نویسنده: فیونا مک دانلد
مترجم: محمدرضا افضلی
مترجم: محمدرضا افضلی
اینشتین پس از پایان تحصیل، باید کاری پیدا می کرد. کشمکشهای او با پروفسور وِبِر به این معنا بود که درد انشکده فنی کاری به او پیشنهاد نخواهد شد؛ بنابراین اینشتین به دانشمندان معروفی که در دو دانشگاه دیگر تدریس می کردند نامه نوشت و درخواست کاری کرد. آنها جوابی به او ندادند. پس از حدود یک سال تلاش برای یافتن شغل، کار موقتی به عنوان معلم مدرسه پیدا کرد. این شغلی نبود که امید یافتن آن را داشت، اما در کمال تعجب، متوجه شد که از آن لذت می برد. اینشتین علاوه بر تدریس، تحقیقات خود را نیز ادامه می داد. او نوشتن مقاله برای نشریات علمی را شروع کرد و در این مقاله ها افکار نو و اصیل خود را شرح می داد. دانشگاه زوریخ از دادن درجه دکتری به اینشتین، به خاطر مقاله ای که در سال 1901 به این دانشگاه ارائه داده بود، خودداری کرد و او به شدت نومید و دلسرد شد. اینشتین به این نتیجه رسید که همه مؤسسات علمی برای طرد او متحد شده اند.
یک بار دیگر مارسل گراسمن به داد او رسید. پدر گراسمن در جامعه سوئیس فردی مشهور و مورداحترام بود. او اینشتین را به یکی از دوستان خود، که رئیس اداره ثبت اختراعات بِرِن بود، معرفی کرد. در ماه ژوئن سال 1902، تقریباً دو سال پس از فراغت از تحصیل، بالاخره شغلی «مناسب» به اینشتین پیشنهاد شد؛ کارشناس فنی درجه سه. او همکار گروهی شد که درخواستهای ثبت اختراع مخترعان سوئیسی را بررسی و ثبت می کرد.
اینشتین از کار در اداره ثبت اختراعات لذت می برد. این کار از لحاظ علمی سرگرم کننده بود و فرصت فراوانی در اختیار او می گذاشت تا کار روی ایده های شخصی خود را ادامه دهد. حقوق آن نیز خوب بود. اولین حقوق او 3500 فرانک سوئیس در سال بود که تقریباً سه برابر پولی بود که در دوران دانشجویی، والدینش به عنوان مقرری به او می دادند و انصافاً در تعیین این مبلغ هم سخاوت به خرج داده بودند. اینشتین خیلی زود ارتقا پیدا کرد و کارشناس فنی درجه دو شد. کارفرمایانش او را دوست داشتند و قدر او را می شناختند. در آوریل سال 1906 مدیر مؤسسه از او به عنوان « یکی از ارجمندترین کارشناسان اداره» یاد کرد.
در اواخر قرن نوزدهم، کمتر زنی می توانست به تحصیلات عالیه بپردازد و فقط مصممترین آنها تحصیل ریاضیات و فیزیک را انتخاب می کردند که در آن زمان موضوعاتی مردانه به شمار می رفت. در آن دوران معمول نبود که زنها کار دانشگاهی را هدف خود قرار دهند. بنابراین میلِوا به نوعی پیشگام محسوب می شد. در دانشکده غالباً آن دو به بحث درباره موضوعات علمی می پرداختند. بعدها آنها از طریق مکاتبه، نظریه های علمی مختلف خود را با هم در میان می گذاشتند.
تاریخ ازدواج آنها تا حدودی در پرده ابهام مانده است. به نظر می رسد که آلبرت و میلِوا، بلافاصله بعد از فارغ التحصیل شدن اینشتین، احتمالاً در سال 1901، تصمیم به ازدواج گرفتند. اما با مخالفت خانواده اینشتین، به ویژه مادرش رو به رو شدند که هرگز میلِوا را دوست نداشت. سرانجام مراسم ازدواج در ژانویه سال 1903، فقط چند هفته پس از مرگ پدر عزیز اینشتین، برگزار شد. بعدها اینشتین از نوعی حس «مقاومت درونی» در برابر این ازدواج سخن گفته است. شاید علت آن احساس گناه یا ناخشنودی از این بابت بود که می دانست برخلاف خواست خانواده اش رفتار می کند، یا شاید احساسی مبهم بود که او نتوانست تا سالها بعد آن را در قالب کلمات بگنجاند؛ احساس اینکه زندگی گوشه گیرانه را ترجیح می داد و از وظایف و مسئولیتهای خانوادگی گریزان بود.
اوایل ازدواج، زوج جوان ظاهراً سعادتمند بودند. اینشتین از پدر شدن خشنود بود. نخستین پسر آنها، هانس آلبرت، در ماه مه سال 1904 به دنیا آمد و پسر دومشان ادوارد، در ماه ژوئیه سال 1910 متولد شد.
