جا به جایی

نوشتة آلبرت اینشتاین و لئوپولداینفیلد

قسمت اول از «حرکت»

اصل نسبیت گالیله‌ای برای همة پدیده‌های مکانیکی معتبر است. بر‌همة دستگاه‌های لختی که نسبت به یک دیگر حرکت دارند قوانین مکانیکی یکسانی فرمان می‌رانند. آیا این اصل برای پدیده‌های غیرمکانیکی به ویژه برای پدیده‌هایی که مفاهیم میدان برای آن‌ها اهمیّت زیادی دارند نیز معتبر است؟ همة مسائل مرتبط با ‌این پرسش بی درنگ ما را به نقطة آغاز نظریة نسبیت می‌کشاند.
به‌ یاد داریم که سرعت نور در خلاء یا به دیگر سخن در اثیر (اتر) 186000 مایل در ثانیه (=300000 کیلومتر در ثانیه) است و نور یک موج بر‌قمغناطیسی (الکترومغناطیسی) است که در اثیر منتشر می‌شود. میدان الکترومغناطیسی حاصل انرژی است که چون از چشمه‌اش گسیل شود وجودی مستقل می‌یابد. فعلاً بر‌این باور خواهیم ماند که اثیر محیط و رسانه‌ای است که امواج الکترومغناطیسی و بنابراین امواج نور نیز در‌آن انتشار می‌یابند هر‌چند در اشکالات بسیاری در رابطه با ساختار مکانیکی آن کاملاً آگاهیم. هم ‌اینک در اتاقی در بسته نشسته‌ایم و از جهان بیرون چنان جدایی گرفته‌ایم که هیچ هوایی نمی‌تواند داخل یا خارج شود. هرگاه آرام بنشینیم و سخن بگوییم از دیدگاه فیزیکی امواج را پدید می‌آوریم که از چشمة ساکن خویش با سرعت صوت در هوا پخش می‌شوند. اگر هوا با رسانة مادی دیگری میان دهان و گوش وجود نداشت نمی‌توانستیم صوتی را متوجه شوم. آزمایش نشان داده است که هر گاه هیچ گونه بادی وجود نداشته باشد و هوا در دستگاه مختصات (د.م.) انتخاب شده ساکن باشد سرعت صوت در هوا در همة جهت‌ها یکسان است.
اینک تصور کنیم که اتاق ما به گونه‌ای یک نواخت در فضا حرکت می‌کند. انسانی که خارج از اتاق است از طریق دیواره‌های شیشه¬ای اتاق متحرک (یاقطار) هر چیزی را که در داخل اتاق رخ می‌دهد می‌بیند. او از اندازه‌گیری‌های ناظر داخلی می‌تواند سرعت صوت را نسبت به دم خود که به محیط اطرافش متصل است و اتاق نسبت به آن در حال حرکت است استنتاج کند. این دوباره همان مسئلة قدیمی و بسیار بررسی شدة تعیین سرعت در یک د.م به‌ شرط معلوم بودن آن در د.م دیگر است.
ناظر درون اتاق ادعا میکند: سرعت صوت برای من در همة جهت‌ها یکسان است.
ناظر بیرونی ادعا می‌کند: سرعت صوت که در اتاق متحرک دارد انتشار می‌یابد و در د.م. من تعیین می‌شود در همة جهت‌ها یکسان نیست مقدار آن در‌جهت حرکت اتاق بیشتر از سرعت استاندارد صوت و در‌جهت مخالف کمتر از آن است.
این نتایج از تبدیل کلاسیک به دست می‌آیند و آزمایش می‌تواند مؤید آن‌ها باشد. اتاق در اندرون خود رسانة مادّی یعنی هوا را، که امواج صوتی در آن منتشر می‌شود، حمل می‌کند و از این رو سرعت نور برای ناظر درونی و ناظر بیرونی متفاوت خواهد بود.
می‌توانیم از نظریة صوت به عنوان موجی که در یک رسانة مادّی انتشار می‌یابد نتایج دیگری را به دست آوریم. یک راه برای نشنیدن سخنان یک فرد این است که با سرعتی بیش از سرعت صوت نسبت به هوایی که گوینده را احاطه کرده‌است بدویم هرچند این ساده‌ترین راه نیست.در این صورت امواج صوتی پدید آمده هرگز نخواهند توانست به گوش‌های ما برسند. از سوی دیگ هر ‌گاه واژة مهمی را که دیگر هرگز تکرار نخواهد شد نشنیده باشیم باید با سرعتی بیش از سرعت صوت بدویم تا به امواج ایجاد شده برسیم و آن واژه را بشنویم. در هیچ یک از این مثال‌ها چیز نا‌معقولی وجود ندارد. تنها درهر دو مورد باید با سرعتی حدود چهار صد یارد بر ثانیه بدویم و به خوبی می‌توانیم تصوّر کنیم که پیشرفت فنی بیشتر چنین سرعت‌هایی را ممکن خواهد ساخت. گلوله‌ای که از یک تفنگ پرتاب شده است، در واقع با سرعتی بیش از سرعت صوت حرکت می‌کند و کسی که بر روی چنین گلوله ای ایستاده باشد هرگز صدای تیراندازی را نخواهد شنید.
