सापेक्षता

सापेक्षता भौतिकी की एक मूलभूत अवधारणा है, जिसे अल्बर्ट आइंस्टीन ने प्रस्तावित किया था; यह वर्णन करती है कि किस प्रकार भौतिकी के नियम सभी गैर-त्वरित तंत्रों में समान रूप से लागू होते हैं, और निर्वात में प्रकाश की चाल सभी प्रेक्षकों के लिए समान होती है, चाहे उनकी गति कुछ भी हो या प्रकाश का स्रोत कुछ भी हो। इसे दो भागों में बाँटा गया है: विशेष सापेक्षता और सामान्य सापेक्षता। विशेष सापेक्षता, जिसे 1905 में प्रस्तुत किया गया, निरंतर चाल से गति कर रहे वस्तुओं से संबंधित है, विशेष रूप से प्रकाश की चाल के निकट पहुँचने वाली वस्तुओं से, और यह अंतरिक्ष-काल की अवधारणा प्रस्तुत करती है। सामान्य सापेक्षता, जिसे 1915 में प्रस्तुत किया गया, गुरुत्वाकर्षण का एक सिद्धांत है जिसमें गुरुत्वाकर्षण कोई बल नहीं बल्कि द्रव्यमान और ऊर्जा के कारण अंतरिक्ष-काल में उत्पन्न वक्रता है। ये सिद्धांत ब्रह्मांड की हमारी समझ के लिए मूलभूत रहे हैं, जिनमें ब्लैक होलों की भविष्यवाणी और ब्रह्मांड का विस्तार सम्मिलित है।

सापेक्षता का परिचय

सापेक्षता भौतिकी की एक मूलभूत अवधारणा है, जिसे अल्बर्ट आइंस्टीन ने 20वीं सदी के आरंभ में प्रस्तावित किया था। इसमें दो मुख्य सिद्धांत सम्मिलित हैं: विशेष सापेक्षता और सामान्य सापेक्षता।

1. विशेष सापेक्षता: यह सिद्धांत, जिसे आइंस्टीन ने 1905 में प्रस्तावित किया था, दो मुख्य सिद्धांतों पर आधारित है। पहला सिद्धांत सापेक्षता का सिद्धांत है, जो कहता है कि भौतिकी के नियम सभी जड़ संदर्भ फ्रेमों में समान होते हैं। एक जड़ संदर्भ फ्रेम वह होता है जिसमें कोई वस्तु या तो विश्राम में रहती है या नियत वेग से गति करती है, जब तक कि कोई बल उस पर कार्य न करे। दूसरा सिद्धांत प्रकाश की चाल की नियतता है, जो कहता है कि निर्वात में प्रकाश की चाल प्रकाश स्रोत या प्रेक्षक की गति की परवाह किए बिना समान रहती है। इससे कुछ असहज परिणाम निकलते हैं, जैसे समय प्रसार (गतिशील घड़ियाँ धीमी चलती हैं) और लंबाई संकुचन (गतिशान वस्तुएँ संक्षिप्त हो जाती हैं)।

   उदाहरण: यदि कोई अंतरिक्षयान प्रकाश की चाल के निकट यात्रा करता है, तो अंतरिक्षयान के अंदर समय पृथ्वी की तुलना में धीमी गति से बीतेगा। इसे समय प्रसार कहा जाता है। इसलिए, यदि अंतरिक्षयान अंतरिक्षयात्रियों के लिए 10 वर्षों के बाद पृथ्वी पर लौटता है, तो वे पा सकते हैं कि पृथ्वी पर 10 वर्षों से कहीं अधिक समय बीत चुका है।

2. सामान्य सापेक्षता: यह सिद्धांत, जिसे आइंस्टीन ने 1915 में प्रस्तावित किया था, गुरुत्वाकर्षण का एक सिद्धांत है। यह विशेष सापेक्षता और न्यूटन के सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण नियम का व्यापकीकरण करता है, गुरुत्वाकर्षण को स्थान और समय, या स्पेसटाइम के एक ज्यामितीय गुण के रूप में एकीकृत विवरण प्रदान करता है। सामान्य सापेक्षता में, पदार्थ और ऊर्जा की उपस्थिति स्पेसटाइम को “वक्र” कर देती है, और यह वक्रता उसमें गतिशील मुक्त कणों (और प्रकाश) के पथ को प्रभावित करती है।