نخستین قانونی که نیوتون شرح داد، قانون حرکت بود. قانون حرکت نیوتون می گوید که هر جسم حالت سکون یا حرکت یکنواخت خود را ادامه می دهد، مگر نیرویی خارجی بر آن وارد شود. قانون حرکت نیوتون نشان می دهد که یک نیرو چگونه بر جسمی که به آن وارد می شود اثر می کند. بنا به این قانون، وقتی نیرویی بر جسمی وارد می شود آهنگ تغییر اندازه حرکت جسم با نیرو و تغییرات آن در جهتی که اعمال می شود، متناسب است. این قانون می گوید که هر عملی را عکس العملی است، مساوی و مخالف با آن.
قانون گرانش نیوتون می گوید که هر جسمی در عالم، اجسام دیگر را با نیرویی به نام گرانی به طرف خود می کشد. این نیرو با حاصل ضرب جرمهای دو جسم تناسب مستقیم و با مجذور فاصله بین آنها، تناسب معکوس دارد. جرم به صورت مقدار ماده موجود در جسم و مقاومت جسم در برابر حرکت تعریف می شود. هرچه جسمی بزرگتر باشد، یا جرم بیشتری داشته باشد، نیروی بیشتری بر اجسام دیگر وارد می کند.
وقتی نیوتون نظریه های خود را مطرح کرد، این نظریه ها توانستند به توضیح رویدادهای فیزیکی کمک کنند.
اما قوانین حرکت نیوتون مسائل جدیدی را در برابر دانشمندانی قرار می داد که می خواستند فواصل دقیق بین اجسام یا زمان دقیق بین رویدادها را اندازه گیری کنند. هنوز مسائل مهمی وجود داشت که این قوانین قادر به حل آنها نبودند.
دانشمندان در جهت حل بخشی از نظریه های نیوتون که آنها را گیج کرده بود، پیشرفتهایی کرده بودند. اما بیش از دویست سال طول کشید تا نابغه دیگری که ذهنی به وسعت ذهن نیوتون داشت، مجموعه جدیدی از قوانین را مطرح کرد که نحوه اندازه گیری زمان و فضا را شرح می دادند... این نابغه کسی نبود بجز آلبرت اینشتین.
اینشتین در صحت این قضیه ها تردید کرد و راه جدید و دقیقتری برای توصیف آنچه واقعاً در جهان حقیقی روی می دهد، ارائه داد.
اما اگر شما شخصی بودید که روی سکوی ایستگاه ایستاده بودید و قطار از جلو شما می گذشت، چه می دیدید؟ مشاهده می کردید که درست در لحظه ای که قطار به جلو روی شما می رسد مسافر یک گاز به ساندویچ خود می زند، و سپس، لحظه ای بعد، او را می دیدید که گاز دیگری به ساندویچ خود می زند، در حالی که قطار مسافتی از شما دور شده است. از دیدگاه شما، مسافر در دو مکان به ساندویچ خود گاز زده است؛ دو مکانی که کمی از یکدیگر فاصله دارند.
حال مسئله این است: چگونه می توانیم مکانی را تعیین کنیم که مسافر در آن مکان گاز دوم را به ساندویچ خود زده است؟ چه کسی می تواند مکان «حقیقی» ساندویچ را در فضا تعیین کند؟ مسافری که سوار قطار است، یا ناظری که روی سکوی ایستگاه ایستاده است؟
اینشتین متذکر شد که مسئله به فرایند بینایی مربوط می شود. اگر ما فوراً می دیدیم، در توصیف مکانی که مسافر گاز دوم را به ساندویچ خود زده، دچار مشکل نمی شدیم. اما ما فقط به کمک پرتوهای نور می بینیم که با سرعت متناهی، هرچند بسیار زیاد، حرکت می کنند. هر نظریه ای باید ناظر را نیز در نظر بگیرد. چیزی به نام فضای « مطلق» وجود ندارد.
به محض خروج قطار از یک ایستگاه، گروهی دزد که در نقاط مختلف در طول خط آهن کمین کرده اند، به آن حمله می کنند. دو نفر از دزدان تفنگ دارند. آنها هم زمان به نگهبان و لکوموتیوران شلیک می کنند.
مسافرانی که در واگن وسط قطار نشسته اند صدای شلیک دو گلوله را، به طور هم زمان، می شنوند و وحشت می کنند. بعد از پایان ماجرا، هنگام توصیف آن، می گویند که لکوموتیوران و نگهبان به طور هم زمان تیر خوردند. آنها راست می گویند چون صدای شلیک گلوله ها را به طور هم زمان شنیده اند.
اما مأمور کنترل بلیت، که قطار از مقابلش می گذرد، صدای شلیک دو گلوله را، جدا از هم و یکی پس از دیگری، می شنود. صدای شلیک یک گلوله از نزدیک و صدای شلیک گلوله دوم از دور به گوشش می رسد. گلوله اول به نگهبان اصابت کرده و گلوله دوم به لکوموتیوران، که از مأمور کنترل بلیت دور شده است. مأمور کنترل بلیت می گوید که ابتدا به نگهبان شلیک شده است و بعد به لکوموتیوران.
