نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین

در سال 1907، مینکوفسکی کتابی با عنوان فضا و زمان تألیف کرد، که وی در آن این موضوع را روشن کرد که زمان را باید در حکم بعد چهارم تلقی کرد. وی نشان داد که نه زمان و نه فضا را نمی‌توان به صورتی نگریست که دارای موجودیتی جداگانه‌اند. زمان جدا از فضایی که به آن مرتبط می‌شود، وجود ندارد؛ به همین ترتیب فضا جز در ظرف زمان وجود ندارد. جهان هستی (عالم) را باید چنان نگریست که از آمیزه‌ی «فضا-زمان» بنا شده است. مینکوفسکی برای پیشتیبانی از این نظر روابطی ریاضی نیز ابداع و تدوین کرد.
تمامی این کتاب برای اینشتین هم الهام و هم انگیزه از کار درآمد. اکنون کسان دیگری هم بودند که می‌خواستند خود را به زور وارد قلمرو او کنند. اما محاسبات مینکوفسکی به وی بینش و بصیرت ژرفی بخشید. وی ناگهان پی برد که چگونه می‌تواند گرانش را در نسبیت بگنجاند و به آن مرتبط کند. نیوتون به گرانش به عنوان نیرویی نگریسته بود که اشیاء را به سوی یکدیگر می‌رباید و جذب می‌کند. اما چه می‌شد هرگاه در یک میدان گرانشی حرکت می‌کردند؟ در این صورت ماده باید باعث منحنی شدن فضا شود. اینشتین این الهام را با عبارت «فرخنده‌ترین اتفاق زندگی‌اش» عنوان کرد. نظریه‌ی نسبیت عام زاده شد؛ هر چند که شش سال مانده بود تا این نظریه تکمیل شود.
نظریه‌ی نسبیت خاص پیشین اینشتین در مورد اجسامی اعمال شده بود که با حرکت یکنواخت نسبت به یکدیگر حرکت می‌کردند. نظریه‌ی نسبیت عام تعمیم آن نظریه‌ی اول بود و اجسامی را با حرکت نسبی شتابدار دربر می‌گرفت، مانند مورد تأثیر نیروی گرانشی بر اجسام (که در آن سرعت جسم سقوطی افزایش می‌یابد). اینشتین به منظور اجرای این تعمیم، ابتدا ناگزیر شد مفهوم و تصور کلاسیک نیوتون از گرانش و نیروی گرانشی را به عنوان نیروی وارد بین دو جسم کنار بگذارد. در عوض، گرانش را به عنوان میدان انرژی نگریست که از خود ماده مایه می‌گرفت و ناشی می‌شد. هر چه مقدار ماده بیشتر می‌شد، تأثیر آن انرژی گرانشی که منتقل می‌کرد افزایش می‌یافت.
ممکن است این امر، موضوعی بی‌اهمیت به نظر آید، اما تفاوت بسیار زیاد و تعیین‌کننده است. نیوتون کل عالم و جهان هستی خود را بر پایه‌ی مفهوم ناقصی از گرانش استوار کرده و بنا نهاده بود. نگاه نیوتون به گرانش در حکم یک نیرو، به این معنا بود که اثر خورشید بر سیارات، و اثر سیارات بر اقمارشان، لحظه‌ای است. اما چنان که دیده‌ایم، بنابر نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین هیچ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند. از آن جا که سرعت حرکت سیارات حدود یک هزارم سرعت نور است، تفاوت بین محاسبات مبتنی بر این دیدگاه‌های متناقض نیز بی‌نهایت کوچک بود. اما به هر حال این تفاوت‌ها وجود داشت. فقط یکی از آن‌ها می‌توانست درست باشد؛ و نتیجه بنیادی بود. فقط یکی از آن‌ها می‌توانست درست باشد؛ و نتیجه بنیادی بود. فقط یکی از این مجموعه محاسبات می‌توانست طریقه‌ی کارکرد عالم را به درستی توضیح دهد.
