تئوری نسبیت آینشتاین

مکانیک کلاسیک چون نمی توانست به خلاء مطلق معتقد باشد، مفهوم اتر را ابداع کرد. براساس این مکانیک اتر ماده ای بی بو و بی رنگ و نرم و ظریفی بود که جهان را اشغال کرده و همه اجرام آسمانی در آن غوطه ورند. اتر عامل انتقال امواج نورانی در فضای بین ستارگان و نیروهای واکنش بین اجسام است. حالا مسئله این است که آیا اتر ساکن است یا متحرک؟ و در هر دو حالت چه نقشی در حرکت نور دارد.
هیپولیت فیزو(1) (1896-1819) دانشمند فرانسوی در سال 1815 بر آن شد که سرعت انتشار نور را در لوله ای که آب با سرعت در آن روان است، اندازه بگیرد. تا معلوم شود که آیا در این حالت سرعت حرکت آب به سرعت نور در خلاء افزوده می شود یا از آن کاسته می گردد. سرانجام طی آزمایش هایی معلوم شد که سرعت نور در آب جاری اختلاف زیادی دارد. با سرعت نور در آب ساکن. «فیزو همچنین دریافت که سرعت نوری که در امتداد جریان آب منتشر می شود به اندازه 44% سرعت آب افزایش یافته، حال آنکه از سرعت نوری که در امتداد مخالف جریان آب انتشار می یابد به همین اندازه کاسته شده است.»(2)
فیزیکدانان می گفتند که اگر فیزو توانسته است تأثیر جریان آب تندی را بر حرکت نوری که در آن انتشار می یابد، مشاهده کند، پس می بایستی بتوان تأثیر حرکت کره زمین را نیز در فضا، بر سرعت نوری که بر سطح آن اندازه گیری می شود، مشاهده کرد، بدیهی است که زمین روی مدار خود بر گرد خورشید با سرعتی حدود 30 کیلومتر در ثانیه حرکت می کند، در نتیجه باید باد اتری نیز که بر سطح کره زمین و شاید هم در پیکر زمین می وزد، وجود داشته باشد. (درست همان طور که یک راننده، اتومبیل روباز خود را در یک روز آرام و بدون باد می راند.) به عبارت دیگر همان طور که صوت در جهت باد سریعتر می رود، انتظار می رفت که نور نیز در جهت اتر سریعتر حرکت کند.
«آلبرت مایکلسون(3) (1931-1852) در سال 1880 دستگاهی درست کرد که ماکسول سه ماه قبل از آن اصولش را تعیین کرده بود. از این قرار که به این دستگاه یک دسته اشعه نورانی در یک جهت و دسته دیگری از اشعه نورانی در جهت عمود بر آن گسیل می نماید. مقایسه نوارهای تداخل معلوم می کرد که اختلاف سرعت این دو شاخه نور چه اندازه می باشد. سرانجام هنگامی که مایکلسون این آزمایش را انجام داد در کمال شگفتی متوجه شد سرعت نور در هر دو جهت یکی می باشد. او در سال بعد همراه دستیارش ادوارد ویلیامز مورلی(4) (1923-1838) این آزمایش را دوباره تکرار کرد و باز هم همان نتیجه را بدست آورد.»(5) پس می توان گفت چون در خلاء چیزی نبوده، به ناچار سرعت نور در هیچ جهتی تغییر نکرده است.
اما در همین اوقات جرج فیتز جرالد(6) (1891-1851) از اهالی ایرلند نتیجه آزمایش مایکلسون را زیرکانه چنین تعبیر کرد: «اگر چنین به نظر می رسد که نور در جهت تغییر مکان زمین سریعتر از امتداد عمود بر آن حرکت نمی کند، دلیل بر این است که تداخل سنج(7) در جهت تغییر مکان به اندازه کوتاهتر شده است، و اندازه این کوتاهی چنان است که مدت مربوط به اختلاف سرعت را جبران می کند.»
در سال 1903 هندریک آنتوان لورنتز(8) هلندی نظریه فیتز جرالد را به صورت ریاضی در آورد. او نیز همانند نیوتن به فضا و زمان مطلق و مستقل از هم باور داشت، و اتر را نیز به عنوان ماده مقایسه درنظر می گرفت. به این معنی که از نظر لورنتز سکون و حرکت اجسام را می بایستی با اتر ساکن سنجید.
تا اینکه در سال 1905 آلبرت اینشتین (آینشتاین)(9) (1955-1879) اعلام کرد که موضوعی به نام اتر وجود نداشته و برای هر ناظری که دارای حرکت مستقیم الخط متشابه باشد سرعت نور در تمام جهات یکی است. طول جسم نیز برحسب اختلاف موقعیت ناظر تغییر می کند به این معنی که هرگاه ما نسبت به این طول در حرکت باشیم آن را کوتاهتر از ناظری که نسبت به آن در حال سکون است تصور می نماییم. علت این موضوع آن است که اصولاً زمان و فضای مطلق وجود ندارد و هر ناظری همراه خویش زمان و فضای خاص خود را نیز انتقال می دهد. برای مثال اگر قطار نسبت به مسافرانش ثابت است، نسبت به درخت های کنار خط متحرک است. و این در حالی است که خود کره زمین که به نظر ساکن می رسد، هم به دور خود و هم به دور خورشید در حرکت می باشد. همچنین یک سنگ رها شده از یک هواپیما نیز نسبت به هواپیما در امتداد خط مستقیم سقوط می کند، در حالیکه نسبت به زمین یک مسیر سهمی شکل را طی می کند. پس حرکت امری نسبی است، و می بایستی همواره از حرکت یا سکون یک جسم نسبت به جسم مشخص دیگری سخن گفت. آینشتاین با کمک دو اصل زیر تئوری نسبیت خاص(10) خود را شرح می دهد.
1ـ قوانین فیزیک در تمام دستگاه هایی که نسبت به هم حرکت یکنواخت دارند، یکسان می باشد. (برای مثال چه قطار ساکن باشد و چه دارای حرکت یکنواخت بر خط مستقیم، حرکات اجسام درون قطار تغییری نمی کند. در نتیجه کودکان به راحتی می توانند در هر دو حالت به توپ بازی خود در قطار ادامه دهند.)
2ـ سرعت نور در خلاء و در تمام دستگاه های مختصاتی که نسبت به یکدیگر حرکت یکنواخت دارند، مقدار ثابتی است، و سرعت نور مستقل از حرکت یا سکون فرستنده نور است. (سرعت نور در محیط های مختلف فرق می کند، ولی در هر محیطی سرعت آن بستگی به سرعت منبع خود ندارد. همچنین سرعت نور در خلاء بزرگترین سرعتی است که اجسام و ذرات می توانند داشته باشند.