چگونه می توان فهمید که کدام روایت از این رویدادها صحیح است؟ یا، آیا مسافران و مأمور کنترل بلیت، همگی راست می گویند؟ آنها، بنا به آنچه شنیده بودند، سیر یک رشته رویداد همانند را بیان کردند، اما محاسبات آنها در مورد آنچه اتفاق افتاده بود، تفاوت داشت. بنابراین، نظریه زمان مطلق نیوتون باید غلط باشد.
مورلی و مایکلسون آزمایش خود را براساس یافته های دانشمند قرن نوزدهم، جیمز کلارک ماکسول، طراحی کردند. طبق محاسبات او، نور می بایست با سرعت ثابت و به وسیله امواج تولید شده در ماده ای نامرئی به نام اِتِر، حرکت کند. در سال 1865، ماکسول نخستین دانشمندی بود که نظریه کاملی از نحوه تولید نور و سرعت حرکت آن ابداع کرده بود.
اما هنوز کسی به درستی نمی دانست که نور چگونه در فضا حرکت می کند. مورلی و مایکلسون اعتقاد داشتند که عالم مملو از اِتِر است. اگر غلظت اِتِر در همه جا یکسان باشد، پس نور نیز با سرعت ثابت از آن می گذرد. مسئله نحوه اندازه گیری این سرعت بود، زیرا هرکس که می خواست سرعت نور در حال حرکت در اِتِر را اندازه گیری کند، خود نیز در داخل اِتِر در حال حرکت بود. مشکل دیگری هم وجود داشت. اگر اِتِر واقعاً وجود داشت، آیا نمی بایست حرکت زمین در داخل آن سبب ایجاد « باد» شود؛ در این صورت سرعت پرتوهای نوری که از نزدیکی زمین می گذشت، بسته به جهت آن، نمی بایست کم یا زیاد می شد؟
مورلی و مایکلسون فکر خوبی داشتند؛ آنها قصد داشتند نور را بین چند آینه بازتاب دهند؛ بعضی از این آینه ها رو به جهتی بودند که تصور می شد زمین در آن جهت در داخل اِتر می چرخد، بعضی دیگر رو به جهت مخالف داشتند و دسته سوم بر جهت حرکت زمین عمود بودند. به کمک این آینه ها می توانستند زمان عبور نور از اِتِر را، در جهتهای مختلف، اندازه گیری کنند. سپس نتایج را با هم مقایسه می کردند. آنها انتظار داشتند که نور، وقتی در جهت چرخش زمین از اِتر عبور می کند، سریعتر و در جهت مخالف آن، آهسته تر حرکت کند.
اینشتین که در آن دوران دانشجوی دانشکده فنی زوریخ بود، درباره تحقیقات ماکسول مطالعاتی کرده بود. درواقع همین تحقیقات یکی از موضوعات بحث و کشمکش او با پروفسور وِبِر بود. او احساس می کرد که پروفسور وِبِر وظیفه دارد دانشجویانش را در جریان پرسشهایی که به ذهن دانشمندان نامدار ریاضی و فیزیک می رسد، قرار دهد.
اینشتین شخصاً درباره آزمایش مورلی و مایکلسون و درباره تلاشهای مختلفی که برای توجیه نتایج غیرمنتظره این آزمایشها انجام شده بود، مطالعه می کرد.
اینشتین عقیده داشت که نتایج غیرمنتظره ای که مورلی و مایکلسون به دست آورده اند، کاملاً قابل توجیه است. او ابتدا مدعی شد که چیزی به نام اِتِر وجود ندارد. به نظر اینشتین، اندازه گیری زمان، به سرعت حرکت شخصی که اندازه گیری را انجام می دهد، نسبت به سرعت حرکت چیزی که اندازه گیری می شود، وابسته است. تنها عامل ثابت، سرعت نور است و این دو دانشمند نیز همین را کشف کرده بودند. برای تعیین این سرعت ثابت نور، اندازه گیری فضا می بایست همراه با اندازه گیری زمان تغییر کند.
در آن دوران اینشتین تنها دانشمندی نبود که وجود اِتِر را باور نداشت. کشفیات دانشمندانی که روی اتم، کوچکترین ذره ماده که در آن هنگام شناخته شده بود، تحقیق می کردند، بسیاری از دانشمندان از جمله اینشتین را به تردید انداخته بود.
اینشتین به جای آن نظریه جدیدی را عنوان کرد که به نام « نظریه نسبیت خاص» شناخته شد. طبق این نظریه، قوانین فیزیک برای همه ناظران، تا زمانی که با سرعت ثابت و در جهت ثابت حرکت کنند، یکسان است.
مثلاً اگر کسی را هل بدهید می افتد، خواه روی زمین ایستاده باشد و خواه در هواپیمایی که در مسیر مستقیم به سرعت در حال پرواز است. اگرچه ایده های اینشتین ساده و روشن به نظر می رسند، نتایج شگفت انگیزی دارند.
نخستین نتیجه گیری اینشتین، مبنی بر اینکه سرعت نور تغییر نمی کند و به شخصی که آن را اندازه گیری می کند وابسته نیست، نتیجه حیرت آور آزمایش مورلی و مایکلسون را توجیه کرد. نظریه اینشتین که راه حل ریاضی دارد، پیش بینی می کند که همه ناظران سرعت ثابتی برای نور به دست می آورند و سرعت حرکت ناظر تأثیری در این اندازه گیری ندارد.
