بخش اول- حكم گاليله
قبل از گاليله كساني كه مخالف نظريه حركت زمين بودند چنين استدلالي مي كردند كه اگر مثلاً ميله بلندي را به طور عمود، به زمين متصل كنيم و گلوله توپي را از كنار آن ها رها كنيم گلوله درست كنار ميله حركت مي كند و كنار آن به زمين برخورد خواهد كرد، در حالي كه اگر زمين را در حال حركت فرض كنيم طي مدت زماني كه طول مي كشد تا گلوله به زمين برسد، زمين و در نتيجه ميله متصل به آن كمي از مكان مكان اوليه خود حركت كرده است و نبايد گلوله درست در كنار ميله فرود آيد گاليله همين آزمايش را كنار دكل يك كشتي كه با سرعت ثابت حركت مي كرد انجام داد و گفت: اگر استدلال فوق صحيح باشد چون پس از رها شدن گلوله، طي مدت زمان كه طول مي كشد تا گلوله به كف كشتي برخورد كند، كشتي كمي از مكان اوليه خود حركت كرده است پس گلوله نبايد كنار دكل فرود آيد. اما گلوله رها شده از بالاي دكل كشتي در حال حركت هم، درست مانند موقعي كه كشتي ساكن است كنار دكل حركت مي كرد و كنار آن هم به كف كشتي اصابت مي كرد.

حكم گاليله
گاليله از آزمايش هايش نتيجه گرفت جسمي كه در حال حركت يكنواخت است يعني نه سرعتش تغيير مي كند و نه جهت حركتش عوض مي شود و نه تكان مي خورد همه چيز به گونه اي اتفاق مي افتد كه گويي آن جسم ساكن است. فرض كنيد در يك جعبه مسدود در فضاي دور دست، بين ستارگان هستيد، در اين صورت نمي توانيد تشخيص دهيد كه در حال حركت يا در حال سكون، چون همه چيز به گون هاي اتفاق مي افتد كه گويي در حال سكون هستيد. فرض كنيد پنجره جعبه را باز مي كنيد و مي بينيد كه جعبه ديگري به شما نزديك مي شود، شما نمي توانيد تشخيص دهيد كه واقعا آن جعبه به طرف شما حركت مي كند و يا شما به طرف جعبه ديگر حركت مي كنيد. گاليله ، چنين حكمي كرد كه تمام حركت هاي خطي و يكنواخت نسبي اند. يعني نمي توان گفت كه سرعت اين ذره 15 كيلومتر بر ساعت است و فقط مي دانيم كه اين ذره نسبت به فلان چيز (مثلاً زمين) ساكن است و يا نسبت به آن 15 كيلومتر بر ساعت سرعت دارد.

حكم گاليله در خطر
سال ها بعد دانشمندي به نام هويگنس مفهوم اتر(اثير) را به فيزيك وارد كرد اتر ماده اي بود كه تمام فضا را پر مي كرد، حتي خلاء ميان زمين و خورشيد را. مي توانست در همه ي اجسام نفوذ كند و نور از طريق آن منتشر مي شد . مي دانيم كه بدون آب، موج آب، بدون پرچم، موج پرچم، وبدون هوا صوت به وجود نمي آيد. از نظر هويگنس نور موجي بود كه در اتر به وجود مي آمد (موج اتري) و به وسيله آن منتشر مي شد، چون نور در همه جا بود پس اتر هم تمام فضا را پر كرده است، پس اتر مي توانست معيار خوبي براي سنجيدن حركت و سكون اجسام باشدو همان طور كه گفتيم قبل از اتر نمي توانستيم ذره اي را انتخاب كنيم و مطلقا و بگوييم اين ذره مطلقا ساكن است اما با راه يافتن مفهوم اتر به دنياي فيزيك چيزي كه نسبت به اتر ساكن بود مطلقا ساكن بود و چيزي كه نسبت به آن حركت مي كرد واقعا حركت مي كرد. يعني حالا شما در آن جعبه مسدود در فضا مي‌توانستيد حركت و سكون خود را نسبت به اتر بسنجيد و تشخيص دهيد كه واقعا ساكن هستيد و يا حركت مي كنيد، و اين با حكم گاليله در تناقض بود.

