نویسنده: نیکلاس کاپالدی
مترجم: علی حقی
مترجم: علی حقی
نگاهی به دستاوردهای آلبرت اینشتین
درآمد:
در بحث از آلبرت اینشتین، وسوسه می شویم که او را با بعضی دیگر از غولهای تاریخ علم مقایسه کنیم. او، همانند نیوتون، در زمانه خویش افسانه شد. همگان درباره او سخن می گویند؛ اما اندکی از ماهیت کار او مطلع اند، و حتی عده کسانی که آثار او را خوانده و فهمیده اند، از این هم کمتر است. قرن بیستم، به سبکی که یادآور شهرت و مردم پسند شدنِ نیوتون در قرن هفدهم و هجدهم است، در شناساندن و مردم پسند کردنِ اینشتین جهدی بلیغ ورزید. او هم همانند کوپرنیک و کپلر، آزمایشگری بزرگ نبود، اما در مواجهه با مفاهیم علمیْ انقلابی بود. او برای امور واقع پیشین، توصیف های تازه ای تدوین و تنظیم کرد و از این راه امور واقع جدیدی پیشنهاد و عرضه کرد که حتی خود آنها توصیف های تازه تری را می طلبیدند.حتی دلایلی بیش از این وجود دارد که چرا اینشتین از فیلسوفان علمْ فراوان دل ربوده است. او بیش از هر دانشمند دیگری که از چنان شایستگی و آوازه ای برخوردار است، به نظر می آید نسبت به نقش واژه های نظری در تبیین علمی حساسیت می ورزد. از اندیشمندی که مفاهیم زمان و مکان را از بن دگرگون کرده است، همین انتظار هم می رود که درخصوص فحوای چنان واژه هایی نیک تأمل ورزد. اینشتین لاجرم با مشکلاتی دست و پنجه نرم کرد که او را با مسأله روش علمی رویاروی کردند، و با این کار او از مرزی که علم را از فلسفه جدا می کرد عبور کرد.
زندگی و آثار
آلبرت اینشتین در 1879 در آلمان، زاده شد و در 1955 در ایالات متحده آمریکا روی در نقاب خاک کشید. او یکی از قربانیان بیشمار یهود ستیزی(1)بود، و هرگز توفیق نیافت از دبیرستان در آلمان فارغ التحصیل شود. خانواده اش به سویس مهاجرت کردند و او در آنجا تحصیلاتش را به اتمام رساند. بعد، اینشتین کارمند اداره ثبت اختراعات در برن شد. در همین دوران بود که ذهنش به این مطلب سخت مشغول شد که می تواند نظریه نسبیت خاص(2) را صورت بندی کند. «نظریه نسبیت خاص» نخستین بار به صورت مقاله ای کوتاه در مجله علمی آلمانی سالنامه فیزیک(3)در 1905 درج شد.یک شبه، اینشتین مرجعی رسمی و شناخته شده در حوزه کارش شد. بعد از دریافت پیشنهادهای متعدد، اینشتین در 1912 به دعوت رسمی قیصر ویلهلم دوم برای تدریس در دانشگاه برلین به آلمان مراجعت کرد.
اینشتین نظریه ای را صورت بندی کرد که در آن زمان، مکان، جرم و انرژی نسبت به همه عوامل خارجی و نه فقط نسبت به یک چارچوب سنجش، سنجش پذیر شدند. برخی از پیامدهای هیجان انگیز نظریه اش متضمن اقوالی از این دست است که، اگر شیئی سرعت بگیرد، کوچکتر و جرم آن زیادتر می شود و زمان با کندی بیشتر بر آن می گذرد. از دیدگاه نظریه علمی، او از راه استدلال مفهوم یگانی مکان- زمان[ جا-گاه] را جایگزین تقسیم ثنایی زمان و مکان کرد. اینشتین بیشتر نظریه پرداز بود تا آزمایشگر. او غالباً به انتظار می نشست تا دیگران آزمایش هایی را که به مدد نظریه او مطرح شده بودند، به مرحله اجرا گذارند. یکی از این آزمایش ها متضمن این پیش بینی بود که نور ستاره هنگامی که از کنار خورشید بگذرد خمیده می شود. آزمایش های عملی در 1919 این پیش بینی را تأیید کرد. در طی دهه بیست، آوازه اینشتین جهانگیر شد و به درجه ای از مجد و نیکنامی نائل آمد که به ندرت نصیب دانشمند دیگری گشته است.
