مقدمه ای آسان بر نسبیت به قلم استفان هاوکینگ
در اواخر قرن نوزدهم دانشمندان تصور می کردند به توصیـف کامل گیتی نزدیک شده اند. آنان می پنداشتند که 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 که صوت، امواج فشار در هواست. تنها چیزی که برای تکمیل نظریه لازم بود، اندازه گیری دقیق ویژگی های کشسانی 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 حرکت نمــــاید. مثلاً اگر در جهت نور حرکت می کردید، انتظار داشتید سرعت آن کم تر به نظر برسد، و اگر در خلاف جهت نور حرکت می کردید، انتظار داشتید سرعت آن بیشتر به نظر آید. اما به رغم آزمایش های متعدد، تلاش به منظور یافتن مدرکی برای تغییر سرعت نور در اثر حرکت در اتر، ناکام ماند.
دقیق ترین آزمایش ها توسط "آلبرت مایکلسون" و "ادوارد مورلی" در سال 1887 در مؤسسه "کیس کلیولند" در "اوهایو" انجام گردید. آن ها سرعت نور را در دو باریکه که نسبت به یکدیگر دارای زاویه قائمه بودند، مقایسه نمودند. آن ها چنیـــن استدلال می کردند که زمین با چرخش به دور محور خود و گردش به گرد خورشید، از میان اتر می گذرد و سرعت نور در این دو باریکه باید متفاوت باشد. اما مایکلسون و مورلی اختلاف روزانه یا سالانه ای میان دو باریکه نور نیافتند. گویی نور، در هر جهتی که حرکت کنی، نسبت به تو با سرعتی ثابت حرکت می کند.
فیزیکدان ایرلندی، "جرج فیتزجرالد" و فیزیکدان هلندی "دیوید لورنتز"، نخستین کسانی بودند که گفتند اجسامی که در میان اتر حرکت می کنند، منقبض می شوند و ساعت ها کند می گردند. این انقباض و کند شدگی (اتساع)، چنان است که هرکسی به هر نحو که نسبت به اتر ، که فیتزجرالد و لورنتز آن را ماده ای واقعی می پنداشتند، حرکت کند، سرعت ثابتی را برای نور اندازه گیری خواهد نمود.
اما، این کارمند جوان اداره ثبت اختراعات سویس در برن به نام آلبرت اینشتاین بود که اتر را کناری نهاد و مسئله سرعت نور را یک بار برای همیشه حل کرد. او در ژوئن 1905 یکی از سه مقاله ای را نوشت که وی را به عنوان یکی از دانشمندان برجسته جهان معرفی کرد و در این راستا دو انقلاب مفهومی را آغاز نمود که فهم ما را از زمان-فضا و واقعیت تغییر دادند.
در مقاله 1905، اینشتاین نوشت:
حال که نمی توان آشکار ساخت که آیا در اتر حرکت می کنیم یا خیر، اصلاً مفهوم اتر زیادی است.
در مقابل، اینشتاین از این اصل آغاز کرد که قوانین علم باید به دیده همه ناظرانی که آزادانه حرکت می کنند، یکسان بنمایند. به ویژه، ناظران به هر شیوه ای که حرکت کنند، باید همه یک سرعت را برای نور اندازه گیری نمایند.
این، مستلزم رها کردن این اندیشه بود که کمیتی عام موسوم به زمان وجود دارد که همه ساعت ها اندازه می گیرند. هر کس، زمان شخصی خود را داشت. ساعت های دو نفر در صورتی با هم هماهنگ بودند که آن دو نسبت به یکدیگر در حال سکون باشند و نه این که حرکت نمایند. این نکته با چند آزمایش تأیید شد، از جمله آزمایش با ساعت بسیار دقیقی که دور جهان گردانده شد و سپس با ساعتی که در محل ساکن مانده بود، مقایسه گردید. اگر می خواستید بیشتر زندگی کنید، می توانستید به سوی شرق پرواز کنید تا سرعت هواپیما به سرعت چرخش زمین افزوده شود. اما خوردن غذای هواپیما همان و از میان رفتن آن کسر بسیار کوچکی از ثانیه که به عمرتان افزوده می شد، همان.
اصل موضوع اینشتاین که قوانین طبیعت باید به دیده تمام ناظرانی که در حرکت آزاد هستند یکسان بنماید، مبنای نظریه نسبیت بود که از آن رو چنیــــن نامیده می شود که حکایت از آن دارد که "فقط حرکت نسبی مهم است." زیبایی و سادگی آن برای بسیاری از دانشمندان و فیلسوفان متقاعدکننده بود. اما مخالفت های بسیاری هم به جای مانده بود. اینشتاین دو مطلق علم قرن نوزدهم را واژگون کرده بود:
سکون مطلق که با اتر نمایش داده می شد و زمان مطلق یا عامی که تمام ساعت ها اندازه گیری می نمودند.
