نسبیت چیست؟

در اواخر قرن نوزدهم دانشمندان تصور می كردند به توصیـف كامل گیتی نزدیك شده اند. آنان می پنداشتند كه فضا در همه جا با واسطه ای پیوسته به نام اتر پر شده است. پرتوهای نور و علائم رادیویی، امواجی در اتر بودند، درست همان گونه كه صوت، امواج فشار در هواست. تنها چیزی كه برای تكمیل نظریه لازم بود، اندازه گیری دقیق ویژگی های كشسانی اتر بود؛ پس از تعیین این ویژگی ها، همه چیز در جای خود قرار می گرفت.اما به زودی و به تدریج، مغایرت هایی با اندیشه اتر همه جاگیر پدیدار گردید. انتظار می رفت نور در اتر با سرعت ثابتی حركت نمــــاید. مثلاً، اگر در جهت نور حركت می كردید، انتظار داشتید سرعت آن كم تر به نظر برسد، و اگر در خلاف جهت نور حركت می كردید، انتظار داشتید سرعت آن بیشتر به نظر آید. اما به رغم آزمایش های متعدد، تلاش به منظور یافتن مدركی برای تغییر سرعت نور در اثر حركت در اتر، ناكام ماند.دقیق ترین آزمایش ها توسط آلبرت مایكلسون و ادوارد مورلی در سال ۱۸۸۷ در مؤسسه كیس كلیولند در اوهایو انجام گردید. آن ها سرعت نور را در دو باریكه كه نسبت به یكدیگر دارای زاویه قائمه بودند، مقایسه نمودند. آن ها چنیـــن استدلال می كردند كه زمین با چرخش به دور محور خود و گردش به گرد خورشید، از میان اتر می گذرد و سرعت نور در این دو باریكه باید متفاوت باشد. اما مایكلسون و مورلی اختلاف روزانه یا سالانه ای میان دو باریكه نور نیافتند. گویی نور، در هر جهتی كه حركت كنی، نسبت به تو با سرعتی ثابت حركت می كند.فیزیكدان ایرلندی، جرج فیتزجرالد و فیزیكدان هلندی دیوید لورنتز، نخستین كسانی بودند كه گفتند اجسامی كه در میان اتر حركت می كنند، منقبض می شوند و ساعت ها كُند می گردند. این انقباض و كندشدگی (اتساع) چنان است كه هركسی به هر نحو كه نسبت به اتر ، كه فیتزجرالد و لورنتز آن را ماده ای واقعی می پنداشتند، حركت كند، سرعت ثابتی را برای نور اندازه گیری خواهد نمود.اما، این كارمند جوان اداره ثبت اختراعات سویس در برن به نام آلبرت اینشتاین بود كه اتر را كناری نهاد و مسئله سرعت نور را یك بار برای همیشه حل كرد. او، در ژوئن ۱۹۰۵، یكی از سه مقاله ای را نوشت كه وی را به عنوان یكی از دانشمندان برجسته جهان معرفی كرد- و در این راستا دو انقلاب مفهومی را آغاز نمود كه فهم ما را از زمان، فضا و واقعیت تغییر دادند.در مقاله ۱۹۰۵، اینشتاین نوشت حال كه نمی توان آشكار ساخت كه آیا در اتر حركت می كنیم یا خیر، اصلاً مفهوم اتر زیادی است. در مقابل، اینشتاین از این اصل آغاز كرد كه قوانین علم باید به دیده همه ناظرانی كه آزادانه حركت می كنند، یكسان بنمایند. به ویژه، ناظران به هر شیوه ای كه حركت كنند، باید همه یك سرعت را برای نور اندازه گیری نمایند.این، مستلزم رها كردن این اندیشه بود كه كمیتی عام موسوم به زمان وجود دارد كه همه ساعت ها اندازه می گیرند. هر كس، زمان شخصی خود را داشت. ساعت های دو نفر در صورتی با هم هماهنگ بودند كه آن دو نسبت به یكدیگر در حال سكون باشند و نه این كه حركت نمایند. این نكته با چند آزمایش تأیید شد، از جمله آزمایش با ساعت بسیار دقیقی كه دور جهان گردانده شد و سپس با ساعتی كه در محل ساكن مانده بود، مقایسه گردید. اگر می خواستید بیشتر زندگی كنید، می توانستید به سوی شرق پرواز كنید تا سرعت هواپیما به سرعت چرخش زمین افزوده شود. اما خوردن غذای هواپیما همان و از میان رفتن آن كسر بسیار كوچكی از ثانیه كه به عمرتان افزوده می شد، همان.