حكم گاليله پيروز مي شود
اگر اتر وجود داشت بايد به طريقي وجود آن اثبات مي شد. اگر در يك روز آرام سوار بر خودرويي روباز حركت كنيد.بر خورد ذرات هوا را به صورتتان احساس مي كنيد. همانطور كه گفتيم اتر، ساكن است و ما در اتر حركت مي كنيم. پس بايد نوعي باد اتري (شارش اتري) براي جسم وجود داشته باشد. به آزمايش جعبه مسدود باز مي گرديم و فرض كنيم در اتر، روبه جلو حركت مي كند. وسط اين جعبه چراغي را روشن مي كنيم، چون جعبه در حال حركت است پس يك باد اتري درون جعبه در حال وزيدن است.نور هم كه يك موج اتري است پس بايد انتظار داشته باشيم كه نور چراغ، ابتدا به عقب جعبه برسد. اما درواقع نور همزمان به جلو و عقب جعبه مي رسد. نه تنها اين آزمايش بلكه روش هاي ديگري براي آشكارسازي شارش اتر پيش بيني و انجام شد كه همه به شكست انجاميد. هم چنين آزمايش ها نشان مي دادند، چه به يك چشمه نور نزديك شويم و چه از آن دور شويم سرعت نور تغييري نمي كند و همواره ثابت است.فرض كنيد كه در يك قطار در حال حركت هستيد و تفنگي هم در اختيار داريد دست خود را از پنجره قطار بيرون مي آوريد و گلوله اي شليك مي كنيد، سرعت گلوله مي شود سرعت خروج گلوله از دهانه تفنگ به اضافه سرعت قطار. اما در مورد نور خروجي از چراغ جلوي لوكوموتيو چه انتظاري داريم؟ انتظار داريم سرعت نور خروجي از آن با سرعت قطار جمع شود (يعني سرعت نور خروجي از چراغ جلوي لوكوموتيو در حال حركت بيشتر از نور خروجي از چراغ جلوي لوكوموتيو ساكن باشد و سرعت نور با افزايش سرعت قطار افزايش يابد) اما چنين اتفاقي نمي افتد و سرعت نور چراغ جلوي لوكوموتيو چه قطار ساكن باشد و چه در حال حركت، يكسان اندازه گيري مي شود ( يعني مقدار 300.000 كيلومتر در ثانيه) توجه كنيد كه براي سرعت صوت هم چنين چيزي وجود دارد يعني اگر با سرعت به يك چشمه صوت نزديك شويم يا از آن دور شويم سرعت صوت همواره ثابت است (سرعت را با بسامد اشتباه نگيريد. چون طبق اثر دوپلر اگر به منبع صوت نزديك شويم بسامد زياد و اگر دور شويم بسامد كم مي شود.(يعني رنگ نور عوض مي شود)) اما نكته اي كه در باره صوت وجود دارد اين است كه صوت در هوا منتشر مي شود و سرعتش نسبت به هوا سنجيده مي شود، حال اين سؤال مطرح مي شودكه اين سرپيچي نور از قانون جمع سرعت هاي حاكم بر فيزيك، چگونه امكان توضيح داشت در حالي كه ديگر اثري وجود نداشت كه سرعت نور را نسبت به آن بسنجيم؟
رفته رفته بعضي دانشمندان به اين نتيجه رسيدند كه براي سازگاري با اصل بنيادي جديد بايد نظريه اصلي را تغيير بدهند. در اصل جديد به صراحت مطرح شده بود كه هيچ چيز حتي نور، نمي تواند حكم گاليله را نقض كند. هنري پوانكاره دانشمند معروف طي گفت و گويي در سنت لوئيز (ميسوري) در سال 1904 اصلاح نسبيت را براي اصل بنيادي جديد پيشنهاد كرد، اما نگفت كه چگونه مي توان فيزيك را به خاطر سازگاري با اصل بنيادي جديد تغيير داد. در سال بعد اينشتين طي مقاله اي نظريه نسبيت خود را منتشر كرد و مفاهيم و تصورات ما را از فضا و زمان كه از زمان نيوتن تا آن موقع بي تغيير مانده بود به هم ريخت.

بخش دوم- يك طرح غير عاقلانه
در بخش قبل خوانديد كه نور از قوانين جمع سرعت هاي حاكم بر فيزيك پيروي نمي كرد و تمامي تلاش هاي براي يافتن يك ماده نوررسان(اتر) كه بتوان سرعت نور را نسبت به آن سنجيد و اين ويژگي عجيب نور را قابل توضيح ساخت، به شكست انجاميد.

