اساس فیزیک نظری

همگان آلبرت آینشتاین را فیزیک دان نظری بسیار عالی قدر سدة بیستم می دانند. او در 1879 (1258 خورشیدی) در اولم، آلمان، چشم به جهان گشود. با این که دوران کودکی شادمانه ای را پشت سر گذاشته بود، در مدرسه بیمارگونه بود و خوب کار نمی کرد. چون با مطالب درسی غیر ریاضی مشکل داشت، آیندة نویدبخش فکری اش به کندی رخ نمود. علاقة وی به علوم موجب شد که در ثبت نام و تحصیل در مؤسسة فناوری (تکنولوژی) فدرال زوریخ شتاب کند. با این همه، بذر شور و شوقی در مزرع دل استادانش نپاشید و نتوانست مقامی علمی و فرهنگی به دست آورد. در 1902 به عنوان بازبین در دفتر ثبت اختراعات برن (پایتخت سویس) به کار گماشته شد. با این که در محیط فرهنگی کار نمی کرد، توانست وقت آزاد خود را صرف تنظیم و بیان اندیشه های کند که روزی برای نظریة حرکت براونی و مکانیک آماری و اثر نورابرقی (فوتوالکرتیک) کمکی مهم شمرده شدند؛ اما کار مهم و برجستة وی نظریه ها نسبیت خاص و عام او بود که به ترتیب در سالهای 1905 و 1916 پدیدار شدند.
نظریة نسبت خاص، جای و گاه، یا فضا و زمان را یکی کرد و به صورت موجود یکتایی به نام جای ـ گاه یا فضازمان درآورد. آینشتاین، با انکار مطلق بودن و بی ارتباط بودن جای و گاه با یک دیگر، که از شالوده های بنای فیزیک نیوتنی بود و به مدت 250 سال در عرصة فیزیک بی حریف مانده بود، توانست وحدتی بسیار شایانِ دقت به این علم ببخشد. وی ثابت کرد که مشاهده و درک گذر زمان برای هر ناظری فقط در درون دستگاه لخت آن ناظر اعتبار دارد. این سمت گیری خاصّ زمان برای ناظران دیگری که در دستگاه های لخت دیگری هستند که نسبت به دستگاه مبدأ در حرکتند، معتبر شمرده نتوانند شد و از این کار، معادلة معروف E=mc2 آینشتاین سر بر آورد که بیان کنندة آن است که کارمایة (انرژی) هر ماده، برابر است با حاصل ضرب جرم آن در مربع سرعت نور. این معادله نشان می دهد که هرگاه مقدار ناچیزی جرم تبدیل به کارمایه شود، مقدار هنگفتی کارمایه آزاد می گردد. نظریة خاص نسبت بر پایة این واقعیت (که از راه تجربه ثابت شده است) قرار دارد که سرعت نور حد نهایی سرعت در خلأ جهان است و هیچ چیزی که در حال سکون، سرعتی ناصفر داشته باشد، سرعت نور را احراز نتوند کرد. نویسندگان داستان های تخیلی علمی که می خواهند در سفری فضایی با سرعتی بیش تر از سرعت نور غوطه ور شوند، بی آنکه با آینشتاین شاخ به شاخ گردند، باید با تدبیرهایی مانند راه های تابیده و پیچیده و گذرهای ابرفضایی و تاکیون ها متوسل شوند.
نظریة عام نسبیت، نظریة خاص را گسترده تر ساخت تا گرانش و چارچوب های نالَخت شتاب دار را هم دربرگیرد. آینشتاین جای ـ گاه را همانند چشم اندازی ناهموار پر از ستیغ ها و دره ها انگاشت. این ستیغ ها و دره ها به وسیلة میدان های گرانشی جرم هایی به وجود آمده اند که در سراسر جهان توزیع شده اند. گسترة خمیدگی فضا بستگی دارد به شدت میدان های محلی گرانشی، که آن به نوبت خود تابع جرم های اشیاء مجاور است. به بیان دیگر؛ پرتو نوری که از خورشید به زمین سیر می کند، به خط راست راه نخواهد پیمود بلکه به وسیلة میدان گرانشی خورشید، کج یا خم خواهد شد. آرثرادینگتن اخترشناس انگلیسی، از رصدها و مشاهدات خود از خورشیدگرفتگی سال 1919 (7 خرداد 1298) برای اثبات این نکته استفاده کرد که ثابت کند وقتی نور از میدان های گرانشی جرم های به اندازة کافی بزرگ بگذرد، به راستی به مقداری که آنشتاین پیش بینی کرده بود کج می شود. نظریة عام این فکر را هم القا می کند که جرم جهان در حال گسترش ما فضا را به نحوی خم می کند که جهان متناهی است اما حد ندارد، خیلی شبیه به سطح کره.