پیشتر در 1916، اینشتین موفق به صورت بندی نظریه دیگری موسوم به نظریه نسبیت عام(4) شده بود. اینشتین در نظریه نسبیت خاص زمان را با مکان و انرژی را با جرم همسنگ کرده بود. در نظریه نسبیت عام هرچهار مفهوم را همسنگ هم کرد. سپس استدلال کرد که برحسب اصل هم ارزی(5)، گرانشی که معلول جرم است و گرانشی که معلول شتاب(6) است، هم ارزاند یا می توانند هم ارز نگاشته شوند. اینشتین برای کارهایش در 1921، برنده جایزه نوبل در فیزیک گردید.
بحث های اینشتین درباره هم ارزی یا جابجایی(7) واژه هایی نظیر زمان و مکان، الکترومغناطیس و گرانش، او را در صدر مباحث مربوط به فلسفه علم قرار داد. داعیه او این بود که هدف علم توصیف کردن همه عالم است، و هم ارزیْ توصیفی بنیادی را از همه اجزاءِ عالم به ما عرضه می کند. این اصل بیش از هر چیز دیگر، به بازنگری تمام عیارِ واژه های نظری نیازمند است.
زجر و آزار رژیم نازی در نخستین سالهای دهه سی، اینشتین را مجبور ساخت که آلمان را ترک کند. او در 1933 به ایالات متحده آمریکا مهاجرت کرد و تا هنگام مرگش در همان جا باقی ماند. در آمریکا به مقام استادی مؤسسه مطالعات پیشرفته در پرینستون، نیوجرسی، نایل شد. شاید آنچه عموم خیلی به آسانی از اینشتین به یاد می آورند، پیوندی است که او با بمب اتمی دارد. اینشتین نه فقط نظریه ای را برای تبدیل جرم به انرژی صورت بندی کرد که جاده را برای پیدایش این جنگ افزار صاف کرد، بلکه بیم ها و نگرانی هایش از نازی ها که احتمال داشت با این جنگ افزار وارد عمل شوند، او را بر آن داشت تا نامه مشهورش را به پرزیدنت روزولت بنویسد و از او مصرانه درخواست کند دولت آمریکا هم شروع به ساختن بمبی مشابه کند. او به این کار، با وجود این که خود صلح طلبی راستین بود، مبادرت ورزید.
در سالهای بعد، اینشتین بر روی نظریه میدان واحد(8) کار کرد. بیشتر پژوهش های او به تبیین عالم کبیر(9) یا اجرام بزرگ عالم برحسب نسبیت، تخصیص یافته اند. در همین زمان، دانشمندان دیگر، که درباره آنها در مقاله بعدی بیشتر سخن خواهیم گفت، در عالم صغیر(10) یا جهان اتم کندوکاو می کردند. نظریه کوانتوم(11) بالاترین مرحله رشد کندوکاو اخیر است. با وصف این، نظریه نسبیت همانند نظریه کوانتوم نبود. اما همان گونه که اینشتین بارها اظهار کرده است، علم درصدد تبیین همه طبیعت است. برای همین، نظریه میدان واحد کوششی بود برای نزدیک ساختن نظریه نسبیت و کوانتوم به یکدیگر در ترکیبی نوین. چنانکه خواهیم دید، ما تاکنون در این عرصه به کامیابی نرسیده ایم.
به غیر از مقالات علمی متعدد، پرآوازه ترین و خواندنی ترین کتابهای اینشتین عبارتند از: معنی نسبیت(12)(1923)،درباره روش فیزیک نظری(13)(1933)، جهان آن گونه که من آن را می بینم(14)(1934)،و تکامل فیزیک(15).
بررسی فشرده نظریه نسبیت خاص
نظریه نسبیت خاص را می توان به طور فشرده با عطف به عناصر زیر خلاصه کرد: تمایز آشکار بین ریاضیات محض(16) و ریاضیات کاربردی(17)، تعریفی از همزمانی(18)، تلخیصی از مکانیک کلاسیک یا گالیله ای و تنگناهای آن، راه حل های نظریه نسبیت خاص برای این تنگناها و اشاره ای به پیامدهای نظریه نسبیت خاص.ریاضیات محض فقط به روابط مفاهیم ریاضی با همدیگر، بدون ارجاع به تجربه، می پردازد. در ریاضیات کاربردی، همانند ریاضیاتی که در فیزیک است، مفاهیم انتزاعی برحسب عناصری تفسیر می شوند که بازتاب جهان تجربه اند. مهمترین مفاهیم در فیزیک که هم ریاضی اند و هم تفسیر شده اند، حرکت، زمان و مکان اند.
