چرا نمی‌توانید سفری با سرعت نور داشته باشید؟

تئوری‌ نسبیت که توسط آلبرت انیشتین مطرح شده توانست با پاره کردن منشور جهان‌بینی کلاسیک، نقش مهمی در شهرت این فیزیکدان ایفا کند. نسبیت خاص که به موضوع حرکت اشیا در جهان می‌پردازد، دانشمندان را وادار کرد تا مفروضات خود را در مورد پارامترهای بنیادین نظیر زمان و فضا مورد ارزیابی مجدد قرار دهند. ضمن این که این نظریه به حل معماهای مهمی در خصوص رابطه‌ی انرژی و ماده کمک کرد.

سال ۱۹۰۵ نسبیت خاص انیشتین در مقاله‌ای با عنوان "الکترودینامیک اجسام متحرک" منتشر شد. انیشتین معادلات الکتریسیته و مغناطیس که توسط "جیمز کلرک ماکسول" بیان شده بود و معادلات حرکت "ایزاک نیوتن" را کنار هم قرار داد و این معادلات را با هم درگیر کرد.

بنا به نظر ماکسول نور، ارتعاشی در میدان الکترومغناطیسی بود که با سرعت ثابت در خلاء حرکت می‌کرد. بیش از ۱۰۰ سال پیش بود که نیوتن قوانین حرکت خود را با در نظر گرفتن ایده‌های گالیله مبنی بر متغیر بودن سرعت از نظر ناظر ثابت و ناظر متحرک مطرح کرد. برای مثال، توپی که در دستان خود نگه داشته‌اید، با سوار شدن شما در یک خودروی در حال حرکت، باز هم از نظر شما و دیگر افراد داخل خودرو ساکن به نظر می‌رسد. در حالی که از دید ناظران حاضر در پیاده‌رو، توپ متحرک است.

این مشکلی بود که در به کارگیری قوانین حرکت نیوتن برای توجیه حرکت نور وجود داشت. در معادلات ماکسول، با در نظر گرفتن خواص اجسامی که از طریق امواج حرکت می‌کنند، سرعت امواج الکترومغناطیسی، ثابت تعریف شده است. از این رو می‌توان گفت که سرعت امواج، مستقل از نوع ناظر فرض شده است.

تصور کنید که فردی در قطار ساکن نشسته است و توپی به سمت دیوار مقابل خود پرتاب می‌کند. شما در سکوی ایستگاه ایستاده‌اید و ناظر این صحنه هستید. سرعت پرتاب توپ از دید شما و مسافر نشسته در قطار، هر دو به یک مقدار است.

حالا فرض کنید قطار در جهت حرکت توپ شروع به حرکت می‌کند و شما دوباره سرعت توپ را اندازه‌گیری می‌کنید. این بار عدد سرعت بالاتر از دفعه‌ی قبل محاسبه می‌شود. چرا که یک سرعت اولیه (سرعت زمان استراحت قطار) به سرعت حرکت رو به جلوی آن اضافه شده است.در حالی که مسافر داخل قطار سرعت توپ را عدد دیگری گزارش می‌دهد که با عدد شما متفاوت است. در واقع با این که اعداد شما با هم فرق دارند اما هر دو با توجه به چارچوب‌های مرجع، درست محاسبه شده‌اند.

حالا اگر به جای توپ، نور را در نظر بگیرید، محاسبات منحرف می‌شوند! اگر مسافر داخل قطار در حال حرکت، نوری را به دیوار مقابل خود بتاباند و سرعت ذرات نور (فوتون‌ها) را اندازه‌گیری کند عدد به دست آمده با عدد محاسبه شده توسط شما یکسان خواهد بود. در هر دو حالت سرعت فوتون‌ها زیر ۳۰۰/۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه به دست خواهد آمد که همان فرض معادلات ماکسول است.

