ثبات سرعت نور

نوشتة آلبرت اینشتاین و لئوپولداینفیلد

قسمت چهارم از «حرکت»

اینک بدون نگرانی بیشتردربارة مسئلة اثیر()، واقعیت‌هایی را برشماریم که به قدر کافی توسط آزمایش تایید شده‌اند.
1ـ سرعت نور در فضای تهی همواره مستقل ازحرکت فرستنده یا گیرندة نور، مقدار استاندارد خود را دارد.
2ـ در دو د.م. که نسبت به یک دیگر حرکت یکنواخت دارند، همة قوانین طبیعت تقریباً یکسانند و راهی برای متمایز ساختن حرکت یکنواخت مطلق وجود ندارد.
آزمایش‌های بسیاری این دو حکم را تایید می‌کنند و هیچ آزمایشی نمی‌توان یافت که ناقض این دو حکم باشد. نخستین حکم بیان‌گر ثابت بودن سرعت نور است و دوّمین اصل نسبیت گالیله‌ای را، که برای پدید‌ه‌های مکانیکی بیان شده است، به همة رخدا‌دهای طبیعت تعمیم می‌دهد.
در مکانیک دیده‌ایم که هرگاه سرعت یه نقطة مادی نسبت به یک د.م. فلان مقدار باشد، در د.م. دیگری که نسبت به د.م. اول حرکت یکنواخت دارد متفاوت خواهد بود. این مطلب از اصول میکانیکی ساده تبدیل می‌شود. این بلافاصله از قدرت شهود ما نتیجه می‌شود (انسانی که نسبت به کشتی و ساحل حرکت می‌کند) وظاهراً در این جا هیچ اشتباهی نمی‌تواند وجود داشته باشد! اما این قانون تبدیل، با خاصیت ثابت بودن نور تناقض دارد. یا به عبارت دیگر اصل سومی را (به دو اصل فوق) اضافه می‌کنیم:
3ـ مکان‌ها و سرعت‌ها مطابق تبدیل کلاسیک از یک دستگاه لخت به دستگاه لخت دیگر تبدیل می‌شوند. در این صورت تناقض آشکاراست. ما نمی‌توانیم سه اصل (1) و (2) و (3) را با هم ترکیب کنیم.
به نظر می‌رسد تبدیل کلاسیک بیش از آن روشن و ساده است که بخواهیم آن را تغییر دهیم. قبلا کوشیده‌ایم (1) و (2) را تغییر دهیم وبه عدم توافقی با آزمایش رسیده‌ایم. همة نظریه‌های مربوط به اثیر مستلزم تغییری در (1) و (2) بودند. این کار درست نبود. یک بار دیگر به خطیر بودن مشکلات خود پی‌ می‌بریم. دست آویزی تازه لازم است. دست آویز تازه از تجزیه و تحلیلی پیرامون بنیادی‎‌ترین و ابتدایی‌ترین مفاهیم آغاز می‌شود؛نشان خواهیم داد که چگونه این تجزیه و تحلیل ما را به تغییر نگرش‌های گذشته‌مان وا می‌دارد همة دشواری‌های ما را از میان می‌برد.