«اگر تندی نور، به تندی منبع آن بستگی داشته باشد، ناظر زمینی می باید تصویرهای متعددی از ستارگان متحرک ببیند، زیرا نور از نقطه های گوناگون مدار در زمان های متفاوت می رسد. با این همه چنین تصویرهایی مشاهده نشدند و نتیجه این شد که تندی نوری که از ستاره می رسد، خواه ستاره در حرکت خود به ناظر نزدیک شود یا از او دور شود یکسان است.»(11)
تئوری نسبیت خاص بر آن نیست که همه چیز نسبی است، بلکه می خواهد تعبیری تازه از برخی مفاهیم مطلق نظیر زمان و مکان و حرکت به عمل بیاورد. وقتی در راهروی ترنی (با سرعت 50 کیلومتر در ساعت) مسافری در جهت حرکت ترن (با سرعت 5 کیلومتر در ساعت) حرکت کند، سرعت او نسبت به ریل های راه آهن 55 کیلومتر در ساعت می شود. و اگر مسافر با همان سرعت در خلاف جهت حرکت ترن حرکت کند، سرعتش نسبت به ریل ها برابر با 45 کیلومتر در ساعت می شود. اما نور، از این قانون پیروی نمی کند. در نتیجه تنها یک راه باقی می ماند و آن اینکه باید از قانون ترکیب سرعت ها و به طور کلی از تبدیلات گالیله صرفنظر کنیم. (وقتی که برای قاعده ای حتی یک استثنا پیدا شود، می بایستی به دنبال قاعده ای گشت که قاعده قبلی به عنوان حالت خاصی از قاعده جدید محسوب گردد.)
تبدیلات گالیله عبارت است از تبدیل مختصات فضا و زمان، از یک دستگاه شبه ساکن (دستگاهی که یا ساکن باشد و یا با سرعت یکنواخت حرکت کند) به دستگاه شبه ساکن دیگر. در این تبدیلات، طول یک قطعه خط (L) و زمان بین دو لحظه (t) تغییر نمی کند. اما با توجه به نکات بالا آینشتاین مجبور گردید که به جای تبدیلات گالیله از تبدیلات لورنتز استفاده کند. در این صورت اگر میله ای به طول (L) از حالت ساکن به سرعت V برسد طول آن دیگر (L) نخواهد بود، بلکه کوتاهتر می شود (انقباض طول ها). یعنی : . البته طول اتوبوس متحرک هرگز کمتر از طول آن در حرکت سکون به نظر نمی آید، زیرا این اختلاف طول وقتی مشهود می شود که اجسام نزدیک به سرعت نور حرکت کنند (سرعت هایی نظیر سرعت الکترون).
«به طور مثال اگر فضانوردی با یک موشک عازم فضا شود و موشکش با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت کند، پس از چند لحظه (با سرعت فضانورد) که به زمین باز گردد، او کودکان و نوه هایش را پیرتر از خود خواهد یافت.»(12) از نظر تئوری اگر این موشک (مشهور به موشک لانژون) دارای سرعت (v) باشد، یک ثانیه (با سرعت زمینیان) برای فضانورد برابر با خواهد بود (انبساط زمان).
در تئوری نسبیت «مسئله تقدم و تأخر حوادث یا مسئله همزمانی(13) نیز نسبی گردید. به این ترتیب که اگر برای مثال در دستگاه k حادثه الف بر ب مقدم باشد در تحت شرایط خاصی ممکن است این دو حادثه در دستگاه دیگری مانند k ́ همزمان و یا برعکس حادثه ب بر الف مقدم گردد.»(14) به عنوان مثال از نظر ناظر درون رستوران قطار، مسافری که در کنار پنجره نشسته، در یک نقطه ثابت می خورد و می نوشد. در حالیکه برای ناظر بیرون قطار، مسافر ابتدا در نقطه A می خورد سپس در نقطه B می نوشد (چون قطار در حال حرکت است).
همچنین اگر جرم سکون جسمی باشد. هنگامیکه جسم به سرعت v می رسد آنگاه جرمش برابر m خواهد بود. یعنی: با توجه به این فرمول معلوم می شود که هرگاه سرعت جسمی بخواهد به سرعت نور نزدیک شود، جرم جسم به طرف بی نهایت میل کرده و در نتیجه انرژی لازم برای شتاب دادن به چنین جسمی برابر با بی نهایت خواهد شد. به همین دلیل است که سرعت نور را سرعت حد در جهان می دانند.
این موضوع فرع عجیبی به همراه داشت. به این مفهوم که جرم می بایست مولد انرژی باشد، و به عکس انرژی هم باید جرمی داشته باشد. به عبارت دیگر نور و حرارت و اشعه ایکس می بایست وزین باشند. یعنی بالاخره جرم و انرژی باید چیز واحدی محسوب شوند. برای مثال یک دیگ آب گرم می بایستی سنگینتر از یک دیگ آب سرد باشد، زیرا صرفنظر از جرم آب، جرم انرژی حرارتی را نیز شامل می باشد.
فیزیک کلاسیک اصل بقای جرم و اصل بقای انرژی را جداگانه درنظر گرفته بود و حال آنکه نسبیت با متحد ساختن ماده و انرژی، این دو اصل را به اصل واحدی تبدیل نمود. یعنی
که در آن E انرژی، m جرم و c سرعت نور است. و بدین ترتیب بود که سرانجام چگونگی تبدیل جرم و انرژی به یکدیگر روشن گردید (میدان به جرم تبدیل می شود و جرم نیز به انرژی).
در سال 1915، آینشتاین، برای آنکه تئوری نسبیت تنها محدود به حرکت های مستقیم الخط متشابه نباشد، تئوری عام نسبیت(15) خود را نیز عرضه نمود.
طبق فرمول نیوتن، با نیروی ثابت، شتاب یک متحرک هر قدر که جرم آن متحرک بیشتر باشد کمتر است. یعنی: اما یک حالت استثنای اساسی وجود دارد و آن نیروی ثقل است. زیرا که در خلاء تمام اجسام با سرعت متساوی سقوط می کنند. به عبارت دیگر می توان گفت که نیروی ثقل از قانون عمومی که در تمام جهان وجود دارد پیروی نمی کند. آینشتاین در نهایت به این نتیجه رسید که نیروی ثقل واقعی نیست بلکه از جمله خواص فضا است.
اگر دو گلوله با جرم های مختلف را بر سطح واگن بگذاریم، وقتی ترن به حرکت در می آید (و یا ناگهان ترمز می کند) شتاب این دو گلوله با وجود اختلاف جرمشان، در لحظه شروع حرکت قطار (و یا توقف ناگهانی) یکسان خواهد بود. (همانند سقوط دو گلوله مختلف که اگر از بالای برجی رها شوند، همزمان با هم به پایین می رسند). در نتیجه، نیروی جاذبه شباهتی به نیروی اینرسی پیدا می کند و هر دو شتابی به اجسام می دهند که مستقل از جرم آنهاست (تساوی جرم جبری(16) و جرم گرانشی(17). سرانجام آینشتاین با کمک دو اصل زیر، نسبیت عام خود را پایه ریزی نمود.
1ـ تنظیم قوانین فیزیکی در دستگاه های شتاب دار به طوری که قوانین فیزیکی در هر دستگاهی معتبر و صحیح باشد.
2ـ تساوی جرم جبری و جرم گرانشی
پیش از هر چیز آینشتاین برای تنظیم نسبیت عام خود احتیاج به ابزارهای ریاضی داشت که خوشبختانه ریاضیدانان، این ابزارها را به شرح زیر برای او آماده نموده بودند:
الف ـ هندسه اقلیدسی: این هندسه توسط اقلیدس(18) (275-330 ق.م) در قرن سوم قبل از میلاد بنا شده است. نقطه عزیمت این هندسه بر این اصل بنا شده که از یک نقطه خارج از یک خط، فقط یک خط می توان به موازات آن رسم کرد. در نتیجه، مجموع زوایای یک مثلث طبق این هندسه 180 درجه می شود، فضای هندسی اقلیدسی در حقیقت یک سطح نامحدود و کاملاً صاف است. این همان فضایی است که فیزیک کلاسیک از آن استفاده می کرد. این فیزیک در قرن هفدهم و هجدهم توسط دانشمندانی چون گالیله، دکارت، هویگنس و به ویژه نیوتن پایه ریزی شده است.
