این مقاله را به بهترین همسایه ی جهان جناب آقای کاظم نوروزیان تقدیم میدارم!

به مناسبت یکصدمین سال ارائه ی نسبیت خصوصی

این مقاله به تاریخ 2005/04/19 در پالتاگ به صورت سخنرانی ایراد شد.

آلبرت آینشتاین به سال 1879 میلادی در شهر اولم به دنیا آمد. خانواده اش بعدا به مونیخ کوچ کرده و پدرش بهمراه عمویش شرکت برق تاسیس کرد. شرکت پدرش به سال 1894 ورشکسته شد و خانواده ی آینشتاین به میلان در ایتالیا نقل مکان کردند. آینشتاین بعدا به زوریخ رفته و به تحصیلات خود ادامه داده و به سال 1900 از دانشکده فنی فدرال زوریخ فارغ التحصیل شد.

گویا به دلیل سئوالات فراوان و گیچ کننده ای که آینشتاین از اساتید خود می کرده آنان دل خوشی از وی نداشتند. و این باعث شد که وی نتواند شغلی دائمی در آن دانشگاه بدست آورد. دو سال بعد از پایان تحصیل بالاخره وی به سال 1902 در اداره ی ثبت اختراعات برن مشغول به کار شد.

در همان جا بود که به سال 1905 کارهای عظیمی کرد که اندیشه ی ما را در باره ی زمان ،  مکان و واقعیت عوض کرد. بقول نیوتن هر مرد بزرگی روی شانه ی بزرگان می نشیند. آینشتاین نه تنها روی شانه ی بزرگان نشسته بود بلکه فرزند زمان خود بود.

حال کمی راجع به غولها و زمان آینشتاین صحبت کنیم.

رشد فیزیک در اواخر قرن نوزدهم چنان بود که برخی فیزیکدانها پایان فیزیک را اعلام می کردند. این مورد در فیزیک کیهان شناختی از همه بیشتر توی ذوق می زد.

بنیاد فیزیک تا آنزمان روی پایه های قوانین نیوتن دانشمند بلند آوازه انگلیسی و یکی از بزرگترین نوابغ تاکنونی بشر،  بنیان گذارده شده بود. این قوانین چنان محکم و استوار و خدشه ناپذیر بنظر می رسید که کسی را یارای ضدیت با آن نبود. این قوانین از عهده ی بسیاری از مسائل سربلند بیرون آمده بود. تمامی عرصه های فیزیک و مکانیک از جمله مکانیک کلاسیک که تماما مکانیک نیوتونی را در بر میگیرد وترمو دینامیک، فیزیک نور، الکتریسیته، مغناطیس، الکترومغناطیس، فیزیک سیالات و غیره همگی تا آنزمان روی قوانین نیوتنی بنیان گذاشته شده بودند. ویران کردن و اندیشه ی نو انداختن فیزیکی جدید که بتواند جای آن را بگیرد امری محال بنظر می رسید. ولی جهان فیزیک زیر اندیشه ها، آزمون ها و یافته های جدیدی که هر روز بر تعداد آنها افزوده می گشت داشت کمر خم می کرد و فرو میریخت.  بنابر این اوجی که گمان میرفت که فیزیک روی آن نشسته به سقوطی عظیم استحاله یافت. سرتاسر فیزیک را بحران گرفت. به عمده ترین آنها اشاره می کنم.

یکی از بزرگترین فیزیک دانان آنزمان جیمز کلارک ماکسول بود. وی تحت تاثیر آزمایشات میشل فارادی در باره الکتریسیته قرار میگیرد و از خود چهار فرمول بجای می گذارد که جهان فیزیکی را به لرزه می اندازد. این چهار فرمول بسیار شگفت آورند. چرا که در ابتدا رابطه ای بین الکتریسته و مغناطیس به دست می دهد و هر دوی این بخشهای فیزیک را زیر چتر الکترومغناطیس می برد. دوم اینکه نور را در ریف  میدان الکترومغناطیسی قرار داده و حکم اینکه نور نیز از جنس میدان الکترومغناطیس است، پدیدار می شود. این یکی از جسورانه ترین اندیشه های فیزیکی تا آنزمان بود. بیان اینکه میدانهای الکترومغناطیسی با سرعت نور حرکت می کنند، اکنون بنظر چیز ساده ای می آید ولی این کشف کمک شایان توجهی به نسبیت و هم به مکانیک کوانتمی کرده است که بدون آن رسیدن به این اندیشه ها محال بنظر می رسد. بنابراین تئوری نور مرئی که چشم ما را متاثر می کند فقط بخش کوچکی از طول موج هایی است که در گستره ی امواج الکترومغناطیس قرار دارند.