نظریه نسبیت، نظریه ای است در درون فیزیک که اهتمام آن به دست دادن تفسیری منسجم از مفهوم حرکت، زمان و مکان است. واژه «نسبیت»را به صورت سلبی می توان این گونه تعریف کرد که هیچ حرکت مطلقی وجود ندارد. حرکت در یک شیء همواره برای شیء دیگر نسبی است و هرگز در مکان مطلق حرکت صورت نمی گیرد.
یادآوری:
اینشتین در این مقطع توجه می دهد در تعریف سلبی هیچ چیز بخصوصی وجود ندارد. مثلاً ما در خطه ترمودینامیک هر چیزی را مبتنی بر این گزاره سلبی می کنیم که « هیچ حرکت دائمی وجود ندارد». این تصور که فقط تعریف یا گزاره ایجابی در علم معنی دار است، صرفاً تعصبی است که ما آن را از ارسطو به میراث برده ایم.در این مقطع همچنین می باید به رابطه ای که میان نظریه نسبیت خاص و نظریه نسبیت عام است، اشاره کنیم. نظریه نسبیت خاص حد یا مورد خاصی از نظریه نسبیت عام است؛ نظریه نسبیت عام امتداد منطقی نظریه نسبیت خاص است در دیگر زمینه ها. در مرحله بعد، اینشتین چکیده ای از مکانیک کلاسیک را به دست می دهد. در مکانیک کلاسیک، قوانین اقلیدسی هندسه به گونه ای تعبیر می شدند که مکان یک جسم صلب نامتناهی انگاشته می شد که برحسب آن همه اجسام می توانستند به هم مربوط شوند. مکان یک قسم جعبه یا ظرف سه بعدی نامتناهی بود. هر رویدادی در طبیعت مظهر و ثمره مختصات(ابعاد)سه گانه بود که می توانیم آنها را X، Y و Z بنامیم. زمانی که رویدادی در نقطهP(X,Y,Z)به وقوع می پیوست، به وسیله ساعت C، همزمان با رویداد، سنجیده می شد.
دشواری عمده در مکانیک کلاسیک این است که در این مکانیک تعریف روشنی از همزمانی وجود ندارد. این درست همان چیزی است که نظریه نسبیت خاص در پی ترمیم آن است. دلیل این ترمیم آشکار می شود. هنگامی که ما از مفهوم دیگری موسوم به دستگاه لختی(19) بحث کرده باشیم.
در مکانیک کلاسیک اصلی وجود دارد که در آن گفته می شود:« یک جسم حرکت مستقیم الخط و یکنواخت دارد مادام که دیگر اجسام بر آن تأثیر نکنند.» حرکت مستقیم الخط، حرکت بر روی خط مستقیم است. این اصل نامبردار به اصل گالیله(20) است(زیرا او نخستین کسی است که آن را کشف و صورت بندی کرده است)، و در قانون اول نیوتون درباره حرکت گنجانده شده است. این قانون فقط برای دستگاه های لختی اعتبار دارد. گفته می شود دو دستگاه لختی اند اگر آنها نسبت به یکدیگر در حرکت مستقیم الخط و یکنواخت باشند. یک دستگاه مجموعه ای از رویدادهای مرتبط با هم است. این قانون یا اصل در دستگاه های مختصاتِ متحرکِ دلخواهانه(21) کاربرد ندارد.
اگر اصل گالیله در مکانیک کلاسیک درست باشد، سرعت نور، «C» می باید برای دستگاه های لختی متفاوت نسبی باشد. این سرعت در دستگاههای مختلف باید متفاوت باشد. برخلاف، آزمایش نشان می دهد که سرعت نور(که سنتاً آن را به «C» نمایش می دهند) ثابت است؛ نور همیشه با یک سرعت، مستقل از رنگ و از حرکت سرچشمه نور حرکت می کند. مکانیک کلاسیک با اصل ثبات سرعت نور( که سنتاً« اصل L»(22)خوانده می شود)مغایرت دارد.