البته این دقیقاً همان نتیجه ای بود که مورلی و مایکلسون به دست آورده بودند.
2. هیچ چیز نمی تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند.
3. هرچه سرعت حرکت جسمی بیشتر باشد، جرم آن بیشتر افزایش می یابد.
4. نسبیت در جهانی با چهار بُعد ارتفاع،طول، عرض و زمان، روی می دهد.
5. بسته به سرعت حرکت هر جسم، زمانی که بر آن جسم می گذرد، تغییر می کند.
E=mc2
نتیجه دیگر حاصل از ایده اینشتین معادله معروف
E=mc2
( انرژی=E، جرم=m، سرعت نور=c) است، که براساس آن هیچ جسمی نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت کند.
اینشتین نشان داد که زمان بر اشخاص مختلف، بسته به سرعت حرکت آنها، به صورتهای مختلف اثر می گذرد. مثلاً اگر فضانوردان به یک سفر فضایی طولانی بروند و در این سفر با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کنند، زمان برای آنها بسیار آهسته تر می گذرد تا برای کسانی که روی زمین مانده اند.
اینشتین هم چنین پیش بینی کرد که اگر ناظران قادر به تماشای اجسامی باشند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، اتفاق حیرت آورتری روی خواهد داد. به نظر اینشتین طول چنین اجسامی به شدت کاهش و جرم آنها به سرعت افزایش می یابد.
منبع: مک دانلد، فیونا، (1390) آلبرت اینشتین: بنیانگذار نظریه نسبیت، محمدرضا افضلی، تهران، انتشارات فاطمی، چاپ سوم.
یک بار دیگر مارسل گراسمن به داد او رسید. پدر گراسمن در جامعه سوئیس فردی مشهور و مورداحترام بود. او اینشتین را به یکی از دوستان خود، که رئیس اداره ثبت اختراعات بِرِن بود، معرفی کرد. در ماه ژوئن سال 1902، تقریباً دو سال پس از فراغت از تحصیل، بالاخره شغلی «مناسب» به اینشتین پیشنهاد شد؛ کارشناس فنی درجه سه. او همکار گروهی شد که درخواستهای ثبت اختراع مخترعان سوئیسی را بررسی و ثبت می کرد.
اینشتین از کار در اداره ثبت اختراعات لذت می برد. این کار از لحاظ علمی سرگرم کننده بود و فرصت فراوانی در اختیار او می گذاشت تا کار روی ایده های شخصی خود را ادامه دهد. حقوق آن نیز خوب بود. اولین حقوق او 3500 فرانک سوئیس در سال بود که تقریباً سه برابر پولی بود که در دوران دانشجویی، والدینش به عنوان مقرری به او می دادند و انصافاً در تعیین این مبلغ هم سخاوت به خرج داده بودند. اینشتین خیلی زود ارتقا پیدا کرد و کارشناس فنی درجه دو شد. کارفرمایانش او را دوست داشتند و قدر او را می شناختند. در آوریل سال 1906 مدیر مؤسسه از او به عنوان « یکی از ارجمندترین کارشناسان اداره» یاد کرد.
ازدواجی سرشار از رمز و راز
حال که اینشتین شغلی به دست آورده بود، می توانست با میلِوا ماریک، همکلاسی سابقش در دانشکده فنی زوریخ، ازدواج کند. او زنی بسیار تیزهوش بود و ذهنی پرسشگر و شخصیتی نیرومند داشت. او نیز مانند اینشتین جلای وطن کرده بود و به سوئیس پناهنده شده بود. خانواده او اصالتاً یونانی بودند، اما خودش در مجارستان بزرگ شده بود.در اواخر قرن نوزدهم، کمتر زنی می توانست به تحصیلات عالیه بپردازد و فقط مصممترین آنها تحصیل ریاضیات و فیزیک را انتخاب می کردند که در آن زمان موضوعاتی مردانه به شمار می رفت. در آن دوران معمول نبود که زنها کار دانشگاهی را هدف خود قرار دهند. بنابراین میلِوا به نوعی پیشگام محسوب می شد. در دانشکده غالباً آن دو به بحث درباره موضوعات علمی می پرداختند. بعدها آنها از طریق مکاتبه، نظریه های علمی مختلف خود را با هم در میان می گذاشتند.
تاریخ ازدواج آنها تا حدودی در پرده ابهام مانده است. به نظر می رسد که آلبرت و میلِوا، بلافاصله بعد از فارغ التحصیل شدن اینشتین، احتمالاً در سال 1901، تصمیم به ازدواج گرفتند. اما با مخالفت خانواده اینشتین، به ویژه مادرش رو به رو شدند که هرگز میلِوا را دوست نداشت. سرانجام مراسم ازدواج در ژانویه سال 1903، فقط چند هفته پس از مرگ پدر عزیز اینشتین، برگزار شد. بعدها اینشتین از نوعی حس «مقاومت درونی» در برابر این ازدواج سخن گفته است. شاید علت آن احساس گناه یا ناخشنودی از این بابت بود که می دانست برخلاف خواست خانواده اش رفتار می کند، یا شاید احساسی مبهم بود که او نتوانست تا سالها بعد آن را در قالب کلمات بگنجاند؛ احساس اینکه زندگی گوشه گیرانه را ترجیح می داد و از وظایف و مسئولیتهای خانوادگی گریزان بود.
