آشنایی با نسبیت - ۱

حرکت

حرکت چیز پیچیده‌ای نیست! حرکت به‌سادگی برای ما انسان‌ها قابل درک است. حتی تندی هم مفهوم ساده‌ای دارد. نیازی نیست چندین سال در مدرسه یا دانشگاه باشیم تا تندی را درک کنیم و بفهمیم اسب تندتر می‌دود یا لاک‌پشت. درک ما از حرکت یا سرعت، کاملاً بنیادی است؛ با این حال، بد نیست جزئیات این «درک» را بکاویم. درباره حرکت سؤال‌های مختلفی پیش می‌آید. بعضی از آنها عبارتند از:

• ۱) آیا جسم حرکت می‌کند یا ساکن است؟
• ۲) اگر جسم حرکت می‌کند، به کدام سمت می‌رود؟
• ۳) تندی جسم در آن راستا چقدر است؟
• ۴) آیا جهت حرکت جسم، به‌مرورِ زمان تغییر می‌کند؟
• ۵) آیا تندی جسم با زمان تغییر می‌کند؟
• ۶) اگر راستای حرکت و تندی جسم تغییر می‌کنند، چه چیزی آنها را تغییر می‌دهد؟
• و ...

برخی از سؤال‌های بالا را می‌توان با هم ترکیب کرد. مثلاً به جای سؤال‌های ۲ و ۳ می‌توان پرسید (اگرچه معمولاً در زبان فیزیکدان‌ها، تندی جزئی از سرعت است و سرعت به جهت تندی نیز اشاره دارد، اما گاهی آنها هم حوصله ندارند به این تمایز اهمیت بدهند! خلاصه اینکه اسیر واژه‌ها نشوید.):

• ۲+۳) سرعت جسم چقدر است؟

یا به جای سؤال‌های ۴ و ۵ می‌توان پرسید:

• ۴+۵) آیا سرعت با زمان تغییر می‌کند؟

برای پاسخ دادن به پرسش‌های ۱ تا ۳، باید موقعیت جسم را در فضا بدانیم و ببینیم آیا با زمان تغییر می‌کند یا نه. اگر زمان گذشت و موقعیت جسم عوض نشد، می‌گوییم جسم از جایش جُم نمی‌خورد، یا حرکت نمی‌کند، یا ساکن است. اما اگر موقعیتش عوض شد، می‌گوییم جسم حرکت می‌کند. هر حرکتی، با تندی خاصی صورت می‌گیرد. مثلاً اگر ماشینی بعد از ۱ دقیقه، ۲ متر جابه‌جا شد، می‌گوییم تندی ماشین ۲ متر بر دقیقه است.

لطیفه
پلیسی جلوی ماشینی را می‌گیره و به او می‌گه «برادر! سرعتت ۱۲۰ کیلومتر در ساعت بود. باید جریمه‌ات کنم!» راننده میگه: «غیرممکنه سرکار! من همه‌اش ۵ دقیقه‌اس که دارم رانندگی می‌کنم» خوشبختانه پلیس خیلی خونسرد و بردبار بود. دستی به ریشش میکشه و سعی میکنه منظورش رو روشن کنه.
پلیس: آقا! منظور من اینه که اگه با همین سرعت به حرکت‌تون ادامه بدید، بعد از یک ساعت ۱۲۰ کیلومتر رو طی می‌کنید.
راننده: ولی من پامو از روی گاز برداشته بودم. نهایتاً ۲-۳ دقیقه دیگه وامیسادم. تازه اگر هم پامو برنداشته بودم، ۵-۶ دقیقه بعد به اون دیوار می‌رسیدم و ۱۲۰ کیلومتر طی نمی‌کردم!
پلیس: اخوی! منظورم از سرعت ۱۲۰ اینه که عقربهٔ سرعت‌سنج ماشین روی ۱۲۰ بوده.
راننده: ولی سرعت‌سنج من خرابه. هیچ‌وقت عقربه‌اش تکون نمیخوره. اگه به عقربه‌سنج باشه، من اصلاً تکون نخوردم!
پلیس (کم‌کم داره عصبانی میشه): حق با شماس! قبل از اینکه ۱ ساعت بری، به اون دیوار می‌خوری؛ اما اگه ۱ ثانیه بری، حدود ۳۳ متر رو طی می‌کنی. یعنی شما داشتی با سرعت ۳۳ متر بر ثانیه حرکت می‌کردی و اگه ۱ ثانیه می‌گذشت، ۳۳ متر جلوتر بودی.
راننده: ولی ما قانونی نداریم که بگه تو این جاده سرعت ۳۳ متر بر ثانیه تخلف محسوب میشه. ما فقط یه قانون داریم که میگه ۱۲۰ کیلومتر بر ساعت تخلفه!
پلیس (فریادزنان): هر دوی اینها یه چیزنننننن! این قبض جریمه‌تو بگیر و برو!

