نور هم خم می شود

قرن بیستم، بیش از هر عصر دیگری، روزگار تغییرات بنیادین در بینش علمی بوده است. هم اکنون دیدیم که، در پژوهش های رادرفرد و دیگران، اتمی که زمانی یکپارچه پنداشته می شد و واحد اولیه هر عنصر شیمیایی بود متشکل از واحدهای کوچک تری از کار درآمد. دیدیم که پلانک و اینشتین و دیگران ثابت کردند که جریان ظاهراً پیوسته انرژی از خورشید و ستارگان و منابع دیگر به صورت واحدهای مجزا حرکت می کند و تشعشع در قالب پیمانه های جداگانه ای از انرژی صورت می گیرد که هر کدامشان خواص یک موج را دارد. فیزیک کلاسیک قرن نوزدهم به سفری بی بازگشت رفته و جایش را جهان ذرات ناپایدار و اصل عدم قطعیت گرفته بود ـ و این اصل موقعی دخالت می کرد که صحبت از تعیین قطعی رویدادها در بنیادین ترین سطح بود. اما نظریه کوانتوم و اتم هسته دار تنها تغییراتی نبودند که قرن جدید به همراه آورد. در خلال دو دهه اول آن، کل بنیادهای فیزیک روزمره با اعلام نظریه نسبیت زیرورو شد.
نسبیت نیز مانند سایر نظریات انقلابی، تباری قابل احترام داشت. قرن ها پیش تر، در سال 1632، ‌گالیله در بحث درباب دو نظام عمده جهان درباره حرکت نسبی چیزی نوشته و یادآوری کرده بود که آزمایش های فیزیکی انجام گرفته بر روی اجسام متحرک در کابین زیر عرشه کشتی نشان نمی دهد که آیا کشتی ساکن بوده یا با سرعتی یکنواخت در حرکت بوده است. هدف گالیله از این بحث، پاسخگویی به منتقدانش درباره قوانین فیزیک و حرکت زمین بود. اما این مهم نیست؛ مهم اصل مطلب بود. دکارت آن را دریافت و نیوتن نیز اظهار داشت که حرکت نسبی دو جسم در فضایی معین، چه فضا ساکن باشد و چه در حرکت یکنواخت مستقیم الخط، یکسان است. افسوس که او، با مفاهیم حرکت مطلق و زمان مطلق، مسئله را در هاله ای از ابهام فرو برد. البته از جهتی ما هم فکر می کنیم که معیارهای مطلق وجود دارد. گمان می کنیم که صرفاً با مشاهده چیزی می توانیم بگوییم که ساکن است یا حرکت می کند. ولی واقعیت این است که ما نمی توانیم این را به طور مطلق تعیین کنیم. اگر جسم نسبت به زمین ساکن باشد، مسلماً نسبت به خورشید ساکن نیست، زیرا زمین همواره در حال گردش به دور خورشید است. ولی ما خورشید را هم نمی توانیم مطلقاً ثابت بگیریم؛ زیرا چنان که ویلیام هرشل ثابت کرد، خورشید در فضا نسبت به ستارگان در حرکت است و خود ستارگان نیز همه در حرکتند. پس گویا هیچ مکان یا «مبدأ مقایسه»ای وجود ندارد که بتوانیم آن را مطلقاً ساکن بگیریم. این نتیجه را ریاضیدانی فرانسوی به نام آنری پوانکاره پس از مطالعات بسیار دقیق در سال 1889 مورد تأیید قرار داد.