ب ـ هندسه هذلولی: بعد از دو هزار سال که از اصول هندسه اقلیدسی می گذشت، نیکلا لوباچفسکی(19) (1856-1793) ریاضیدان روسی در سال 1826 هندسه فضاهای غیر اقلیدسی خود را عرضه کرد، که به هندسه هذلولی(20) معروف شد. در این هندسه از یک نقطه خارج از یک خط، بی نهایت خط می توان به موازات آن رسم کرد. در نتیجه مجموع زوایای یک مثلث در این هندسه کوچکتر از 180 درجه می شود. با این حساب فضای دوبعدی در هندسه لوباچفسکی شبیه به سطح قیف می شود.
برای اندازه گیری فاصله بین دو نقطه در این فضای غیر اقلیدسی، باید میزان انحنای فضای مربوطه را دانست.
پ ـ هندسه ریمانی: در اواسط قرن نوزدهم برنارد ریمان(21) (1866-1826) هندسه غیر اقلیدسی دیگری را بنا نهاد که به هندسه بیضوی(22) معروف شد. فرض اصلی در این هندسه آن است که از یک نقطه خارج یک خط، هیچ خطی را نمی توان به موازات آن رسم کرد. در نتیجه در این هندسه مجموع زوایای یک مثلث بزرگتر از 180 درجه است.
فضای دو بعدی در هندسه ریمان سطح یک کره است. خطوط این فضا را نیز دوایر عظیمه سطح کره تشکیل می دهند. در نتیجه، کلیه خطوط این فضا یکدیگر را قطع می کنند یعنی خطوط موازی به معنای هندسه اقلیدسی، در فضای ریمانی نمی تواند وجود داشته باشد. با توجه به این سه هندسه و سه فضای مربوط به آنها، اگر وزنه ای در وسط یک صفحه افقی مسطحی قرار بگیرد، باعث می شود که صفحه مزبور تحت اثر وزنه انحنا و فرو رفتگی پیدا کرده و سطح لگنچه مانندی ایجاد گردد. حال اگر گلوله ای بر روی این سطح رها کنیم، این گلوله به جای اینکه در امتداد خط مستقیم حرکت کند، در داخل لگنچه می افتد و در اطراف جدار آن شروع به چرخش می نماید. آینشتاین نیز نمود مشابهی را عرضه داشت، با این تفاوت که به جای صفحه دو بعدی، فضای سه بعدی را درنظر گرفت، که سیارات همچون گلوله های مورد نظر حول جسم وزین خورشید به حرکت در می آیند. به این طریق اعلام شد که تا در فضا ماده موجود نباشد این فضا خواص عادی خود را حفظ کرده و فضای اقلیدسی می باشد، اما در جایی که ماده وجود داشته باشد، فضا انحنا پیدا می کند، و همین انحنا موجب پیدایش قوه ثقل می شود. وقتی که فضا انحنا پیدا می کند دیگر فضای اقلیدسی نیست و بنا به انحنای مثبت یا منفی خود، فضای ریمانی یا فضای لوباچفسکی به حساب می آید.
«در واقع برای آینشتاین فقط هندسه ریمانی که به وسیله الی کارتان(23) (1951-1869) اصلاح گردید در فضای اقلیدسی ارزشی داشت. و چون چنین فضایی دارای سه بعد بود، لازم بنظر رسید که آن را با بعد چهارمی ترکیب کنند و در داخل یک فضای غیر عادی چهار بعدی جا دهند. این بعد چهارم در سال 1908 توسط هرمان مینکووسکی(24) (1909-1864) ارائه شد.»(25) از نظر او زمان بعد چهارم است. زمانی که با سه بعد فضا آمیخته شده و مقوله خاصی را به نام فضا ـ زمان(26) بوجود آورده است. (ما در داخل این جای ـ گاه منزل داریم). البته مینکووسکی محور زمان را t قرار نداد، بلکه نور را حلقه ارتباط و اتصال بین زمان و ابعاد فضایی قرار داد؛ و بدین وسیله یک متصله فضا ـ زمانی برقرار ساخت. لذا محور یا (cit) به عنوان محور بعد چهارم برگزیده شد.
آینشتاین از دستاوردهای ریمان و هموطن او الوین کریستوفل(27) (1900-1829) نیز در زمینه حساب تانسورها استفاده کرد و با کمک مبحث حساب دیفرانسیل مطلق منتج از آن که از جمله کارهای دو ریاضیدان ایتالیایی به نام های ریچی(28) و تولیو لوی چیوتیا(29) (1941-1873) بود، تئوری نسبیت عمومی خود را بنیان نهاد.
در نسبیت عمومی منظور از خمیدگی فضا همان انحنایی است که در نظریه فیزیکی آینشتاین به جای قوه جاذبه نیوتنی می نشیند. اما در فضاهای خمیده خط مستقیم کوتاهترین فاصله بین دو نقطه نیست؛ یعنی خمیدگی فضا موجب می شود که کوتاهترین فاصله بین دو نقطه، خط مستقیم نباشد.
«ماده، فضای اطراف خود را تغییر شکل می دهد و می پیچاند. هر چه چگالی و غلظت ماده در یک حوزه معین بیشتر باشد انحنای فضا زیادتر خواهد بود. حرکت اجسام در امتداد مسیرهای خمیده، تولید پدیده گرانشی می کند، درست مثل حرکت قطاری که در سر پیچ، ایجاد نیروی گریز از مرکز اینرسی می کند. نیروهای گرانشی بستگی به انحنای فضا و همچنین سرعت اجسام دارند. جاذبه نور را همانند دیگر اجسام جرم دار منحرف می کند و طول موجش را نیز تغییر می دهد. طول موج پرتو نوری که به سوی جسم سنگین حرکت می کند کم می شود و آبی تر به نظر می آید»(30) بنابراین:
الف ـ بنا به قانون جاذبه آینشتاین، مسیر بیضی شکل سیارات (به علت وجود نیروی گرانشی دیگر سیارات) به دور خورشید ثابت نمی ماند؛ یعنی مسیر بیضی شکل سیاره هیچگاه به روی خودش بسته نمی شود. برای مثال «مدار عطارد که نزدیکترین سیاره به میدان گرانشی خورشید است به کندی بسیار در صفحه مدار خود و در جهت حرکت مداری دوران می کند. مقدار این حرکت دورانی طبق محاسبه آینشتاین 43 ثانیه قوسی در هر قرن می باشد.»(31)
ب ـ بنا بر نظریه نسبیت عمومی، «مسیر یک شعاع نور چون از یک میدان گرانشی (مثل خورشید) عبور کند، خمیده خواهد شد. (شکل 5) این انحنا، نظیر انحنایی است که در مسیر جسمی که در میدان گرانشی پرتاب شود، پدید می آید. باید اضافه کرد که مطابق این نظریه، نیمی از این انحراف بر اثر میدان جاذبه نیوتنی خورشید، و نیمی دیگر در نتیجه تغییر هندسی انحنای فضاست که خورشید موجب شده است. این نتیجه را می توان با عکس برداری از ستارگان در ضمن کسوف خورشید به آزمون تجربی نهاد.
