परिचय
न्यूटोनियन भौतिकी में, अंतरिक्ष और समय की अपनी स्वतंत्र पहचान थी, और किसी ने उन्हें कभी मिलाया नहीं। यह सापेक्षता के सिद्धांत के साथ था, जिसे 20वीं सदी की शुरुआत में एक साथ रखा गया था, जिससे स्पेस-टाइम के बारे में बात करना लगभग अपरिहार्य हो गया। सापेक्षता में, यह अब सच नहीं है कि अंतरिक्ष और समय के अलग-अलग, वस्तुनिष्ठ अर्थ हैं। जो वास्तव में मौजूद है वह अंतरिक्ष-समय है, और इसे अंतरिक्ष और समय में विभाजित करना केवल एक उपयोगी मानव सम्मेलन है।
सापेक्षता को समझने में मुश्किल होने की प्रतिष्ठा का एक प्रमुख कारण यह है कि हमारे अंतर्ज्ञान हमें अंतरिक्ष और समय को अलग-अलग चीजों के रूप में सोचने के लिए प्रशिक्षित करते हैं। हम वस्तुओं को "अंतरिक्ष" में सीमा के रूप में अनुभव करते हैं और यह एक सुंदर वस्तुनिष्ठ तथ्य की तरह लगता है। अंतत: यह हमारे लिए पर्याप्त है क्योंकि हम आम तौर पर प्रकाश की गति से बहुत कम गति से अंतरिक्ष में यात्रा करते हैं, इसलिए पूर्व-सापेक्ष भौतिकी काम करती है।
लेकिन अंतर्ज्ञान और सिद्धांत के बीच यह बेमेल अंतरिक्ष-समय के परिप्रेक्ष्य में छलांग को कुछ हद तक डरा देता है। इससे भी बुरी बात यह है कि सापेक्षता की प्रस्तुतियाँ अक्सर नीचे से ऊपर की ओर जाती हैं - वे अंतरिक्ष और समय की हमारी रोज़मर्रा की धारणाओं से शुरू होती हैं और उन्हें सापेक्षता के नए संदर्भ में बदल देती हैं।
हम थोड़ा अलग होने जा रहे हैं। विशेष सापेक्षता में हमारे मार्ग को ऊपर से नीचे के रूप में माना जा सकता है, एक एकीकृत अंतरिक्ष-समय के विचार को गंभीरता से लेते हुए और इसका क्या अर्थ है यह देखते हुए। हमें अपने दिमाग को थोड़ा फैलाना होगा, लेकिन इसका परिणाम हमारे ब्रह्मांड पर सापेक्षतावादी दृष्टिकोण की बहुत गहरी समझ होगी।
सापेक्षता के विकास का श्रेय आमतौर पर अल्बर्ट आइंस्टीन को दिया जाता है, लेकिन उन्होंने एक सैद्धांतिक भवन के लिए कैपस्टोन प्रदान किया, जो 1860 के दशक में जेम्स क्लर्क मैक्सवेल द्वारा विद्युत चुंबकत्व के एकल सिद्धांत में विद्युत और चुंबकत्व को एकीकृत करने के बाद से निर्माणाधीन था। मैक्सवेल के सिद्धांत ने समझाया कि प्रकाश क्या है - विद्युत चुम्बकीय क्षेत्रों में एक दोलनशील तरंग - और ऐसा प्रतीत होता है कि प्रकाश जिस गति से यात्रा करता है, उसे एक विशेष महत्व देता है। एक क्षेत्र का विचार अपने आप में पूरी तरह से मौजूद था, उस समय वैज्ञानिकों के लिए पूरी तरह से सहज नहीं था, और यह आश्चर्य करना स्वाभाविक था कि प्रकाश तरंग में वास्तव में "लहराता" क्या था।
विभिन्न भौतिकविदों ने इस संभावना की जांच की कि प्रकाश एक माध्यम से फैलता है जिसे उन्होंने चमकदार ईथर करार दिया। लेकिन किसी को भी ऐसे किसी भी ईथर के लिए सबूत नहीं मिले, इसलिए उन्हें तेजी से जटिल कारणों का आविष्कार करने के लिए मजबूर होना पड़ा कि यह पदार्थ ज्ञानी क्यों नहीं होना चाहिए। 1905 में आइंस्टीन का योगदान यह बताना था कि ईथर पूरी तरह से अनावश्यक हो गया है, और हम इसके बिना भौतिकी के नियमों को बेहतर ढंग से समझ सकते हैं। हमें बस इतना करना था कि अंतरिक्ष और समय की एक पूरी तरह से नई अवधारणा को स्वीकार करें। (ठीक है, यह बहुत है, लेकिन यह पूरी तरह से इसके लायक निकला।)