اوایل ازدواج، زوج جوان ظاهراً سعادتمند بودند. اینشتین از پدر شدن خشنود بود. نخستین پسر آنها، هانس آلبرت، در ماه مه سال 1904 به دنیا آمد و پسر دومشان ادوارد، در ماه ژوئیه سال 1910 متولد شد.
نابغه ای خلاق
سالهای 1905 تا 1915 سالهای تجلی خلاقیت فوق العاده اینشتین جوان بود. حتی پیش از آنکه شغلی در اداره ثبت اختراعات به اینشتین پیشنهاد شود، او انتشار مقاله در نشریات علمی برجسته آن زمان را آغاز کرده بود. در سال 1903، اینشتین همراه با دو دانشمند دیگر، « آکادمی» یا باشگاهی تشکیل داده بودند و غالباً برای بحث درباره فیزیک، فلسفه و ادبیات گرد هم می آمدند. آنها معمولاً غذای ساده ای هم با هم می خوردند: سوسیس، پنیر، میوه و چای. اینشتین یادآور می شود که آن سالها، دوران خوشی بوده است. او از شغل خود که درآمد کافی داشت، و از محفل دوستانه خود، خرسند بود. اینشتین همسری تیزهوش نیز داشت که در کارهایش او را یاری می داد. در طی همین دوران، اینشتین مجموعه ای از ایده های شگفت انگیز را مطرح کرد که روش فیزیکدانان و سایر دانشمندان را، برای تبیین جهان، تغییر داد. او می گفت:« وقتی هیچ مشکلی ندارم که ذهنم را مشغول کند، به یافتن اثباتهای جدید برای قضیه های ریاضی و فیزیکی می پردازم که از مدتها قبل روش اثبات آنها را می دانستم. هیچ هدفی از این کار ندارم و آن را صرفاً به این سبب انجام می دهم که احساس نیاز به تفکر خود را ارضا کنم.»سالی بسیار خوب
سال 1905 را معمولاً « سال بسیار خوب اینشتین» می نامند. طی چند ماه رساله دکتری خود را تکمیل کرد، دو مقاله علمی نوشت که به شکل حیرت انگیزی اصیل و بدیع بودند( در این مقاله ها نظریه نسبیت خاص را شرح داده بود)؛ دو مقاله دیگر نیز نوشت که از آنها به خوبی استقبال شد. اینشتین ایده های خود را با فرمولهای ریاضی بیان می کرد، که بسیار دقیقتر و گویاتر از کلمات اند.
قوانین حرکت و گرانش نیوتون
برای درک هرچه بهتر سهم اینشتین در تفکر علمی، باید دید که قبل از او درباره قوانین بنیادی فیزیک چه می دانستند. پیش از اینشتین، اغلب دانشمندان، نظریه های آیزاک نیوتون را قبول داشتند که تحقیقات خود را در قرن هفدهم انجام داده بود. نیوتون گفته بود که ماده از یک رشته قانون پیروی می کند.نخستین قانونی که نیوتون شرح داد، قانون حرکت بود. قانون حرکت نیوتون می گوید که هر جسم حالت سکون یا حرکت یکنواخت خود را ادامه می دهد، مگر نیرویی خارجی بر آن وارد شود. قانون حرکت نیوتون نشان می دهد که یک نیرو چگونه بر جسمی که به آن وارد می شود اثر می کند. بنا به این قانون، وقتی نیرویی بر جسمی وارد می شود آهنگ تغییر اندازه حرکت جسم با نیرو و تغییرات آن در جهتی که اعمال می شود، متناسب است. این قانون می گوید که هر عملی را عکس العملی است، مساوی و مخالف با آن.
قانون گرانش نیوتون می گوید که هر جسمی در عالم، اجسام دیگر را با نیرویی به نام گرانی به طرف خود می کشد. این نیرو با حاصل ضرب جرمهای دو جسم تناسب مستقیم و با مجذور فاصله بین آنها، تناسب معکوس دارد. جرم به صورت مقدار ماده موجود در جسم و مقاومت جسم در برابر حرکت تعریف می شود. هرچه جسمی بزرگتر باشد، یا جرم بیشتری داشته باشد، نیروی بیشتری بر اجسام دیگر وارد می کند.
وقتی نیوتون نظریه های خود را مطرح کرد، این نظریه ها توانستند به توضیح رویدادهای فیزیکی کمک کنند.
نظریه های نیوتون تکمیل می شود
دانشمندانی که پس از نیوتون به تحقیق پرداختند، با استفاده از قوانین حرکت و گرانش، بسیاری از پدیده های عالم را توضیح دادند. آنها شرح دادند که چرا سیاره ها، به ترتیبی که مشاهده می کنیم، در مدارهایی به دور خورشید می گردند.اما قوانین حرکت نیوتون مسائل جدیدی را در برابر دانشمندانی قرار می داد که می خواستند فواصل دقیق بین اجسام یا زمان دقیق بین رویدادها را اندازه گیری کنند. هنوز مسائل مهمی وجود داشت که این قوانین قادر به حل آنها نبودند.
