Unit 1: Hindi Summary – Perspectives of Modern Physics & Basic Electronics

सापेक्षता – प्रयोगात्मक पृष्ठभूमि

सापेक्षता आधुनिक भौतिकी का एक महत्वपूर्ण सिद्धांत है, जिसने समय, स्थान और गति की हमारी समझ को पूरी तरह से बदल दिया। इस सारांश में, हम सापेक्षता के सिद्धांत के विकास में योगदान देने वाले प्रयोगात्मक पृष्ठभूमि का अध्ययन करेंगे। इसमें न्यूटनियन यांत्रिकी में स्थान और समय की संरचना, जड़त्वीय और गैर-जड़त्वीय संदर्भ ढांचे, गैलिलियन रूपांतरण, और महत्वपूर्ण प्रयोगों जैसे कि माइकल्सन-मॉरली प्रयोग की भूमिका पर चर्चा की जाएगी। इसके साथ ही, हम आइंस्टीन के सापेक्षता के विशेष सिद्धांत के पोस्टुलट्स और उनके प्रभावों को भी समझेंगे।

1. न्यूटनियन यांत्रिकी में स्थान और समय की संरचना

न्यूटनियन यांत्रिकी में, स्थान और समय को स्वतंत्र और निराकार माना जाता है। इसका मतलब है कि स्थान तीन आयामी होता है, जिसमें लंबाई, चौड़ाई, और ऊंचाई होती है, जबकि समय को एक निरंतर और रैखिक रूप से बहने वाली इकाई माना जाता है। इन दोनों का कोई आपसी संबंध नहीं होता और वे हमेशा सभी संदर्भों में समान होते हैं।

न्यूटन के गति के नियम इन अवधारणाओं पर आधारित होते हैं। न्यूटन के सिद्धांत के अनुसार, एक वस्तु स्थान में एक निर्दिष्ट बिंदु पर स्थित होती है, जिसे तीन निर्देशांक (x, y, z) द्वारा व्यक्त किया जाता है, और उस वस्तु की गति को समय (t) द्वारा मापा जाता है। यह सब एक निरंतर और अपरिवर्तनीय प्रणाली में होता है, जिसे ‘समय’ और ‘स्थान’ कहा जाता है।

न्यूटनियन यांत्रिकी में, यह माना जाता है कि समय और स्थान के माप सभी प्रेक्षकों के लिए समान होते हैं, भले ही वे गति कर रहे हों या स्थिर हों। यह सिद्धांत तब तक प्रभावी था जब तक गति की गति बहुत कम थी और विद्युत-चुम्बकीय घटनाओं का कोई खास ध्यान नहीं था।

2. जड़त्वीय और गैर-जड़त्वीय संदर्भ ढांचे

जड़त्वीय संदर्भ ढांचा वह होता है, जिसमें कोई वस्तु गति में नहीं होती या फिर एक समान गति से चल रही होती है। इसका मतलब है कि ऐसे संदर्भों में, बिना किसी बाहरी बल के, एक वस्तु अपनी गति बनाए रखेगी। न्यूटन का पहला गति का नियम यह बताता है कि जड़त्वीय संदर्भ में वस्तु की गति में कोई बदलाव नहीं होगा, जब तक उस पर कोई बल न लगे।

गैर-जड़त्वीय संदर्भ ढांचे वे होते हैं जिनमें कोई न कोई त्वरण होता है, जैसे कि एक गाड़ी जो तेजी से accelerating है या एक घूमता हुआ घूमता हुआ प्लेटफॉर्म। ऐसे संदर्भों में, वस्तुएं अपने मार्ग में किसी न किसी तरह की त्रुटि दिखाती हैं और इसके लिए काल्पनिक बलों का प्रयोग किया जाता है, जैसे कि केन्द्रीय बल और कोरियोलिस बल।

जड़त्वीय और गैर-जड़त्वीय संदर्भों का अंतर यह दिखाता है कि न्यूटनियन यांत्रिकी में गति के नियम केवल जड़त्वीय संदर्भ ढांचे में सही होते हैं और गैर-जड़त्वीय संदर्भों में अतिरिक्त बलों का हिसाब रखा जाता है।

3. गैलिलियन रूपांतरण

गैलिलियन रूपांतरण वे गणितीय समीकरण हैं, जो यह बताते हैं कि कैसे किसी घटना के स्थान और समय के माप को दो जड़त्वीय संदर्भों के बीच परिवर्तित किया जाता है। यह रूपांतरण यह मानते हैं कि समय एक निरंतर और सार्वभौमिक मानक है, और स्थान में केवल गति की जड़त्वीय स्थिति होती है।

यदि दो प्रेक्षक एक दूसरे के सापेक्ष स्थिर गति से चल रहे हैं, तो उनके बीच स्थान और समय के माप को गैलिलियन रूपांतरण से व्यक्त किया जा सकता है। उदाहरण के लिए, अगर एक प्रेक्षक का संदर्भ ढांचा x, y, z, t में किसी बिंदु को मापता है, तो दूसरे प्रेक्षक के लिए वह बिंदु x’, y’, z’, t’ के रूप में व्यक्त होगा। गैलिलियन रूपांतरण निम्नलिखित रूप में दिए जाते हैं:

x′=x−vt

y′=y

z′=z

t′=t

जहां:

x,y,z और t पहले संदर्भ ढांचे में स्थान और समय के माप हैं।

x′,y′,z′ और t′ दूसरे संदर्भ ढांचे में स्थान और समय के माप हैं, जो v गति से गति कर रहे हैं।

यह रूपांतरण मानते थे कि समय और स्थान स्वतंत्र और समान होते हैं, लेकिन यह भविष्य में इलेक्ट्रोमैग्नेटिक घटनाओं में सही नहीं साबित हुआ।