دیدگاه اینشتین مشتمل بر معانی ضمنی دیگر، و شگفت‌انگیزتری بود. از سال 1905 به بعد اینشتین نظریه‌ی نور خود را نیز تعمیم داده و به جا اندختن مفهومی انجامیده بود که بنابر آن، ماهیت نور، هم ذره‌ای و هم موجی دانسته می‌شد. اما اگر نور از ذرات تشکیل می‌شد، وقتی از میدان گرانشی عبور می‌کرد باید تحت تأثیر قرار می‌گرفت. به بیان دیگر، اگر نور از یک میدان گرانشی قوی عبور می‌کرد، مسیر آن انحنا می‌یافت.
اما تمامی مفهوم و تصور ما از خط مستقیم به مسیر عبور نور وابسته بود. مثلاً، در این میدان خمیده کوتاه‌ترین فاصله بین دو نقطه دیگر خط راست نیست. مانند مسیر هواپیمایی که کوتاه‌ترین فاصله‌ی بین لندن و لوس‌آنجلس را طی می‌کند، باید منحنی باشد.
به همین ترتیب، کل تصور و مفهوم ما از سرعت نهایی (و بنابراین از فضا، و از زمان) به سرعت نور وابسته است. اگر یک باریکه‌ی نور، هنگام عبور از یک میدان گرانشی خم شود، به این معناست که هیچ چیزی نمی‌تواند بین دو نقطه‌ی واقع بر باریکه‌ی نور منحنی بالاترین سرعت را داشته باشد مگر این که در امتداد باریکه‌ی منحنی حرکت کند. به بیان دیگر، بین این دو نقطه، فاصله‌ای کوتاه‌تر از مسیر منحنی وجود ندارد.
در نتیجه، هندسه‌ی اقلیدسی کلاسیک دیگر برای توصیف عالم کافی نبود و این جا بود که دانش ریاضی اینشتین از یاری رساندن به او باز ماند. نمی‌توانست هیچ جایگزینی را ارائه کند. بدون شالوده‌ی ریاضیاتی، نظریه‌ی وی فقط در حد یک حدس محض بود و نمی‌شد چندان نتایجی از آن استنتاج کرد.
از بخت خوش اینشتین، گئورگ ری‌مان، ریاضیدان آلمانی، در قرن نوزدهم در زمینه‌ی هندسه‌ی نااقلیدسی کارهای زیادی کرده بود. به مدت نیم قرن کارهای ریاضی ری‌مان درباره‌ی رویه‌های خمیده را کاملاً تابناک و استادانه، اما به کلی غیرعملی تلقی کرده بودند. ری‌مان نشان داده بود که در هندسه‌ی خمیده (یا منحنی) ترسیم هر تعداد خط مستقیم که از دو نقطه بگذرد، امکان پذیر است. (حتی خط مستقیمی از لندن تا سان فرانسیسکو سرانجام بر روی کره‌ی زمین از لس آنجلس می‌گذرد.)
به همین ترتیب، ری‌مان نشان داد که در هندسه‌ی خمیده چیزی مثل خط راست با طول بی‌نهایت وجود ندارد. اینشتین، پی برد که اگر فضا منحنی (خمیده) باشد، این گزاره درباره‌ی جهان هستی (عالم) نیز صادق درمی‌آید، یعنی عالم نیز خمیده است. هر خط راست مآلاً دوباره با خودش برخورد خواهد کرد (به خودش می‌رسد). تصور و مفهوم مینکوفسکی استاد پیر اینشتین از فضا-زمان نیز به شکل‌گیری مفهوم جدید عالم در ذهن او بسیار کمک کرد. این مفهوم پیوند دیگری را بین نظریه‌ی نسبیت خاص و نظریه‌ی نسبیت عام برقرار ساخت و ابهامات بر جای مانده از اثر نور بر فضا و زمان را روشن کرد. فضا خمیده شد و به همین ترتیب زمان، که مطلق نبود بلکه مانند بعد چهارمی در پیوستار فضا-زمان عمل می‌کرد. (اگر نور در یک مسیر منحنی یا خمیده سیر می‌کرد، پس زمان نمی‌توانست در خط مستقیم سریع‌تری حرکت کند؛ زمان نیز باید در مسیری منحنی سیر می‌کرد.)