بدیهی است که اگر جسمی تک و تنها در عالم باشد، موقعیت برای آن بی معناست. هیچ فرقی نمی‌کند که آن جسم کجا باشد. موقعیت جسم به شرطی معنا دارد که آن جسم تنها نباشد. به محض اینکه چیزی باعث شود یک‌دستیِ عالَم به‌هم بخورد، آنگاه موقعیت معنادار می‌شود. مثلاً می‌توان خطی کشید که مبدأ آن روی جسم دوم باشد و موقعیت جسم اول را برحسب فاصله از آن مبدأ تعریف کرد. این خط که می‌تواند صاف یا منحنی باشد، چارچوب نام دارد. مهم نیست چارچوب دقیقاً به چه شکل است؛ مهم این است که منظم باشد و بتوانیم موقعیت جسم را به کمک آن بسنجیم. البته وقتی پای چارچوب و مبدأ به میان می‌آید، این سؤال هم شکل می‌گیرد:

• ۷) آیا مهم است که چارچوب چگونه باشد و مبدأ را کجا بگذاریم؟

جواب این سؤال هم می‌تواند مثبت باشد و هم منفی! اگر منظورمان این باشد که آیا پدیده‌ها به چارچوب احترام می‌گذارند یا نه، باید بگوییم آنها هیچ اهمیتی به چارچوب نمی‌دهند. برای پرنده مهم نیست که یک فیل پرواز او را ببیند یا یک انسان؛ در هر صورت «پرواز» اتفاق می‌افتد. اما اگر منظورمان این باشد که ناظر در کدام چارچوب می‌تواند پدیده‌ها را آسان‌تر اندازه بگیرد، آنگاه باید گفت انتخاب چارچوب مهم می‌شود. برای مثال، برای شکارچی مهم است که در یکجا آرام بنشیند یا اینکه سوار موتور باشد و به سمت پرنده شلیک کند.

به عبارتی دیگر، وقوع پدیده‌ها به چارچوب بستگی ندارد، اما نحوه اندازه‌گیری ما به چارچوب بستگی دارد (لطیفه بالا را بخوانید). بنابراین برای بررسی هر پدیده، تعداد نامتناهی چارچوب وجود دارد -- فارغ از اینکه چه چیزی را می‌خواهیم اندازه بگیریم.

نبود چارچوب یکتا باعث می‌شود تا پاسخ سؤال‌های ۱ تا ۵ در چارچوب‌های مختلف، متفاوت باشد. یا به بیانی دیگر، موقعیت جسم نسبت به ناظرهای مختلف، متفاوت است. یعنی حرکت، نسبی است.

البته نسبی بودن حرکت به معنای نسبی بودن پیشامد نیست. اگر در چارچوبی بچه‌ای متولد شود، در همه چارچوب‌ها این بچه متولد شده است؛ یا اگر در چارچوبی ماشینی با درختی تصادف کند، در همه چارچوب‌ها این تصادف رخ داده است.

نه تنها پیشامد، بلکه بعضی چیزهای دیگر نیز مطلق‌اند. یعنی همه ناظرها -- در هر چارچوبی که باشند -- بر سر آنها اتفاق‌نظر دارند. دوتا از مهم‌ترین چیزهای مطلق عبارتند از:

• الف) پیشامد (رویداد): تولد، تولد است؛ مرگ، مرگ است؛ انفجار، انفجار است؛ برخورد، برخورد است. اگر پیشامدها مطلق نباشند، نتیجه می‌شود هستی نیز امری نسبی است. حال آنکه چیزی که هست، هست و چیزی که نیست، نیست!
• ب) زمان ساعت مچی (زمان ویژه): هر کسی، زمان روی ساعت مچی خود را همواره به یک صورت می‌بیند. هر اتفاقی که برای من بیفتد، برای ساعت همراه من نیز می‌افتد و من هیچ تغییری در «زمانی» که همراه با من می‌گذرد، حس نمی‌کنم.