تحلیل پوانکاره پیامدهای ژرفی داشت، زیرا در روزگار او قوانین فیزیک همه مبتنی بر مشاهداتی بود که از زمین انجام می گرفت و زمین، برای راحتی به کار، همواره ساکن در نظر گرفته می شد بدون این که ذکری از آن به میان آید. ولی اگر یکباره همه چیز شروع به حرکت می کرد، این قوانین همه محتاج تجدید نظر می شد. آیا آن ها در جهانی که همه چیزش در حرکت نسبی است بازهم معتبر بودند؟ اهمیت این پرسش با نتایج عجیب آزمایشی که نخستین بار در سال 1881 به دست یک فیزیکدان امریکایی به نام البرت مایکلسن انجام شد مورد تأکید قرار گرفت. در آن روزها در این مورد بحث زیادی بود که حرکت زمین در فضا چه تأثیری بر امواج نور دارد. آزمایش های بسیاری انجام گرفته بود، اما همه به جواب هایی مبهم رسیده بودند. آنچه مایکلسن دریافت این بود که، چون امواج نور در اثیر حرکت می کنند(در آن ایام چنین گمان می شد)و زمین هم نسبت به این اثیر حرکت می کند، سرعت امواج نور باید بسته به این که در جهت حرکت زمین در فضا اندازه گرفته می شود یا از جهتی عمود بر این راستا، فرق کند. در حالت اول باید سرعت بیشتری به دست آید(سرعت نور + سرعت زمین)و در حالت دوم سرعت کم تری (سرعت نور به تنهایی). مایکلسن برای انجام مشاهدات خود از تداخل سنج مخصوصی استفاده کرد که آن را شخصاً طراحی کرده بود. او با آن توانست دو پرتو نور را در یکدیگر تداخل دهد. روش بسیار ظریفی بود، ولی آزمایش ظاهراً شکست خود را به حساب عدم دقت در ترتیبات آزمایش گذاشت، مگر نه این که سرعت نور تقریباً ده هزار بار بیشتر از سرعت زمین در مدار آن است، پس اختلافی که او می کوشید تشخیص دهد به راستی ناچیز بود. مایکلسن، ‌با کمک ادوارد مرلی، آزمایش را از نو طرح کرد و آن را یک بار دیگر، این بار به شکل اصلاح شده، در سال 1887 در «مدرسه مکانیک کاربردی کیس» در کلیولند اوهایو انجام داد؛ ولی با کمال تعجب باز به همان نتیجه رسید: صفر. گویا هیچ تفاوتی بین دو سرعت وجود نداشت، سرعت نور در هر دو جهت یکی بود.
با وجود آن که این فکر مایکلسن اشتباه بود که سرعت به دست آمده در جهت عمود بر مسیر حرکت زمین باید دقیقاً سرعت خود نور باشد، چنانکه هندریک لورنتس فیزیکدان هلندی بلافاصله خاطر نشان ساخت، جواب نمی بایست صفر در می آمد. این جواب نشان می داد که چیزی عجیب در جریان است. در واقع چیزی که این آزمایش نشان می داد این بود که هر سرعت دیگری که به سرعت نور اضافه شود، باز فقط سرعت نور می ماند. روشن است که این با عقل سلیم جور در نمی آمد و توضیحی باید پیدا می شد. دو سال بعد، در سال 1889، ‌جورج فیتس جرالد فیزیکدان ایرلندی اظهار داشت که شاید چون خود دستگاه، ‌همراه با زمین، ‌در اثیر حرکت می کند، بازوی تداخل سنج در جهت حرکت اندکی منقبض می شود و نور مسافتی کم تر از آن را که مایکلسن در نظر گرفته است طی می کند. این بی شک می توانست آن نتیجه را به بار آورد. شماری دیگر، به ویژه جوزف لارمر(1) فیزیکدان بریتانیایی و هندریک لورنتس هلندی، مستقلاً‌ مسئله را مورد مطالعه قرار دادند و از زاویه وجود امواج الکترومغناطیسی در اثیر و نیز حرکت زمین به آن نگریستند. در اصل، آنچه اینان در پی اش بودند، راهی برای تبدیل معادلات مکسول در مورد رفتار امواج الکترومغناطیسی به نحوی بود که بتوانند در چنین وضعیتی نیز معتبر بمانند. سرانجام یک رشته معادله از سوی لورنتس مطرح شد که طول و جرم و زمان را در بر می گرفت. سرعت ها در این معادلات همه کم تر از سرعت نور بودند. اینک صحنه برای پیشروی های نظری آلبرت اینشتین آماده بود. اینشتین متولد سال 1879 در اولم آلمان و فیزیکدانی تحصیل کرده بود. به عنوان بازرس در «اداره ثبت اختراعات» برن در سویس مشغول به کار بود که نخستین مقاله علمیش در مورد