مطابق شکل 6 اگر خورشید (s) وجود نداشت، ستاره ای که بی نهایت دور از زمین است، در امتداد D_1 دیده می شد، ولی ستاره بر اثر انحراف نور آن به وسیله خورشید در امتداد D_2 ، یعنی به فاصله ای از مرکز خورشید دیده می شود، که از فاصله مکان واقعی خود اندکی بیشتر است.»(32)
آرتور ادینگتون(33) (1944-1882) دانشمند انگلیسی در سال 1919 با مقایسه موضع ستارگان در عکس های معمولی با محل ستارگان در عکس های گرفته شده در حالت کسوف (خورشید گرفتگی)، درستی این نظریه آینشتاین را به اثبات رسانید، زیرا که جای بعضی از ستارگان تغییر یافته بود.
پ ـ «فرکانس نوری که یک اتم گسیل یا جذب می کند، به پتانسیل آن میدان گرانشی که در آن قرار گرفته است، بستگی دارد. فرکانس اتمی که بر سطح جرم آسمانی قرار گرفته است، اندکی کمتر از فرکانس اتمی از همان عنصر است که در فضای تهی (یا بر سطح جرم آسمانی کوچکتری) واقع باشد. بنابراین خطوط طیفی که در سطح ستارگان بوجود می آیند، باید نسبت به خطوط طیفی همان عنصر در سطح زمین به سمت سرخ تغییر مکان یابند.»(34) (آینشتاین مقدار این تغییر مکان را طی فرمولی محاسبه نموده است).
طبق نظریه آینشتاین «جهان از نظر سه بعد فضایی، دارای انحناست و از نظر بعد زمان، دارای انحنا نیست. مثال ساده این مدل، استوانه ای است که محورهای آن دارای انحنا نیستند و می توان هر یک از آنها را محور زمان درنظر گرفت، ولی کلیه خطوط دیگری که بر سطح آن رسم می شوند دارای انحنایند.»(35) در کل باید گفت که نسبیت خاص، فضا ـ زمان چهار بعدی را مسطح و نسبیت عمومی آن را خمیده می کند، که میزان این خمیدگی بستگی به چگالی ماده موجود در فضا ـ زمان دارد.
جهانی را که تئوری نسبیت توضیح می دهد، دارای دو میدان کاملاً از هم جداست. یکی میدان گرانشی و دیگری میدان الکترومغناطیسی. آینشتاین چهل سال پایانی عمر خود را صرف اتحاد این دو میدان بر مبنای هندسه ای یگانه کرد، اما سرانجام موفق به این کار نگشت. حتی بعدها میدان های دیگری شناخته شدند و انجام این مهم بر عهده آیندگان ماند. آینشتاین که در سن 26 سالگی سه نظریه مهم درباره حرکت براونی، اثر فوتوالکتریک و نسبیت خاص را انتشار داده بود، در جوانی به فلسفه اسپینوزا گرایش داشت. زیرا که اسپینوزا (1677-1632) نیز سعی کرده بود برای فلسفه خود مبنایی ریاضی بیابد.
آینشتاین تئوری های نیوتن را یکباره کنار نگذاشت، بلکه مکانیک کلاسیک را حالتی خاص از مکانیک نسبیتی درنظر گرفت. او طی مصاحبه ای گفته بود:
«پیش از این خیال می کردند که با نابود شدن جهان مادی، باز هم فضا و زمان باقی خواهد ماند، ولی طبق نظریه نسبیت، بعد از انهدام اشیای مادی، زمان و فضا نیز از بین خواهد رفت.»
در جمع بندی پیدایش و تکامل تئوری نسبیت، می توان گفت که چون مایکلسون و مورلی ثابت کرده بودند که اگر سرعت سیر نور (c) و سرعت حرکت انتقالی زمین (v) باشد، سرعت نور برخلاف پیش بینی قانون ترکیب سرعت های فیزیک کلاسیک، میان دو حد و نمی باشد (یعنی سرعت سیر نور به طور استثنایی، با وجود متحرک بودن منبع نور یا ناظر، همواره ثابت می ماند.) از اینرو آینشتاین کوشید، قوانین کیهان را به گونه ای تنظیم کند که این موضوع در آنها منظور شده باشد. ولی او در روند پژوهش های نظری خود با شگفتی تمام دریافت که زمان، فضا و جرم نیز برخلاف نظریات فیزیک کلاسیک (و برخلاف مشاهدات روزمره) مقوله هایی مستقل و مطلق نیستند. البته تمام اینها را آینشتاین در سال 1905 در تئوری نسبیت خاص خود، برای اجسامی اثبات کرد که دارای سرعت ثابت و در مسیر حرکت مستقیم می باشند. سپس آینشتاین در پی آن شد که در تئوری خود نه تنها حرکت با سرعت ثابت و در مسیر مستقیم، بلکه هر نوع حرکتی را درنظر بگیرد. از آنجا که در اکثر موارد نیروی جاذبه، باعث تغییر در سرعت و مسیر اجسام می شود، آینشتاین نیز با توجه به نیروی جاذبه بین اجسام، برابری جرم های جبری و گرانشی، و همچنین با استفاده از هندسه های اقلیدسی، لوباچفسکی، ریمانی و مینکووسکی تئوری نسبیت جدید خود را در سال 1915 عرضه نمود. چون این تئوری برای هر گونه حرکتی طراحی شده بود، به تئوری نسبیت عام مشهور گشت. در نهایت به نظر آینشتاین حرکت زمین به دور خورشید (برخلاف نظر نیوتن) به دلیل وجود نیروی جاذبه ای در میان این دو نیست، بلکه به علت انحنای فضا ـ زمانی اطراف خورشید است.
آنچنان که مشاهده شد پس از فیزیک کلاسیک، فیزیک مدرن به دو شاخه کوانتومی و نسبیتی تقسیم گردید. در شاخه کوانتومی، ذرات بنیادی بسیار کوچک مورد بررسی و تحقیق قرار می گیرند. موقعیت مکانی و مقدار حرکت در دانش فیزیک برای بیان اصل علیت به کار می روند، ولی در ظاهر اصل عدم قطعیت که یکی از نتایج دیدگاه کوانتومی است با توجه به خصلت موجی ـ ذره ای بودن ذرات بنیادی، اجازه نمی دهد که وضعیت یا مقدار حرکت را به طور دقیق تعیین کنیم. در نتیجه، مکانیک کوانتومی بر تن قوانین خود، لباسی از آمار و احتمال را پوشانیده است.
آینشتاین که خود نقشی فعال در پیشرفت مکانیک کوانتومی داشت (برای مثال تفسیر کوانتومی او از پدیده فوتوالکتریک) در نهایت، با مکانیک کوانتومی به ویژه با اصل عدم قطعیت به مخالفت بر می خیزد، در تئوری نسبیتی او که حرکات اجرام و اجسام بزرگ مورد بررسی قرار می گیرد، همه چیز تابع قوانین قطعی و قابل پیش بینی است.
پل دیراک در اینکه ممکن است حق با آینشتاین باشد، دو دل است. او در سال 1979 اظهار می دارد که: «روشن است که مکانیک کوانتومی کنونی هنوز به شکل نهایی اش در نیامده است. ولی ممکن است همان طور که آینشتاین می گفت، روزی فرا رسد که مکانیک کوانتوم علیت را در خود بگنجاند.»

تئوری های دیراک

ر رابطه نسبیتی آینشتاین یعنی رابطه
انرژی دارای دو جواب مثبت و منفی است.