دانشمندان در جهت حل بخشی از نظریه های نیوتون که آنها را گیج کرده بود، پیشرفتهایی کرده بودند. اما بیش از دویست سال طول کشید تا نابغه دیگری که ذهنی به وسعت ذهن نیوتون داشت، مجموعه جدیدی از قوانین را مطرح کرد که نحوه اندازه گیری زمان و فضا را شرح می دادند... این نابغه کسی نبود بجز آلبرت اینشتین.
«فضای مطلق» و « زمان مطلق»
اگرچه قوانین حرکت و گرانش طور دیگری حکم می کردند، نیوتون خود اعتقاد داشت که می توان مکان دقیق وقوع رویدادی را روی سطح زمین اندازه گیری کرد؛ به علاوه او عقیده داشت که فاصله زمانی بین دو رویداد جداگانه را نیز می توان دقیقاً اندازه گیری کرد. نیوتون احساس می کرد تنها چیزی که لازم دارد مترهایی با طول کافی و ساعتهایی کاملاً دقیق است. نیوتون این اندازه های دقیق را« فضای مطلق» و «زمان مطلق» نامیده بود.اینشتین در صحت این قضیه ها تردید کرد و راه جدید و دقیقتری برای توصیف آنچه واقعاً در جهان حقیقی روی می دهد، ارائه داد.
اندازه گیری فضا
برای درک بعضی از پرسشهایی که اینشتین پاسخ آنها را یافت، قطاری را در نظر بگیرید که روی خط آهن در حرکت است. در یکی از واگنها مسافری گرسنه در حال خوردن ساندویچ است. قطار با سرعت از ایستگاهی می گذرد و مسافر دو گاز بزرگ به ساندویچ خود می زند، از دیدگاه مسافر، او هر دو گاز را درست در یک مکان به ساندویچ خود زده است.اما اگر شما شخصی بودید که روی سکوی ایستگاه ایستاده بودید و قطار از جلو شما می گذشت، چه می دیدید؟ مشاهده می کردید که درست در لحظه ای که قطار به جلو روی شما می رسد مسافر یک گاز به ساندویچ خود می زند، و سپس، لحظه ای بعد، او را می دیدید که گاز دیگری به ساندویچ خود می زند، در حالی که قطار مسافتی از شما دور شده است. از دیدگاه شما، مسافر در دو مکان به ساندویچ خود گاز زده است؛ دو مکانی که کمی از یکدیگر فاصله دارند.
حال مسئله این است: چگونه می توانیم مکانی را تعیین کنیم که مسافر در آن مکان گاز دوم را به ساندویچ خود زده است؟ چه کسی می تواند مکان «حقیقی» ساندویچ را در فضا تعیین کند؟ مسافری که سوار قطار است، یا ناظری که روی سکوی ایستگاه ایستاده است؟
اینشتین متذکر شد که مسئله به فرایند بینایی مربوط می شود. اگر ما فوراً می دیدیم، در توصیف مکانی که مسافر گاز دوم را به ساندویچ خود زده، دچار مشکل نمی شدیم. اما ما فقط به کمک پرتوهای نور می بینیم که با سرعت متناهی، هرچند بسیار زیاد، حرکت می کنند. هر نظریه ای باید ناظر را نیز در نظر بگیرد. چیزی به نام فضای « مطلق» وجود ندارد.
اندازه گیری زمان
حال قطار دیگری را در نظر مجسم کنید؛ قطاری طولانی و کندرو که بسته های ارزشمندی را حمل می کند. نگهبانی از این قطار محافظت می کند که در انتهای قطار نشسته است. لکوموتیوران در جلو قطار مشغول راندن آن است. چند مسافر در واگنی واقع در وسط قطار، بین نگهبان و لکوموتیوران نشسته اند.به محض خروج قطار از یک ایستگاه، گروهی دزد که در نقاط مختلف در طول خط آهن کمین کرده اند، به آن حمله می کنند. دو نفر از دزدان تفنگ دارند. آنها هم زمان به نگهبان و لکوموتیوران شلیک می کنند.
مسافرانی که در واگن وسط قطار نشسته اند صدای شلیک دو گلوله را، به طور هم زمان، می شنوند و وحشت می کنند. بعد از پایان ماجرا، هنگام توصیف آن، می گویند که لکوموتیوران و نگهبان به طور هم زمان تیر خوردند. آنها راست می گویند چون صدای شلیک گلوله ها را به طور هم زمان شنیده اند.
اما مأمور کنترل بلیت، که قطار از مقابلش می گذرد، صدای شلیک دو گلوله را، جدا از هم و یکی پس از دیگری، می شنود. صدای شلیک یک گلوله از نزدیک و صدای شلیک گلوله دوم از دور به گوشش می رسد. گلوله اول به نگهبان اصابت کرده و گلوله دوم به لکوموتیوران، که از مأمور کنترل بلیت دور شده است. مأمور کنترل بلیت می گوید که ابتدا به نگهبان شلیک شده است و بعد به لکوموتیوران.