نسبیت را انتشار داد. مقاله که در سال 1905 در سال شمار فیزیک تحت عنوان «الکترودینامیک اجسام متحرک»به چاپ رسید نمونه ای از وضوح بود و نشان می داد که اینشتین نگاهی موشکافانه و طولانی به مسئله داشته و فیزیک پایه ای مربوطه را به بنیادی ترین شکل ممکن مورد بازاندیشی قرار داده است. او در پی همین مطالعات، هرگونه فضای ساکن مطلق را رد کرد و منکر وجود اثیر شد. همچنین معادلات جدیدی تنظیم کرد که نتیجه کار مایکلسن و مرلی را نتیجه ای قابل انتظار نشان داد. اینشتین به علاوه نتیجه گرفت که سرعت نور حداکثر سرعت ممکن در طبیعت است و چیزی نمی تواند از نور سریع تر حرکت کند. این نظریه، که بعدها به «نظریه خصوصی نسبیت» معروف شد، خود را فقط به حرکت اجسام در چارچوب هایی دارای حرکت یکنواخت (نه شتابدار) نسبت به یکدیگر محدود می کرد. با این حال بلافاصله دارای اهمیت فراوان تلقی شد، با وجود این که پاره ای از فیزیکدانان از پذیرفتن آن سر باز زدند. این نظریه برای اینشتین منصبی دانشگاهی در برن و سپس رتبه استادی فیزیک را در زوریخ به ارمغان آورد. در سال 1910، ‌او برای تصاحب کرسی استادی فیزیک در پراگ به آن جا رفت.
اینشتین به نظریه خصوصی نسبیت قانع نماند و مصمم شد با وضعیت دشواری دست و پنجه نرم کند که در آن اجسام نسبت به یکدیگر از حرکتی شتابدار برخوردارند، یعنی بر آنان همان وضعیتی حاکم است که در جهان طبیعت به طور اعم وجود دارد. از سوی دیگر، او تقریباً‌ بلافاصله در همان سال 1905 مقاله دیگری در سال شمار فیزیک به چاپ رساند با عنوان «آیا اینرسی جسم به مقدار انرژی آن بستگی دارد؟» این جا بود که او معادله معروف خود
را عرضه کرد. این معادله بیانگر رابطه میان انرژی (E)و جرم (m)است. حروف c نمودار سرعت نور است. بنابریان طبق معادله، اگر بتوان جرم را نابود کرد، مقدار انرژی حاصله بسیار زیاد خواهد بود (زیرا جرم در c×c ضرب می شود و cرقم بسیار بزرگی است). این معادله انرژی، شالوده تولید نیروی هسته ای و البته بمب اتمی است. در اخترشناسی نیز پیامدهای مهمی دارد که به زودی خواهیم دید. ارائه نظریه عمومی نسبیت، که باید حرکت شتابدار را نیز در بر می گرفت، البته زمان می خواست؛ و علاوه بر آن، ریاضیات ویژه ای می خواست ـ حساب تانسور ـ که اینشتین تازه در سال 1915 توانست آن را به نتیجه برساند و انتشار دهد. وقتی نظریه ارائه شد، روشن بود که گام بلند دیگری در شناخت انسان از طبیعت است. از آن جا که این نظریه با حرکت شتابدار سروکار داشت و اجسام نیز در اثر جاذبه است که با شتاب به زمین سقوط می کنند، پس نسبیت عمومی نظریه ای در مورد جاذبه نیز بود. این نظریه نشان می داد که ارتباط جاذبه با جرم جسم از آن روست که فضا، در اثر حضور یک جرم بزرگ، تابی پیدا کرده است. در واقع می توان گفت که همین تابخوردگی فضاست که جاذبه را پدید آورده است. نظریه نیوتن می گفت که نیروی جاذبه بین دو جسم به فاصله آن ها از یکدیگر بستگی دارد، ولی در نسبیت عمومی، این فاصله خود تحت تأثیر حضور ماده است. فاصله دیگر همان خط مستقیم ساده ای نیست که قبلاً گمان می کردیم، بلکه یک منحنی است. (در نسبیت، ‌معادلات وقتی به عالی ترین و یقیناً ساده ترین شکل خود دست می یابند که فضا نه اقلیدسی(مسطح) بلکه منحنی در نظر گرفته شود، به گونه ای که ریمان در اواخر دهه 1850 مطرح کرد. )تفاوت، در مسافات زمینی، بسیار اندک و قابل چشم پوشی است؛ ولی هنگامی که پای فواصل نجومی به میان می آید، فی المثل موقعی که مدار سیارات محاسبه می گردد، اهمیت می یابد. اتفاقاً یکی از نخستین دلایل اعتبار نسبیت عمومی این بود که مدار سیاره عطارد را با دقت بسیار می توانست محاسبه کند، حال آن که مقدار به دست آمده با قانون جاذبه نیوتن بسیار اندک می نمود.