آنشتاین در 1905 درجة دکتری گرفت و در 1913 به استادی دانشگاه برلین انتخاب شد. در 1921 به پاس توضیح اثر نورابرق با وارد کردن مفهوم فوتون، جایزة نوبل گرفت، برآمدن هیتلر به قدرت و سابقة یهودی بودن آینشتاین و نظرهای صلح جوی او، حکومت نازی را به جایی کشانید که در 1933 تابعیت آلمان را از او گرفتند. وی در همان سال به موسسة پژوهش های پیشرفتة دانشگاه پرینستن پیوست و تا زمان مرگ، که در 19955 (1334) فرا رسید، در آن جا ماند.
ابزاری که در اختیار آینشتاین بود، همانند بسیاری از فیزیک دانان نظری دیگر، وزنه های گالیلئو یا ابزارهای برقی فاراده نبود، بلکه ریاضیات بود و یک تختة سیاه. این گزینش، موجب بحث های فراوان و گوناگونی از سوی فیزیک دانان بلندپایه بوده است، برای افکندن بنیادی منطقی برای فیزیک و بازمی گردد به آن چه آینشتاین آن را «برابر نهاد جاویدان میان دو مؤلّفة جدایی ناپذیر معرفت ما، یعنی شناخت تجربی و شناخت عقلی...»، توصیف کرده است.
نوشته زیر از آلبرت اینشتین است:
کیفیت هایی را که بتوان دید ما نباید انتخاب کنیم، بلکه نظریه باید آن ها را به ما بدهد و برای ما معین کند.
قانون های ریاضی، تا جایی که مرجعشان واقعیات است، قطعی نیستند و تا جایی که قطعی هستند، مرجعشان واقعیات نیست. تخیل از معرفت مهم تر است. آلبرت آینشتاین
علم، کوششی است برای آن که تنوع آشفتة تجربة حسّی ما را با نظام فکری یک نواختی که منطقی باشد، سازگار سازد. در این نظام، آزمایش-های منفرد باید به راهی با ساختاری نظری مرتبط شوند که نظم حاصل از آن ها یکتا و مجاب کننده باشد.
تجربه های حسّی، داده های معلوم هستند، اما نظریه ای که باید این تجربه ها را تفسیر کند، ساخته و پرداختة فکر آدمی است. این نظریه، نتیجة یک سلسله تطبیق های فوق العاده دشوار و فرضی است که هیچ گاه به کمال نهایی دست نمی یابد و همواره در معرض شک و تردید قرار دارد.
راه علمی تشکیل مفاهیم با آن چه ما در زندگی روزمرّه می کنیم فرق دارد؛ اما این فرق، بنیادی نیست و فقط از حیث ارائة تعریف دقیق تر مفهوم ها و نتیجه ها و انتخاب منظم تر و دقیق تر موارد مورد آزمایش و صرفه جویی منطقی بیشتر است. منظور از صرفه جویی منطقی، کوشش برای کاهش دادن تعداد مفهوم ها و بستگی ها به کم ترین تعداد ممکن مفهوم های بنیادی و اصول متعارفی است که از جنبة منطقی مستقل باشند.
آن چه فیزیکش نام می دهیم، شامل گروهی از علوم طبیعی است که مفهوم های خود را بر اندازه گیری بنا می کنند؛ و مفهوم ها و گزاره هایشان را می توان به بیان ریاضی درآورد. با این توصیف، قلمرو فیزیک را می توان جزئی از مجموع کل شناخت ما تعریف کرد که ممکن است در قالب ریاضیات بیان شود. با پیشرفت علم، قلمرو فیزیک چنان گسترده شده است که گویی فقط محدودیت های خود روش فیزیکی آن را مقید ساخته است.