انرژی مثبت قابل درک بود ولی در مدت سی سال همه فیزیکدانان جواب منفی این معادله را جوابی اضافی و یا به عنوان یکی از شوخی های طبیعت به حساب می آوردند. تا اینکه در سال 1928 پل آدرین موریس دیراک(36) (دیرک) (1985-1902) فیزیکدان 27 ساله انگلیسی که از شاگردان راترفورد بود، وجود این ذرات را حتمی دانست. او در برابر شگفتی همگان بر این عقیده بود که الکترون هایی با جرم و انرژی منفی می توانند وجود داشته باشند؛ و این یعنی پیش بینی وجود ذرات ضد ماده(37) از رابطه نسبیت. دیراک حتی از نظر تئوری، معادله مربوط به این ذرات را نیز به دست داد. و بدین ترتیب مکانیک کوانتومی ـ نسبیتی(38) براساس نظریات پلانک، بور و آینشتاین بنیان نهاده شد.
دیراک در معادله شرودینگر اصلاحات مکانیک نسبی را بکار برد. این اصلاحات شامل تغییر جرم ذره در سرعت های زیاد و همزمان با آن، تغییر جنبش و انرژی ذره است. پیشنهاد دیراک وارد کردن چهار تابع موج به جای یکی، در معادله شرودینگر بود. البته معادله حاصله، با معادله اولیه تفاوت زیادی داشت ولی پاسخ های تغییرناپذیر، براساس تبدیلات نسبیتی بدست می داد.
معادله اخیر بر مبنای توابع موج چهارگانه، چهار پاسخ مختلف داشت: دو جواب آن مربوط به دو جهت مختلف اسپین الکترون، و دو جواب دیگر مربوط به انرژی های مثبت و منفی الکترون و ضد الکترون (پوزیترون) بود.

این معادله که معادله حرکت در دنیای ذرات بنیادی است، اولین جمله طرف چپش چگونگی وقوع حادثه را در یک نقطه از فضا و در یک لحظه از زمان بیان می کند. دومین جمله نیز تابع موج منتسب به ذره بوده و m نیز جرم ذره با اسپین است.
ذراتی نظیر الکترون در تغییر مکان خود در فضا، برخی اوقات، از قوانین مکانیک کلاسیک پیروی می کنند و از خصوصیت مادیشان بهره می گیرند. ولی این ذرات دارای خصوصیات موجی نیز می باشند. و هنگامی که موج منتسب به آنها در حرکت و پارامترهای فیزیکیشان دخالت کند، دیگر قوانین مکانیک نیوتنی بکار نمی رود، و باید از مکانیک کوانتومی استفاده کرد. دیراک نیز، چنین قانونی را برای الکترون های با اسپین تدوین کرد.
در مرحله بعد، او تئوری دریای دیراک را وضع نمود: فرض کنید که الکترون ها در تراز منفی قرار دارند، یعنی ترازهائی که انرژیشان کمتر از صفر است. پس آنچه را که در عالم به نام خلاء می شناسیم در حقیقت انباشته از این الکترون هاست، که دارای انرژی پتانسیل متغیر و گوناگونند ولی میدان الکترومغناطیسی و میدان جاذبه این الکترون ها صفر است. در این خلاء یا در این دریا، الکترون های دیراک مشابه با حباب های هوا که در آب وجود دارد، دارای فضایی خالی میان یکدیگرند. وقتی یک الکترون معمولی وارد چنین حفره ای می شود. آنگاه نابودی و تلاشی الکترون و حفره اش را سبب می گردد که فوتون هایی با انرژی این زوج پدید می آید.
به نظر دیراک جهان انباشته از این الکترون هاست، ولی ما در عمل عاجزیم که آنها را دریابیم و تشخیص دهیم. این دریا وجود دارد، اما قطرات آبش دارای میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی و میدان جاذبه عمومی نیستند. (در حقیقت خلاء، دیگر آن چیزی نیست که ما تاکنون می شناخته ایم).
به عبارت دقیقتر چون منفی بودن انرژی بدان معنی است که ذره به سیستمی وابسته است، از آنجا که الکترون آزاد تصور می شود بنابراین ذراتی که در معادله دیراک با انرژی منفی فرض می شوند بایستی به حدی از آن دور باشند که هیچ نیروی الکتریکی بین آنها و الکترون انجام نگیرد. لذا الکترون باید در خلاء مطلق و بی انتها، تنها باشد.
از نظر دیراک «چاه پتانسیل کیهان که الکترون در آن قرار دارد، بسیار بزرگ و عمیق است. فاصله بالاترین تراز انرژی تا تراز پایینی (انرژی صفر) به اندازه (انرژی سکون الکترون) می باشد. از این رو کلیه الکترون های خلاء انرژی منفی خواهند داشت. آشکارسازی این الکترون ها فقط به هنگام خروج از چاه پتانسیل امکان دارد، یعنی برای خروج آنها انرژی لازم است. ولی انرژی مذکور باز هم کافی نیست. زیرا علاوه بر انرژی لازم جهت عبور از سد پتانسیل، به اندازه نیز انرژی اضافی ضروری است. بدین ترتیب روشن می شود که سد پتانسیلی به ارتفاع از آشکارسازی الکترون های خلاء جلوگیری می کند.»(39)
به عبارت دیگر وقتی الکترونی از خلاء بیرون رانده می شود در محل سابق خود، یک بار مثبت (که از نظر قدر مطلق با بار الکترون برابر است) بوجود خواهد آمد. یعنی در واقع یک حفره تشکیل می شود (مشابه با تفسیر حفره ای در ساختمان نیمه هادی ها). در نتیجه الکترون و حفره در یک لحظه با هم از خلاء بوجود می آیند؛ که در کل 〖2m〗_ο c^2 انرژی برای تولد آنها لازم است.
الکترون پس از گشت و گذار خویش در جهان آزاد می تواند دوباره به خلاء باز گردد. برای این منظور باید با حفره ای برخورد نماید و در این حالت هر دو ناپدید شده و از خود، دو پرتو گاما بر جای می گذارند.
با وجود اینکه مانعی برای برخورد همه الکترون ها و پوزیترون ها و تبدیل آنها به پرتوهای گاما موجود نیست؛ با این حال، الکترون ها همیشه با پوزیترون ها برخورد نمی کنند و نباید نگران نابودی جهان باشیم. عده ای عقیده دارند که در بخشی از عالم، جهان های ضد ماده که از ضد ذرات ساخته شده اند، وجود دارد. (در نتیجه در چنین جهان هایی الکترون ها در حکم مهمان های اتفاقی می باشند).
سرانجام در سال 1932، اولین ذره ضد ذره شگفت انگیز در اشعه کیهانی، توسط کارل دیوید آندرسون آمریکایی(40) (متولد 1905) کشف شد. و به این ترتیب اولین ضد ذره، یا ضد الکترون به نام پوزیترون بدست آمد. آندرسن الکترون های پر انرژی موجود در رگبارهای اشعه کیهانی را در یک اتاق ابری پی جویی می کرد. برای اندازه گیری سرعت این الکترون ها، اتاق ابری را در یک میدان مغناطیسی قوی قرار داد، و با تعجب مشاهده کرد که عکس ها چنین نشان می دهند که نیمی از الکترون ها به یک سو منحرف شده اند و حال آنکه نیمی دیگر به سوی مخالف انحراف یافته اند. بنابراین مخلوطی به نسبت 50% از الکترون های مثبت و 50% از الکترون های منفی وجود داشته است که هر دو دارای یک جرم بوده اند. الکترون های مثبت حفره هایی بوده اند در اقیانوس دیراک که نتوانسته اند به مقام پروتون برسند، اما به سهم خود همچون ذره هایی نمایان شده اند.
