نویسنده: آلبرت اینشتین
ترجمه: ناصر موفقیان
ترجمه: ناصر موفقیان
در فیزیک چند نوع نظریه وجود دارد. بیشتر آنها جنبه سازنده و زیربنایی دارند. این نظریه ها می کوشند تا با استفاده از بعضی قضایای نسبتاً ساده، تصویری از پدیده های پیچیده ارائه دهند. برای مثال، نظریه جنبشی گازها می کوشد تا با توجه به حرکت مولکولی گازها خواص مکانیکی، حرارتی و پراکندگی آنها را بیان کند. پس وقتی می گوییم که ما به شناسایی گروهی از پدیده های طبیعی نایل آمده ایم، منظورمان این است که نظریه سازنده ای یافته ایم که آن پدیده ها را در بر می گیرد.
نظریه نسبیت، نظریه ای اصولی است. برای درک این نظریه ابتدا باید اصل بنیادین آنها را فهمید. ولی پیش از توضیح مطلب باید اشاره کرد که نظریه نسبیت شبیه خانه ای است که دو طبقه جداگانه دارد: نظریه نسبیت خاص و نظریه نسبیت عام.
از زمان یونانیان باستان این نکته به خوبی روشن شده بود که برای توصیف حرکت هر جسم باید آن را با جسم دیگر مقایسه کنیم. بدین ترتیب است که حرکت یک قطار راه آهن را نسبت به زمین که ثابت به نظر می رسد توصیف می کنیم، و حرکت یک سیاره را نسبت به کل مجموعه ستارگان ثابت و قابل رؤیت. در علم فیزیک، حرکتها را از نظر تغییر مکان اجسام، با اجسام دیگری می سنجند که اصطلاحاً آنها را دستگاههای مختصات می نامند. قانون مکانیک گالیله و نیوتن را فقط با استفاده از دستگاه مختصات می توان فرمول بندی کرد.
برای آنکه قوانین مکانیک از اعتبار کافی برخوردار گردند، وضع حرکت دستگاه مختصات را نباید به دلخواه انتخاب کرد (این حرکت باید عاری از پیچش (3) و شتاب باشد). دستگاههای مختصات مورد استفاده در مبحث مکانیک را دستگاه لخت می نامند. وضعیت حرکت دستگاه لخت، تا آنجا که به مبحث مکانیک مربوط می شود، از نظر ماهوی محدود به یک شرط نیست. با این حال، شرطی که در قضیه زیر آمده است کفایت می کند. دستگاه مختصاتی که همراستا و هماهنگ با یک دستگاه لخت حرکت می کند، خود دستگاهی لخت است، بنابراین، نظریه نسبیت خاص عبارت از کاربست قضیه زیر در مورد هر فرایند طبیعی است.
«هر قانون طبیعی که در دستگاه مختصات K صدق کند باید در مورد هر دستگاه دیگر 'K هم معتبر باشد، مشروط بر آنکه K و 'K دارای حرکت انتقالی کافی باشند.»
دومین اصلی که نظریه نسبیت خاص بر آن استوار است، اصل ثابت سرعت نور در خلأ (4) است. نور در خلأ سرعت ثابت و معینی دارد که مستقل از سرعت منبع آن است. اعتماد فیزیکدانان به این حکم مدیون نظریه الکترو دینامیک مکسول ـ لورنتس (5) است.
دو اصلی که ذکر کردم از نظر تجربی کاملاً به اثبات رسیده اند، ولی ظاهراً از نظر منطقی با یکدیگر سازگار نیستند و نظریه نسبیت خاص آشتی منطقی آنها را از طریق ایجاد نوعی تغییر در سینماتیک (6)، یعنی در مبحث قوانین فیزیکی فضا و زمان، امکان پذیر می سازد. مسلم شد که بیان انطباق (7) دو رویداد فقط در ارتباط با یک دستگاه مختصات می تواند معنادار باشد، بدین مفهوم که جرم اجسام و آهنگ حرکت ساعتها می بایست وابسته به وضعیت حرکت آنها نسبت به محورهای مختصات باشند.