در نظریه نسبیت خاص، اصل L به عنوان یک اصل موضوع( فرض بنیادی) پذیرفته شده است. این اصل از لزوم انبوهی از مفروضات دیگر که برای نجات مکانیک کلاسیک می باید در نظر گرفته شوند، جلوگیری می کند. این فرض یا اصل موضوع را می توان این گونه بیان کرد: اصل L در همه دستگاه های لخت صدق می کند. اینشتین برای تبدیل مختصات(X، Y، Z و t)یک دستگاه لخت به مختصات دستگاه لخت دیگر، از معادلات(تبدیل لورنتس(23))که توسط فیزیکدان هلندی لورنتس فراهم آمده بود، مدد جست.
پیامدهای نظریه نسبیت خاص از این قرارند: مفاهیم زمان و مکان به مدد میله های مخصوص سنجش و ساعتها شرح داده می شوند. مفاهیم نیوتونی همزمانی مطلق و کنش از راه دور از اعتبار ساقط شدند. قوانین حرکت می باید بر وفق سرعت نور تصحیح شوند. نظریه نسبیت خاص وحدتی را که مکسول بین میدان الکتریکی و مغناطیسی قائل است و آن را صورت بندی کرده است، تعلیل می کند. مفاهیم جرم و انرژی با هم یکی شدند به گونه ای که قانون های بقای جرم(24)و بقای انرژی(25) اکنون یک قانون شده اند. خلاصه، نظریه نسبیت خاص نقش «C»(سرعت نور) را در قوانین طبیعت و نسبت زمان و مکان را در این قانونها، اثبات می کند.
اتر
همان گونه که در بحث از علوم فیزیکی در قرن نوزدهم ملاحظه کرده ایم، با نور به عنوان یک پدیده موجی رفتار می شده است. نظریه موجی نور فقط در صورتی معقول است که فضا اوصاف مکانیکی خاصی، از قبیل آکنده بودن از نوعی ماده، داشته باشد. امواج نور نیاز به یک واسطه دارند درست همان گونه که آب برای امواج آب و هوا برای امواج صوتی، واسطه اند. وانگهی، فروکاستن پدیده نور به پدیده های الکترومغناطیسی توسط مکسول نیز مشعر به وجود واسطه ای است. دلیل اینکه مکسول از فاراده در مسلم انگاشتن اتر یا واسطه برای نیروهای الکتریکی و مغناطیسی، پیروی کرد، همین مورد بود.اشکال بزرگ اتر این بود که هیچ تأیید آزمایشی مستقل بر وجود آن در دست نبود. به نظر می آید اتر یک ماده الحاقی(26)بود که نادانی ما را تعلیل می کرد یا پوشیده می داشت. از این گذشته، آزمایش 1881 مایکلسون- مورلی(27)برای اینکه ثابت کنند زمین در داخل آن چیزی که اتر گفته می شود حرکت می کند، با شکست مواجه شد. این آزمایش ها یک معضل(28) دو شاخه نظری پدید آورد: یا باید وجود اتر را نفی کنیم یا رأی کوپرنیک را که زمین حرکت می کند. اگر شق دوم پذیرفته شود، به خصوص آن گونه که در این کتاب تلخیص شد، کاملاً می توان تصور کرد که در تاریخ علم چه روی خواهد داد.
مایکلسون و اینشتین
از نظرگاه تاریخی، اینشتین برای نفی وجود اتر از آزمایش مایکلسون-مورلی تأثیر پذیرفت. او بعداً استدلال کرد که در آزمایش مایکلسون-مورلی نور به عنوان یک عامل تعیین کننده به کار گرفته شده است. از این آزمایش آشکار گردید که سرعت نور از حرکت زمین تأثیر نپذیرفته است. اینشتین از این استنباط کرد که سرعت نور بایستی ثابت باشد و حتی نباید در سرعت آن اختلالی به واسطه اجسام دیگر در عالم، از جمله خورشید، پدید آید.پیامد دیگر ثباتِ سرعت نور این است که همه قوانین می باید برای همه دستگاه های متحرک یکنواخت( فرقی نمی کند که آنها مکانیکی، نوری یا الکترومغناطیسی باشند)ثابت باشند.