ژان تیبو(41) ثابت کرد که پوزیترون ذره پایداری است که مدت حیاتش چون الکترون بسیار طولانی است. اما چنین پایداری و ثباتی، در دنیای ما، فقط در خلاء امکان پذیر است، زیرا به محض خروج از خلاء با الکترون جمع شده و سپس به فوتون هایی تبدیل می شوند. برعکس، دو فوتون با انرژی تقریبی 5/0 مگاالکترون ولت می توانند با یکدیگر جمع شوند و زوج مادی الکترون ـ پوزیترون را پدید آورند.
تئوری دیراک که وجود پوزیترون را پیشگویی کرده بود، ضد ذرات دیگری، چون آنتی پروتون (ضد پروتون) را نیز پیشگویی می کرد. تا اینکه در سال 1955، اولین آنتی پروتون در شتاب دهنده اتمی دانشگاه برکلی آمریکا بدست آمد. جرم آنتی پروتون مساوی جرم پروتون می باشد ولی بار الکتریکیش منفی است، که پس از اتحاد و تصادم این دو به جای فوتون، پنج مزون پی بوجود می آید.
پس از کشف الکترون، در سال 1919، راترفورد، هسته اتم ها را با ذرات آلفا بمباران کرد و نشان داد که می توان ساده ترین هسته یعنی پروتون هسته هیدروژن را از آنها جدا کرد. سپس نوبت به کشف نوترون رسید. به روال سنت دیرین، فرض می کنیم که هسته اتم ازت که شامل 14 پروتون و 17 الکترون است در کل 21 ذره دارد. بنابراین اسپین هسته ازت، که مجموع اسپین ذرات تشکیل دهنده آن است، باید نیمه کامل و برابر با (که با حذف برابر با می شود) باشد. ولی اسپین هسته اتم ازت شناخته شده برابر با یک بود. و درست همین ماجرا، فاجعه ازتی را در فیزیک اتمی بوجود آورد.
«برای حل فاجعه ازتی به ذره تازه ای نیاز بود. خصوصیات فیزیکی آن، قبل از کشف، به طور کامل معلوم بود، فیزیکدانان در کشف آن به شخصی شباهت داشتند که در جدول کلمات متقاطع به دنبال کلمه ای می گردد که تعدادی از حروف آن مشخص شده است. آنها فرض کردند که در هسته اتم ذره دیگری وجود دارد که جرمش با جرم پروتون برابر ولی از نظر الکتریکی خنثی است. در سال 1920 سه فیزیکدان همزمان با هم، وجود آن را اعلام داشتند. آن سه تن عبارت بودند از:
راترفورد از انگلیس، مازون(42) (ماسون) از استرالیا، و هارکینس(43) از آمریکا. با توجه به اینکه این ذره خنثی است، هارکینس نام نوترون یا خنثی را برایش انتخاب کرد.»(44) ولی با وسایلی که فیزیک آن زمان در اختیار داشت، کشف یک ذره خنثی غیرممکن می نمود. زیرا همه دستگاه ها براساس تشخیص ذرات باردار ساخته شده بودند. بنابراین نوترون می بایستی ده سال صبر کند تا او را بیابند.
روزی دو فیزیکدان آلمانی به نام های والتربوت(45) (بته) (متولد 1891) و بکر(46) هنگامی که برلیوم را با ذرات آلفا بمباران می کردند، شاهد پدیده عجیبی شدند. عناصر بمباران شده، تشعشعی بسیار ضعیف، اما به طور خارق العاده ای نفوذ کننده منتشر ساختند. آنان این پدیده را تشعشع برلیومی نامیدند. پس از دو سال کاشفان رادیواکتیویته مصنوعی (برای مثالی در مورد رادیواکتیویته مصنوعی آنان آلومینیم را با ذرات آلفا بمباران کردند و فسفر رادیواکتیو 30 با نیمه عمر 5/2 دقیقه را بدست آوردند. حال آنکه در طبیعت فقط فسفر 31 موجود است.)
یعنی ایرن کوری(47) (1956-1897) و همسرش فردریک ژولیو(48) (1958-1900) در مسیر این اشعه پارافین قرار دادند. پارافین @ هیدروکربوری است که مولکول هایش چون حلقه های زنجیر با یکدیگر در ارتباطند، و بر این حلقه ها اتم های هیدروژن استوارند. اشعه ناشناس برلیومی، در عبور از پارافین، هسته اتم هیدروژن یعنی پروتون را به خارج پرتاب می کرد. و این واقعه ای بس مهم بود که می توانست زیربنای تشعشعات شیمیایی باشد.
نخست سعی شد این اشعه ناشناس را مشابه با اشعه گاما ولی با انرژی زیادتر فرض کنند. ولی تناقضاتی که به دنبال آن بروز کرد سبب حذف این فرض گردید. سرانجام در 27 فوریه 1932، جیمز چادویک(49) (1974-1891) فیزیکدان انگلیسی که از همکاران راترفورد بود، طی آزمایش هایی اظهار داشت که این اشعه از نوع امواج الکترومغناطیسی نیست. و چون بدون بار الکتریکی و هم جرم با پروتون است پس به طور حتم این اشعه ناشناس همان اشعه نوترونی است، که به خاطر فقدان بار الکتریکی قابلیت نفوذ زیادی را دارا می باشد.
در 1932، جیمز چادویک برای بمباران برگه بریلیوم از ذرات آلفا (که از یک چشمه رادیوم گسیل می شدند) بهره گرفت. او پی برد که تابشی بسیار نافذ، که می تواند پروتون های سریع را از قطعه ای پارافین که بر سر راهش قرار گرفته است بکند، از این برگه گسیل شده است. چادویک همچنین ثابت کرد که این تابش مشتمل است بر باریکه ای از ذرات بدون بار، که جرم هر یک از آنها با جرم پروتون یکی است. او این ذرات را نوترون نامید و توضیح داد که برخورد مستقیم نوترون ها با اتم های هیدروژن در مولکول های قطعه پارافین پروتون های مشاهده شده را، از سطح آن کنده است.
دیگر آشکار شده بود که الکترون در ساختمان هسته دخالتی ندارد و هسته اتم ها از پروتون و نوترون تشکیل شده است. تئوری و مدل جدید ساختمان هسته در سال 1932 توسط هایزنبرگ و مستقل از وی توسط ایواننکو(50) و گاپون(51) تدوین و ترسیم گردید.
در این مدل تعداد پروتون ها مساوی با تعداد بار مثبت هسته می باشند (عدد اتمی). و مجموع جرم پروتون ها و نوترون های هسته، جرم هسته را تشکیل می دهند. (امروزه برای نمایش دادن یک عنصر، جرم اتمی (A) آن را در بالا و عدد اتمی (z) آن را در پایین نام شیمیایی عنصر می نویسند. برای مثال عنصر سدیم را به این شکل مشخص می کنند کشف نوترون همچنین سبب شد که توجیهی بس ساده و روشن از ایزوتوپ ها بیابند. به این مفهوم که تعداد نوترون ها، در هسته ایزوتوپ ها برابر نیست و از یک ایزوتوپ به دیگر ایزوتوپ فرق می کند ولی چون خواص شیمیایی عناصر را تعداد الکترون های آخرین مدار تعیین می کند، در نتیجه، ایزوتوپ های یک عنصر دارای خواص شیمیایی یکسانی می باشند. ولی پرسش بعدی این بود که پروتون ها و نوترون ها به چه شکلی هسته اتم را تشکیل می دهند.