زمان، فاصله، نسبیت

فرض‌های جدید ما عبارتند از:
1ـ سرعت نور در خلاء در همة دستگاه‌های مختصاتی که نسبت به یک دیگر حرکت یکنواخت دارند یکسان است.
2ـ همة قوانین طبیعت در دستگاه‌های مختصاتی که نسبت به یکدیگر حرکت یک نواخت دارند یکسانند.
نظریة نسبیت با این دو فرض آغاز می‌شود. از این پس تبدیل کلاسیک را به کار نخواهیم برد، زیرا می‌دانیم که با فرض‌های ما تناقض دارد.
در این جا همچون هر جای دیگر از علم لازم است خودرا از پیش داوری‌های ریشه دار، که معمولاً بدون نقد و سنجش تکرار می‌شود، برهانیم. از آن جا که دیده‌ایم تغییر (1) و(2) به تناقض با آزمایش می‌انجامد؛ باید این شهامت را داشته باشم که به وضوح درستی آن‌ها را بیان کنیم و متوجه یه نقطة ضعف احتمالی، یعنی شیوة تبدیل مکان‌ها و سرعت‌ها از یک د.م. به د.م. دیگر، شویم. قصد ما این است که نتایجی را از (1) و (2) بدست می‌آوریم، ببینیم در کجا و چگونه این فرصت‌ها با تبدیل کلاسیک تناقض دارند ومعنای فیزیکی نتایج بدست آمده را در یابیم.
یک بار دیگر از مثال اتاق متحرک با دو ناظر بیرونی ودرونی سود خواهیم جست. دوباره یک علامت نوری از مرکز اتاق تابش می‌شود وباز هم، با پذیرفتن تنها دو اصل خویش و فراموش کردن آن چه که قبلاً در رابطه با محیطی که نور از میان آن عبور می‌کند گفته شد، از دو ناظر می‌پرسیم انتظار مشاهدة چه چیزی را دارند. پاسخ‌های آنان را نقل می‌کنیم:
ناظر درونی: علامت نوری گسیل شده از مرکز اتاق به طور هم زمان به دیوار‌ها خواهد رسید زیرا فاصلة همة دیوار‌ها از چشمة نوری یکی است وسرعت نور در همة جهت‌ها یکسان است.
ناظر بیرونی: در دستگاه من، سرعت نور دقیقاً با سرعت نور در دستگاه ناظری که با اتاق حرکت می‌کند یکی است. برای من مهم نیست که چشمة نور در د.م. من حرکت کند یا نه، زیرا حرکت آن بر سرعت نور تاثیری ندارد. آن چه من می‌بینم یک علامت نوری است که با یک سرعت استاندارد، و یکسان در همة جهت‌ها، حرکت می‌کند. یکی از دیوار‌ها می‌خواهد از علامت نوری بگریزد و دیوار مقابل می‌خواهد بدان نزدیک شود. بنابراین علامت نوری اندکی پس از رسیدن به دیوار نزدیک شونده، به دیوار دور شونده خواهد رسید. هر چند در صورتی که سرعت اتاق در مقایسه با سرعت نور کوچک باشد اختلاف [زمانی] بسیار کم خواهد بود، اما علامت نورانی به این دو دیوار مقابل، که برجهت حرکت عمودند، به طور کاملاً هم زمان نخواهد رسید.
با مقایسة پیش بینی‌های این دو ناظر به نتیجة بسیار شگفت انگیزی می‌رسیم که با مفاهیم ظاهراً نیک بنیاد فیزیک کلاسک تناقض دارد. دو رخداد، یعنی دوتابة نور که به دو دیوار میرسند، برای ناظر درونی هم زمان و برای ناظر بیرونی ناهم زمانند. در فیزیک کلاسیک برای همة ناظرها درهمة د.م.ها یک ساعت، یک جریان زمان، داشتیم. زمان، و بنابراین واژگانی چون «هم زمان»، «زودتر» و «دیرتر» معنای مطلقی مستقل از هر د.م. داشتند. دو رخداد هم زمان در یک د.م. لزوماً همة د.م.های دیگر هم زمان بودند.
فرض‌های (1) و (2)، یعنی نظریة نسبیت، ما را مجبور می‌کنند از این نگرش دست کشیم. دو رخداد را شرح دادیم که در یک د.م. هم زمان اتفاق می‌افتند امّا در د.م. دیگر در زمان‌های متفاوتی به وقوع می‌پیوندند. کار ما فهمیدن این نتیجه یعنی فهمیدن معنای این جمله است: «دو رخدادی که در یک د.م. هم زمانند ممکن است در د.م. دیگر هم زمان نباشند.»
منظور ما از «دو رخداد هم زمان در یک د.م.» چیست؟ به نظر می‌رسد به طور شهودی هر کس معنای این جمله را می‌داند. امّا بیایید محتاط باشیم و تعریف‍‌های دقیقی به دست دهیم، زیرا می‌دانیم اهمیت دادن بیش از اندازه به شهود چقدر خطرناک است. نخست به پرسشی ساده پاسخ دهیم.

ساعت چیست؟

احساس ذهنی اوّلیه نسبت به زمان ما را قادر می‌سازد تاثرات خویش را نظم و ترتیب دهیم و حکم کنیم که یک رخداد زودتر اتفاق می‌افتد و رخداد دیگر دیرتر. امّا برای نشان دادن این که فاصلة زمانی بین دو رخداد ده ثانیه است، یک ساعت لازم است. با استفاده از یک ساعت، مفهوم زمان عینیت می‌یابد. از هر پدیدة فیزیکی می‌توان به عنوان یک ساعت استفاده کرد، به شرط آن که هر چند بار که لازم باشد بتواند دقیقاً تکرار شود. هر گاه فاصلة بین آغاز و پایان چنین رخدادی به عنوان یک واحد زمان تلقی شود، فواصل زمانی دل خواه را می‌توان از طریق تکرار این فراگرد فیزیکی اندازه گرفت. همة ساعت‌ها، از ساعت شنی ساده تا ظرف‌ترین ساعت‌ها، برپایة این اندیشه ساخته شده‌اند.