نسبیت عام ۱۰۰ ساله شد

MacTavish · 8/9/19

100سال پیش یعنی سال ۱۹۱۵ در چنین روز هایی ، آلبرت اینشتین نظریه نسبیت عام را ارائه کرد.حال پس از گذشت یک قرن از ارائه نسبیت عام ، این نظریه شورانگیز همچنان به قوت خود پابرجاست و تا به حال آزمایش یا نظریه‌ دیگری نتوانسته آن را باطل کند. در صدمین سالگرد نسبیت عام، نشریات معتبر علمی ویژه‌نامه‌هایی منتشر و انجمن‌های بین‌المللی همایش‌هایی برگزار کرده‌اند.

توجه به نظریه نسبیت از ابتدا به علم محدود نماند و به ادبیات علمی-تخیلی، سینما و فرهنگ عامه گسترش یافت.اهمیت این نظریه در این است که نگرش بشر را درباره پیدایش و ساختار جهان تغییر و به دویست سال فرمانروایی قوانین نیوتن پایان داد.

الکساندر پوپ شاعر انگلیسی قرن هجدهم در ستایش از نیوتن شعری سروده بود:

طبیعت و قوانین طبیعت در تاریکی فرو رفته بودند خداوند گفت: بگذار نیوتن باشد! و آنگاه روشنایی در میان آمد.

اما جان اسکوایر، شاعر انگلیسی در زمان طرح نظریه نسبیت در ادامه شعر پوپ نوشت:

طولی نکشید، شیطان فریاد زد: هان! بگذار اینشتین باشد و جهان به حالت اول بازگشت.

منظور او این بود چون اینشتین قوانینی را کشف کرد که قوانین کلاسیک فیزیک را زیر سوال برد، جهان دوباره در تاریکی فرو رفت.

نسبیت خاص

استیون هاوکینگ، کیهان‌شناس انگلیسی، در مقدمه کتاب تاریخچه مختصر زمان نوشته است که به توصیه ناشر، به خاطر خوانندگان عام، هیچ فرمولی در کتاب نیاورده است اما او نتوانست از آوردن یک فرمول خودداری کند: E=mc۲. این فرمول محصول نظریه نسبیت خاص است که چنان در فرهنگ عامه رواج یافته که گاهی در آگهی‌های تبلیغاتی از آن استفاده می‌کنند.

اینشیتن در سال ۱۹۰۵ نظریه نسبیت خاص را ارائه کرد. در این نظریه، هنوز به اندازه نسبیت عام، قوانین نیوتن به چالش کشیده نشده بودند.

نسبیت خاص نظریه‌ای است مربوط به حرکت‌ یکنواخت (حرکت‌ با سرعت ثابت روی خط راست). اینشتین فکر می‌کرد برخلاف نظر دانشمندان دیگر، فضا و زمان مطلق نیستند و حرکت در جهان نسبی است.

نسبیت خاص از آن رو خاص نامگذاری شد چون فقط به حرکت‌ یکنواخت و بدون شتاب محدود می‌شود.مطابق نظریات نیوتن، زمان و فضا به طور مطلق و مستقل از اجسام وجود دارند و برای محاسبه سرعت یک جسم، به مختصات مرجع (“چارچوب مرجع لـ*ـخت”) نیاز است، برای اینکه مسافت و زمان را در قیاس با آن اندازه‌گیری کنیم و سرعت مطلق را به دست آوریم.

اما طبق نسبیت خاص، حرکت نسبی است و این مختصات مرجع، مطلق نیستند.به عبارت دیگر اگر سرعت یک گوی ۲۰ کیلومتر در ساعت است، چون از نظر نیوتن زمان و فضا به طور مطلق وجود دارند پس سرعت آن گوی واقعا ۲۰ کیلومتر در ساعت است.

در فیزیک کلاسیک، سرعت، از تقسیم مسافت بر زمان به دست می‌آید و اینشتین دریافته بود که سرعت نور ثابت است. اگر سرعت نور ثابت است پس مسافت و زمان باید تغییر کنند بنابراین او نتیجه گرفت که فضا و زمان برخلاف نظر نیوتن نمی‌توانند ثابت و مطلق باشند و درک زمان و مسافت، برای ناظران مختلف متفاوت است.

اینشتین زمان و فضا را مستقل از هم نمی‌دانست و با آنکه تصورش دشوار است، اما او توانست نشان دهد که چیزی به نام فضا-زمان وجود دارد، فضا و زمان بهم وابسته‌اند و دو کمیت مستقل از هم نیستند و این فضا-زمان همان بعد چهارم است.

بنابراین نسبیت خاص بر دو اصل استوار است: یکی اینکه، “چارچوب‌ مرجع لـ*ـخت” مطلق نیست، یعنی فضا و زمان یکنواخت و همگن نیستند که اندازه‌گیری‌ها بر اساس آن انجام شود. دیگری اینکه سرعت نور ثابت است.البته نظریه نسبیت خاص برای سرعت‌های نزدیک به نور معتبر است و در سرعت‌های معمول روزمره، قوانین نیوتن همچنان معتبر هستند.‌بزرگترین فیزیکدان قرن بیستم از نسبیت خاص به رابـ*ـطه جرم و انرژی دست یافت که آن را در همان فرمول مشهور E=mc۲ صورت‌بندی کرد.

ماجرای کشف نظریه نسبیت عام

اینشیتن از نظریه نسبیت خاص رضایت‌ نداشت زیرا محدود به حرکت‌ یکنواخت بود. او می‌خواست نظریه‌ای را طرح کند که همه حرکت‌های جهان را توضیح دهد.از این رو گرانش و حرکت‌ شتابدار توجه‌ او را به خود جلب کرد.