اندیشه ی دیگر مسئله ی محدود بودن سرعت نور بود. از زمان گالیله و حتی پیش از آن دیگر معلوم شده بود که سرعت نور محدود است.  بعدها عنوان شد که این سرعت در خلاء ثابت است و چنانکه حالا هر بچه محصل نیز می داند که این سرعت محاسبه شده و حدودا برابر 300000 کیلومتر در ثانیه ویا یک میلیارد کیلومتر در ساعت است. این خود به تنهایی مسئله آفرین بود ولی مسئله در جای دیگری نیز بود و آن اینکه نور به چه شکلی حرکت می کند و از چه تشکیل شده است؟ دو نظر در آن دوران فیزیک دانان را از هم جدا کرده بود. یک عده کسانی بودند که ماهیت نور را ذره ای و دیگری آنرا موجی میدانستند. اندیشه ی نیوتنی وزنه را روی ذره ای بودن نور سنگینتر می کرد ولی آزمایش های یانگ و فرنل موجی بودن نور را بی برو برگرد کرده بودند.

ولی مسئله ی موجی بودن نور خود مسئله آفرین و یکی از پیچیده ترین آنها هم بود. اگر نور موجی بود پس این موج روی چه چیزی حرکت می کند؟ موج آب روی آب، اصوات روی اتمها و مولکولهای معلق در هوا ولی نور روی چه چیز؟ جواب این مسئله در انتظارآلبرت آینشتاین نشسته بود. ولی آنزمان برای جواب دادن به این سئوال نظری جالب مطرح شده بود. در هم شکستن این نظر اشتباه آمیز خود قدرتی را می طلبید.

نظر غالب در آن زمان این بود که فضا پر از ماده ای به اسم اثیر است که به انگلیسی بدان اتر می گویند. این اثیر نقش آب مانندی را برای حرکت موجی نوربازی می کند. این اندیشه بسیار منطقی می نمود و بدین دلیل بود که هر چه زودتر در آغوش فیزیک خرامید و رد و قبول آن مشکلی جدید بوجود آورد. چرا که اگر رد شود چه چیزی جانشین آن می شود؟ و اگر قبول شود جنس اش، ماهیت اش، خواص دیگرش و غیره خود مسئله آفرین می شدند. فرض بر قبول کردن آن بود که باز آینشتاین آنرا رد کرد و مایکلسون با آزمایشات خود بر این اندیشه ی آینشتاین صحه گذاشت.

اندیشه ی بعدی که جهان فیزیک را متلاطم کرد. انقلابی بود که بواسطه ی ماکس پلانک  بر جسته ترین فیزیکدان اواخر قرن نوزدهم و اوایل قرن بیستم بنیان گذارده شد. وی از آزمایشاتی که در باره ی قانون دوم ترمودینامیک کرده بود به این نتیجه رسید که انرژی بصورت منفصل و نه متصل انتشار می یابد. این بنظر کشفی پیش پا افتاده ویا حداقل ساده می نماید ولی برای فیزیک دانان اینچنین نیست. این کشف به وسیله ی فیزیک دانانی چون بور، شرودینگر، هایزنبرگ، ماکس بورن، پائولی، دوبروی، دیراک، فرمی، رادرفورد، فین من و بسیاری دیگر فیزیک کوانتم را بنیان گذاشت که یکی از عرصه های وسیع فیزیک مدرن را تشکیل می دهد و یکی از بزرگترین و بحث انگیزترین بخش فیزیک است. با اینهمه که آینشتاین در بنیان گذاری آن شرکت کرده ولی تا آخر عمر خود آنرا بطور تام وتمام قبول نکرد. این اندیشه ی شایان فیزیکی بدلیل اینکه روی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ استوار است برای محاسبات خود از آمار و احتمالات استفاده می کند که مورد پسند آینشتاین قرار نگرفت. جمله ی معروف وی اینکه "خداوند در موقع خلق جهان تاس نینداخته است" معروف است. ولی پیروزی های مکانیک کوانتمی صحت تا کنونی مکانیک کوانتمی را نشان داده است. تا ببینیم که بعدها چه خواهد شد. اکنون نظرات جدیدی هستند که در صدد آشتی دادن بین فیزیک نسبیتی و فیزیک کوانتمی می باشند. مثل استرینگ تئوری، ام تئوری وغیره که مورد بحث ما نیست.