چگونه می توان فهمید که کدام روایت از این رویدادها صحیح است؟ یا، آیا مسافران و مأمور کنترل بلیت، همگی راست می گویند؟ آنها، بنا به آنچه شنیده بودند، سیر یک رشته رویداد همانند را بیان کردند، اما محاسبات آنها در مورد آنچه اتفاق افتاده بود، تفاوت داشت. بنابراین، نظریه زمان مطلق نیوتون باید غلط باشد.
اندازه گیری سرعت نور
در سال 1887، دوازده سال قبل از تولد اینشتین، دو دانشمند امریکایی به نامهای ادوارد ویلیامز مورلی و آلبرت آبراهام مایکلسون، آزمایشی برای اندازه گیری سرعت نور طراحی کردند. این دانشمندان می دانستند که هرگاه بتوان سرعت ثابتی برای نور کشف کرد، آن گاه نقطه مرجعی برای سنجش رویدادها یا فواصل دیگر نیز به دست آمده است. هدف دیگر آزمایش آنها تعیین نحوه عبور نور ستارگان دوردست از فضای «تهی» و رسیدن آن به زمین بود.مورلی و مایکلسون آزمایش خود را براساس یافته های دانشمند قرن نوزدهم، جیمز کلارک ماکسول، طراحی کردند. طبق محاسبات او، نور می بایست با سرعت ثابت و به وسیله امواج تولید شده در ماده ای نامرئی به نام اِتِر، حرکت کند. در سال 1865، ماکسول نخستین دانشمندی بود که نظریه کاملی از نحوه تولید نور و سرعت حرکت آن ابداع کرده بود.
اما هنوز کسی به درستی نمی دانست که نور چگونه در فضا حرکت می کند. مورلی و مایکلسون اعتقاد داشتند که عالم مملو از اِتِر است. اگر غلظت اِتِر در همه جا یکسان باشد، پس نور نیز با سرعت ثابت از آن می گذرد. مسئله نحوه اندازه گیری این سرعت بود، زیرا هرکس که می خواست سرعت نور در حال حرکت در اِتِر را اندازه گیری کند، خود نیز در داخل اِتِر در حال حرکت بود. مشکل دیگری هم وجود داشت. اگر اِتِر واقعاً وجود داشت، آیا نمی بایست حرکت زمین در داخل آن سبب ایجاد « باد» شود؛ در این صورت سرعت پرتوهای نوری که از نزدیکی زمین می گذشت، بسته به جهت آن، نمی بایست کم یا زیاد می شد؟
مورلی و مایکلسون فکر خوبی داشتند؛ آنها قصد داشتند نور را بین چند آینه بازتاب دهند؛ بعضی از این آینه ها رو به جهتی بودند که تصور می شد زمین در آن جهت در داخل اِتر می چرخد، بعضی دیگر رو به جهت مخالف داشتند و دسته سوم بر جهت حرکت زمین عمود بودند. به کمک این آینه ها می توانستند زمان عبور نور از اِتِر را، در جهتهای مختلف، اندازه گیری کنند. سپس نتایج را با هم مقایسه می کردند. آنها انتظار داشتند که نور، وقتی در جهت چرخش زمین از اِتر عبور می کند، سریعتر و در جهت مخالف آن، آهسته تر حرکت کند.
نتیجه غیرمنتظره
مورلی و مایکلسون، در کمال حیرت، دریافتند که سرعت نور، از هر جهت که بازتاب یابد، یکسان است. فیزیکدانان سراسر جهان به تکاپو افتادند تا این نتیجه غیرمنتظره را توجیه کنند. آیا ساعتهای مورلی و مایکلسون خراب بودند؟ آیا قوانین فیزیک نادرست بودند؟اینشتین که در آن دوران دانشجوی دانشکده فنی زوریخ بود، درباره تحقیقات ماکسول مطالعاتی کرده بود. درواقع همین تحقیقات یکی از موضوعات بحث و کشمکش او با پروفسور وِبِر بود. او احساس می کرد که پروفسور وِبِر وظیفه دارد دانشجویانش را در جریان پرسشهایی که به ذهن دانشمندان نامدار ریاضی و فیزیک می رسد، قرار دهد.
اینشتین شخصاً درباره آزمایش مورلی و مایکلسون و درباره تلاشهای مختلفی که برای توجیه نتایج غیرمنتظره این آزمایشها انجام شده بود، مطالعه می کرد.
پاسخ شگفت انگیز اینشتین
سال 1905، یکی از سالهای خوب زندگی اینشتین بود. او سرشار از انرژی و اعتماد به نفس بود. در ماه ژوئن مقاله ای منتشر کرد و در آن نظر خود را در مورد نتایج غیرمنتظره آزمایش مورلی و مایکلسون اعلام داشت.اینشتین عقیده داشت که نتایج غیرمنتظره ای که مورلی و مایکلسون به دست آورده اند، کاملاً قابل توجیه است. او ابتدا مدعی شد که چیزی به نام اِتِر وجود ندارد. به نظر اینشتین، اندازه گیری زمان، به سرعت حرکت شخصی که اندازه گیری را انجام می دهد، نسبت به سرعت حرکت چیزی که اندازه گیری می شود، وابسته است. تنها عامل ثابت، سرعت نور است و این دو دانشمند نیز همین را کشف کرده بودند. برای تعیین این سرعت ثابت نور، اندازه گیری فضا می بایست همراه با اندازه گیری زمان تغییر کند.
