نظریه نسبیت

افکنش فضای دوبعدی یک خمیدگی فضا-زمان در فضای سه‌بعدی که در نظریه نسبیت عام مطرح می‌شود

نظریهٔ نسبیَت دو نظریه اصلی و معروف نسبیت خاص و نسبیت عام آلبرت اینشتین را در بر می‌گیرد. ایدهٔ اصلی این نظریه آن است که زمان و فضا با هم مرتبط هستند، نه جدا از هم و ثابت.

آغاز به کار بردن عبارت «نظریهٔ نسبیت» به ۱۹۰۶ بر می‌گردد. هنگامی که ماکس پلانک ترکیب «نظریه نسبی» (در آلمانی: Relativtheorie) را به کار برد و بر چگونگی به کار برده شدن اصل نسبیت توسط این نظریه تأکید کرد. اما این آلفرد بوخرر بود که در بخش بحث مقاله پلانک، برای نخستین بار ترکیب «نظریه نسبیت» (در آلمانی: Relativitätstheorie) را به کار برد.

نسبیت خاص

مقالهٔ اصلی: نسبیت خاص

نسبیت خاص نگره‌ای روی ساختار فضازمان است. این نگره در سال ۱۹۰۵ توسط اینشتین و در مقاله‌ای به نام «درباره الکترودینامیک اجسام در حال حرکت» ارائه شد. این نگره بر پایه دو فرضی است که در تناقض با مکانیک کلاسیک هستند:

1. قوانین فیزیک در دستگاه ناظر کلی (نظارت کیهانی) برای همهٔ اجسام یکسان و واحد است. (اصل نسبیت).
2. سرعت نور در خلأ برای همه ناظران، صرف نظر از حرکت نسبیشان یا حرکت منبع تولیدکنندهِ نور ثابت است.

چنین نگره‌ای همخوانی بهتری با آزمایش‌های تجربی نشان می‌دهد. برای نمونه، آزمایش مایکلسون-مورلی نه تنها فرض دوم را تأیید می‌کرد، بلکه نتایج جالب دیگری را نیز به همراه داشت:

• نسبیت همزمانی: دو رویداد که برای یک ناظر هم‌زمان هستند، ممکن است برای ناظر دیگری که نسبت به ناظر نخست در حال حرکت است هم‌زمان نباشند.
• اتساع زمان: ساعت‌های در حال حرکت گذر زمان کمتری را نسبت به ساعت‌های ساکن تجربه می‌کنند و نشان می‌دهند.
• انقباض طول: اشیاء متحرک، در جهت حرکتشان از دید یک ناظر ایستا کوتاهتر اندازه‌گیری می‌شوند.
• هم‌ارزی جرم و انرژی: $E=mc^{2}$ جرم و انرژی با هم هم‌ارز هستند و به هم تبدیل می‌شوند.
• نور بیشترین سرعت ممکن را دارد: هیچ جسم مادی یا پیامی نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور در خلاء سفر کند.
• جاذبه در فضا با سرعت نور حرکت می‌کند، نه سریعتر یا بی‌درنگ.

ویژگی تعریف‌کننده نسبیت خاص در جابجایی ترادیسی‌های گالیله مورد استفاده در مکانیک کلاسیک با تبدیلات لورنتس است.

نسبیت عام

مقالهٔ اصلی: نسبیت عام

نسبیت عام، نظریه‌ای هندسی برای گرانش است که در سال 1915 توسط آلبرت اینشتین مطرح گردید و تصویر کنونی فیزیک جدید از گرانش را تشکیل می‌دهد. نسبیتِ عام نظریهٔ نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتن را تعمیم می‌دهد و توصیفی یکتا از گرانش به عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان و یا فضازمان ارائه می‌کند. به خصوص در این نظریه، انحنای فضای زمان، به‌طور مستقیم به انرژی و تکانه هر ماده و تابشی مربوط است که موجود باشد. این رابطه توسط معادلات میدان اینشتین مشخص می‌گردد که یک دستگاه معادلات مشتقات پاره‌ای را تشکیل می‌دهد.

برخی از پیش‌بینی‌های نظریهٔ نسبیت عام، به خصوص موارد مرتبط با گذشت زمان، هندسهٔ فضا، حرکت اجسام هنگام سقوط آزاد و انتشار نور، با پیش‌بینی‌های نظریه‌های فیزیک کلاسیک تفاوت بسیاری دارند. برای نمونه، از چنین تفاوت‌هایی می‌توان به اتساع گرانشی زمان، همگرایی گرانشی، انتقال به سرخ گرانشی نور و تاخیر زمانی گرانشی اشاره کرد. پیش‌بینی‌های نظریهٔ نسبیت عام در همه آزمون‌ها تا به امروز تأیید شده‌اند. هرچند نسبیت عام تنها نظریه نسبیتی نور نیست، ساده‌ترین نظریه‌ای است که با آزمایش‌ها مطابقت دارد، البته پرسش‌هایی بدون پاسخی باقی مانده‌اند، که بنیادی‌ترین آن‌ها چگونگی آشتی دادن نسبیت عام با فیزیک کوانتومی برای ایجاد یک نظریه خود-سازگار و کامل از گرانش کوانتومی است.

نظریهٔ اینشتین نتایج اخترفیزیکی مهمی به دنبال دارد. برای مثال، وجود سیاه‌چاله‌ها را نشان می‌دهد (مکان‌هایی در فضا که در آن فضا و زمان طوری ناهموار شده‌اند که هیچ چیز، حتی نور نمی‌تواند از آن فرار کند)، حالتی که در پایان عمر برای ستاره‌های پرجرم ایجاد می‌گردد. شواهد فراوانی وجود دارد که نشان می‌دهد تابش‌های شدید گسیل شده از برخی اجسام نجومی، مربوط به سیاه‌چاله‌ها است. برای مثال، ریزاختروش‌ها یا هسته کهکشانی فعال نتیجه حضور سیاه‌چاله‌های ستاره‌وار و سیاه‌چاله‌هایی با جرم‌های بسیار بسیار بیشتر هستند. خم‌شدن نور توسط گرانش می‌تواند منجر به پدیده‌ای موسوم به همگرایی گرانشی گردد که موجب دیده شدن چند تصویر از یک شئ نجومیِ دور در آسمان می‌شود. نسبیت عام همچنین وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی می‌کند. مشاهده و اندازه‌گیری مستقیم آن‌ها هدف پروژه‌هایی نظیر لیگو، آنتن فضایی تداخل‌سنج لیزری ناسا/اسا و آرایه‌های گوناگون زمان‌سنجی تپ‌اختر است. در ۱۱ فوریه ۲۰۱۶، پژوهشگران در LIGO موفق به مشاهده مستقیم امواج گرانشی برای نخستین بار شدند. همچنین، نسبیت عام اساس مدل‌های کنونی کیهان‌شناختی از یک جهان در حال انبساط است.

منابع

• Bergmann، Peter G. (۱۹۷۶). Introduction to the Theory of Relativity. Dover Publications. شابک ۰-۴۸۶-۶۳۲۸۲-۲.