بالاخره تئوری کوانتمی ما را به این مسئله کشاند که قبول کنیم که انرژی بصورت بسته هایی که کوانتا نامیده می شوند انتقال می یابند. این مسئله به آنجا کشید که مشکل ماهیت نور حل شود که آن را بیشتر مدیون آینشتاین هستیم. وی با یک تیر چندین نشان زد. با بیان اینکه نور از ذراتی بدون جرم به اسم فوتون تشکیل شده و خود بسته های انرژی را تشکیل می دهد. پس فوتون ها به دلیل اینکه خود منبع انرژی هستند لذا احتیاج به بستری برای گرفتن انرژی جهت حرکت موجی خود ندارند. پس اتر لزوم وجودی خود را از دست می دهد. چنانکه پیشتر گفتیم بعدها نیز مایکلسون با آزمایشات سخت کوشانه اش به این دلیل آینشتاین صحه گذاشت و بحث اتر پایان یافت.

انقلابات عظیم دیگری درآنسوی فیزیک یعنی ریاضیات رخ داده بود که به جهان فیزیکی و علی الخصوص در دستیابی به نسبیت شدیدا کمک کرد.

ریمان و لباچفسکی فضا های غیر اقلیدسی را پیش کشیدند که مبنایی بدین صورت داشتند که هندسه ی اقلیدسی فقط حالت خاصی از جهان هندسه ی نا اقلیدسی بود. مثلاً در این فضا می توان مثلثی با مجموع زوایایی بیشتر ویا کمتر از 180 درجه ساخت. یا از یک نقطه واقع در خارج از یک خط بینهایت خط بتوان به موازات آن خط رسم کرد. از سوی دیگر داوید هیلبرت فضا های برداری و ریاضیات تانسوری را در ابعاد بالاتر بنیان گزارد. گاووس مساحت سطوح خمیده را محاسبه کرد کانتور مسئله ی بینهایت های متفاوت را پیش کشید و بالاخره توپولوژی رونق فراوان یافت. این پیشرفتها مباحث ریاضی بسیار پیچیده ای هستند که هر کدام بحث های طولانی و پیچیده ای را می طلبد که از حو صله ی این بحث خارج است. ولی ناگفته نماند که تمامی این ریاضیات مدرن در رشد و ارائه ی نسبیت دخیل بودند.

مثلاً مورد دیگری که فیزیک با آن روبرو شد انحنای مدار سیاره ی عطارد بود که لووریه این انحنا را کشف کرده بود و مقدارش برابر 43 ثانیه است. قوانین نیوتن از تجزیه و تحلیل آن عاجز بود. نسبیت عمومی که به هندسه ی نااقلیدسی متکی است نشان داد که حضیض هر جسم دوران کننده حرکتی اضافه بر آنچه قوانین نیوتن بیان می داشت، دارد. این پاسخ بسیار روشن و شفافی برای حضیض عطارد داد.

همین جا بایستی اشاره کنم که هنری پوانکاره ریاضی دان و فیزیک دان فرانسوی چند هفته بعد از اعلام نسبیت خصوصی اینشتاین و بدون اطلاع از نسبیت خصوصی مقاله ای منتشر کرد که نسبیت خصوصی را بصورت ریاضی مطرح کرد. چون خیلی ها از درک آن عاجز بودند ولی درک نسبیت خصوصی اینشتاین ساده تروملموس تر از پوانکاره بود و در عین حال روی مثالهایی استوار بود. قرعه به اسم اینشتاین افتاد ولی نبایستی پوانکاره را فراموش کرد.