چون در هسته اتم انرژی ها از چند میلیون الکترون ولت تجاوز می کنند برای بررسی ساختمان ذرات بنیادی، فیزیکدانان شتاب دهنده های اتمی عظیمی ساخته اند که قادر است به ذرات انرژی ها چند میلیارد الکترون ولت منتقل سازد. شتاب دهنده ها، ذرات بنیادی را در میان می گیرند و با کمک میدان های الکتریکی و مغناطیسی به تدریج به آنها شتاب می دهند، تا سرعتشان نزدیک به سرعت نور گردد، به دنبال آن، ذرات تبدیل به گلوله هایی با قدرت تخریبی هولناکی می شوند و هسته اتم هایی را که در مسیرشان قرار می گیرد، می شکنند و متلاشی می سازند. قطعات متلاشی شده هسته، پیدایش ذرات جدیدی را سبب می شود، که کمکی ارزنده به کشف قوانین دنیای ذرات بنیادی می کنند.
از سال 1932، که سال کشف نوترون است، تعداد ذرات بنیادی کشف شده، به طور بی سابقه ای افزایش یافته است. برخی از آنها را ابتدا در اشعه کیهانی، که از اعماق فضا می آید، بدست آورده اند، و برخی دیگر نیز در شتاب دهنده های اتمی بوجود آمده اند.
در اشعه کیهانی ذراتی را می توان یافت که انرژی شان میلیون ها مرتبه بیش از انرژی ذرات در قویترین شتاب دهنده های اتمی است. و درست در این انرژی های بسیار زیاد است که می توان دست به تحقیق درباره ماده اولیه سازنده عالم زد.
به دنبال نظریات دیراک، در سپتامبر 1955، آنتی پروتون نیز در مرکز تحقیقات هسته ای برکلی کشف شد. آنتی نوترون بدین گونه بوجود می آید که یک پروتون و یک آنتی پروتون به یکدیگر نزدیک می شوند بی آنکه تصادمی کنند؛ در این فاصله هر دو ذره بار الکتریکی خود را از دست داده و ضد ذرات خنثی، از جمله آنتی نوترون پدید می آورند. (تفاوت ضد نوترون با نوترون معمولی بدیهی است که از نظر بار نیست، زیرا هر دو بار ندارند. تفاوت آنها در تقارن آینه ای است.)
در سال 1934، ایگور تام(52) (1971-1895) فیزیکدان شوروی، تئوری نیروهای اتصال هسته ای را تدوین کرد. این نیرو در هسته اتم ها، سبب جمع شدن نوکلئون ها می شود، و هسته پایداری را بوجود می آورد. به سبب وجود این نیرو، پروتون های هسته، تبدیل به نوترون می شوند (و برعکس این واکنش سبب می شود که پروتون ها و نوترون های هسته به همزیستی در کنار هم ادامه دهند و از متلاشی کردن هسته بپرهیزند. به عبارتی پروتون و نوترون دو جلوه یا دو حالت مختلف از یک ذره اند که نوکلئون نام دارد. هایزنبرگ آنها را اسپین ایزوتوپی نامید، که این نامگذاری نشانه آن است که پروتون و نوترون ایزوتوپ یکدیگرند. به عبارت دیگر آنها صرفنظر از بار الکتریکی، غیر قابل تشخیص از یکدیگرند.
اگر در هسته اتمی، تعداد نوترون هایش بیش از تعداد پروتون ها باشد، پایداری هسته با تبدیل تعدادی از نوترون ها به پروتون، تأمین می شود.
الکترون های تولید شده از این تبدیل نیز، چون جایی در هسته ندارند به صورت تشعشع بتا به خارج هسته منتشر می شوند. اگر در هسته، تعداد پروتون ها زیادتر باشد، بخشی از آنها با تشعشع الکترون مثبت یا پوزیترون، تبدیل به نوترون می شوند و پایداری هسته را تضمین می کنند.
واکنش نوع اول را تجزیه از طریق بتای منفی، و واکنش نوع دوم را تجزیه بتای مثبت می نامند. ولی ماجرا به همین جا ختم نمی شود. اندازه گیری های لازم نشان می دهند که طیف انرژی الکترون منتشر شده، به جای آنکه منفصل باشد، متصل است و یک باند متصل از صفر تا انرژی ماکزیمومی را می پوشاند. و حال آنکه، براساس قوانین مکانیک کوانتومی، انرژی الکترون منفصل بوده و ترازهای انرژی مشخص و جدا از یکدیگر را اشغال می کند. مشکل دیگر آن است که در دو واکنش بالا، اتلاف و ناپدید شدن مقداری انرژی نیز به چشم می خورد، و این مخالف اصل بقای انرژی است. این مسئله تا آنجا عجیب بود که نیلزبور تا مرحله انکار اصل بقای انرژی نیز پیش رفت. بنابراین تجزیه بتا را نمی توان با روابطی مثل بیان کرد، بلکه رابطه را باید جانشین آن ساخت. که در آن x ذره ناشناخته خنثی است که می بایستی وجود آن را قطعی دانست. انریکوفرمی(53) (1954-1901) فیزیکدان ایتالیایی این ذره را نوترینو نامید که در زبان ایتالیایی، نوترینی(54) مخففی است برای کلمه نوترون، یعنی نوترون کوچولو. البته امروزه آن ذره را آنتی نوترینو می نامند و عنوان نوترینو خاص ذره ای است که در تجزیه بتای مثبت پدید می آید.


آشکار شده است که نوترینو و آنتی نوترینو، همچون فوتون، فاقد جرم در حال سکونند و دارای اسپین نیمه کاملند، و باید در گروه فرمیون ها جایشان داد. این دو ذره که نه دارای جرم در حال سکون و نه دارای بار الکتریکی اند، به سادگی از چنگ پژوهشگران و دستگاه های دقیق ضبط و به دام انداز ذرات بنیادی فرار می کنند، و قادرند از قشرهای بسیار عظیمی از ماده به راحتی عبور کنند. به همین دلیل بیست و پنج سال فاصله میان کشف نظری و کشف تجربی آنها بوجود آمد.
از طرف دیگر به دنبال عرضه معادله دیراک، در سال 1938، ایواننکو فیزیکدان روسی نوعی کامل از معادله دیراک را پیشنهاد کرد. معادله ایواننکو تنها با جمله مرتبه سوم با معادله دیراک اختلاف دارد . را مکمل غیر خطی معادله دیراک می نامند.

این معادله، با همه سادگی ظاهر، قادر است که یک معادله معمولی را که از واکنش ها سخن نمی گوید، تبدیل به معادله ای کند که از واکنش ها سخن گوید. بدین گونه در راه شناخت ماده اولیه، قدمی لازم (ولی نه کافی) برداشته شد. زیرا، معادله ایواننکو راه حلی ندارد. جمله مکمل این معادله که بیانگر واکنش میان ذرات است، از خصوصیات داخلی آنها چیزی نمی گوید، و امکان تغییری را در آنها پیش بینی نمی کند.

نظریه کوانتومی ـ گرانشی دیراک

فیزیکدانان حدس زده بودند که میدان جاذبه دارای کوانتومی به نام گراویتون است. و چون شعاع اثرگذاری اش تا بی نهایت ادامه دارد بنابراین گراویتون های نیروی جاذبه نمی توانند دارای جرم در حال سکون باشند.