आइंस्टीन के सिद्धांत को सापेक्षता के विशेष सिद्धांत, या केवल विशेष सापेक्षता के रूप में जाना जाने लगा। अपने फाउंडेशन पेपर में, "चलती निकायों के विद्युतगतिकी पर," उन्होंने लंबाई और अवधि के बारे में सोचने के नए तरीकों के लिए तर्क दिया। उन्होंने यह कहते हुए प्रकाश की गति की विशेष भूमिका की व्याख्या की कि ब्रह्मांड में एक पूर्ण गति सीमा है - एक गति जिस पर प्रकाश खाली जगह में चलते समय यात्रा करता है - और यह कि हर कोई उस गति को समान होने के लिए मापेगा, कोई फर्क नहीं पड़ता कि वे कैसे चल रहे थे। उस काम को करने के लिए, उसे समय और स्थान की हमारी पारंपरिक धारणाओं को बदलना पड़ा।
लेकिन वह अंतरिक्ष और समय को एक एकीकृत अंतरिक्ष-समय में शामिल करने की वकालत करने के लिए इतना आगे नहीं गया। यह कदम उनके पूर्व विश्वविद्यालय के प्रोफेसर, हरमन मिंकोव्स्की के लिए 20 वीं शताब्दी की शुरुआत में छोड़ दिया गया था। विशेष सापेक्षता के क्षेत्र को आज मिंकोव्स्की स्पेस-टाइम के रूप में जाना जाता है।
एक बार जब आप अंतरिक्ष-समय को एक एकीकृत चार-आयामी सातत्य के रूप में सोचने का विचार रखते हैं, तो आप इसके आकार के बारे में प्रश्न पूछना शुरू कर सकते हैं। क्या अंतरिक्ष-समय सपाट या घुमावदार, स्थिर या गतिशील, परिमित या अनंत है? मिंकोव्स्की अंतरिक्ष-समय सपाट, स्थिर और अनंत है।
आइंस्टीन ने एक दशक तक यह समझने के लिए काम किया कि गुरुत्वाकर्षण बल को उनके सिद्धांत में कैसे शामिल किया जा सकता है। उनकी अंतिम सफलता यह महसूस करना था कि अंतरिक्ष-समय गतिशील और घुमावदार हो सकता है, और उस वक्रता के प्रभाव वही हैं जो आप और मैं "गुरुत्वाकर्षण" के रूप में अनुभव करते हैं। इस प्रेरणा के फल वे हैं जिन्हें अब हम सामान्य सापेक्षता कहते हैं।
तो विशेष सापेक्षता गुरुत्वाकर्षण के बिना एक निश्चित, सपाट अंतरिक्ष-समय का सिद्धांत है; सामान्य सापेक्षता गतिशील अंतरिक्ष-समय का सिद्धांत है, जिसमें वक्रता गुरुत्वाकर्षण को जन्म देती है। दोनों को "शास्त्रीय" सिद्धांतों के रूप में गिना जाता है, भले ही वे न्यूटनियन यांत्रिकी के कुछ सिद्धांतों को प्रतिस्थापित करते हैं। भौतिकविदों के लिए, शास्त्रीय का अर्थ "गैर-सापेक्षतावादी" नहीं है; इसका अर्थ है "गैर-क्वांटम।" शास्त्रीय भौतिकी के सभी सिद्धांत सापेक्षतावादी संदर्भ में पूरी तरह से बरकरार हैं।
हमें अंतरिक्ष और समय की पृथकता के लिए अपने पूर्व-सापेक्षता के शौक को छोड़ने के लिए तैयार रहना चाहिए, और उन्हें अंतरिक्ष-समय के एकीकृत क्षेत्र में घुलने देना चाहिए। वहां पहुंचने का सबसे अच्छा तरीका यह है कि हम "समय" से क्या मतलब रखते हैं, इसके बारे में और भी अधिक ध्यान से सोचें। और ऐसा करने का सबसे अच्छा तरीका है कि हम एक बार फिर से अंतरिक्ष के बारे में सोचते हैं।
अंतरिक्ष में दो स्थानों पर विचार करें, जैसे आपका घर और आपका पसंदीदा रेस्तरां। उनके बीच की दूरी क्या है?
