکی هستند.

زمانی که سرعت جسم به‌صورت قابل توجهی، به سرعت نور (c) نزدیک باشد، میزان انرژی مصرفی در افزایش جرم جسم نیز، بیشتر می‌شود. در واقع، چیزی نیست که بتواند مساوی و یا نزدیک به سرعت نور حرکت کند. با وارد کردن هر چه بیشتر انرژی به جسم، فقط جرم آن افزایش خواهد یافت و نمی‌تواند سرعت جسم را افزایش دهد. این نتیجه بسیار مهم است ولی این خود داستانی دیگر است.