حال به ادامه ی بحث خود برگردیم:

در قوانین نیوتن محدودیتی برای سرعت نور نیست. حتی می توان به سرعتهایی فراتر از سرعت نور دست یافت. اما راستی اگر آدمی بتواند به سرعتی به اندازه ی سرعت نور دست یابد حتماً خواهد توانست با ذرات نور پهلو دستی خود بازی کند. البته این یک فانتزی است وی اگر بشود چرا نه؟ ولی بعداً خواهیم فهمید که چرا نمی شود. عدم محدودیت در سرعت در اندیشه ی نیوتنی چنان قوی بود که نیوتن مطرح نموده بود که اگر اتفاقی در یکی از عوامل جاذبه بیفتد.  مثلاً خورشید بخودی خود منفجر شود این اتفاق اثراتش را در آن واحد به اجرام آسمانی دیگر منتقل کرده ونظم آنها را بهم خواهد ریخت. دلیل اینکه زمین کاملاً جذب خورشید نمی شود هم اینست که چون جهان بینهایت است و اجرام بهم دیگر تاثیر می گذارند و این تاثیرات بینهایت زیادند پس اگر به یکی از آنها اتفاقی بیفتد نظم بهم خورده هر چه سریعتر به نظم جدیدی دست می یابد. اینجا عجز تئوری نیوتنی را می بینیم که در مواقعی که ناتوان است به چیزی مبهم مثلا بینهایت پناه می برد. این موضوع را نسبیت عمومی حل کرد که مدیون ریاضیات نوین و نبوغ اینشتاین هستیم.

حال بنظرم بهتر است قدری در باره ی نسبیت صحبت کنیم. ابتدا با نسبیت خصوصی آغاز میکنیم.

 نسبیت خصوصی بر این باور است که اگر دو ناظری که نسبت بهم در حرکت باشند درک های متفاوتی نسبت به زمان و مکان خواهند داشت. در مکانیک نیوتنی زمان مطلق است و این مکان است که تغییر می کند، جهت عوض می کند و همه ی اعمالش مستقل از زمان است. دو ناظر بالا در مکانیک نیوتنی از نظر زمانی مسئله ای نخواهند داشت و فقط تغییر مکان نسبت بیکدیگر را بررسی خواهند کرد. ولی همین دو ناظر از دید نسبیت خصوصی طور دیگری به حرکت انجام شده نگاه خواهند کرد.

دو ناظر اخیر پیش از سفر خود در نقطه ی مورد نظری پهلوی هم قرار گرفته و ساعتهای خود را تنظیم می کنند. بعد به سفر خود ادامه داده و دوباره در نقطه ای در فضا همدیگر را ملاقات می کنند. در باره ی مشاهدات خود و در باره ی زمان اتفاقات مشاهده شده به توافق نخواهند رسید. آینشتاین با آزمایشات ذهنی و بعد ها با آزمایشات آزمایشگاهی نسبیت خصوصی به این نتیجه رسید که هر چقدر بر سرعت افزوده شود اختلاف اندازه گیری بیشتر و بیشتر می شود. این اختلاف را نمی توان در سرعتهای معمولی اندازه گرفت. چرا که اختلاف به چند میلیونیم ثانیه از نظر زمانی و چندین میلیونیم میلیمتر از نظر مکانی می رسد. البته در سرعتهای پایین هنوز مکانیک نیوتنی پاسخگوی خوبیست. در سرعتهای بالاست که مکانیک نیوتنی دیگر پاسخگونیست. حالا مثالی این مسئله را روشن خواهد کرد.

اگر ناظری کنار جاده ای به ایستد و به اتوموبیلی که با سرعت 180 کیلو متر در ثانیه می رود نگاه کند. اختلاف زمانی که بین ناظر و راننده بوجود می آید برابر یک هزار میلیاردم ثانیه است. این اختلاف را ساعت راننده نسبت به ناظر کمتر نشان می دهد. یعنی راننده یک هزار میلیاردم ثانیه جوانتر می ماند.