खैर, यह निर्भर करता है, आप तुरंत सोचते हैं। अगर हम कल्पना कर सकते हैं कि दो बिंदुओं के बीच एक पूरी तरह से सीधी रेखा का रास्ता लेने की कल्पना कर सकते हैं, तो "कौवा उड़ता है" की दूरी है। लेकिन एक वास्तविक दुनिया की यात्रा पर आप जितनी दूरी तय करेंगे, वह दूरी भी है, जहां शायद आप सार्वजनिक सड़कों और फुटपाथों तक सीमित हैं, इमारतों और रास्ते में अन्य बाधाओं से बचते हैं। आप जिस मार्ग से जाते हैं वह हमेशा कौवे के उड़ने की दूरी से अधिक लंबा होता है, क्योंकि एक सीधी रेखा दो बिंदुओं के बीच की सबसे छोटी दूरी होती है।
अब अंतरिक्ष-समय में दो घटनाओं पर विचार करें। सापेक्षता सिद्धांत के तकनीकी शब्दजाल में, एक "घटना" ब्रह्मांड में केवल एक बिंदु है, जो अंतरिक्ष और समय दोनों में स्थानों द्वारा निर्दिष्ट है। एक घटना, इसे ए कहते हैं, "शाम 6 बजे घर पर" हो सकती है, और घटना बी "शाम 7 बजे रेस्तरां में" हो सकती है, इन दो घटनाओं को अपने दिमाग में रखें, और ए और बी के बीच की यात्रा के बारे में सोचें। आप B तक जल्दी पहुँचने की जल्दी नहीं कर सकते; यदि आप 6:45 बजे रेस्तरां में पहुंचते हैं, तो आपको आस-पास बैठना होगा और शाम 7 बजे तक प्रतीक्षा करनी होगी ताकि हम अंतरिक्ष-समय में घटना तक पहुंच सकें, हमने बी लेबल किया है।
अब हम खुद से पूछ सकते हैं, जैसे हमने घर और रेस्तरां के बीच की स्थानिक दूरी के लिए किया था, इन दोनों घटनाओं के बीच कितना समय व्यतीत होता है।
आप सोच सकते हैं कि यह एक ट्रिकी प्रश्न है। यदि एक घटना शाम 6 बजे है और दूसरी शाम 7 बजे है, तो उनके बीच एक घंटा है, है ना?
इतनी जल्दी नहीं, आइंस्टीन कहते हैं। दुनिया की एक पुरातन, न्यूटनियन अवधारणा में, निश्चित रूप से। समय निरपेक्ष और सार्वभौमिक है, और यदि दो घटनाओं के बीच का समय एक घंटा है, तो बस इतना ही कहना है।
सापेक्षता एक अलग कहानी कहती है। अब "समय" के अर्थ के बारे में दो अलग-अलग धारणाएँ हैं। समय की एक धारणा अंतरिक्ष-समय पर समन्वय के रूप में है। स्पेस-टाइम एक चार-आयामी सातत्य है, और यदि हम इसके भीतर स्थान निर्दिष्ट करना चाहते हैं, तो इसके भीतर प्रत्येक बिंदु पर "समय" नामक संख्या संलग्न करना सुविधाजनक है। जब हम "6 बजे" और "शाम 7 बजे" के बारे में सोचते हैं तो आम तौर पर हमारे दिमाग में यही होता है, ये स्पेस-टाइम पर एक समन्वय के मूल्य होते हैं, लेबल जो हमें घटनाओं का पता लगाने में मदद करते हैं। हर किसी को यह समझना चाहिए कि जब हम कहते हैं "शाम 7 बजे रेस्तरां में मिलते हैं" तो हमारा क्या मतलब होता है।
लेकिन, सापेक्षता कहती है, जिस तरह कौआ उड़ने की दूरी आम तौर पर उस दूरी से अलग होती है जो आप वास्तव में अंतरिक्ष में दो बिंदुओं के बीच यात्रा करते हैं, समय की अवधि जो आप अनुभव करते हैं वह आम तौर पर सार्वभौमिक समन्वय समय के समान नहीं होगी। आप उस समय की मात्रा का अनुभव करते हैं जिसे यात्रा पर अपने साथ ले जाने वाली घड़ी से मापा जा सकता है। पथ के साथ यह उचित समय है। और एक घड़ी द्वारा मापी गई अवधि, ठीक उसी तरह जैसे आपकी कार के ओडोमीटर द्वारा तय की गई दूरी, आपके द्वारा लिए गए पथ पर निर्भर करेगी।