نسبیت عمومی پیامدهای بسیار دیگری نیز داشته است که در طول سالیان بررسی شده و با مشاهدات موافق در آمده اند، گرچه ممکن است به نظر عجیب بیایند. بدین سان پی برده شده است که زمان مطلق نیست. زمان برای ناظری که، روی جسمی که نسبت به او با سرعت بسیار در حرکت است، شاهد گذشت آن است، سریع تر می گذرد. این در طول عمر مزون ها و به طریقی دیگر با استفاده از ساعت های اتمی بسیار دقیق مشاهده شده است. از سوی دیگر، به نظر می رسد جرم جسمی که نسبت به ناظر با سرعت بسیار حرکت می کند، اضافه می شود. این با اندازه گیری های دستگاه های اتم شکنی به اثبات رسیده است که در آن ها ذرات هسته ای شتاب می یابند و به سرعتی می رسند که کسر قابل توجهی از سرعت نور است؛ زیرا در این جا نیز، چون در هر جای دیگر، اثرات نسبیت فقط وقتی قابل لمس است که سرعت های نسبی واقعاً زیاد باشد.
بی شک مهم ترین و شاید جالب ترین «پیشگویی» نسبیت عمومی این بود که نور ستارگان خم می شود. ما گمان می کنیم که نور در خط مستقیم حرکت می کند؛ ولی اگر فضا دارای انحنا باشد؛ مسیر نور نیز منحنی («ژئودزیک»)خواهد بود. خاصه اگر نور از کنار جسم پرجرمی مانند خورشید عبور کند؛ فضا انحنای بیشتری خواهد داشت و مسیر نور بیش از پیش از خط مستقیم منحرف خواهد شد. کسوف کامل خورشید بهترین وقت برای مشاهده این پدیده است؛ زیرا هنگامی که ماه از جلوی خورشید عبور می کند و آن را کاملاً می پوشاند، ستارگان نزدیک خورشید در آسمان قابل رؤیت می شوند طبق نظریه نسبیت عمومی، ‌حضور خورشید باید موجب انحراف مسیر نور این ستارگان گردد. در سال 1918 کسوف کاملی رخ داد که این جنبه از نظریه در آن مورد آزمایش قرار گرفت. ارتر ادینگتن که در آن هنگام در رصد خانه سلطنتی گرینیچ کار می کرد و نخستین فیزیکدان انگلیسی بود که به اهمیت کامل نظریه عمومی اینشتین عمیقاً پی برد، برای مشاهده کسوف به جزیره پرینسپه در خلیج گینه رفت و کوشید این «جابه جایی اینشتین» را تشخیص دهد. سفر او موفقیت آمیز بود و این نتیجه غیر عادی ـ زیرا بر اساس جاذبه نیوتن انتظار آن نمی رفت ـ کمک زیادی به پذیرش نظریه نسبیت کرد. پژوهش های بعدی نیز آن را از راه های بسیاری به اثبات رسانیده و نشان داده اند که به مراتب صحیح تر از جاذبه نیوتن است، گرچه در کاربردهایی با دقت کم تر به همان جاذبه تقلیل پیدا می کند. اینک مسئله این نیست که نسبیت درست است یا نه ـ شک نیست که گام بزرگی در شناخت ماست ـ بلکه این است که جانشین آن، که باید فاصله با حقایق را بیش از این کم کند، چه خواهد بود.

پی نوشت ها :

1. Larmor joseph

منبع: ا. رنان، کالین؛ (1366)، تاریخ علم کمبریج، حسن افشار، تهران: نشر مرکز، چاپ ششم 1388.