مردم می پرسیدند آیا این بدان معناست که معیار اخلاقی مطلقی وجود ندارد، که همه چیز نسبی است؟
این ناراحتی در دهه 1920 و 1930 ادامه یافت. هنگامی که در سال 1921 جایزه نوبل به اینشتاین داده شد، این امر به دلیل کار مهم- اما با معیارهای اینشتاین، جزئیِ- دیگری بود که در سال 1905 انجام داده بود. به نسبیت، که تصور می رفت بسیار بحث برانگیز است، اشاره ای نشد. هنوز هم من هفته ای دو یا سه نامه دریافت می کنم که می گویند اینشتاین اشتباه کرده است. با این همه، اکنون، جامعه علمی نظریه نسبیت را به طور کامل پذیرفته است و پیش بینی های آن در کاربردهای بیشمار تصدیق شده اند.
یکی از نتایج مهم نسبیت، رابطه میان جرم وانرژی است. این اصل اینشتاین که سرعت نور باید به دیده همه یکسان باشد، نشان می داد که هیچ چیز نمی تواند از نور سریع تر حرکت نماید. آن چه روی می دهد این است که 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 ناممکن است زیرا به مقداری نامتناهی انرژی نیاز دارد. هم ارزی جرم و انرژی به اختصار در معادله مشهور اینشتاین، mc^2= E نشان داده می شود، که شاید تنها معادله فیزیک باشد که مردم کوچه و خیابان هم آن را می دانند.
از جمله نتایج این قانون آن است که با شکافت هسته اتم ارانیوم به دو هسته با مجموعِ جرمی که اندکی کمتر است، مقدار زیادی انرژی رها می شود. در سال 1939، با شعله ور شدن آتش جنگ، گروهی از دانشمندان که به نتایج این امر پی برده بودند، اینشتاین را وادار کردند که بر تردیدهای صلح آمیز خود غلبه نمایـد و نامه ای برای رئیس جمهور روزولت بنویسد و در آن از وی بخواهد که ایالات متحده برنامه تحقیقات هسته ای را آغاز نماید. این، به پروژه منهاتان و بمب اتمی ای منتهی گردید که در سال 1945 بر فراز هیروشیما منفجر شد. برخی، اینتشاین را به دلیل بمب اتمی سرزنش می نمایند، زیرا او بود که رابطه میان جرم و انرژی را کشف کرد. اما مثل آن است که نیوتن را به دلیل کشف گرانش که موجب سقوط هواپیـــماها می گردد، سرزنش کنند. اینشتاین در پروژه منهاتان نقشی نداشت و انفجار او را وحشت زده کرد.
هرچند نظریه نسبیت به خوبی در چارچوبِ قوانین حاکم بر الکتریسیته و مغناطیس قرار می گرفت، اما با قانون گرانش نیوتن سازگار نبود. این قانون می گفت اگر توزیع ماده را در یک منطقه از فضا تغییر دهید، تغییر در میدان گرانشی در هرجای دیگری در گیتی بلافاصله احساس خواهد شد. این نه تنها بدان معنا بود که می توانید علائمی با سرعتی بیش از سرعت نور ارسال کنید (امری که نسبیت منع می کرد)، بلکه نیازمند زمان مطلق یا عامی نیز بود که نسبیت آن را به نفع زمان شخصی یا نسبیتی کنار گذاشته بود.
اینشتاین، در سال 1907 که هنوز در اداره ثبت اختراعات برن بود، از این دشواری آگاهی داشت، اما تا سال 1911 که به دانشگاه آلمانی پراگ آمد، تفکر جدی در باره این مسئله را آغاز نکرده بود. او دریافت که میان شتاب و میدان گرانشی رابطه نزدیکی وجود دارد. کسی که در اتاقکی بسته نشسته است، نمی تواند بگوید آیا در میدان گرانشی زمین در حال ســـکون است، یا موشکی 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 کرد. اما شما نمی توانید قبل از وقوع فاجعه در آسانسور، مسافت زیادی را برای شتاب گرفتن طی کنید 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 کرد زیرا او و سطح زمین به سوی بالا شتاب می گرفتند. اما، به نظر نمی رسد که این هم ارزی میان شتاب و گرانش برای زمین کروی 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 1912، با توفانی مغزی روبرو گردید. او دریافت اگر در هندسة واقعیت انعطافی وجود داشته باشد، ممکن است هم ارزی شتاب و گرانش مفید باشد. اگر جا-گاه (چیزی که اینشتاین ابداع نموده بود تا سه بُعد آشنای زمان را با بُعد چهارم یعنی زمان، در هم آمیزد) خمیده بود و نه آن گونه که تصور می شد، تخت، چه؟ تصور وی این بود که جرم و انرژی جا-گاه را به شیوه ای که هنوز می بایست آن را تعیین نماید، خمیده می سازند. اشیائی مانند سیب و سیاره تلاش می کنند در جا-گاه در مسیر مستقیم حرکت نمایند، اما چنین می نماید که میدان گرانشی مسیر آن ها را خمیده می سازد، زیرا جا-گاه خمیده است.