اصل موضوعه اینشتاین كه قوانین طبیعت باید به دیده تمام ناظرانی كه در حركت آزاد هستند، یكسان بنماید، مبنای نظریه نسبیت بود كه از آن رو چنیــــن نامیده می شود كه حكایت از آن دارد كه فقط حركت نسبی مهم است. زیبایی و سادگی آن برای بسیاری از دانشمندان و فیلسوفان متقاعدكننده بود. اما مخالفت های بسیاری هم به جای مانده بود. اینشتاین دو مطلق علم قرن نوزدهم را واژگون كرده بود: سكون مطلق كه با اتر نمایش داده می شد و زمان مطلق یا عامی كه تمام ساعت ها اندازه گیری می نمودند. مردم می پرسیدند آیا این بدان معناست كه معیار اخلاقی مطلقی وجود ندارد، كه همه چیز نسبی است؟این ناراحتی در دهه ۱۹۲۰ و ۱۹۳۰ ادامه یافت. هنگامی كه در سال ۱۹۲۱ جایزه نوبل به اینشتاین داده شد، این امر به دلیل كار مهم- اما با معیارهای اینشتاین، جزئیِ- دیگری بود كه در سال ۱۹۰۵ انجام داده بود. به نسبیت، كه تصور می رفت بسیار بحث برانگیز است، اشاره ای نشد. هنوز هم من هفته ای دو یا سه نامه دریافت می كنم كه می گویند اینشتاین اشتباه كرده است. با این همه، اكنون، جامعه علمی نظریه نسبیت را به طور كامل پذیرفته است و پیش بینی های آن در كاربردهای بیشمار تصدیق شده اند.یكی از نتایج مهم نسبیت، رابطه میان جرم وانرژی است. این اصل اینشتاین كه سرعت نور باید به دیده همه یكسان باشد، نشان می داد كه هیچ چیز نمی تواند از نور سریع تر حركت نماید. آن چه روی می دهد این است كه با مصرف انرژی برای شتاب دادن به ذره یا سفینه، جرم شیء افزایش می یابد و شتاب بیشتر دادن به آن را دشوارتر می سازد. شتاب دادن به ذره تا سرعت نور ناممكن است زیرا به مقداری نامتناهی انرژی نیاز دارد. هم ارزی جرم و انرژی به اختصار در معادله مشهور اینشتاین، ۲mc= E نشان داده می شود، كه شاید تنها معادله فیزیك باشد كه مردم كوچه و خیابان هم آن را می دانند.از جمله نتایج این قانون آن است كه با شكافت هسته اتم ارانیوم به دو هسته با مجموعِ جرمی كه اندكی كمتر است، مقدار زیادی انرژی رها می شود. در سال ۱۹۳۹، با شعله ور شدن آتش جنگ، گروهی از دانشمندان كه به نتایج این امر پی برده بودند، اینشتاین را وادار كردند كه بر تردیدهای صلح آمیز خود غلبه نمایـد و نامه ای برای رئیس جمهور روزولت بنویسد و در آن از وی بخواهد كه ایالات متحده برنامه تحقیقات هسته ای را آغاز نماید. این، به پروژه منهاتان و بمب اتمی ای منتهی گردید كه در سال ۱۹۴۵ بر فراز هیروشیما منفجر شد. برخی، اینتشاین را به دلیل بمب اتمی سرزنش می نمایند، زیرا او بود كه رابطه میان جرم و انرژی را كشف كرد. اما مثل آن است كه نیوتن را به دلیل كشف گرانش كه موجب سقوط هواپیـــماها می گردد، سرزنش كنند. اینشتاین در پروژه منهاتان نقشی نداشت و انفجار او را وحشت زده كرد.هرچند نظریه نسبیت به خوبی در چارچوبِ قوانین حاكم بر الكتریسیته و مغناطیس قرار می گرفت، اما با قانون گرانش نیوتن سازگار نبود. این قانون می گفت اگر توزیع ماده را در یك منطقه از فضا تغییر دهید، تغییر در میدان گرانشی در هرجای دیگری در گیتی بلافاصله احساس خواهد شد. این نه تنها بدان معنا بود كه می توانید علائمی با سرعتی بیش از سرعت نور ارسال كنید (امری كه نسبیت منع می كرد)، بلكه نیازمند زمان مطلق یا عامی نیز بود كه نسبیت آن را به نفع زمان شخصی یا نسبیتی كنار گذاشته بود.