نظریه نسبیت خاص که صرفاً نوعی گسترش سیستماتیک الکترومکانیک مکسول و لورنتس بود، نتایجی به بار آورد که از محدوده خود فراتر می رفت. آیا استقلال قوانین فیزیکی در برابر دستگاه مختصات می بایست به دستگاههای مختصاتی محدود بماند که نسبت به یکدیگر دارای حرکت انتقالی یکنواخت باشند؟ پس، تکلیف طبیعت با دستگاههای مختصات پیشنهادی ما و حرکتهای آنها چه می شود؟
با آنکه شاید لازم باشد برای تشریح طبیعت از دستگاههای مختصاتی که به دلخواه بر گزیده ایم استفاده کنیم، انتخاب ما در هر حال نباید تا آنجا که وضعیت حرکت آنها مطرح است محدود شود. (نظریه نسبیت عام) کاربرد این نظریه نسبیت عام با تجربه مشهوری به تعارض در می آمد، تجربه ای که به موجب آن چنین به نظر می رسید که وزن و لختی هر جسم به ثابتهایی یکسان وابسته اند (همانندی جرم ثقلی و جرم لخت). در این زمینه می توان حالت دستگاه مختصاتی را در نظر گرفت که نسبت به یک دستگاه لخت، به معنای نیوتنی آن، دارای حرکت چرخشی پایدار است. نیروهایی که، نسبت به این دستگاه، به حالت گریز از مرکز هستند، از نظر فیزیک نیوتنی باید به لختی نسبت داده شوند. اما این نیروهای گریز از مرکز، مانند گرانش، متناسب با جرم اجسامند. پس، آیا نمی توان دستگاه مختصات را همچون دستگاهی در حالت سکون، و نیروهای گریز از مرکز را همچون نیروهای گرانشی در نظر گرفت؟ این تعبیر بدهی به نظر می رسید ولی مکانیک کلاسیک آن را ممنوع می شمرد.
این طرح ساده نشان می دهد که نظریه نسبیت تعمیم یافته چگونه باید قوانین گرانش را در بر می گرفت، و پیگیری بالفعل این استنباط نیز امیدواریها را توجیه می کرد. ولی راه دشوارتر از حد انتظار بود، زیرا با هندسه اقلیدسی متناقض از آب در می آمد. به دیگر سخن، قوانین ناظر بر آرایش اجسام مادی در فضا، به طور دقیق با قوانین فضا به تعبیر هندسه اقلیدسی جامدات، توافق ندارند. این همان چیزی است که با عبارت، «نوعی خمیدگی در فضا» از آن یاد می شود. از این نظر، مفاهیم اساسی «مستقیم»، «مستوی»، و غیره معنای دقیق خود را در فیزیک از دست می دهند.
در نظریه نسبیت عام، مبحث فضا و زمان، با مبحث حرکات [سینماتیک] دیگر یکی از شالوده های مطلق فیزیک عمومی محسوب نمی شود. وضعیت هندسی اجسام و آهنگ ساعتها در وهله نخست وابسته به میدانهای جاذبه آنهاست، که اینها را نیز دستگاه مادی ذیربط به وجود می آورد.
پس نظریه جدید گرانش به میزان زیادی از نظریه گرانش نیوتنی، در مورد اصل اساسی آن، فاصله می گیرد. اما در کاربردهای عملی این هر دو چنان توافق تنگاتنگی دارند که بدشواری توانسته اند مواردی را بیابند که در متن آنها تفاوتهای بالفعل قابل مشاهده باشد. تاکنون فقط تفاوتهای زیر برای بررسی پیشنهاد شده اند:
1- اعوجاج مدارهای بیضوی سیارات در اطراف خورشید (که در مورد سیاره عطارد به تأیید رسیده است).
