چگونگی ابداع نظریه نسبیت توسط اینشتین

آلبرت اینشتین

می‌دانیم كه وقتی در سال 1301/1922جایزهٌ نوبل فیزیك را به آلبرت اینشتین دادند او نتوانست در مراسم دریافت جایزه كه در دسامبر آن سال در استكهلم برگزار می‌شد شركت كند، زیرا قبلا قول داده بود كه در همان تاریخ به ژاپن سفر كند. در تارخ 14دسامبر 1922 وی سخنرانی تحت عنوان ((چگونه نظریهٌ نسبیت را ابداع كردم)) در دانشگاه كیوتو ایراد كرد كه در همان زمان در مجلهٌ ژاپنی به چاپ رسید، اماتا این اواخر چندان شناخته نبود. اهمیت این سخنرانی در این است كه بر بحثی كه اخیراًدر گرفته است پرتو تازه‌ای می‌افكند:آیا اینشتین در 1284/1905 كه نظریة نسبیت خاص را پیشنهاد كرد ازآزمایش مایكلسون_مورلی اطلاع داشت یا نه؟این سخنرانی جنبه‌های مهم دیگری از كار اینشتین را نیز روشن می‌كند.
من نمی‌توانم به آسانی بیان كنم كه چگونه به نظریة نسبیت رسیدم، زیرا عوامل پنهان و پیچیدة بسیاری در كار بود كه مرا به فكر وامی‌داشت پودر هر مرحله از پیدایش این نظریهٌ تاٌثیر هر اندیشه‌ای با مراحل دیگر فرق می‌كرد. من نمی‌خواهم به همه اندیشه‌ها در اینجا اشاره كنم یا مقالاتی را كه در این باره نوشته ام بر شمارم ،بلكه به اختصار تحول اندیشه هایی را كه داشته‌ام و مستقیما به مسئله مربوط می‌شود بیان می‌كنم.
بیش از هفده سال از زمانی كه اندیشهٌ ابداع نظریة نسبیت اول بار به ذهن من راه یافت می‌گذرد. گرچه نمی‌توانم منشاٌ این اندیشه را به دقت مشخص كنم، یقین دارم كه با مسئلهٌ خصوصیات اپتیكی اجسام متحرك ارتباط داشت. نور در دریای اتر منتشر می‌شود و زمین در این دریا حركت می‌كند. سعی كردم در نوشته‌های فیزیكی شواهد تجربی روشنی كه دلالت برجریان اتر داشته باشد پیدا كنم، اما كوششم بی‌نتیجه بود.
پس از آن به فكر افتادم كه خودم حركت اتر نسبت به زمین را تحقیق كنم. هنگامی كه اول بار به این مسئله اندیشیدم، در وجود اتر یا در حركت زمین در درون اتر تردید نداشتم. به فكر افتادم آزمایش زیر را با استفاده از دو ترموكوپل انجام دهم: دو آینه را طوری نصب می‌كنیم كه نوری از منبع واحدی سرچشمه می‌گیرد در دو جهت مختلف بازتاب یابد یكی موازی با جهت حركت زمین ودیگری پاد- موازی با آن. اگر فرض كنیم كه انرژی دو نور بازتابیده تفاوت دارد،می‌توانیم با استفاده از دو ترموكوپل تفاوت گرمایی را كه تواید می‌شود اندازه بگیریم . گرچه اندیشة این آزمایش بسیار شبیه آزمایش مایكلسون است من آن‌را عملی نكردم.
در همان روزگار دانشجویی كه به این مسئله می‌اندیشیدم از نتیجة عجیب آزمایش مایكلسون با خبرشدم، و چندی بعد متقاعد شدم كه اگر تتیجة منفی آزمایش مایكلسون را قبول كنیم باید تصور خود را در مورد حركت زمین نسبت به اتر نادرست بدانیم. این نخستین راهی بود كه مرا به نظریة نسبیت خاص رساند. از آن پس اعتقاد یافتم كه هر چند زمین به دور خورشید می‌گردد، به هیچ وجه از راه آزمایشهای اپتیكی نمی‌توان به حركت آن پی برد.
از قضا رساله‌ای راكه لورنتس درسال 1274/1895نوشته شده بود خواندم. در این رساله لورنتس دربارة مسئله الكترودینامیك بحث كرده وآن را تا اولین مرتبة تقریب حل كرده بود،یعنی از جمله های كه مرتبه‌شان از v/c بزرگتر است چشم‌پوشی كرده بود v-سرعت جسم متحرك وc سرعت نور است.پس از آن سعی كردم با فرض این نكته كه معادلات لورنتس برای الكترون، علاوه بر چارچوب مرجع خلاٌ، كه در بحث اصلی لورنتس در نظر گرفته شده بود ، در چارچوب مرجع جسم متحرك هم صادق‌اند، آزمایش فیزو را بررسی كنم. در آن زمان اعتقاد راسخ داشتم كه كه معادلات الكترودینامیكی لورنتس و ماكسول درست‌اند. علاوه بر این، فرض صادق بودن این قوانین در چارچوب مرجع جسم متحرك به مفهوم ناوردایی سرعت نور می‌انجامد، اما این نتیجه با قانون جمع سرعتها كه در مكانیك به كارمی‌رود تناقض دارد.