اینشتاین، در سال ۱۹۰۷ كه هنوز در اداره ثبت اختراعات برن بود، از این دشواری آگاهی داشت، اما تا سال ۱۹۱۱ كه به دانشگاه آلمانی پراگ آمد، تفكر جدی در باره این مسئله را آغاز نكرده بود. او دریافت كه میان شتاب و میدان گرانشی رابطه نزدیكی وجود دارد. كسی كه در اتاقكی بسته نشسته است، نمی تواند بگوید آیا در میدان گرانشی زمین در حال ســـكون است، یا موشكی در فضای آزاد به او شتاب می دهد. (این به دوران پیش از «پیشتازان فضا» مربوط می شود، اینشتاین مردم را به جای سفینه در آسانسور تصور می كرد. اما شما نمی توانید قبل از وقوع فاجعه در آسانسور، مسافت زیادی را برای شتاب گرفتن طی كنید یا آزادانه سقوط نمایید).اگر زمین تخت بود هم می توانستید بگویید سیب به دلیل گرانش روی سر نیوتن افتاد و هم می توانستید بگویید سر نیوتن به سیب برخورد كرد زیرا او و سطح زمین به سوی بالا شتاب می گرفتند.اما، به نظر نمی رسد كه این هم ارزی میان شتاب و گرانش برای زمین كروی چندان مفید باشد؛ مردم طرف دیگر جهان می بایست در جهت مخالف شتاب بگیرند، اما در فاصله ثابتی نسبت به ما باقی بمانند.اینشتاین با بازگشت به زوریخ در سال ۱۹۱۲، با توفانی مغزی روبرو گردید. او دریافت اگر در هندسهٔ واقعیت انعطافی وجود داشته باشد، ممكن است هم ارزی شتاب و گرانش مفید باشد. اگر جا-گاه -- چیزی كه اینشتاین ابداع نموده بود تا سه بُعد آشنای زمان را با بُعد چهارم یعنی زمان، در هم آمیزد-- خمیده بود و نه آن گونه كه تصور می شد، تخت، چه؟ تصور وی این بود كه جرم و انرژی جا-گاه را به شیوه ای كه هنوز می بایست آن را تعیین نماید، خمیده می سازند. اشیائی مانند سیب و سیاره تلاش می كنند در جا-گاه در مسیر مستقیم حركت نمایند، اما چنین می نماید كه میدان گرانشی مسیر آن ها را خمیده می سازد، زیرا جا-گاه خمیده است .اینشتاین با كمك دوست خود. مارسل گروسمان، نظریه فضاها و رویه های خمیده را مطالعه كرد كه برنارد ریمان چونان بخشی از ریاضیات انتزاعی و بدون تصور این كه به جهان واقعی ربطی داشته باشد، پدید آورده بود. در ۱۹۱۳، اینشتاین و گروسمان مقاله ای نوشتند و در آن این اندیشه را مطرح ساختند كه ما نیروهای گرانشی را چونان نِمود این حقیقت می دانیم كه جا-گاه خمیده است. اما به دلیل اشتباه اینشتاین (كه انسان بود و جایزالخطا) نتوانستند معادلاتی را بیابند كه انحنای جا-گاه را به جرم و انرژی درون آن مرتبط سازد.اینشتاین در برلین، به دور از مسائل داخلی و عمدتاً فارغ از جنگ، به كار ادامه داد تا سرانجام در نوامبر ۱۹۱۵، معادلات صحیح را یافت. اینشتاین در بازدید از دانشگاه گوتینگن در تابستان ۱۹۱۵ در باره اندیشه های خود با دیوید هیلبرت ریاضیدان بحث كرده بود و هیلبرت، مستقل از اینشتاین و چند روز پیش از وی، همین معادلات را یافته بود. با این همه، همان گونه كه هیلبرت اذعان نموده است، افتخار نظریه جدید از آن اینشتاین بود. اندیشه وی، مرتبط ساختن گرانش با خمیدگی جا-گاه بود. به لطف دولت متمدن آلمان در این دوره بود كه این بحث ها و مبادلات علمی حتی در دوران جنگ، می توانست بدون دشواری ادامه داشته باشد. چه تضادی با بیست سال بعد!