2- انحراف اشعه نورانی میدان گرانشی (که به وسیله هیئت اعزامی انگلیسی برای بررسی کسوف خورشید به تأیید رسیده است).
3- گرایش خطوط طیفی به سمت حد قرمز طیف در مورد نوری که از ستاره های با جرم زیاد به ما می رسد (هنوز تأیید نشده است).
اما بیشترین کشش نظریه نسبیت عام به سبب انسجام منطقی آن است، به نحوی که اگر به اثبات برسد که کوچکترین خللی در هر یک از اجزایش وجود دارد، باید آن را رها کرد. هر نوع دگرگونی در این نظریه بدون تخریب کل آن غیر ممکن به نظر می رسد.
با این اوصاف، هیچ کس نباید تصور کند که آفرینش بزرگ نیوتن را می توان به معنای واقعی با این نظریه یا با هر نظریه دیگر برانداخت. افکار روشن و پهناور او اهمیت و مفهوم خود را به عنوان سنگ زیربنای فیزیک نوین برای همیشه حفظ خواهد کرد.
نظریه های اصولی
اما علاوه بر این گروه از نظریه های پر اهمیت، گروه دیگری هم وجود دارد که من آنها را نظریه های اصولی می نامم. اینها نظریه‌هایی هستند که روش تحلیلی (1) را به کار می گیرند، نه روش ترکیبی (2) را. آغازگاه و شالوده آنها را نه رشته ای از اجزای فرضی، بلکه خواص عمومی پدیده هایی تشکیل می دهد که به شیوه تجربی مورد مشاهده قرار گرفته اند و ما آنها را اصول می نامیم، اصولی که فرمولهای ریاضی معین را به طرزی از آنها استنتاج می کنند که در تمام موارد دیگر نیز صادق باشد. به عنوان مثال، ترمودینامیک با الهام گرفتن از این واقعیت که در تجربیات معمولی حرکت دایمی هرگز روی نمی دهد، می کوشد تا به یاری فرایندهای تحلیلی، نظریه خاصی از این امر استنتاج کند که در تمام موارد صادق باشد. امتیاز نظریه های سازنده، در جامعیت، تطبیق پذیری، و وضوح آنهاست و امتیاز نظریه های اصولی در کمال منطقی و مطمئن بودن شالوده آنها.نظریه نسبیت، نظریه ای اصولی است. برای درک این نظریه ابتدا باید اصل بنیادین آنها را فهمید. ولی پیش از توضیح مطلب باید اشاره کرد که نظریه نسبیت شبیه خانه ای است که دو طبقه جداگانه دارد: نظریه نسبیت خاص و نظریه نسبیت عام.
از زمان یونانیان باستان این نکته به خوبی روشن شده بود که برای توصیف حرکت هر جسم باید آن را با جسم دیگر مقایسه کنیم. بدین ترتیب است که حرکت یک قطار راه آهن را نسبت به زمین که ثابت به نظر می رسد توصیف می کنیم، و حرکت یک سیاره را نسبت به کل مجموعه ستارگان ثابت و قابل رؤیت. در علم فیزیک، حرکتها را از نظر تغییر مکان اجسام، با اجسام دیگری می سنجند که اصطلاحاً آنها را دستگاههای مختصات می نامند. قانون مکانیک گالیله و نیوتن را فقط با استفاده از دستگاه مختصات می توان فرمول بندی کرد.
برای آنکه قوانین مکانیک از اعتبار کافی برخوردار گردند، وضع حرکت دستگاه مختصات را نباید به دلخواه انتخاب کرد (این حرکت باید عاری از پیچش (3) و شتاب باشد). دستگاههای مختصات مورد استفاده در مبحث مکانیک را دستگاه لخت می نامند. وضعیت حرکت دستگاه لخت، تا آنجا که به مبحث مکانیک مربوط می شود، از نظر ماهوی محدود به یک شرط نیست. با این حال، شرطی که در قضیه زیر آمده است کفایت می کند. دستگاه مختصاتی که همراستا و هماهنگ با یک دستگاه لخت حرکت می کند، خود دستگاهی لخت است، بنابراین، نظریه نسبیت خاص عبارت از کاربست قضیه زیر در مورد هر فرایند طبیعی است.