یادآوری:
این به واقع باعث می شود تعریفی جدید از قانون علمی وضع شود. تاکنون، تعریف قانون محل نزاع بوده است. کلیت ساده- مثلاً همه الف ها، ب اند- نابسنده به نظر می رسد، زیرا خیلی چیزها مقتضی این قسم کلیت اند بی آنکه قانون انگاشته شوند. یکی از تعریف های قانون علمی که ما تاکنون پذیرفته ایم این است که قانون از نقشی که برای پیشنهاد کردن آزمایش های تازه ایفا می کند، ممتاز می شود. اینشتین نیز این رأی را می پذیرد که قانونهای علمی به سبب نقشی که دارند متمایز شده اند، اما او این نقش را به گونه ای متفاوت تفسیر می کند. قانون های علمی اصولی هستند که برای همه دستگاه های متحرک یکنواخت ثابت اند. بنابراین، قانون های علمی در درون نظامی کامل از تبیین ها موضوعاتی برای تعریف به شمار می آیند.مکان
نظریه نسبیت خاص اینشتین نقطه عطفی در نحوه برخورد با واژه های نظری است. در محدوده نظریه نسبیت خاص او مکان واژه ای نظری است.اینشتین مفهوم مکان را به مثابه یک چارچوب سنجش ثابت از اعتبار ساقط کرد. مکان مستقل از اشیایی که آن را اشغال می کنند، نیست؛ مکان همانا روابط فی مابین آن اشیاء است. مکان به هیچ حقیقت مشهودی راجع نمی شود و هیچ شاهد تجربی مستقیمی در حال حاضر بر وجود قسمی حقیقت مشاهده ناپذیر موسوم به مکان وجود ندارد. مکان کم و بیش زنجیره ای از تعریف ها در ارتباط با رویدادهای مشاهده پذیر است.
زمان
اینشتین درست همان گونه که مفهوم مکان مطلق را از درجه اعتبار ساقط کرد، مفهوم زمان مطلق، یعنی تصوری از زمان را که مستقل از یک چارچوب سنجش خاص باشد، نیز بی وجه دانست. زمان برای یک ساعت یا تقویم معین، نسبی است.بیشتر ما، کم و بیش، از نسبیت زمان آگاهی داریم. مثلاً می دانیم که اگر در نیویورک ساعت هشت بعدازظهر باشد، در لس آنجلس ساعت پنج بعدازظهر خواهد بود. این پرسش را که زمان واقعی چیست، هنوز نمی دانیم چگونه به آن پاسخ خواهیم داد.
از این گذشته، درخور ذکر است که ما مقیاس های مکانی را برای سنجیدن زمان به کار می بریم. ما زمان را با حرکات پاندول ساعت که بر روی فاصله درجه بندی مشخصی در نوسان است، می سنجیم. ما زمان را« به طور رسمی» از طریق« حرکت» کره آسمانی می سنجیم. خواننده به یاد خواهد آورد که در قبلاً خاطر نشان کرده ایم که قدما باور داشتند ستارگان و سیارات منطوی در کره ای آسمانی اند که به گرد زمین می گردد. ما هنوز از حرکت این کره آسمانی سخن می گوییم ولی آنچه فی الواقع مدنظر داریم حرکت ستارگان معینی است.
چند پیامد مهم از نسبیت زمان حاصل می شود. یکم، هیچ چیزی به عنوان یک « آن(29)» مستقل وجود ندارد. همه زمان ها برای چارچوب سنجش خاصی، نسبی اند. ممکن است کسی اشکال کند که می توانیم «آن» را با فهرست کردن همزمان همه چارچوبهای سنجش، مشخص کنیم. می توانیم بگوییم که«آن» در نیویورک در ساعت هشت بعدازظهر، پنج بعدازظهر در لس آنجلس و ده صبح در پاریس است. اما همان گونه که اینشتین اثبات کرد اصلاً چیزی به عنوان همزمانی مطلق وجود ندارد. این دومین پیامد نفی زمان مطلق است.
