در تئوری نسبیت بیان شده است که فرقی نمیکند سرعت سفینه در حال حرکت چه اندازه باشد – به کندی حلزون و یا خیلی نزدیک به نور- همواره تمامی قوانین فیزیک شبیه به هم هستند.

گزارش یک فیزیک دان در مجله ی Physical Review Letters نشان میدهد که پیچیدگی محاسبات فیزیکی در همه ی سرعت ها یکسان نیست. تکنیک جدید از یک پدیده ی نسبیتی که تاکنون مورد توجه نبوده است استفاده مینماید تا پیچیدگی های محاسباتی را به راه های جدید و ساده تسهیل کند.

پژوهشگرانی که روی فیزیک نسبیتی قوی مطالعه میکنند (مانند برهمکنش باریکه های پرانرژی ذرات و یا راه عبور یک پالس لیزری شدید از درون ماده) معمولا به شبیه سازی های کامپیوتری دینامیک های پیچیده اعتماد میکنند. در این شبیه سازی ها یک سیستم به تعداد زیادی بخش های کوچک تقسیم میشود و اتفاقاتی که برای هر بخش میافتد در گام های زمانی محاسبه می گردد. برای دقت بالاتر، بخش های مجزا و گام های زمانی باید که از ریز ترین جزئیات مهم فیزیکی کوچک تر باشند. برای مثال، یک باریکه چگال پروتونی که با سرعت نزدیک به نور از میان یک ابر الکترونی عبور میکند را در یک برنامه به قطعاتی با طول کوچکتر از 10 سانتی متر برش میدهند که این اندازه در حدود طول پالس پروتون های داخل یک شتابدهنده میباشد. اما برنامه میبایست که نتایج را در مقیاس شتابدهنده محاسبه کند که در حدود 5 کیلو متر است.

در نتیجه تعداد گام های محاسباتی مورد نیاز برای شبیه سازی نه تنها با افزایش اندازه و مدت زمان موجود در سیستم بلکه با افزایش وضوح جزئیات نیز بیشتر میشود یعنی به کل بازه ی مقیاس های موجود بستگی دارد.

اگر قوانین فیزیک وابسته  به سرعت ( یا دستگاه مرجع) ناظر نباشند ممکن است به نظر برسد که بازه ی مقیاس ها هیچ گاه نباید تغییر کند. اما با یک محاسبه ی ساده توسط ژان لوک وای (Jean-Luc Vay) از آزمایشگاه ملی لورنس برکلی (Lawrence Berkeley National Laboratory) کالیفرنیا چیز دیگری نشان داده شد.

وای دو شئ را تصور کرد که با سرعت نسبیتی در هنگام عبور از کنار یکدیگر با هم برهم کنش میکنند. هر شئ یک طول کلی مشخص دارد و اندازه ی ریزترین جزئیاتش مشخص است. تئوری نسبیت میگوید که یک ناظر در دستگاه مرجع دیگر این مقیاس ها را به خاطر اتساع زمان و انقباض فضا تغییر یافته میبیند. وای محاسبه کرد که بازه ی کلی مقیاس ها نیز تغییر خواهد کرد. به علاوه همواره یک مرجع بهینه وجود دارد که بازه ها کوچترین هستند. او میگوید اگر که پژوهش گران محاسباتشان را در بهترین مرجع انجام دهند قادر خواهند شد که بعضی از آنها را بسیار زیاد سریع کنند.

وای در مورد باریکه ی پروتونی متوجه شد که در یک مرجع بهینه محاسباتش تنها به 5000 گام زمانی احتیاج دارند در صورتیکه در دستگاه مرجع ابر الکترونی به بیش از 5 میلیون گام زمانی نیاز بود. با کامپیوتری که خود وای استفاده میکرد اولین روش در کمتر از 30 دقیقه تمام شد ولی روش دوم بیش از یک هفته زمان برد. در شبیه سازی های دیگری که برهم کنش پالس های لیزری شدید با ماده انجام میگرفت ( مانند لیزر های الکترون آزاد) وای میگوید که سرعت شبیه سازی میتواند حتی تا یک میلیون برابر بهبود پیدا کند. چنین چیزی برای فیزیکدانان یک شگفتی است زیرا که اکثر آنها فکر میکنند که با مشاهده از دستگاه های مرجع مختلف، پیچیدگی یک سیستم نیز باید ناوردا باشد.

این کار میتواند تغییرات بزرگی در بسیاری از شبیه سازی های کاربردی بوجود بیاورد.

مقاله ی وای:

Noninvariance of Space- and Time-Scale Ranges under a Lorentz Transformation and the Implications for the Study of Relativistic Interactions
J.-L. Vay
Phys. Rev. Lett. 98, 130405  - issue of 30 March 2007

منبع ::  وای

تصویر: شبیه سازی کامپیوتری باریکه ی پروتوی (رنگی) که با ابر الکترونی (خطوط) برهمکنش میکند.