«هر قانون طبیعی که در دستگاه مختصات K صدق کند باید در مورد هر دستگاه دیگر 'K هم معتبر باشد، مشروط بر آنکه K و 'K دارای حرکت انتقالی کافی باشند.»
دومین اصلی که نظریه نسبیت خاص بر آن استوار است، اصل ثابت سرعت نور در خلأ (4) است. نور در خلأ سرعت ثابت و معینی دارد که مستقل از سرعت منبع آن است. اعتماد فیزیکدانان به این حکم مدیون نظریه الکترو دینامیک مکسول ـ لورنتس (5) است.
دو اصلی که ذکر کردم از نظر تجربی کاملاً به اثبات رسیده اند، ولی ظاهراً از نظر منطقی با یکدیگر سازگار نیستند و نظریه نسبیت خاص آشتی منطقی آنها را از طریق ایجاد نوعی تغییر در سینماتیک (6)، یعنی در مبحث قوانین فیزیکی فضا و زمان، امکان پذیر می سازد. مسلم شد که بیان انطباق (7) دو رویداد فقط در ارتباط با یک دستگاه مختصات می تواند معنادار باشد، بدین مفهوم که جرم اجسام و آهنگ حرکت ساعتها می بایست وابسته به وضعیت حرکت آنها نسبت به محورهای مختصات باشند.
فیزیک قدیمی
اما فیزیک قدیم، از جمله قوانین حرکت گالیله و نیوتن، با این سینماتیک نسبیتی که ذکر کردم تصادم پیدا می کرد. این سینماتیک در حکم منشأ یعنی شرایط ریاضی تعمیم یافته است که، اگر دو اصل اساسی با یکدیگر از در سازش در می آمدند، قوانین طبیعت با آن شرایط مطابقت می یافت. پس، علم فیزیک می بایست تغییر پذیرد. چشمگیرترین تغییر نوعی قانون جدید حرکت برای نقاط مادی (با سرعت بسیار زیاد) بود، و این موضوع خیلی زود در مورد ذره های حامل بار الکتریکی تحت بررسی قرار گرفت. مهمترین نتیجه سیستم نسبیت خاص مربوط به جرم لخت هر دستگاه مادی بود. مسلم شد که لختی چنین دستگاهی باید به میزان انرژی آن بستگی داشته باشد، به طوری که ما بدین استنباط رسیدیم که جرم لخت چیزی نیست جز انرژی داخلی. بنابراین، اصل بقای جرم استقلال خود را از دست می داد و در اصل بقای انرژی ادغام می شد.نظریه نسبیت خاص که صرفاً نوعی گسترش سیستماتیک الکترومکانیک مکسول و لورنتس بود، نتایجی به بار آورد که از محدوده خود فراتر می رفت. آیا استقلال قوانین فیزیکی در برابر دستگاه مختصات می بایست به دستگاههای مختصاتی محدود بماند که نسبت به یکدیگر دارای حرکت انتقالی یکنواخت باشند؟ پس، تکلیف طبیعت با دستگاههای مختصات پیشنهادی ما و حرکتهای آنها چه می شود؟
با آنکه شاید لازم باشد برای تشریح طبیعت از دستگاههای مختصاتی که به دلخواه بر گزیده ایم استفاده کنیم، انتخاب ما در هر حال نباید تا آنجا که وضعیت حرکت آنها مطرح است محدود شود. (نظریه نسبیت عام) کاربرد این نظریه نسبیت عام با تجربه مشهوری به تعارض در می آمد، تجربه ای که به موجب آن چنین به نظر می رسید که وزن و لختی هر جسم به ثابتهایی یکسان وابسته اند (همانندی جرم ثقلی و جرم لخت). در این زمینه می توان حالت دستگاه مختصاتی را در نظر گرفت که نسبت به یک دستگاه لخت، به معنای نیوتنی آن، دارای حرکت چرخشی پایدار است. نیروهایی که، نسبت به این دستگاه، به حالت گریز از مرکز هستند، از نظر فیزیک نیوتنی باید به لختی نسبت داده شوند. اما این نیروهای گریز از مرکز، مانند گرانش، متناسب با جرم اجسامند. پس، آیا نمی توان دستگاه مختصات را همچون دستگاهی در حالت سکون، و نیروهای گریز از مرکز را همچون نیروهای گرانشی در نظر گرفت؟ این تعبیر بدهی به نظر می رسید ولی مکانیک کلاسیک آن را ممنوع می شمرد.