اینشتاین با کمک دوست خود، مارسل گروسمان، نظریه فضاها و رویه های خمیده را مطالعه کرد که برنارد ریمان چونان بخشی از ریاضیات انتزاعی و بدون تصور این که به جهان واقعی ربطی داشته باشد، پدید آورده بود. در 1913، اینشتاین و گروسمان مقاله ای نوشتند و در آن این اندیشه را مطرح ساختند که ما نیروهای گرانشی را چونان نِمود این حقیقت می دانیم که جا-گاه خمیده است. اما به دلیل اشتباه اینشتاین (که انسان بود و جایزالخطا) نتوانستند معادلاتی را بیابند که 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 کار ادامه داد تا سرانجام در نوامبر 1915، معادلات صحیح را یافت. اینشتاین در بازدید از دانشگاه گوتینگن در تابستان 1915 در باره اندیشه های خود با دیوید هیلبرت ریاضیدان بحث کرده بود و هیلبرت، مستقل از اینشتاین و چند روز پیش از وی، همین معادلات را یافته بود. با این همه، همان گونه که 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 که 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، که اکنون نظریه نسبیت خاص خوانده می شد، متمایز سازند. در سال 1919 که هیئت اعزامی انگلیسی به آفریقای غربی، در حین خورگرفت (کسوف)، جابجایی اندکی را در موضع ستارگان نزدیک خورشید رصد کردند، این نظریه به طرزی شگفت تأیید شد. همان گونه که اینشتاین پیشبینی نموده بود، نور این ستارگان با عبور از کنار خورشید، خمیده می شد. این شاهدی است مستقیم بر آن که فضا و زمان خمیده اند، یعنی بزرگترین تغییری که از زمانی که اقلیدس در حدود 300 پیش از میلاد مبانی خود را نوشت، در درک ما از عرصه ای که در آن زندگی می کنیم، پدید آمده است.
نظریه نسبیت عام اینشتاین، فضا و زمان را از زمینه منفعلی که رویدادها در آن روی می دهند به شرکت کنندگان فعالی در دینامیک کیهان تبدیل نمود. این، به مشکل بزرگی منتهی شد که در انتهای قرن بیستم، هنوز در پیشانی فیزیک قرار دارد. جهان سرشار از ماده است و ماده جا-گاه را چنان خمیده می سازد که اجسام به سوی یکدیگر سقوط می کنند. اینشتاین دریافت که معادلات وی برای توصیف جهانی که در طول زمان تغییر نمی کند، جوابی ندارند. به جای رها کردن جهان ایستا و جاوید، که در آن زمان وی و اغلب مردم دیگر بدان باور داشتنـــد، معادلات را با افزودن جمله ای به نام ثابت کیهانی تغییر داد که فضا را در جهت دیگر چنـــــان خمیده می ساخت که اجسام از هم دور شوند. اثر رانشی ثابت کیهانی، اثر کششی ماده را خنثی می نمود و جهانی را ممکن می ساخت که تا ابد به جای خود باقی است.
معلوم شد که این یکی از بزرگترین فرصت های از دست رفته فیزیک نظری بوده است. اگر اینشتاین به همان معادلات اصلی خود وفادار مانده بود، می توانست پیش بینی نماید که جهان باید یا در حال انقباض باشد یا در حال انبساط. تا دهه 1920، که رصدهایی با تلسکوپ 100 اینچی مونت ویلسون انجام گرفت، امکان جهان وابسته به زمان جدی گرفته نشد. این رصدها نشان دادند هرچه کهکشان ها از ما دورتر باشند، سریعتر دور می شوند. به عبارت دیگر، جهان در حال انبساط است و فاصله میان دو کهکشان با گذشت زمان به طرز یکنواخت افزایش می یابد. اینشتاین بعدها ثابت کیهانی را بزرگترین اشتباه عمر خود خواند.
پس از جنگ جهانی دوم به متفقین اصرار کرد برای مهار بمب اتمی، حکومتی جهانی برقرار سازند. در سال 1952 ریاست جمهوری دولت جدید اسراییل به وی پیشنهاد شد، اما آن را نپذیرفت. زمانی نوشته بود «سیاست امری است لحظه ای در حالی که معادله به ابدیت تعلق دارد». بهترین گورنوشت و یادمان برای او، معادلات نسبیت عام است.
جهان در طول 100 سال گذشته بسیار بیش از هر قرن دیگری در طول تاریخ تغییر کرده است. دلیل این امر نه سیاسی است و نه اقتصادی، بلکه فناورانه است، فناوری هایی که مستقیماً از پیشرفت های علوم پایه سرچشمه گرفته اند. بدیهی است که برای این پیشرفت ها، نماینده ای بهتر از اینشتاین، مرد قرن مجله تایم، وجود ندارد.
پروفسور هاوکینگ، نویسنده تاریخ مختصر زمان، صاحب کرسی ریاضیات دانشگاه کمبریج، که زمانی به نیوتن تعلق داشت.
به نقل از سی پی اچ