اگر راننده و ناظر طول ماشین را پیش از حرکت اندازه میگرفتند در حین حرکت با سرعت 180 کیلو متردر ثانیه ناظر کنار متوجه خواهد شد که طول ماشین به اندازه ی یک ده هزار میلیاردم متر کوتاهتر شده است.

اکنون مثالهایی با سرعت بسیار بالا می آوریم تا متوجه اختلاف بشوید. اگر راننده ی اخیر به فرض بتواند با سرعتی برابر با 87% سرعت نور بپیماید در این صورت ناظر کناری طول ماشین را بجای 5 متر 2.5 متر اندازه خواهد گرفت. یعنی طول ماشین برایش نصف شده است ولی برای راننده طول همان پنج متر ولی زمان طی مسیر نصف می شود. این نسبیت زمانی و مکانی پیش از نسبیت به این حد مفهوم نشده بود.

نتیجه ی دیگری نیز از بحث کوچک بالا می توان گرفت مفهوم پیوستار زمان ـ مکانی و یا بقول شادروان هشترودی جای ـ گهی است. این پیوستار، زمان را بعنوان بعدی جدید به مکان وصل می کند. لذا جهان ما از جهان سه بعدیی که در آن درازا، پهنا و بلندی بود به درازا، پهنا ، بلندی و زمان ارتقاع یافت. برای درک این مطلب نمی توان از اشکال به صورت کافی استفاده کرد ولی بصورتی که مفهومی نه چندان دشوار از آن بدست آورد مثالی می آوریم.

 فرض کنید که یک نفر که به دنبال آدرسی به خانه ی جدید خواهرش می رود که بایستی درازای خیابان فردوسی را بگذرد و سپس پهنای خیابان ناصر خسرو را طی نموده به آنسویش برود و سپس به بلندی چهار طبقه رفته و دقت بفرمائید که در خانه ی خواهرش را ساعت چهار بزند. ما همواره در آدرس هایمان این ساعت چهارهارا فراموش می کردیم. مثالی از نوع دیگر آیا برای یک اتوموبیل مهم است که درازا را به پیماید یا پهنا را؟ البته که نه این عدم درک ماشین برای ما همان عدم درک زمان در رفتن به خانه ی خواهرمان است.

اما این سرعتهای بالاست که به ما می فهماند که چگونه در فضای چهار بعدی حرکت می کنیم. ولی برای طبیعت فضا و زمان تقسیم نمی شوند.

سرعت نه تنها به زمان و مکان بلکه به جرم نیز تاثیر می گذارد. هنگامیکه یک شتاب دهنده سرعت یک پروتن را به 90% سرعت نور می رساند وزن پروتن به دو برابر و نیم وزن اولیه اش افزایش می یابد. در صورتیکه اگر سرعتش به 99.9997%  سرعت نور برسد وزنش 430 برابر میشود. برای بالا بردن سرعت پروتن به بیش از این حد به انرژی بیشتر و بیشتری احتیاج خواهیم داشت چرا که با افزایش سرعت وزن نیز دائماً افزایش می یابد. سرعت را باز بالاتر می بریم مثلاً %99.999،999،999 در این صورت جرم پروتن به 70000 برابر می رسد. وقتی خیلی نزدیک به سرعت نور می رسانیم یک پروتن وزنی نزدیک به وزن کره ی زمین و سپس به وزن خورشید و بعد به وزن تمامی کهکشان و بالاخره به بینهایت می رسد. یعنی عملاً بعد از یک حدی نمی توان یک پروتن را شتاب داد. این افزایش جرم را تا آنجا که به خاطر دارم در شتاب دهنده ی عظیم سرن در سوئیس تا 45 برابر وزنش بالا بردند و این تائید فرمول مشهور E = mc² است. که نشان می دهد چگونه جرم به انرژی و انرژی به جرم تبدیل می شود.

در فاجعه ی شرم آور هیروشیما که بمب اتمی به توسط آمریکا بر سر مردم بیگناه فرو ریخت فقط 3 گرم ماده به انرژی تبدیل شد که توانست مردم، حیوانات، ساختمانها، وسایط نقلیه، خیابانها را با خاک یکسان کند و به تلی از خاکستر مبدل سازد.