اینشتین نتایج خود را در مارس 1916 در نشریه‌ی آنالن در فیزیک، در قالب مقاله‌ای تحت عنوان «بنیان نظریه‌ی نسبیت» منتشر کرد. ایده‌های جدید و هیجان‌انگیز اینشتین با حیرت و مقداری هم سردرگمی مواجه شد. تا این جا همه چیز خوب بود و حرفی هم نداشت، اما کل مطلب فقط نظریه بود. وی ادعا می‌کرد که عالم را توصیف می‌کند، اما تمام آن چه را که فراهم آورد، چیزی جز ریاضیات نبود؛ بدون هیچ گونه برهان و اثبات عملی. باید اذعان کرد که نظریه‌ی وی ظاهراً بی‌نظمی و بی‌قاعدگی مختصری را در مدار عطارد توضیح می‌داد، که توضیح قابل قبول فیزیک نیوتونی برای این بی‌قاعده‌گی، نمی‌توانست اثبات عملی قاطعی در برابر چنان ادعاهای سنگینی درباره‌ی ماهیت بنیادی عالم به شمار آید.
اینشتین یک آزمون عملی را پیشنهاد کرد. بنابر نظریه‌ی او، نور گسیلی از ستارگان دوردست در هنگام عبور از میدان گرانشی قوی خورشید باید خمیده شود. متأسفانه این نور را فقط در خلال گرفت خورشید (کسوف) می‌تواند مشاهده کرد، و کسوف بعدی تا سال 1919 اتفاق نمی‌افتاد. جهان باید منتظر می‌ماند تا پی ببرد آیا کره‌ی زمین جرئی از یک عالم خمیده است یا عالمی «تخت».
در نوامبر 1919 خبرهایی در تأیید ایجاد و دگرگونی همیشگی در زندگی اینشتین به گوش رسید. در اوایل آن سال آرتور ادینگتون، اختر-فیزیک‌دان انگلیسی سفر هیئتی تحقیقاتی به جزیره‌ی پرنسیپ، از مستعمرات افریقایی پرتقال در خلیج گینه، را هدایت و سرپرستی و در آن جا از خورشیدگرفت عکس‌برداری کرده بود. ستارگانی را که پیشتر به علت تابش خورشید قابل مشاهده نبودند، اکنون می‌شد مشاهده کرد. این عکس‌ها در ضمن نشان دادند که نور ستارگان که از مجاورت خورشید عبور می‌کند، خم می‌شود. یعنی، موضع آن‌ها نسبت به وقتی که نورشان از نزدیکی خورشد عبور نمی‌کرد، متفاوت به نظر می‌رسید. مشاهدات ادینگتون با پیش‌گویی‌های اینشتین در مورد خم شدن نور ستارگان دوردست در هنگام عبور از مجاورت خورشید، سازگار و منطبق بود. نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین تأیید شد: اینشتین چندین روز در حالت سرخوشی و شعف به سر می‌برد.
اما واکنش اینشتین نسبت به نتایج مشاهدات ادینگتون در مقایسه با واکنش رسانه‌های گروهی جهان هیچ بود. اندک کسانی (حتی در محافل علمی) یافت می‌شدند که واقعاً بدانند نسبیت درباره‌ی چیست، اما همگان دانستند که جهان هستی (عالم) از قرار معلوم برای همیشه تغییر یافته است. ناگهان استاد فیزیک گمنام و ناشناخته‌ی برلینی به عنوان بزرگ‌ترین نابغه‌ی کره‌ی زمین اعلام و شناخته شد.
منبع: استراترن، پل؛ (1389) شش نظریه‌ای که جهان را تغییر داد، ترجمه‌ی دکتر محمدرضا توکلی صابری و بهرام معلمی، تهران، انتشارات مازیار، چاپ چهارم.