نسبيت خاص
نسبیت خاص نظریهای دربارهٔ برخی از مهمترین مفاهیم فیزیک، یعنی فضا و زمان 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.
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.
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.
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.
انقباض طول
یک میله که در راستای طول خود در حرکت است، به چشم یک ناظر ساکن، کوتاهتر به نظر میرسد.
اتّساع زمان
یک ساعت متحرک، به چشم یک ناظر ساکن، کندتر از ساعت مشابهی که ساکن است کار میکند. به زبان دیگر، زمان در چارچوب متحرک، به چشم ناظر ساکن، کندتر میگذرد. این پدیده ربطی به ساختار فیزیکی ساعتها ندارد.
افزایش جرم
وقتی به جسمی نیرو وارد میشود، آن جسم شتاب میگیرد. به نسبت نیرو به شتاب، جرم لختی میگویند. در مكانیك كلاسیك، همه اجسام با هر سرعتی كه در حال حركت باشند، در اثر یك نیروی مشخص یك شتاب ثابت میگیرند. اما در نسبیت خاص چون هیچ سرعتی بالاتر از سرعت نور وجود ندارد، هرچه سرعت جسم بیشتر بشود، در مقابل یك نیروی خاص كمتر شتاب میگیرد. انگار كه جرم لختی آن بیشنر شدهاست.
همارزی جرم و انرژی
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.
سیستم مکانیابی بینالمللی (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.