حال چطور مي شد اين سرپيچي نور را از قانون جمع سرعت هاي حاكم بر فيزيك را توضيح داد؟ عده اي مي گفتند اتر وجود دارد اما نمي توانيم پيدايش كنيم (آشكارش كنيم) عده اي مي گفتند بايد نو را چيز عجيب و غريبي فرض كنيم، يعني چون سرعت نور چيز عجيب و غريبي است پس خود نور هم چيز عجيب و غريبي بايد باشد. در حقيقت مشخص نبود نور واقعاچيست بعضي ها فكر مي كردند كه نور موج است و برخي آن را ذره مي دانستند.
اما اينشتين با خود گفت: «نمي دانم نور چيست و اصلاً براي من مهم نيست كه نور چه باشد. نور مهم نيست، سرعت نور مهم است.» سرعت برابر است با مسافت تقسيم بر زمان. سرعت مساوي است با واحد فضا تقسيم بر واحد زمان. پس اگر اشكالي در مورد سرعت وجود دارد، اين اشكال به فضا و زمان مربوط مي شود. شايد لازم باشد ديدگاهمان نسبت به فضا و زمان تغيير دهيم.
لوئيز ايپشتين در كتاب خود «چگونه مفاهيم نسبيت را مجسم كنيم؟» اين باره مي نويسد:«من توجه رقباي آينده اينشتين را به اين نكته جلب مي كنم كه اين راه حل اينشتين، در كل ، يك راه حل عاقلانه نيست. اگر چيزي اشكال پيدا مي كند، معمولاً اشكال آن در كجاست؟ اشكال را معمولاً بايد در جايي جست كه زودتر خراب مي شود. هنگامي كه جارو برقي روشن نمي شود معمولاً عيب آن كجاست؟ در اين مورد احتمالاً جاروبرقي اصلاً به برق وصل نشده است. تنها با ديدن جرقه ممكن است اين فكر پيش بيايد كه سيم پيچ موتور جاروبرقي خراب شده است. اگر در خانه اي بسته نشود معمولاً دو كار مي توان انجام داد. يا بايد كناره هاي در را آنقدر بتراشيم كه جا بيفتد يا به كمك يك جك بسيار بزرگ، خانه را از پي آنقدر بلند كنيم كه در بسته شود. فضا و زمان شالوده عمارت فيزيك اند. فضا و زمان زير بناي همه ي شاخه هاي فيزيك(مكانيك، ترموديناميك، الكتريسيته، مغناطيس و اپتيك) هستند. اما فقط در يكي از شاخه هاي علم فيزيك به نام اپتيك مشكل وجود دارد؛ آن هم نه در همه اپتيك بلكه فقط در سرعت نور. با اين حال، علي رغم تمام اين مشكلات، افكار اينشتين پيروز شد.»

يكي از نتايج اوليه اين نظريه اين است كه هيچ چيز نمي تواند سريع تر از سرعت نور حركت كند. براي اين كه يك انسان را به سرعتي نزديك سرعت نور برسانيم، انرژي بسيار زيادي لازم است. اما ذرات اتم(الكترون هامزون ها، پروتون ها و مانند آنها) را مي توان به راحتي توسط دستگاه هاي شتاب دهنده به سرعت هاي بالا، نزديك شرعت نور رساند. يكي از معروفترين اين شتاب دهنده ها، شتاب دهنده خطي دانشگاه استنفورد است. سرعت الكترون خارج شده از انتهاي لوله اين شتاب دهنده 999/0 C است. دادن انرژي بيشتر به الكترون، براي اين كه سرعتش از سرعت نور بيشتر شود، نتيجه اي در بر نداشت. از ديگر نتايج اين نظريه، كوتاه تر شدن طول جسمي است كه با سرعت هاي نزديك نور حركت مي كند؛ به طوري كه براي سرعت خروج 999975/0 C ،هر متر از لوله شتاب دهنده براي ناظري كه با الكترون حركت مي كند، 1/7 ميلي متر به نظر مي رسد. نتيجه ديگري كه نسبيت به دست مي دهد، افزايش جرم جسمي است كه با سرعت هاي بسيار بالا نزديك سرعت نور حركت مي كند. همچنين كند كار كردن ساعت هاي در حال حركت يكي ديگر از نتايج است كه آزمايش ها اين دو نتيجه را نيز تأييد كرده اند. توجه داشته باشيد كه اين نتايج در سرعت هاي بسيار بالا به دست مي آيد و نظريه نسبيت در سرعت هاي بسيار كم (سرعت هايي كه روزانه با آن ها سروكار داريم) همان نتايجي را به دست مي دهد كه فيزيك كلاسيك به دست مي دهد. به عبارت ديگر، كاهش ظول جسم، افزايش جرم و كند كار كردن ساعت ها در سرعت هاي بسيار كم ، آن قدر جزئي و كوچك است كه كاملاً قابل چشم پوشي است.
مطالبي كه در اين بخش خوانديد به «نظريه نسبيت خاص» معروف است كه به توصيف رفتار ذرات در سرعت هاي بسيار بالا مي پردازد. تاكنون هيچ نظريه اي به اندازه نسبيت خاص با دقت و جديد آزموده نشده است. در اين ميان مي توان از شتاب دهنده هاي ذرات نام برد. اين شتاب دهنده ها با استفاده از قوانين نسبيت خاص در زمينه مهندسي و فناوري ساخته مي شوند. شتاب دهنده اي كه بر اساس مكانيك نيوتوني طراحي شود كارآيي نخواهد داشت. همچنين بايد بدانيم كه در حوزه فيزيك ذرات، نسبيت حاص براي حل مسائل مكانيكي كاملاً ضروري است. اما بسياري از اين نتايج بر پايه تجارب روزانه معقول به نظر نمي رسد. حتي ظاهراً با عقل سليم نيز متناقض است، اين مشكل هنگامي حل مي شود كه بدانيم زمينه هاي تجربي عقل سليم محدود است و تجربيات ما ، محدود به سرعت هايي است كه بسيار كوچكتر از سرعت نوراند. در حقيقت ما هيچ تجربه شخصي در حوالي سرعت هاي نزديك به سرعت نور نداريم.
اما نظريه نسبيت عام چيست؟ اينشتين در نظريه نسبيت عام به برسي جاذبه مي پردازد و علت جاذبه را خمش فضا زمان معرفي مي كند.
اين موضوعي است كه در بخش زير به آن خواهيم پرداخت.