यह कहने का एक पहलू है कि "समय सापेक्ष है।" हम अंतरिक्ष-समय पर एक समन्वय के रूप में एक सामान्य समय के बारे में सोच सकते हैं और एक व्यक्तिगत समय के बारे में जो हम व्यक्तिगत रूप से अपने रास्ते पर अनुभव करते हैं। और समय अंतरिक्ष की तरह है - उन दो धारणाओं का मेल होना जरूरी नहीं है। (जैसा कि इतिहासकार पीटर गैलिसन ने बताया है, यह कोई संयोग नहीं है कि आइंस्टीन स्विस पेटेंट कार्यालय में ऐसे समय में काम करते थे जब तेजी से रेल यात्रा यूरोपीय लोगों को यह सोचने के लिए मजबूर कर रही थी कि यह महाद्वीप के अन्य शहरों में किस समय था, ताकि बेहतर निर्माण हो सके घड़ियाँ एक महत्वपूर्ण तकनीकी सीमा बन गईं।)
फिर भी, कोई ऐसा तरीका होना चाहिए जिसमें समय अंतरिक्ष की तरह न हो, अन्यथा हम केवल चार-आयामी अंतरिक्ष के बारे में बात करेंगे, बजाय इसके कि समय को अपने स्वयं के लेबल के योग्य मानें। और हम यहां समय के तीर के बारे में नहीं सोच रहे हैं - फिलहाल, हम कुछ चलती भागों के साथ एक साधारण दुनिया में हैं, जहां एन्ट्रॉपी और अपरिवर्तनीयता ऐसी चीजें नहीं हैं जिनके बारे में हमें चिंता करने की ज़रूरत है।
अंतर यह है: अंतरिक्ष में, एक सीधी रेखा दो बिंदुओं के बीच की सबसे छोटी दूरी का वर्णन करती है। अंतरिक्ष-समय में, इसके विपरीत, एक सीधा रास्ता दो घटनाओं के बीच सबसे लंबा बीता हुआ समय देता है। यह सबसे छोटी दूरी से सबसे लंबे समय तक फ्लिप है जो अंतरिक्ष से समय को अलग करता है।
अंतरिक्ष-समय में "सीधे रास्ते" से हमारा मतलब अंतरिक्ष में एक सीधी रेखा और यात्रा का एक निरंतर वेग दोनों है। दूसरे शब्दों में, एक जड़त्वीय प्रक्षेपवक्र, जिसमें कोई त्वरण नहीं है। अंतरिक्ष-समय में दो घटनाओं को ठीक करें - अंतरिक्ष में दो स्थान और समय में संबंधित क्षण। एक यात्री उनके बीच एक सीधी रेखा में निरंतर वेग से यात्रा कर सकता है (सही समय पर पहुंचने के लिए वह जो भी वेग होना चाहिए), या वे एक गैर-जड़ पथ में आगे और पीछे ज़िप कर सकते हैं। आगे और पीछे के मार्ग में हमेशा अधिक स्थानिक दूरी शामिल होगी, लेकिन सीधे संस्करण की तुलना में कम उचित समय व्यतीत होगा।
ऐसा क्यों है? क्योंकि भौतिकी ऐसा कहती है। या, यदि आप पसंद करते हैं, क्योंकि ब्रह्मांड ऐसा ही है। हो सकता है कि हम अंततः कुछ गहरे कारणों को उजागर करेंगे कि ऐसा क्यों होना चाहिए था, लेकिन हमारे ज्ञान की वर्तमान स्थिति में यह आधारभूत धारणाओं में से एक है जिस पर हम भौतिकी का निर्माण करते हैं, न कि निष्कर्ष जो हम गहरे सिद्धांतों से प्राप्त करते हैं। अंतरिक्ष में सीधी रेखाएं कम से कम संभव दूरी हैं; स्पेस-टाइम में सीधे रास्ते सबसे लंबे समय तक संभव हैं।
यह उल्टा लग सकता है कि अधिक दूरी के पथ कम उचित समय लेते हैं। ठीक है। यदि यह सहज होता, तो विचार के साथ आने के लिए आपको आइंस्टीन होने की आवश्यकता नहीं होती।
से गृहीत किया गया ब्रह्मांड में सबसे बड़े विचार सीन कैरोल द्वारा, डटन की अनुमति से, पेंगुइन पब्लिशिंग ग्रुप की एक छाप, पेंगुइन रैंडम हाउस एलएलसी का एक प्रभाग। कॉपीराइट © 2022 शॉन कैरोल द्वारा।