4. न्यूटनियन सापेक्षता

न्यूटनियन सापेक्षता का सिद्धांत यह है कि भौतिकी के नियम सभी जड़त्वीय संदर्भों में समान होते हैं। इसका मतलब है कि किसी भी संदर्भ ढांचे में वस्तु की गति को समझने के लिए वही भौतिक नियम लागू होते हैं। इस सिद्धांत के अनुसार, जब दो प्रेक्षक एक दूसरे के सापेक्ष गति में होते हैं, तो वे भौतिक घटनाओं को समान रूप से देखेंगे, और गति के नियम सार्वभौमिक रूप से लागू होंगे।

गैलिलियन रूपांतरण इन सिद्धांतों का समर्थन करते थे, और न्यूटनियन यांत्रिकी के अनुसार गति को केवल उन संदर्भों में समझा जा सकता था जो स्थिर थे। हालांकि, यह सिद्धांत इलेक्ट्रोमैग्नेटिक घटनाओं के लिए सही नहीं था, और यहां पर गंभीर समस्याएं उत्पन्न होने लगीं।

5. गैलिलियन रूपांतरण और विद्युत-चुंबकत्व

19वीं सदी में, जब वैज्ञानिकों ने विद्युत-चुंबकीय सिद्धांतों की खोज की, तो यह पाया गया कि गैलिलियन रूपांतरण विद्युत और चुंबकत्व के व्यवहार की सही व्याख्या नहीं कर पा रहे थे। विशेष रूप से, जेम्स क्लार्क मैक्सवेल के विद्युत-चुंबकीय समीकरणों में यह देखा गया कि प्रकाश की गति सभी संदर्भों में समान होती है, चाहे स्रोत की गति कुछ भी हो।

यह सापेक्षता के पारंपरिक रूपांतरणों से मेल नहीं खाता था, क्योंकि गैलिलियन रूपांतरण में गति जोड़ने और घटाने का सामान्य तरीका था। विद्युत-चुंबकीय घटनाओं में यह नहीं हो रहा था, और यह समस्या थी जिसे जल्द ही हल किया जाना था।

6. माइकल्सन-मॉरली प्रयोग और शून्य परिणाम का महत्व

1887 में माइकल्सन और मॉरली ने एक महत्वपूर्ण प्रयोग किया था, जिसका उद्देश्य यह निर्धारित करना था कि क्या पृथ्वी एक एथर के माध्यम से गति कर रही है, जिससे प्रकाश का वेग प्रभावित हो सकता है। प्रयोग ने एथर के माध्यम से प्रकाश के वेग का माप लिया, और इसे पृथ्वी की गति के सापेक्ष देखा। लेकिन, परिणाम बिल्कुल शून्य (null result) थे, अर्थात प्रकाश की गति सभी दिशाओं में समान रही, भले ही पृथ्वी किस दिशा में गति कर रही थी।

यह प्रयोग यह सिद्ध करता था कि पृथ्वी के सापेक्ष प्रकाश की गति अपरिवर्तित रहती है, जिससे यह संदेह उत्पन्न हुआ कि एथर का अस्तित्व नहीं हो सकता। यह परिणाम सापेक्षता के सिद्धांत की ओर एक महत्वपूर्ण कदम था, और आइंस्टीन के विशेष सापेक्षता सिद्धांत के विकास की ओर एक मार्गदर्शक था।

7. आइंस्टीन के विशेष सापेक्षता के पोस्टुलट्स

1905 में, अल्बर्ट आइंस्टीन ने विशेष सापेक्षता के सिद्धांत को प्रस्तुत किया, जिसने माइकल्सन-मॉरली प्रयोग के परिणामों को समझाया और न्यूटनियन यांत्रिकी की सीमाओं को पार किया। आइंस्टीन के विशेष सापेक्षता के सिद्धांत के दो प्रमुख पोस्टुलट्स थे:

सापेक्षता का सिद्धांत: भौतिकी के सभी नियम सभी जड़त्वीय संदर्भों में समान होते हैं। इसका मतलब यह है कि कोई भी संदर्भ विशेष नहीं होता और सभी प्रेक्षक समान भौतिक घटनाओं को देखेंगे।

प्रकाश की गति का अपरिवर्तनीयता: प्रकाश की गति एक सार्वभौमिक स्थिरता है और यह सभी संदर्भों में समान रहती है, चाहे स्रोत की गति कुछ भी हो।

इन दोनों पोस्टुलट्स ने स्थान और समय की परिभाषा को बदल दिया और यह दिखाया कि स्थान और समय केवल सापेक्ष होते हैं, बल्कि वे गति के आधार पर परिवर्तित हो सकते हैं। आइंस्टीन की इस नई अवधारणा ने सापेक्षता के सिद्धांत को भौतिकी का एक अभिन्न हिस्सा बना दिया, और इसने क्वांटम यांत्रिकी और अन्य आधुनिक भौतिक सिद्धांतों की नींव रखी।

निष्कर्ष

सापेक्षता के सिद्धांत का विकास एक लंबी यात्रा का परिणाम था, जिसमें प्रयोगों और गणनाओं के माध्यम से हम न्यूटनियन यांत्रिकी से विशेष सापेक्षता के सिद्धांत तक पहुंचे। माइकल्सन-मॉरली प्रयोग और आइंस्टीन के पोस्टुलट्स ने यह सिद्ध किया कि स्थान और समय केवल सापेक्ष होते हैं, और प्रकाश की गति सभी संदर्भों में समान रहती है। आइंस्टीन के सिद्धांत ने न केवल गति और समय की हमारी अवधारणाओं को बदल दिया, बल्कि इसने समग्र भौतिकी की दिशा को भी नया मोड़ दिया, जिसे हम आज के समय में समझते हैं।