उदाहरण: किसी विशाल वस्तु, जैसे तारे या ग्रह के पास से गुजरते समय प्रकाश का मुड़ना सामान्य सापेक्षता का एक पूर्वानुमान है। इसकी प्रसिद्ध पुष्टि 1919 के सूर्य ग्रहण के दौरान हुई थी, जब तारों का प्रकाश सूर्य के पास से गुजरने पर उनकी स्थिति बदलती प्रतीत हुई।

सापेक्षता की पुष्टि कई प्रयोगों और प्रेक्षणों द्वारा हुई है, और इसका भौतिकी के अध्ययन और ब्रह्मांड की समझ पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ा है। इसने ब्लैक होल और गुरुत्वाकर्षण तरंगों जैसी घटनाओं की भविष्यवाणी भी की है, जिन्हें बाद में प्रेक्षित किया गया।

विशेष सापेक्षता सिद्धांत

विशेष सापेक्षता सिद्धांत भौतिकी का एक सिद्धांत है जिसे अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1905 में प्रस्तावित किया था। इसने स्थान और समय की हमारी समझ को मूलभूत रूप से बदल दिया। इस सिद्धांत के दो मुख्य प्रतिपाद्य हैं:

1. भौतिकी के नियम सभी जड़ संदर्भ फ्रेमों में समान हैं। इसका अर्थ है कि ब्रह्मांड में कोई पसंदीदा जड़ संदर्भ फ्रेम (स्थिर वेग की अवस्था) नहीं है। चाहे आप स्थिर खड़े हों या नियत चाल से चल रहे हों, भौतिकी के नियम आपको समान प्रतीत होंगे।

2. निर्वात में प्रकाश की चाल सभी प्रेक्षकों के लिए समान है, चाहे उनकी गति कुछ भी हो या प्रकाश के स्रोत की गति कुछ भी हो। यह चाल लगभग 299,792 किलोमीटर प्रति सेकंड है।

ये दोनों प्रतिपाद्य कुछ बहुत ही विपरीत परिणामों की ओर ले जाते हैं, जो हमारे दैनिक अनुभवों से भिन्न हैं लेकिन कई प्रयोगों द्वारा पुष्टि किए गए हैं।

विशेष सापेक्षता सिद्धांत का सबसे प्रसिद्ध परिणामों में से एक समीकरण E=mc^2 है। यह समीकरण हमें बताता है कि ऊर्जा (E) और द्रव्यमान (m) परस्पर विनिमेय हैं; वे एक ही चीज़ के विभिन्न रूप हैं। यदि द्रव्यमान किसी प्रकार से कम हो जाता है, तो खोया हुआ द्रव्यमान ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है, और इसका विपरीत भी सत्य है। उदाहरण के लिए, परमाणु अभिक्रियाओं में, थोड़ी मात्रा में द्रव्यमान बड़ी मात्रा में ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है, जो परमाणु ऊर्जा और परमाणु हथियारों के पीछे का सिद्धांत है।

विशेष सापेक्षता सिद्धांत का एक अन्य परिणाम समय प्रसार (time dilation) है। इसका अर्थ है कि समय दो प्रेक्षकों के लिए भिन्न दरों से चल सकता है यदि वे एक दूसरे के सापेक्ष गति कर रहे हों, या यदि वे भिन्न गुरुत्वाकर्षण क्षेत्रों में हों। उदाहरण के लिए, यदि आप पृथ्वी से प्रकाश की गति के निकट यात्रा करते और फिर लौटते, तो आप पाएंगे कि पृथ्वी पर आपकी तुलना में अधिक समय बीत चुका है। यह तेज़ी से गति करने वाले विमानों और उपग्रहों पर परमाणु घड़ियों के प्रयोगों द्वारा पुष्टि की गई है।

विशेष सापेक्षता सिद्धांत लंबाई संकुचन (length contraction) की ओर भी ले जाता है, जिसका अर्थ है कि गति में कोई वस्तु गति की दिशा में स्थिर प्रेक्षक को छोटी प्रतीत होगी। उदाहरण के लिए, यदि कोई अंतरिक्ष यान आपके पास प्रकाश की गति के निकट से गुज़रता, तो आप इसे विश्राम अवस्था की तुलना में छोटा अनुभव करते।

विशेष सापेक्षता सिद्धांत कई प्रयोगों द्वारा पुष्टि की गई है और यह आधुनिक भौतिकी का आधारस्तंभ है। इसके कई अनुप्रयोग हैं, जिनमें GPS तकनीक, कण त्वरक और परमाणु ऊर्जा शामिल हैं।