بخش سوم- وقتي فضا زمان در هم مي پيچد
در بخش قبل خوانديد كه آلبرت اينشتين براي قابل توضيح ساختن ويژگي هاي غير عادي نور، نظريه اي را ابداع كرد كه ماهيت فضا و زمان را به كل تغيير داد. آن نظريه، «نسبيت خاص» ناميده مي شود. اين شماره به تلاش هاي بعدي اينشتين مي پردازيم كه در قالب نظريه «نسبيت عام» مطرح شده است.

اين تصور كه جاذبه باعث سقوط نور مي شود. به سيمون لاپلاس اختر شناس برمي گردد. بر اساس همين ديدگاه دانشمند نقشه برداري به نام جان سولدنر، در سال 1800 ميلادي مقدار انحراف نوري را كه از كنار خورشيد يا زمين عبور مي كرد محاسبه كرد. با اين حال، اين نگرش فيزيك تا سال 1906 كه معلوم شد تمامي انواع انرژي (از جمله نور) جرم دارند، مسكوت ماند. از آنجا كه داشتن «جرم» به معناي داشتن «وزن» است، و وزن هم سقوط مي كند، پس نور هم سقوط مي كند، اما همين يافته، اينشتين را با يك معماري عميق تر روبرو كرد.

اينشتين گفت همچنان كه در يك ميدان گرانشي پايين مي رويد ( مثلاً از بالاي يك برج بسيار بلند پايين مي آييد)، سرعت گذر زمان كاهش مي يابد. (توجه داشته باشيد اين كند شدن زمان متفاوت از كند شدن زماني است كه در قسمت قبل به آن اشاره شد. كند شدن زمان در اينجا بر اثر گرانش است و كند شدن زمان در قسمت قبل مربوط به حركت با سرعت هاي بسيار زياد.)