چرا این دو مفهوم با هم تناقض دارند؟ دریافتم كه حل این مشکل بسیار دشوار است. حدود یك سال تمام تلاش كردم بلكه تغییری با در نظر لورنتس این مسئله را حل كنم، اما تلاش بی حاصل بود.
تصادفاً یكی از دوستانم در برن (میشل بسو) مرا در غلبه این مشگل یاری كرد. یك روز خوش در حالی كه به این مسئله می‌اندیشیدم به دیدار او رفتم وسر صحبت را با او باز كردم: ((این اواخر من به مسئله‌ی مشكلی مشغول بوده‌ام وامروز پیش تو آمده‌ام تاباهم به جنگ آن برویم.)) دربارة همه جوانب مسئله با او صحبت كردم و بعد یك مرتبه فهمیدم كه كلید حل مسئله را پیدا كرده‌ام. روز بعد باز به سراغ او رفتم وسلام نكرده گفتم: ((متشكرم، من آن مسئله را كاملاً حل كردم.)) راه حلی پیدا كرده بودم تحلیل مفهوم زمان بود. زمان را نمی‌توان به صورت مطلق تعریف كرد ومیان زمان وسرعت سیگنال پیوندی ناگسستنی وجود دارد. با این مفهوم جدید، توانستم برای نخستین بار بر همه‌ی مشکلات مسئله غلبه كنم.
در عرض پنج هفته نظریة نسبیت خاص كامل شد. شك نداشتم كه این نظریة جدید از دیدگاه فلسفی موجه و معقول است، و همچنین دریافتم كه با نظر ماخ هم سازگاری دارد. بر خلاف نظریهٌ نسبیت عام كه نظر ماخ جزئی از آن است، این نظر در نسبیت خاص فقط تاٌثیر غیر مستقیم داشت.
بدین طریق بود كه نظریة نسبیت خاص ابداع شد. نطفهٌ نظریة نسبیت عام نخستین بار در سال 1907درذهن من بسته شد. این اندیشه بی مقدمه به ذهن من راه یافت . از نظریهٌ نسبیت خاص راضی نبودم، زیرا به چارچوبهای مرجعی كه با سرعت ثابت حركت می‌كنند محدود می‌شد ودر مورد حركت كلی چارچوب مرجع كاربرد نداشت. تلاش كردم كه بر این محدودیت غلبه كنم، می‌خواستم مسئله را در حالت كلی فرمول بندی كنم.
در سال 1907یوهانس اشتارك1 از من خواست كه مقاله‌ای دربارة نظریة نسبیت خاص بنویسم تا در سالنامة رادیواكتیویته2چاپ شود. هنگام نوشتن مقاله، بارة همه قوانین طبیعی بحث كرد، جز دربارة گرانش. می‌‌خواستم دلیل این امر را پیدا كنم، اما رسیدن به این منظور برایم دشوار بود.
نكته‌ای كه بیش از هرچیز اسباب نارضایتی بود این بود كه هر چند نظریة نسبیت خاص رابطهٌ میان لختی وانرژی را صریحاً بیان می‌كند، هیچ توضیح روشنی از رابطهٌ میان لختی و وزن یا انرژی میدان گرانشی به دست نمی‌دهد. حس می‌كردم كه این مسئله را می‌توان در چارچوب نظریهٌ نسبیت خاص حل كرد.
نقطهٌ شروع حل این مسئله را یك روز ناگهان یافتم. در دفتر كارم در ادارة ثبت اختراعات در برن روی صندلی نشسته بودم كه فكری به خاطرم رسید: اگر كسی سقوط آزاد كند، وزن خود را احساس نمی‌كند. حیرت زده شدم. این آزمایش ذهنی ساده تاٌثیر عمیقی بر من گذاشت ومرا به نظریة گرانش راهنمون شد. اندیشه خود را دنبال كردم: شخصی كه در حال سقوط آزاد باشد شتابدار است، پس هرچه او می‌بیند ودرباره‌اش حكم می‌كند در یك چارچوب مرجع شتابدار رخ می‌دهد. تصمیم گرفتم كه نظریة نسبیت را به چارچوب مرجع شتابدار رخ دهم. حس می‌كردم كه با این كار، مسئله گرانش را هم حل خواهم كرد.شخصی كه درحالت سقوط آزاد است وزن خود را حس نمی‌كند، زیرا در چارچوب مرجع او میدان گرانشی جدیدی وجود دارد كه میدان گرانشی ناشی از زمین را خنثی می‌كند. در چارچوب مرجع شتابدار به یك میدان گرانشی جدید نیاز داریم.