सामान्य सापेक्षता सिद्धांत

सामान्य सापेक्षता सिद्धांत गुरुत्वाकर्षण का एक सिद्धांत है जिसे अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1907 और 1915 के बीच विकसित किया था। इस सिद्धांत के अनुसार, द्रव्यमानों के बीच देखा गया गुरुत्वाकर्षण प्रभाव उनके द्वारा स्पेसटाइम के विकृति से उत्पन्न होता है।

यह सिद्धांत विशेष सापेक्षता और न्यूटन के सार्वभौमिक गुरुत्वाकर्षण नियम का एक सामान्यीकरण है, जो गुरुत्वाकर्षण को स्थान और समय, या स्पेसटाइम के एक ज्यामितीय गुण के रूप में एक समग्र विवरण प्रदान करता है। विशेष रूप से, स्पेसटाइम की वक्रता सीधे तौर पर उस द्रव्यमान और विकिरण की ऊर्जा और संवेग से संबंधित है जो मौजूद हैं।

सामान्य सापेक्षता सिद्धांत के कई भौतिक प्रभाव हैं। इनमें से कुछ इस प्रकार हैं:

1. समय विस्तार: जहाँ गुरुत्वाकर्षण सबसे मजबूत होता है, वहाँ समय धीरे गुजरता है, और यह बात जीपीएस उपग्रहों पर लगे परमाणु घड़ियों को अंशांकित करते समय ध्यान में रखी जाती है।

2. प्रकाश विक्षेपण: जब प्रकाश किसी गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र से गुजरता है तो इसका मार्ग मुड़ जाता है। यह पहली बार 1919 में एक सूर्य ग्रहण के दौरान देखा गया था, जब तारे अलग-अलग स्थितियों में दिखाई दिए जब उनका प्रकाश सूर्य के पास से गुजरा।

3. गुरुत्वाकर्षण तरंगें: ये स्पेसटाइम की वक्रता में आने वाली लहरें हैं जो तरंगों के रूप में फैलती हैं और स्रोत से बाहर की ओर यात्रा करती हैं। इसकी पुष्टि 2015 में LIGO प्रयोग द्वारा हुई थी, जब उन्होंने दो विलय हो रहे ब्लैक होलों द्वारा उत्पन्न तरंगों का पता लगाया था।

4. ब्लैक होल: ये अंतरिक्ष के ऐसे क्षेत्र हैं जहाँ वक्रता अत्यधिक हो जाती है, और इससे प्रकाश सहित कुछ भी बाहर नहीं निकल सकता। ब्लैक होल की पहली तस्वीर 2019 में इवेंट होराइज़न टेलीस्कोप द्वारा ली गई थी।

5. गुरुत्वाकर्षीय लेंसिंग: विशाल वस्तुएँ प्रकाश को अपने चारों ओर मोड़ती हैं। इससे दूरस्थ वस्तुएँ विकृत दिख सकती हैं, या एक ही वस्तु की कई तस्वीरें दिखाई दे सकती हैं। इसका उपयोग एक्सोप्लैनेट खोजने और डार्क मैटर का अध्ययन करने में किया गया है।

6. ब्रह्मांड का विस्तार: सामान्य सापेक्षता सिद्धांत के समीकरण भविष्यवाणी करते हैं कि ब्रह्मांड या तो फैल रहा है या सिकुड़ रहा है। इसकी पुष्टि एडविन हबल ने की, जिन्होंने पाया कि दूरस्थ आकाशगंगाएँ सभी दिशाओं में हमसे दूर जा रही हैं।

सामान्य सापेक्षता सिद्धांत आधुनिक भौतिकी के दो स्तंभों में से एक है (दूसरा क्वांटम यांत्रिकी है)। इसकी पुष्टि कई प्रयोगों और प्रेक्षणों द्वारा हुई है, और इसके अनेक अनुप्रयोग हैं, जैसे GPS नेविगेशन से लेकर ब्लैक होल और बिग बैंग के अध्ययन तक।

सामान्य सापेक्षता के कुछ परिणाम हैं:

