مقدمه ای آسان بر نسبیت به قلم استفان هاوكینگ

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

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.

---