«در سال 1959 دیراک فرضیه جسورانه دیگری را عرضه کرد، به این شکل که شاید گراویتون از یک زوج نوترینو تشکیل شده باشد. برخی شواهد گویای صحت این مدعایند، که از آن جمله اسپین گراویتون است که به نظر دیراک یک است، و می تواند از مجموع دونوترینو با اسپین های تشکیل شده باشد.»(55)
نیروی جاذبه، مرتبه کمتر از نیروی الکتریک است. دیراک دریافت که عمر عالم در واحد زمان هسته ای برابر با همین مقدار است. زمان لازم برای آنکه نور قطر یک نوکلئون هسته را طی کند، ثانیه است که آن را واحد زمان هسته ای می نامیم. در این واحد زمان، عمر عالم است. آیا نسبت نیروهای الکتریک به نیروی جاذبه، که معادل عمر عالم است پدیده ای تصادفی است؟
با توجه به اینکه در طول پیر شدن عالم، فعالیت های الکتریکی آن کاهش نمی یابد، دیراک نتیجه گرفت که جاذبه رو به کاهش است. زیرا با افزایش عمر عالم بر همواره افزوده می شود، بدون آنکه نیروهای الکتریکی تغییر کند، و به دنبال آن کم شدن نیروی جاذبه را سبب می شود که به نوبه خود، سبب انبساط عالم در طول زمان می گردد.
برخی از فیزیکدانان معتقدند که کاهش جاذبه، باید سبب انبساط کره زمین شود و در نتیجه در هر سال 5/ 0 میلیمتر بر قطر زمین افزوده شود.

نظریه کوانتومی ـ مغناطیسی دیراک

در دهه 1950 دیراک وجود یک ذره بنیادی مغناطیسی را در عالم پیشگویی کرد. این ذره، مشابه آهن رباست، که دیراک آن را مونوپل یا یک قطبی نامید. وجود همین مونوپل سبب می شود که تئوری الکتریسیته و مغناطیس از تقارن لازم برخوردار شود.
در معادلات ماکسول نیز جایی برای مونوپل پیش بینی شده است. وقتی معادلات ماکسول را به زبان تئوری نسبی بیان کنیم، احتیاج به مونوپل، بیش از پیش احساس می شود. برحسب پژوهش های ریاضی انجام شده توسط دیراک، اگر مونوپل وجود داشته باشد، بار مغناطیسی اش کوانتیفیه است. و حاصل ضرب، بار مغناطیسی مونوپل در بار الکتریک به فرض الکترون می باید برابر با عددی باشد که به ثابت پلانک و سرعت نور بستگی دارد. و همچنین کوانتوم بار مغناطیسی 5/68 برابر کوانتوم بار الکتریکی است. از آنجا که جرم تخمینی مونوپل سه برابر جرم پروتون است، باید سنگینترین ذره در جدول ذرات بنیادی باشد. البته مشابه با ذرات باردار الکتریکی، مونوپل نیز می تواند انواعی گوناگون داشته باشد که برخی سبکتر و برخی دیگر سنگین ترند.
یک مونوپل نمی تواند ناپدید شود مگر آنکه با مونوپل دیگری با بار مخالف برخورد کند. بنابراین تولد مونوپل نیز به صورت زوج است. یک مونوپل شمال و یک مونوپل جنوب با هم متولد می شوند (مشابه با تولد زوج الکترون ـ‌ پوزیترون) و انهدام آنها نیز به صورت زوج مونوپل شمال و جنوب انجام می گیرد تا بر اصل بقاء بار مغناطیسی، خدشه ای وارد نیاید.
به هر حال تاکنون نظریه پردازان و پژوهشگران موفق به ردیابی این ذره نشده اند. در خاتمه باید گفت که برای حل وحدت میدان های شناخته شده جهان باید به دنبال کوانتوم میدان جاذبه رفت تا بدین وسیله همه میدان ها را کوانتیزه بیابیم (راه دیراک). و یا اینکه هندسه مناسبی را برای همه میدان ها بدست بیاوریم (راه آینشتاین) که البته تاکنون هیچیک از این دو راه به نتیجه مطلوب نرسیده اند.

پی نوشت ها :

1ـ Hippolyte Fizeau
2ـ سرگذشت فیزیک، اثر جورج گاموف، ترجمه رضا اقصی، انتشارات سکه، صفحه 200
3ـ Michelson
4ـ Morley
5ـ تاریخ علوم، پی یر روسو، ترجمه حسن صفاری، انتشارات امیرکبیر، صفحه 207
6ـ Fitzgerald
7ـ Interferometer
8ـ Lorentz
9ـ Einstein
10ـ Special Theory Relativity
11ـ مجله دانشمند، ویژه نامه فیزیک، خرداد 65، صفحه 68
12ـ تئوری نسبیت (جلد اول)، اثر کاظم عضوامینیان، انتشارات جیران، صفحه 253
13ـ Simultaneity
14ـ نسبیت، اثر آینشتاین، ترجمه مسعود حیدری نوری و...، انتشارات کاویان، صفحه 4
15ـ General Theory Relativity
16ـ Inertial Mass
17ـ Gravitational Mass
18ـ Euclid
19ـ Lobatchefski
20ـ Hyperbolic
21ـ Bernhard Riemann
22ـ Elliptic
23ـ Elie Cartan
24ـ Minkowski
25ـ تاریخ علوم، اثر پی یر روسو، ترجمه حسن صفاری، انتشارات امیرکبیر، صفحه 857
26ـ Space-Time
27ـ Christoffel
28ـ Ricci
29ـ Levi Civita
30ـ نسبیت، اثر آلبرت آینشتاین، ترجمه مسعود حیدری نوری و...، انتشارات کاویان، صفحه های 7و8
31ـ نسبیت و مفهوم نسبیت، آلبرت آینشتاین، ترجمه محمدرضا خواجه پور، انتشارات خوارزمی، صفحه 105
32ـ نسبیت و مفهوم نسبیت، آلبرت آینشتاین، صفحه های 128 و 129
33ـ Eddington
44ـ نسبیت و مفهوم نسبیت، آلبرت آینشتاین، صفحه 131
35ـ تئوری نسبیت (جلد اول)، اثر کاظم عضوامینیان، انتشارات جیران، صفحه 351
36ـ Paul Adrien Maurice Dirac
37ـ Anti Particles (هر ضد ماده از چند ضد ذره تشکیل می شود).
38ـ Relativistic Quantum Mechanics
39ـ الفبای مکانیک کوانتا، ویتالی رایدنیک، ترجمه مجتبی جعفرپور، انتشارات گوتنبرگ، صفحه 220
40ـ Anderson
41ـ Thibaud
42ـ Masson
43ـ Harkins
44ـ سیری در تاریخ اتم، اثر کاظم عضوامینیان، انتشارات جیران، صفحه 192
45ـ Bothe
46ـ Becker
47ـ Curie
48ـ Joliot
49ـ Chadwick
50ـ Ivanenko
51ـ Gapon
52ـ Tamm
53ـ Enrico Fermi
54ـ Neutrini
55ـ تئوری نسبیت (جلد دوم)، اثر کاظم عضوامینیان، انتشارات جیران، صفحه 207

 

منبع مقاله :
ارزنده نیا، محمد، (1387) اتم و الفبای کتاب طبیعت، تهران: اطلاعات، کتابهای سپیده، چاپ سوم