اما فضا زمان خميده چيست؟ مثال زير مي تواند به درك اين پديده كمك كند. سه سياره در اطراف خورشيد در نظر بگيريد. پرتو نوري كه از كنار خورشيد مي گذرد بر اثر جاذبه خورشيد منحرف مي شود و اختر شناساني كه در اين سه سياره سكونت دارند، مجموعه زاويه هاي داخلي مثلث حاصل را بزرگ تر از 180 درجه انداز خواهند گرفت. اما خط مستقيم چيست؟ تنها تعريف معقول و منطقي براي خط مستقيم « بيان آن با «خط ديد» است. اما خط ديد، خط انتشار نور است در فضاي تهي. مي توان خط مستقيم را «كوتاه ترين فاصله ميان دو نقطه» نيز تعريف كرد، اما تمام علم فيزيك بر اين فرض مسلم مبتني است كه نور هميشه كوتاه ترين راه را انتخاب مي كند.اگر درباره اين مواردبه دقت انديشه كنيم، پي مي بريم كه هيچ راه منطقي ديگري براي تعريف خط مستقيم وجود ندارد.
اينشتين زمان را چهارمين رفيق سه مختصات فضايي (طول، عرض و ارتفاع) در نظر گرفت و گفت نيروي گرانش (نيرويي كه باعث سقوط سيب به سمت زمين مي شود) در اثر انحناي اين جهان چهار بعدي ايجاد مي شود. بدين ترتيب، گرانش تعبيري هندسي يافت.اما نيرو هاي الكتريكي و مغناظيسي هنوز خارج از حيطه حكمراني هندسه مانده بودند و اينشتين كه تا اين انداره پيشرفت كرده بود، تمام تمركز خود را روي اين گذاشت كه بر ميدان الكترومغناطيسي سركش نيز يك مهار سخت هندسي بزند. كدام خاصيت هندسي در فضاي چهار بعدي ( كه تاكنون نامكشوف مانده) وجود دارد كه بتواند جوابگوي اعمال متقابل الكتريكي و مغناطيسي باشد؟ اينشتين و بسياري از تماشاگران علاقه مند، نهايت كوشش خود را به كار بردند تا به ميدان الكترومغناطيسي يك تعبير صرفاً هندسي بدهند. اينشتين حدود چهل سال ، يعني تا زمان مرگ در سال 1955، روي «نظريه ميدان يكنواخت» كاركرد. اين نظريه كه «نظريه ميدان هاي يگانه» هم خوانده مي شود، ميدان هاي الكترو مغناطيسي و گرانشي را بر يك مبناي هندسي واحد با هم متحد مي كند. هرچه زمان بيشتر مي گذشت، بيش از پيش دشواري اين كار معلوم مي شد. گاه به گاه اينشتين روابط تازه اي مي يافت كه به اعداي وي بايد براي حل معماري نظريه ميدان يكنواخت به كار مي رفت؛ واين روابط(فرمول ها) در صفحه اول روزنامه هاي معروف دنيا چاپ مي شد. اما هميشه معلوم مي شد كه روابط كشف شده نارسا هستند و تا كشف بعدي دوباره سكوت برقرار مي شد. دانشمندان فيزيك نظري، از پير و جوان، اعتماد خود را نسبت به اين موضوع كه ميدان الكترو مغناطيسي يك تعبير صرفاً هندسي دارد، به تدريج از دست دادند. نمي توان طبيعت را مجبور به كاري كرد كه با مذاقش سازگار نيست! اينشتين هم رفته رفته درباره اين نظريه خود آزرده خاطر شده بود و با اكراه درباره آن با اين حال نظريه نسبيت عام، صرف نظر از اينكه بتوان ميدان هاي الكترومغناطيسي و گرانشي را بر پايه هندسي واحد متحد ساخت يا نه، معتبر ترين توضيحي است كه تاكنون در مورد منشا گرانش بيان شده است. تابش زمينه كيهاني، تپ اخترها، سياه چاله ها و ... همه و همه پديده هايي هستند كه نسبيت عام در آنها به نحوي اساسي دخيل است. وجود سياهچاله هاي فضايي يكي از پيش بيني هاي مهم نسبيت عام است؛ تابش زمينه كيهاني كه به احتمال زياد بازمانده مه بانگ است، رويدادي است كه فهم آن نيازمند نظريه نسبيت عام است؛ و ساختار تپ اختر ها(ستاره هاي نوتروني تند و چرخان) به شدت تحت تاثير نيروهاي بسيار قوي نسبيت عام است. امروزه نظريه نسبيت عام ابزاري ضروري در دست اختر شناسان و اختر فيزيكدانان بزرگ مقياس عالم استفاده مي كنند.
... سرانجام در سال 1921 ميلادي جايزه نوبل فيزيك به اينشتين اعطا شد. اما جالب است بدانيد كه دليل اصلي اعطاي اين جايزه نه ارئه نظريه نسبيت، كه به خاطر كشف قانون فتوالكتريك بود!

اينشتين تمام تمركز خود را روي اين نكته گذاشت كه بر ميدان الكترومغناطيس سركش، يك مهار سخت هندسي بزند. او چهل سال روي اين نظريه كار كرد!

تايپ و ويراستاري: مسعود سروري
مديريت وبلاگ علم و فناوري

منبع : دانشمند