در آن دوران اینشتین تنها دانشمندی نبود که وجود اِتِر را باور نداشت. کشفیات دانشمندانی که روی اتم، کوچکترین ذره ماده که در آن هنگام شناخته شده بود، تحقیق می کردند، بسیاری از دانشمندان از جمله اینشتین را به تردید انداخته بود.
زمان مطلق نیست
در مورد اندازه گیری زمان، اینشتین عقیده داشت که نظریه زمان مطلق نیوتون نیز، مانند نظریه قدیمی فضای مطلق، باید کنار گذاشته شود. به نظر اینشتین، نظریه زمان مطلق نمی توانست آنچه را واقعاً در جهان روی می دهد، توصیف کند.اینشتین به جای آن نظریه جدیدی را عنوان کرد که به نام « نظریه نسبیت خاص» شناخته شد. طبق این نظریه، قوانین فیزیک برای همه ناظران، تا زمانی که با سرعت ثابت و در جهت ثابت حرکت کنند، یکسان است.
مثلاً اگر کسی را هل بدهید می افتد، خواه روی زمین ایستاده باشد و خواه در هواپیمایی که در مسیر مستقیم به سرعت در حال پرواز است. اگرچه ایده های اینشتین ساده و روشن به نظر می رسند، نتایج شگفت انگیزی دارند.
نخستین نتیجه گیری اینشتین، مبنی بر اینکه سرعت نور تغییر نمی کند و به شخصی که آن را اندازه گیری می کند وابسته نیست، نتیجه حیرت آور آزمایش مورلی و مایکلسون را توجیه کرد. نظریه اینشتین که راه حل ریاضی دارد، پیش بینی می کند که همه ناظران سرعت ثابتی برای نور به دست می آورند و سرعت حرکت ناظر تأثیری در این اندازه گیری ندارد.
البته این دقیقاً همان نتیجه ای بود که مورلی و مایکلسون به دست آورده بودند.
نظریه نسبیت اینشتین
1. سرعت نور تغییر نمی کند.2. هیچ چیز نمی تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند.
3. هرچه سرعت حرکت جسمی بیشتر باشد، جرم آن بیشتر افزایش می یابد.
4. نسبیت در جهانی با چهار بُعد ارتفاع،طول، عرض و زمان، روی می دهد.
5. بسته به سرعت حرکت هر جسم، زمانی که بر آن جسم می گذرد، تغییر می کند.
E=mc2
نتیجه دیگر حاصل از ایده اینشتین معادله معروف
E=mc2
( انرژی=E، جرم=m، سرعت نور=c) است، که براساس آن هیچ جسمی نمی تواند با سرعتی بالاتر از سرعت نور حرکت کند.
اینشتین نشان داد که زمان بر اشخاص مختلف، بسته به سرعت حرکت آنها، به صورتهای مختلف اثر می گذرد. مثلاً اگر فضانوردان به یک سفر فضایی طولانی بروند و در این سفر با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کنند، زمان برای آنها بسیار آهسته تر می گذرد تا برای کسانی که روی زمین مانده اند.
اینشتین هم چنین پیش بینی کرد که اگر ناظران قادر به تماشای اجسامی باشند که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، اتفاق حیرت آورتری روی خواهد داد. به نظر اینشتین طول چنین اجسامی به شدت کاهش و جرم آنها به سرعت افزایش می یابد.
نظریه کوانتومی
اینشتین در پی مقاله راهگشای خود در ژوئن سال 1905، چندین مقاله دیگر نیز منتشر کرد. در سال 1907 یکی از نخستین مقالاتی را منتشر کرد که به کشف یکی دیگر از نظریه های مهم فیزیک در قرن بیستم، به نام نظریه کوانتومی، منتهی شد. هنگامی که خبر تحقیقات درخشان اینشتین به همه جا رسید، با پینشهادهای شغلی متعددی رو به رو شد. در سال 1909 از اداره ثبت اختراعات استعفا داد و به مقام استادی دانشگاه زوریخ منصوب شد. او از زوریخ به پراگ و از پراگ به برلن نقل مکان کرد. در برلن شغلی به او پیشنهاد شد که برای شخص او ایجاد شده بود: مدیریت یک مؤسسه پژوهشی جدید و معتبر. اینشتین دیگر ناچار به تدریس نبود، بنابراین فرصت خوبی برای تحقیق داشت. در سال 1913 از او دعوت شد که به عضویت فرهنگستان پروس درآید. اینشتین در سی و چهار سالگی به اوج موقعیت حرفه ای خود رسیده بود.منبع: مک دانلد، فیونا، (1390) آلبرت اینشتین: بنیانگذار نظریه نسبیت، محمدرضا افضلی، تهران، انتشارات فاطمی، چاپ سوم.