انیشتین با در نظر گرفتن این ایده، سرعت ثابتی برای نور در نظر گرفت که یکی از دو اصل نظریه‌ی نسبیت خاص بود. اصل دیگر آن بود که قوانین فیزیک در همه جا یکسان هستند و تفاوتی ندارد که شما داخل هواپیما هستید یا کنار جاده ایستاده‌اید. با این حال، برای ثابت نگه داشتن سرعت نور برای همه‌ی زمان‌ها و ناظرها، فضا و زمان تبدیل به یک مقدار متغیر می‌شوند. می‌توان گفت که زمان پارامتر مطلقی نیست. به عنوان مثال عقربه‌های یک ساعت متحرک، آهسته‌تر از عقربه‌های یک ساعت ساکن حرکت می‌کنند. بنابراین از لحاظ نظری در سرعت نور، ساعت کاملا متوقف می‌شود.

اکنون این سوال مطرح می‌شود که زمان چقدر باید افزایش پیدا کند تا دو معادله‌ی بالا قابل حل شدن باشند. در سمت راست معادله، تغییرات زمانی Δt را داریم که فاصله‌ی زمانی بین دو رویدادی است که توسط ناظر درگیر اندازه‌گیری می‌شود. (در مثال بالا، ناظر درگیر مسافر داخل قطار بود.) در سمت چپ 'Δt را داریم که به مدت زمان اندازه‌گیری رویداد توسط ناظر خارجی (در مثال بالا ناظر خارجی فرد حاضر در سکو بود) دلالت دارد. این دو پارامتر Δt و 'Δt توسط ضریب لورنتس (γ) به هم مرتبط می‌شوند. در مثال قبل، سرعت قطار نسبت به سکوی ایستگاه نقش این ضریب را بازی می‌کند. در این معادله، c برابر با ثابت نور در خلاء است.

طول اجسام متحرک در جهت حرکت آن‌ها کاهش پیدا می‌کند. از این رو جسمی که با سرعت نور حرکت می‌کند، طولش به صفر خواهد رسید. طول قراردادی جسمی که نسبت به ناظر ساکن، متحرک است می‌تواند به وسیله‌ی تقسیم طول ساکن آن بر ضریب لورنتس محاسبه شود. بنابراین چنانچه جسمی بتواند با سرعت نور حرکت کند، طولش به صفر خواهد رسید.

البته به این نکته‌ی مهم توجه داشته باشید که جسمی مانند شما هر چه حرکت سریع‌تری داشته باشد، متوجه تغییری نخواهد شد. چرا که در اینجا زمان عملکرد طبیعی دارد و به همین دلیل از طول شما کاسته نمی‌شود! با این حال، برای اشیای معمولی و سرعت‌های موجود در زندگی روزمره، ضریب لورنتس عددی نزدیک به ۱ است و تنها در سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور می‌توان آن را جدی گرفت.

یکی دیگر از نظریات نسبیت خاص این است که با افزایش سرعت شی، جرم آن در مقایسه با جرم حالت ساکن افزایش پیدا می‌کند. در واقع جرم یک جسم متحرک معادل جرم آن در حالت ثابت ضربدر ضریب لورنتس است.

از این رو هر چه سرعت جسم زیادتر می‌شود و به کسر قابل ملاحظه‌ای از سرعت نور نزدیک‌تر می‌شود، بخشی از انرژی به جای افزایش سرعت منجر به افزایش جرم جسم می‌شود.

 پروژه‌ی "دستاورد استارشات" (Breakthrough Starshot) هم یکی از مهیج‌ترین ایده‌های علمی است که وعده می‌دهد با انتقال تجهیزات سخت‌افزاری به نزدیک‌ترین ستاره‌ی پیش رو، نمایش پخش زنده‌ای از فضا برای عموم مردم فراهم کند. هدف تیم دستاورد استارشات، این است که سرعت سفینه‌ی فضایی خود را به ۲۰٪ سرعت نور برساند. در این سرعت، برخورد با یک ذره‌ی گرد و غبار هم می‌تواند منجر به فاجعه شود و به سفینه آسیب جدی بزند. چنانچه ذرات گرد و غبار به اندازه‌ی کافی بزرگ باشند، انرژی آزاد شده ناشی از، از هم گسستن آن‌ها بر اثر تصادف به قدری قوی است که می‌تواند یک سفینه‌ی فضایی را نابود کند. از این رو تیم به دنبال راهکارهایی برای به حداقل رساندن خطرات احتمالی این ایده است.