این طرح ساده نشان می دهد که نظریه نسبیت تعمیم یافته چگونه باید قوانین گرانش را در بر می گرفت، و پیگیری بالفعل این استنباط نیز امیدواریها را توجیه می کرد. ولی راه دشوارتر از حد انتظار بود، زیرا با هندسه اقلیدسی متناقض از آب در می آمد. به دیگر سخن، قوانین ناظر بر آرایش اجسام مادی در فضا، به طور دقیق با قوانین فضا به تعبیر هندسه اقلیدسی جامدات، توافق ندارند. این همان چیزی است که با عبارت، «نوعی خمیدگی در فضا» از آن یاد می شود. از این نظر، مفاهیم اساسی «مستقیم»، «مستوی»، و غیره معنای دقیق خود را در فیزیک از دست می دهند.
در نظریه نسبیت عام، مبحث فضا و زمان، با مبحث حرکات [سینماتیک] دیگر یکی از شالوده های مطلق فیزیک عمومی محسوب نمی شود. وضعیت هندسی اجسام و آهنگ ساعتها در وهله نخست وابسته به میدانهای جاذبه آنهاست، که اینها را نیز دستگاه مادی ذیربط به وجود می آورد.
پس نظریه جدید گرانش به میزان زیادی از نظریه گرانش نیوتنی، در مورد اصل اساسی آن، فاصله می گیرد. اما در کاربردهای عملی این هر دو چنان توافق تنگاتنگی دارند که بدشواری توانسته اند مواردی را بیابند که در متن آنها تفاوتهای بالفعل قابل مشاهده باشد. تاکنون فقط تفاوتهای زیر برای بررسی پیشنهاد شده اند:
1- اعوجاج مدارهای بیضوی سیارات در اطراف خورشید (که در مورد سیاره عطارد به تأیید رسیده است).
2- انحراف اشعه نورانی میدان گرانشی (که به وسیله هیئت اعزامی انگلیسی برای بررسی کسوف خورشید به تأیید رسیده است).
3- گرایش خطوط طیفی به سمت حد قرمز طیف در مورد نوری که از ستاره های با جرم زیاد به ما می رسد (هنوز تأیید نشده است).
اما بیشترین کشش نظریه نسبیت عام به سبب انسجام منطقی آن است، به نحوی که اگر به اثبات برسد که کوچکترین خللی در هر یک از اجزایش وجود دارد، باید آن را رها کرد. هر نوع دگرگونی در این نظریه بدون تخریب کل آن غیر ممکن به نظر می رسد.
با این اوصاف، هیچ کس نباید تصور کند که آفرینش بزرگ نیوتن را می توان به معنای واقعی با این نظریه یا با هر نظریه دیگر برانداخت. افکار روشن و پهناور او اهمیت و مفهوم خود را به عنوان سنگ زیربنای فیزیک نوین برای همیشه حفظ خواهد کرد.
پی‌نوشت‌ها:
1.analytic
2.syntbetic
3.Twisting
4.Vacuum
5.Maxwell - Lorentz
6.Kinematics
7.Coincidence
/ج