یادآوری:
استدلال اینشتین که زمان باطناً با مکان پیوند دارد، به خصوص از دو لحاظ اهمیت دارد: نخست، سنجیدن زمان همانا سنجیدن روابط مکانی معینی است. دوم، هنگامی که اخترشناس با تلسکوپ یا دوربینش آسمان را نظاره می کند، نه فقط روابط مکانی را رویت می کند، بلکه به روابط زمانی نیز می نگرد. این اخترشناس، و حتی مردم عادی که به آسمان[ و اجرام آسمانی] نظر می کنند، از حیث زمان بازپس می نگرند. زیرا ستاره هایی که ما می بینیم، در واقع مدتهای مدیدی است نورشان ساطع گردیده است. در مواردی، نور برخی ستارگان هزاران سال پیش ساطع شده است.همزمانی
به دو معنی می توانیم رویدادها را به طور همزمان بسنجیم. نخست، دو رویداد ممکن است در یک مکان، همزمان باشند: مثلاً، دو تا ساعت یا بیشتر از دو تا به طور همزمان در فروشگاه ساعت فروشی در ساعت چهار زنگ بزنند. دوم، می شود گفت دو رویداد در اماکن مختلف به طور همزمان اتفاق می افتند. در این مورد این مسأله پیش می آید که ما چگونه همزمانی دو رویداد را، که در دو مکان مجزا اتفاق می افتند، می سنجیم.برای سنجش زمان وقوع دو رویداد مجزا، نخست باید فاصله مکانی آن دو رویداد را محاسبه کنیم و این فاصله را برحسب سرعت علامتی که از یک رویداد به رویداد دیگر فرستاده شده، تقسیم کنیم. مثلاً، اگر بخواهیم همزمان بودن دو تا از ساعت هایی را که در ساعت 12 نیمه شب زنگ می زنند بیازماییم، در جایی که یکی از ساعت ها، مثلاً روی کوه است و ساعت دیگر در ته دره، و زنگ هیچ کدام از ساعت ها را در جای دیگری نمی توان شنید، این گونه باید ترتیب این کار را بدهیم که شخصی، هنگامی که زنگ ساعتی را می شنود با چراغ قوه به شخص دیگری که در کنار ساعت دیگر است، علامت بدهد. این مثال ایجاب می کند که بدانیم چگونه سرعت نور را محاسبه کنیم.
برای سنجش سرعت نور، باید ساعت هایی را در نقاط مختلف بگذاریم و به زمانی که در آن نوری از یک نقطه حرکت می کند و به نقطه دیگر می رسد، توجه کنیم. اما برای اجتناب از هرگونه خطا باید مطمئن باشیم که ساعت ها همزمان کوک شده اند. منتهی علم به همزمان شدنِ دو ساعت، همانا علم به این است که آنها برای زمان واحدی، به طور همزمان، علامت گذاری شده اند. به این ترتیب، در این استدلال به دور گرفتار آمده ایم. برای سنجش همزمانی، باید نخست سرعت نور را محاسبه کنیم، اما برای محاسبه سرعت نور اول باید دو ساعت همزمان داشته باشیم. بنابراین، داشتن همزمانی مطلق امکان ناپذیر است.
پیامد پیشگفته، اینشتین را به آموزه نسبیت همزمانی رهنمون کرد. همزمانی را در فیزیک می توان فقط به عنوان یک فرض یا مُعرّف(30)، معرفی کرد. همزمانی به یک رویداد مشاهده پذیر یا چیزی که تجربتاً آزمون پذیر باشد، راجع نمی شود، بلکه بازگشت آن به یک تعریف است که ما با آن رویدادهای مشاهده پذیر دیگر را می فهمیم. بنابراین، زمان، یا به طور اخص، همزمانی یک واژه نظری است.
یادآوری:
فیزیکدانان پیش از اینشتین لاجرم از واژه هایی برای توصیف نتیجه بخشِ رویدادها استفاده می کردند، در حالی که آن واژه ها از حیث معنی یا مصداق مبهم بودند. گالیله معتقد بود که دایره صرفاً یک تعریف در ریاضیات است، و چیز دیگری نیست. نیوتون معتقد بود که گرانش دارای«علت» است. نظریه ای که اینشتین عرضه می کند جای هیچ تردیدی برای واژه هایی نظیر زمان و مکان باقی نمی گذارد. درخصوص مصداق مکان و همزمانی هیچ نزاعی وجود ندارد. مکان مطلق و زمان مطلق( که با آن قرار بود دو رویداد همزمان را محاسبه کنیم)ذاتاً معقول اند. این واژه ها را فقط می توان تعاریفی انگاشت که برای تبیین و توضیح ارائه شده اند.اگر حرف اینشتین درست باشد، نتیجه می شود که نور سریع ترین چیز در عالم است. هیچ چیز نمی تواند تندتر از سرعت نور حرکت کند.