نظریه جدید جا-گاه خمیده را نسبیت عام نامیدند تا آن را از نظریه اولیه بدون گرانش، كه اكنون نظریه نسبیت خاص خوانده می شد، متمایز سازند. در سال ۱۹۱۹ كه هیئت اعزامی انگلیسی به آفریقای غربی، در حین خورگرفت (كسوف)، جابجایی اندكی را در موضع ستارگان نزدیك خورشید رصد كردند، این نظریه به طرزی شگفت تأیید شد. همان گونه كه اینشتاین پیشبینی نموده بود، نور این ستارگان با عبور از كنار خورشید، خمیده می شد. این شاهدی است مستقیم بر آن كه فضا و زمان خمیده اند، یعنی بزرگترین تغییری كه از زمانی كه اقلیدس در حدود ۳۰۰ پیش از میلاد مبانی خود را نوشت، در درك ما از عرصه ای كه در آن زندگی می كنیم، پدید آمده است.نظریه نسبیت عام اینشتاین، فضا و زمان را از زمینه منفعلی كه رویدادها در آن روی می دهند به شركت كنندگان فعالی در دینامیك كیهان تبدیل نمود. این، به مشكل بزرگی منتهی شد كه در انتهای قرن بیستم، هنوز در پیشانی فیزیك قرار دارد. جهان سرشار از ماده است و ماده جا-گاه را چنان خمیده می سازد كه اجسام به سوی یكدیگر سقوط می كنند. اینشتاین دریافت كه معادلات وی برای توصیف جهانی كه در طول زمان تغییر نمی كند، جوابی ندارند. به جای رها كردن جهان ایستا و جاوید، كه در آن زمان وی و اغلب مردم دیگر بدان باور داشتنـــد، معادلات را با افزودن جمله ای به نام ثابت كیهانی تغییر داد كه فضا را در جهت دیگر چنـــــان خمیده می ساخت كه اجسام از هم دور شوند. اثر رانشی ثابت كیهانی، اثر كششی ماده را خنثی می نمود و جهانی را ممكن می ساخت كه تا ابد به جای خود باقی است.معلوم شد كه این یكی از بزرگترین فرصت های از دست رفته فیزیك نظری بوده است. اگر اینشتاین به همان معادلات اصلی خود وفادار مانده بود، می توانست پیش بینی نماید كه جهان باید یا در حال انقباض باشد یا در حال انبساط. تا دهه ۱۹۲۰، كه رصدهایی با تلسكوپ ۱۰۰ اینچی مونت ویلسون انجام گرفت، امكان جهان وابسته به زمان جدی گرفته نشد. این رصدها نشان دادند هرچه كهكشان ها از ما دورتر باشند، سریعتر دور می شوند. به عبارت دیگر، جهان در حال انبساط است و فاصله میان دو كهكشان با گذشت زمان به طرز یكنواخت افزایش می یابد[۱]. اینشتاین، بعدها، ثابت كیهانی را بزرگترین اشتباه عمر خود خواند.پس از جنگ جهانی دوم به متفقین اصرار كرد برای مهار بمب اتمی، حكومتی جهانی برقرار سازند. در سال ۱۹۵۲ ریاست جمهوری دولت جدید اسراییل به وی پیشنهاد شد، اما آن را نپذیرفت. زمانی نوشته بود «سیاست امری است لحظه ای… در حالی كه معادله به ابدیت تعلق دارد». بهترین گورنوشت و یادمان برای او، معادلات نسبیت عام است.جهان در طول ۱۰۰ سال گذشته بسیار بیش از هر قرن دیگری در طول تاریخ تغییر كرده است. دلیل این امر نه سیاسی است و نه اقتصادی، بلكه فناورانه است- فناوری هایی كه مستقیماً از پیشرفت های علوم پایه سرچشمه گرفته اند. بدیهی است كه برای این پیشرفت ها، نماینده ای بهتر از اینشتاین، مرد قرن مجله تایم، وجود ندارد.
پروفسور هاوكینگ، نویسنده تاریخ مختصر زمان،صاحب كرسی ریاضیات دانشگاه كمبریج، كه زمانی به نیوتن تعلق داشت.
منبع: انتشارات حقیری