सामान्य सापेक्षता, जिसे अल्बर्ट आइंस्टीन ने 1915 में प्रस्तावित किया था, गुरुत्वाकर्षण का एक सिद्धांत है जो गुरुत्वाकर्षण को द्रव्यमान और ऊर्जा के कारण अंतरिक्ष और समय की वक्रता के रूप में वर्णित करता है। इस सिद्धांत के कई महत्वपूर्ण परिणाम हैं, जिनमें से कुछ प्रयोगात्मक रूप से पुष्टि किए गए हैं, जबकि अन्य अभी भी खोजे जा रहे हैं। यहाँ कुछ प्रमुख परिणाम दिए गए हैं:

1. गुरुत्वाकर्षण समय प्रसार: सामान्य सापेक्षता के अनुसार, किसी विशाल वस्तु की उपस्थिति समय को धीमा कर देती है। इसे गुरुत्वाकर्षण समय प्रसार कहा जाता है। उदाहरण के लिए, जितना करीब आप किसी विशाल वस्तु के होंगे, समय उतना ही धीमा चलेगा। इसकी पुष्टि हाफेले-कीटिंग प्रयोग जैसे प्रयोगों द्वारा हुई है, जहाँ दुनिया भर में उड़ाए गए परमाणु घड़ियों ने अलग-अलग ऊँचाइयों और गति के कारण अलग-अलग समय दिखाया।

2. गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग: प्रकाश spacetime के वक्रता का अनुसरण करता है, इसलिए यदि प्रकाश किसी विशाल वस्तु के पास से गुजरता है, तो वह मुड़ जाएगा। इसे गुरुत्वाकर्षण लेंसिंग कहा जाता है। इस प्रभाव को कई बार देखा गया है, सबसे प्रसिद्ध रूप से 1919 के सूर्य ग्रहण के दौरान, जिसने आइंस्टीन की भविष्यवाणी की पुष्टि की और उन्हें अंतरराष्ट्रीय स्तर पर प्रसिद्ध बनाया।

3. ब्लैक होल्स: सामान्य सापेक्षता ब्लैक होल्स के अस्तित्व की भविष्यवाणी करती है, अंतरिक्ष के ऐसे क्षेत्र जहाँ वक्रता इतनी चरम हो जाती है कि कुछ भी, यहाँ तक कि प्रकाश भी, बाहर नहीं निकल सकता। ब्लैक होल्स के अस्तित्व की पुष्टि विभिन्न प्रेक्षणों द्वारा हुई है, जिनमें 2015 में LIGO द्वारा टकराते ब्लैक होल्स से गुरुत्वीय तरंगों का पता लगाना शामिल है।

4. गुरुत्वीय तरंगें: सामान्य सापेक्षता गुरुत्वीय तरंगों के अस्तित्व की भी भविष्यवाणी करती है, spacetime में उभरते लहरें जो त्वरित द्रव्यमानों द्वारा उत्पन्न होती हैं। इनकी अप्रत्यक्ष पुष्टि पहले एक द्विगुण पल्सर प्रणाली (हल्स-टेलर द्विगुण) के प्रेक्षण द्वारा हुई और सीधे LIGO द्वारा 2015 में पता लगाई गई।

5. ब्रह्मांड का विस्तार: सामान्य आपेक्षिकता यह भी भविष्यवाणी करती है कि ब्रह्मांड या तो विस्तारित हो रहा होगा या संकुचित हो रहा होगा। इसकी पुष्टि 1920 के दशक में एडविन हबल के प्रेक्षणों से हुई, जिन्होंने दिखाया कि दूरस्थ आकाशगंगाएँ हमसे दूर जा रही हैं, जिससे संकेत मिलता है कि ब्रह्मांड विस्तारित हो रहा है।

6. बुध की कक्षा का पूर्वगमन: बुध की कक्षा समय के साथ घूमती या स्थानांतरित होती रहती है। इस पूर्वगमन को न्यूटन के गति और गुरुत्वाकर्षण के नियमों से पूरी तरह समझाया नहीं जा सका, लेकिन सामान्य आपेक्षिकता इसे पूरी तरह से समझाती है।

7. फ्रेम-ड्रैगिंग: यदि कोई विशाल वस्तु घूम रही हो, तो उसे अपने साथ स्पेसटाइम को घसीटना चाहिए। इस प्रभाव को फ्रेम-ड्रैगिंग कहा जाता है, और इसकी पुष्टि ग्रैविटी प्रोब बी प्रयोग द्वारा हुई है।