نسبیت خصوصی نه تنها تبدیل یک نوع انرژی به انواع دیگرش را قبول دارد. مثلاً تبدیل انرژی مکانیکی به توسط حرکت چرخ دوچرخه به دینام و تبدیل این چرخش به انرژی الکتریکی و عبور این الکتریسیته از تار تنگستن در لامپ و تبدیل آن به انرژی حرارتی و نور و غیره. نسبیت خصوصی تبدیل ماده به انرژی و انرژی به ماده را نیز به ما نشان داد. بقول ژاک دریدا : شالوده شکنی به معنای پریدن از مفهومی به مفهوم دیگر نیست، بلکه از نو طرح ریزی و حفظ یک نظم مفهومی ونیز غیر مفهومی است که نظم پیشین را در این نظم جدید تبیین می کند. (حواشی فلسفه). اینشتاین نیز در نسبیت اینکار را کرد.

تا اینجا ما در باره ی نسبیت خاص صحبت کردیم و در خاتمه ی این بحث بهتر است قدری هم راجع به نسبیت عام صحبت کنیم.

برای مبارزه ی تام و تمام با افکار نیوتنی یک مسئله ی بسیار مهم دیگری نیز باقی مانده بود و آن قانون جاذبه ی عمومی بود. نسبیت برای اینکه کامل شود بایستی در مقابل جاذبه ی نیوتنی چیزی می گذاشت تا بتواند بگوید که سرعت انتقال جاذبه ی اجرام آسمانی ویا هر جرم دیگری بیش از سرعت نور نیست.

برطبق قوانین نیوتنی حرکت اجسام ناشی از نیرویی است که بدان وارد میشود. پس برای افتادن اجسام به روی زمین نیز بایستی نیرویی باشد. پس زمین نیروی جاذبه دارد. این یک تشریح مکانیکی از حوادث است ولی تشریح نسبیت در این مورد هندسی است. این اثر نیروی جاذبه نیست که اجسام به سوی اجرام بزرگ کشیده می شوند. بلکه این پیوستار چهار بعدی است که اجرام شکلش را تغییر داده و به انحنای فضائی تبدیلشان می کند. همین انحنای فضایی باعث سقوط اجسام می شود و باز همین انحنای فضایی  است که باعث تعادل بین خورشید و سیارات اطراف آن می شود.

به این دلیل است که نور در حین عبور خود از کنار یک جرم بزرگ مثل خورشید مجبور است که این انحنا را طی کند یعنی مسیری منحنی به پیماید. و زمانی که برای اثبات این ادعا گروهی راهی افریقا شدند تا با مشاهده ی کسوف ومطالعه پیرامون آن ببینند که آیا میتوانند نور ستارگان و سیاراتی که از پشت سر خورشید ساطع می شوند، را می بینند. وقتی موفقیت این خبر به گوش اینشتاین رسید.  می گویند که هیچ تعجبی نکرد و فقط گفت که اگر غیر این بود متعجب می شدم.  همین اندیشه بود که اینشتاین را به این عقیده کشاند که عنوان کند که فضا نا محدود نیست. چرا که انحنای فضائی باعث می شود که فضاـ زمان بر روی خود خم گشته و سطح بسته ای می سازد و نتیجه جهانی محدود است.

در خاتمه بایستی یادآور شوم که با اینهمه موفقیت نسبیت اینشتاین جایزه نوبل را نه به خاطر نسبیت بلکه بخاطر اثر فتو الکتریک گرفت. وقتی فوتون ها با انرژی قوی روی فلزات می تابند باعث می شوند که الکترونها از سطح فلزات خارج شوند. این کشف بزرگ در ادامه ی خود باعث اینهمه رشد و تکنولوژی شده است. که بیانش از عهده ی این مقاله خارج است.

                                                                                                       نوشته ی:  شیرزاد کلهری

                                                                                                                                                                                                                                                                                                     پیروز باشید

عناوین در دسترس:

آیا آینشتاین نابغه ای تنها بود؟

بمب اتمی و انرژی اتمی 

عجایب الکترونها

ضد ماده چیست؟

اندازه گیری کیهان

تاريخچه ای از زندگی و آثار استفن ويليام هاوکينگ

انفجار بزرگ و ظهور زمان و مکان