به نوشته والتر آیزاکسون در کتاب “اینشتین، زندگی و جهان فکری او”، اینشتین در سال ۱۹۰۷، یک “تجربه ذهنی” را تصور کرد.فردی را در اتاقکی بدون پنجره مانند آسانسور تصور کنید. اگر او احساس کند که کف آسانسور به پایش فشار وارد می‌کند، آنگاه به نظر اینشتین، فرد نمی‌تواند تشخیص دهد که آیا نیرویی که به او وارد می‌شود گرانش است یا شتاب ناشی از حرکت آسانسور. در آسانسور در حال سقوط آزاد هم همینطور است.

آلبرت اینشتین زمانی گفته بود دو چیز حد و نهایت ندارند، یکی جهان و دیگری حماقت بشری، البته افزوده بود که مطمئن نیست جهان بی‌نهایت باشد

اینشتین از اینجا پی برد که حرکت‌ شتابدار و گرانش “هم‌ارز” هستند و به این ترتیب گرانش را وارد نظریه نسبیت کرد.او نوشت: “دریافتم که می‌توانم اصل نسبیت را علاوه بر حرکت‌ با سرعت ثابت، به سیستم‌های شتابدار هم تعمیم دهم و از این طریق مسئله گرانش را حل کنم.”

او بعد از محاسبات زیاد نشان داد که نور در فضا خمیده می‌شود اما محاسبات ریاضی کافی نبود و باید به لحاظ تجربی هم ثابت می‌شد.بنابراین اینشتین اخترشناسان را ترغیب کرد که در هنگام خورشیدگرفتگی مهر تایید بر محاسبات او بزنند؛ او حتی حاضر شد بخشی از هزینه آزمایش را خود بپردازد.

آیزاکسون در این مرحله از زندگی اینشتین به نکته قابل توجهی اشاره می‌کند. قرار بود در کریمه خورشیدگرفتگی رخ دهد و اخترشناسی که به نظریه اینشتین علاقه‌مند شده بود به آنجا سفر کرد.

انحنای فضا-زمان

اما سفر او مصادف شد با اعلام جنگ آلمان به روسیه. به این ترتیب، این اخترشناس چند هفته‌ای دربازداشت بود، درست زمانی که خورشیدگرفتگی رخ داد. البته حتی اگر آزاد بود باز نمی‌توانست عکس‌هایی از خورشید گرفتگی بگیرد تا نشان دهد نور در مجاورت خورشید خمیده می‌شود، چون آن روز هوا ابری بود.

اما این اتفاق به نفع اینشتین تمام شد چون در همان زمان متوجه شد که مقدار خمیدگی و انحراف نور را در مجاورت خورشید اشتباه حساب کرده است. او کار را دوباره آغاز کرد و سرانجام در سال ۱۹۱۵ قوانین نسبیت عام را صورت‌بندی کرد.

انشتین در سال‌های ۱۹۰۷ تا ۱۹۱۵ که روی مهمترین نظریه فیزیک کار می‌کرد، توفانی‌ترین دوره زندگی خود را هم سپری می‌کرد، از یک طرف جنگ جهانی اول آغاز شد و از طرف دیگر مشکلات خانوادگی و جدایی از همسر اولش پیش آمد.

طبق نظریه نسبیت عام که باورش برای عموم دشوار بود، فضا-زمان، خمیده است و به همین دلیل نور و هر چیز دیگر طبق آن خمیدگی حرکت می‌کند.صفحه‌ای منعطف را تصور کنید که چهار گوشه آن محکم شده و روی آن اجسامی (آنها را ستارگان یا اجرام آسمانی در نظر بگیرید) با وزن‌های متفاوت قرار دارند. این اجسام بسته به وزنشان خمیدگی‌هایی در صفحه ایجاد می‌کنند.

اگر روی این صفحه گوی‌هایی (ذرات درون هسته‌ای) با وزن‌های متفاوت بیاندازید، خواهید دید که گوی‌ها موقع حرکت بر روی این صفحه هر کدام به نسبتی، به طرف آن اجسام متمایل می‌شوند.

عکسی که آرتور ادینگتون اخترشناس انگیسی در سال ۱۹۱۹ از خورشیدگرفتگی گرفت و نسبیت عام به کمک آن از نظر تجربی ثابت شد

هم اجسام (ستارگان) و هم گوی‌ها (ذرات) خمیدگی‌هایی روی صفحه ایجاد می‌کنند و برخی ممکن است در گودی‌هایی که ایجاد شده فروغلتند.این صورت ساده شده جهانی است که ما در آن زندگی می‌کنیم. جهانی بافته از فضا-زمان، که وقتی ذره یا جسمی در آن قرار می‌گیرد، روی خطوط خمیده حرکت می‌کند.

بنابراین چنانکه نیوتن تصور می‌کرد چیزی به نام نیروی گرانش وجود ندارد که اجسام به هم وارد کنند بلکه تاثیر فضا-زمان و ماده و ذرات بر یکدیگر است که گرانش را به وجود می‌آورد.

جان ویلر، فیزیکدان انگلیسی، تعبیر جالبی به کار برده است: “ماده می‌گوید که فضا-زمان چگونه خمیده شود، و فضا-زمان به نوبه خود به ماده می‌گویند چگونه حرکت کند.”

اینشتین در نامه‌ای به فرزند خود نوشت که وضعیت ما در جهان همانند حرکت یک حشره روی یک شاخه پر پیچ و خم است. حشره نمی‌داند که روی مسیر خمیده در حال حرکت است.

در سال ۱۹۱۹ با ثبت عکس‌های خورشیدگرفتگی، نظریه نسبیت عام اینشتین به لحاظ تجربی ثابت و به این ترتیب راهی را برای شناسایی راز پیدایش و ساختار جهان گشوده شد.