قوانین تبدیل
اگر زمان مطلق وجود نداشته باشد، با مشکل سنجش های به هم پیوسته در نظام های گوناگون رویدادها روبرو می شویم. مثلاً فرض کنید در داخل قطاری هستیم که از نیویورک به بوستن می رود. ما از قسمت عقب قطار داخل می شویم و به طرف کوپه مان شروع به جلو رفتن می کنیم. قطار با سرعت 54/96 کیلومتر در ساعت حرکت می کند و ما در هر ساعت 045 /8 کیلومتر راه می رویم، بنابراین سرعت ما نسبت به چشم انداز بیرون قطار 585 /104 کیلومتر در هر ساعت است. ما این پاسخ را به سادگی از طریق افزودن دو سرعت(دو تندی)به یکدیگر، به دست می آوریم.اینک مثال دیگری را در نظر بگیرید که به ظاهر مبطل نظریه اینشتین است که نور بیش از هر چیز دیگر در عالم سرعت دارد. فرض کنید چشمه نوری داشته باشیم که نور از آن با سرعت 956 /299730 کیلومتر در ثانیه گسیل می شود و موشکی با سرعت 16090 کیلومتر در ثانیه به سوی آن چشمه نور حرکت می کند. به نظر می آید اگر افرادی در موشک باشند که بتوانند سرعت نوری را که به موشک می رسد محاسبه کنند خواهند دید سرعت آن 956 /283640 کیلومتر در ثانیه است. باز اگر موشک در جهت عکس نوری که از چشمه نور گسیل می شود حرکت کند، سرعت آن به نسبت آن نور محال خواهد بود که 956 /315820 کیلومتر در ثانیه باشد. این ثابت می کند که سرعتی بیش از سرعت نور وجود دارد.
نتایج پیش گفته صرفاً محصول افزودن سرعت ها به یکدیگر است. باری اگر با سرعت 956 /299730 کیلومتر در ثانیه ثبت کنند، کسانی که در موشک دومی، که در جهت خلاف نور حرکت می کند، هستند نیز می باید رسیدن نور را به موشک با سرعت 956/ 299730[ کیلومتر در ثانیه] ثبت کنند. اینشتین نه فقط به قواعد تبدیل نیازمند بود بلکه به مجموعه ای از قواعد که تصریح به ثبات نور می کردند نیز احتیاج داشت. او این گونه قواعد را در کارهای فیزیکدان هلندی لورنتس(31) پیدا کرد.
اگرچه کار لورنتس برای مقصد دیگری طرحریزی شده بود، اینشتین توانست قواعد تبدیل لورنتس را برای رفع نیازهای خود به کار بگیرد. با این قانون های تبدیل، فاصلهْ واژه ای نسبی شد. سنجش فاصله و زمان دگرگون شد یا مبدل شد، به گونه ای که تصریح بر ثبات نور امکانپذیر گردید.
فرمول های زیر نمایانگر قوانین تبدیل لورنتس اند:
آنچه را باید به عنوان یک ارزش ثابت بر آن انگشت نهاد این است:
x، y، z نمایانگر سه بعد مکانی و زمان[ وقوع]یک رویداد در یک دستگاهند؛«c» سرعت نور؛ «d» مبین تفاوت هایی است که در دو دستگاه وجود دارد. معادله زیر بر این ثبات تصریح دارد:
همان گونه که از فرمول های فوق آشکار می گردد، فقط مفاهیم فاصله و زمان به تبدیل نیازمندند. ابعاد مکانی دیگر، به همان حال که هستند باقی می مانند. نیز آشکار می شود که در معادلات(1) و (4)، اگر v نسبت به c کمتر باشد، در نتیجه تفاوتی حاصل نخواهد شد، مشخصاً به دلیل اصل قدیمی افزودن سرعت ها به یکدیگر
پیامدها
بسیاری از پیامدهای هیجان انگیز انگشت نما که به نظریه نسبیت خاص اینشتین ربط پیدا می کنند در پرتو اصل ثبات سرعت نور قابل فهم می گردند. این پیامدها مربوط به ساعت ها، واحدهای سنجش، مسن شدن، ارتباطات آسمانی و سفر به فضا هستند.یکم، ساعت ها با افزایش سرعت کندتر کار می کنند. مثلاً اگر ساعتی در یک موشک تندرو گذاشته شود، با افزایش سرعت موشک کار ساعت کندتر می شود. اما کندتر شدن فقط برای کسانی که در روی زمین( چارچوب سنجش اصلی) هستند، محسوس یا نسبی است. برای خدمه موشک این کندی محسوس نخواهد بود.