ये सामान्य आपेक्षिकता के कई परिणामों में से कुछ हैं। इस सिद्धांत की कई तरीकों से पुष्टि हो चुकी है और यह आधुनिक भौतिकी का एक आधारस्तंभ है। हालाँकि, यह अभी भी चल रहे अनुसंधान का विषय है, क्योंकि वैज्ञानिक इसे क्वांटम यांत्रिकी के साथ सुलझाने और ब्रह्मांड की प्रकृति के लिए इसके निहितार्थों को समझने का प्रयास कर रहे हैं।

चाहे बड़ा हो या छोटा, सब कुछ गुरुत्वाकर्षण के कारण गिरता है। लेकिन किसी तरह चंद्रमा इससे अप्रभावित प्रतीत होता है। क्या आपने कभी सोचा है कि क्यों?

गुरुत्वाकर्षण प्रकृति का एक मूलभूत बल है जो द्रव्यमान वाली वस्तुओं को एक-दूसरे की ओर आकर्षित करता है। यही कारण है कि जब हम कुछ गिराते हैं, तो वह ज़मीन पर गिरता है। पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण वस्तुओं को अपने केंद्र की ओर खींचता है। कोई वस्तु जितनी अधिक द्रव्यमान वाली होगी, उसका गुरुत्वाकर्षण उतना ही प्रबल होगा। यही कारण है कि हम पृथ्वी पर जमे रहते हैं और पृथ्वी अपेक्षाकृत अधिक द्रव्यमान वाले सूर्य के चारों ओर परिक्रमा करती है।

अब चंद्रमा की बात करते हैं। जैसा कि लग सकता है, इसके विपरीत चंद्रमा पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से अप्रभावित नहीं है। वास्तव में, यह पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण ही है जो चंद्रमा को उसकी कक्षा में बनाए रखता है, जिससे वह अंतरिक्ष में बस तैरता हुआ दूर नहीं चला जाता। हालांकि, चंद्रमा पृथ्वी में नहीं गिरता क्योंकि वह एक उच्च गति से किनारे की ओर भी गति कर रहा है। यह चंद्रमा के बनने के तरीके और बाद में पृथ्वी तथा चंद्रमा के बीच हुई अन्योन्य क्रियाओं का परिणाम है।

इसे समझने के लिए एक उदाहरण पर विचार करें। कल्पना कीजिए आप एक गेंद को रस्सी से बांधकर गोलाकार गति में घुमा रहे हैं। रस्सी में लगा तनाव एक केंद्रापसरक बल के रूप में कार्य करता है जो गेंद को वृत्त में गति करते रहने देता है। यदि आप रस्सी को छोड़ दें, तो गेंद सीधी रेखा में उस बिंदु के स्पर्शरेखा के अनुरूप गति करेगी जहाँ आपने उसे छोड़ा था। यह गेंद के जड़त्व के कारण है—उसकी प्रवृत्ति निरंतर गति से सीधी रेखा में चलती रहने की, जब तक कोई बल उस पर कार्य न करे।

इसी प्रकार, चंद्रमा गुरुत्वाकर्षण के कारण लगातार पृथ्वी की ओर गिर रहा है, लेकिन उसके पास एक स्पर्शीय वेग भी है — यह किनारे की ओर गति कर रहा है। ये दो गतियाँ मिलकर पृथ्वी के चारों ओर एक वृत्ताकार (या यों कहें, दीर्घवृत्तीय) पथ बनाती हैं। चंद्रमा पृथ्वी की ओर गिर रहा है, लेकिन वह आगे इतनी तेज़ी से बढ़ रहा है कि वह पृथ्वी को लगातार ‘चूक’ जाता है। गुरुत्वाकर्षण खिंचाव और स्पर्शीय वेग के बीच यह सूक्ष्म संतुलन चंद्रमा के स्थिर कक्षा-पथ का कारण बनता है।

इसलिए, निष्कर्षतः, चंद्रमा निश्चित रूप से पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण से प्रभावित है। वह लगातार पृथ्वी की ओर गिर रहा है, लेकिन उसकी किनारे की गति यह सुनिश्चित करती है कि वह पृथ्वी को चूकता रहे और अपनी कक्षा में बना रहे। यह कक्षीय यांत्रिकी का एक मूलभूत सिद्धांत है और यही सिद्धांत सभी खगोलीय पिण्डों — ग्रहों, चंद्रमाओं तथा कृत्रिम उपग्रहों — की गति को नियंत्रित करता है।