در آن زمان نتوانستیم این مسئله را كاملا حل كنم. هشت سال دیگر طول كشید تا جواب كامل ان را به دست آوردم.در این سالها جوابهایی جزئی برای این مسئله پیدا كردم.
ارنست ماخ سخت اعتقاد داشت كه اگر دستگاه‌هایی نسبت به هم شتاب داشته باشند با هم معادل‌اند. این فكر با هندسة اقلیدسی تضاد دارد، زیرا در چارچوب شتابدار نمی‌توان هندسة اقلیدسی را به كار برد. اگر بخواهیم بدون توسل به هندسة قوانین فیزیكی را بیان كنیم، مثل این است كه خواسته باشیم افكار خودرا بدون استفاده از واژه‌ها بیان كنیم. ما برای بیان منظور خود به واژه نیاز داریم، برای بیان این مسئله باید دنبال چه چیزی بگردیم؟ این مسئله تا1912 حل نشده ماند، تا این كه در این سال فكر كردم شاید كلید حل مشكل در نظریة سطوح باشد كه كارل فریدریش گاوٌس ابداع كرده است. دریافتم كه مختصات سطحی گاوٌس برای فهم این مسئله بسیار مفید است تا آن زمان نمی‌دانستم كه بر نهارد ریمان(كه شاگرد گاوٌس بود) بحث عمیقی در بارهٌ مبانی هندسه كرده است . به یاد درسی كه كارل فریدریش گایزر در دوران دانشجوییم (در زوریخ)دربارة هندسه می‌داد و بحثی كه دربارهٌ نظریهٌ گاوٌس می‌كرد افتادم.
هنگامی كه از پراگ به زوریخ برگشتم دوست ریاضیدانم مارسل گروسمن منتظر بود. پیش از آن وقتی در اداره ثبت اختراعات برن كار می‌كردم و دسترسی به مقالات ریاضی برایم مشكل بود او به من كمك می‌كرد و نوشته‌های ریاضی را برایم تهیه می كرد. گروسمن ابتدا آثار ریمان را به من آموخت. من با او بحث می‌كردم كه آیا كه می‌توان مسئله را با استفاده از نظریهٌ ریمان، یعنی با استفاده از ناوردایی عنصر خط، حل كرد. در سال 1913 با هم مقاله‌ای در این باره نوشتیم، هر چند نتوانستیم معادلات درست را برای گرانش پیدا كنیم. هر چه بیشتر معادلات ریمان مطالعه می‌كردم بیشتر پی می‌بردم كه چرا نتایج مورد نظر خود را نمی‌توانم از این راه بدست آوردم.
پس از دو سال تلاش، دریافتم كه در محاسبات خود اشتباه كرده‌ام. دوباره به معادلة اصلی روی آوردم و سعی كردم كه با استفاده از نظریة ناوردایی، معادلات صحیح را بسازم. ظرف دو هفته این معادلات روی كاغذ پیش چشم ظاهر شد.
از میان كارها‌یی كه پس از 1915 كرده‌ام فقط مسئله كیهان شناخت با هندسة جهان و با زمان رابطه دارد. مبانی این مسئله از شرایط مرزی نظریة نسبیت عام و از بحثی كه ماخ دربارة مسئله لختی دارد فراهم شده است. هر چند ماخ را درباره لختی نفهمیده‌ام، تاٌثیر او بر فكر من بسیار عظیم بوده است.
من مسئله كیهان شناخت را از این راه حل كردم كه شرایط مرزی را برای معادلات گرانشی ناوردا گرفتم. سرانجام جهان را دستگاه بسته‌ای فرض كردم و بدین طریق شرایط مرزی را حذف كردم. در نتیجه، لختی به صورت خصوصیتی در می‌آید كه ناشی از برهم‌كنش مواد است و اگر ماده دیگری وجود نداشته باشد تا ماده با آن برهم‌كنش كند، لختی هم وجود نخواهد داشت. به نظر من وقتی این نظریه را داشته باشیم می‌توانیم نظریه نسبیت عام را به صورتی رضایت بخش بفهمیم بی‌آنكه از لحاظ معرفت شناختی با مشكلی روبرو می‌شویم.
این بررسی تاریخی مختصری بود از اندیشه‌هایی كه من هنگام ابداع نظریة نسبیت داشته‌‌ام.