همة این مثال‌ها ماهیّتی کاملاً مکانیکی دارند و اینک ما می‌توانیم پرسش‌های مهم را تنظیم و مطرح کنیم: آیا می‌توانیم آنچه را که دربارة یک موج صوتی گفتیم در مورد یک موج نوری تکرار کنیم؟آیا اصل نسبیت گالیله‌ای وتبدیل کلاسیک، هم در مورد پدیده‌های مکانیکی صادقند و هم در مورد پدیده‌های نوری و الکتریکی؟ پاسخ دادن به این پرسش‌ها با یک واژة سادة «آری» یا «نه» بدون تعمق بیشتر در معنای آن‌ها، دور از احتیاط خواهد بود. در حالت موج صوتی درون اتاقی که نسبت به ناظر بیرونی حرکت یکنواخت دارد، مراحل میانی زیر از اهمیّتی بس اساسی برای نتیجه گیری ما برخوردارند:
اتاق در حال حرکت هوا را حمل می‌کند که موج صوتی در آن منتشر می‌شود. سرعت‌های مشاهده شده در دو دستگاه مختصاتی که نسبت به هم حرکت یک نواخت دارند، به وسیلة تبدیل کلاسیک به هم ربط می‌یابند. مسئلة متناظر مربوط به نور را باید با اندکی تفاوت بیان کرد. ناظران درون اتاق دیگر در حال سخن گفتن نیستند بلکه دارند علائم نوری یا امواج نوری را در همة جهت‌ها ارسال می‌کنند. هم‌ چنین فرض کنیم که چشمه‌های گسیل کننده علائم نوری همواره در اتاق ساکنند. امواج نور در اثیر حرکت می‌کنند، درست همان‌گونه که امواج صوت در هوا حرکت می‌کنند.
آیا اثیر همچون هوا به همراه اتاق حمل می¬شود؟ از آن جا که هیچ‌ گونه تصویر مکانیکی از اثیر نداریم، پاسخ به این پرسش فوق العاده دشوار است. هرگاه اتاق بسته باشد، هوای درون مجبور است با آن حرکت کند. روشن است که این ‌گونه تصوّر دربارة اثیر بی‌ معنی است، زیرا هر ماده‌ای درون آن غوطه‌ور است و اثیر در هر جا آن نفوذ می‌کند. هیچ دری به روی اثیر بسته نیست. «اتاق متحرک» اینک تنها به عنوان یک د.م. متحرک است که چشمة نور به ‌گونه‌ای صلب بدان متصل است. اما می‌توان تصوّر کرد که اتاقی که با چشمة نورش در حرکت است اثیر را با خود می‌برد، درست همان گونه که چشمة صوت و هوا در اتاق در بسته همراه اتاق برده می‌شدند. اما تصوّر خلاف نیز کاملاً امکان¬پذیر است: بدین معنی که اتاق، هم چون کشتی در دریای کاملاً آرام، از میان اثیر حرکت می‌کند به‌گونه‌ای که هیچ جزئی از محیط را همراه نمی‌برد بلکه تنها از میان آن می‌گذرد. در نخستین تصویر اتاقی که با چشمة نورش حرکت می‌کند اثیر را با خود می‌برد. می‌توان مقایسه‌ای با یک موج صوتی انجام داد و به نتایج کاملاً مشابهی رسید. در دومین تصویر اتاقی که با چشمة نورش حرکت می‌کند، اثیر را همراه نمی‌برد. هیچ‌ گونه مقایسه‌ای با یک موج صوتی امکان پذیر نیست و نتایج به‌ دست آمده در مورد یک موج صوتی برای یک موج نوری صادق نیستند. این دو تصویر دو حدّ امکان هستند. می‌توانستیم این امکان باز هم پیچیده‌تر را تصوّر کنیم که اثیر تنها به طور جزئی توسط اتاقی که با چشمة نورش حرکت می‌کند حمل می‌شود. اما پیش از آن که دریابیم تجربه با کدام یک از دو حالت حدّی ساده‌تر سازگار است، دلیلی برای بحث در فرض-های پیچیده‌تر وجود ندارد.