دوم، واحدهای سنجش در جهت افزایش حرکت کمتر می شوند. فرض کنید یک خط کش به سرعت نور نزدیک شود، خط کش نابود می شود. در نتیجه، در سرعت نور همه ساعت ها متوقف خواهند شد و همه واحدهای سنجش احتمالاً محو خواهند گردید. هر دو این رخدادها، اصل L یا ثبات نور و این واقعیت را که سرعت نور بیشترین سرعت را در عالم دارد، تصویر می کنند.
سوم، نظریه اینشتین پیامدهای چشمگیر برای مسن شدن دارد. در سرعتهای زیادتر، قلب و دیگر اعضای جسمانی کندتر کار می کنند. بنابراین اگر ما سوار موشکی با سرعت زیاد بشویم، سن ما به کندی بالا خواهد رفت. ما این کندی را حس نخواهیم کرد، زیرا ساعتهای ما نیز به همین نسبت کند خواهند شد. این کند سپری شدن سن فقط برای کسانی محسوس خواهد بود که در یک دستگاه ساکن باشند. مثلاً، پدر 40 ساله ای را فرض کنید که پسری به سن 20 سال دارد و پدر با موشک تندروی مسافرتی انجام می دهد که به حساب زمین 40 سال زمان می برد. وقتی پدر مراجعت می کند، پسر 60 ساله خواهد بود و پدر ممکن است، برحسب شرایط فیزیکی 50 ساله به نظر برسد و باشد. تا جایی که به پدر مربوط می شود، ابزارهایش طول سفر را 10 سال سنجیده اند.
چهارم، در ارتباطات تلفنی و تلگرافی، ما تقریباً به پاسخ های آنی و لحظه ای عادت کرده ایم. دلیل این امر آن است که نور(امواج رادیویی و الکتریسیته سرعت یکسان دارند) 956 /299730 کیلومتر را در هر ثانیه طی می کند و هیچ دو نقطه ای بر روی زمین وجود ندارد که فاصله شان از هم بیش از حدود 19308 کیلومتر باشد. اما اگر سرعت نور بالاترین سرعت در عالم باشد، آن گاه در فواصل بسیار زیاد، که در ارتباطات بین اجرام آسمانی می باید پیموده شود، برای دریافت پاسخ بایستی مدتها انتظار کشید. مثلاً پیامی برای مریخ، هشت دقیقه به طول خواهد انجامید. دریافت پاسخ این پیام شانزده دقیقه کامل به طول خواهد انجامید. نسبت به دیگر سیارات منظومه شمسی، این پیام ها سال ها زمان خواهند برد.
پنجم، به سبب فواصل بسیار زیاد دیگر سیارات منظومه شمسی،برخی گمان زده اند امکان رسیدن به آنها با سفری میسر است که یک عمر زمان می برد. به فرض که ما بتوانیم فضاپیمای کارآمدی بسازیم، ادعا شده است که نسل دوم یا نسل های بعدی که در فضاپیما به دنیا می آیند، زنده خواهند ماند تا سیارات جدید را نظاره کنند. لکن اگر فضاپیما به اندازه کافی سریع حرکت کند سفری که سالیان مدید از دیدگاه کسانی که بر روی زمین زندگی می کنند طول می کشد، از دیدگاه سرنشینان فضاپیما ممکن است فقط سالیان اندکی به طول انجامد.
جرم و انرژی
در بحث پیشین به اثبات رسید که چگونه در نظریه نسبیت خاص اینشتین زمان و مکان یک مفهوم شده اند. اینک خواهیم دید که جرم و انرژی نیز یک مفهوم اند.منظور از جرم مقاومت جسم در برابر تغییر در حرکت است. فرمول سنتی برای تعیین جرم جسم در حال حرکت این است:
از این گذشته، چون این واقعیتی کاملاً محرز است که افزایش جرم حاکی از افزایش در انرژی است، اینشتین نتیجه گرفت که انرژی باید به جرم مربوط باشد. معادله مشهوری که ربط جرم و انرژی را به دست می دهد E=mc2 است. این فرمول که جرم و انرژی را به هم پیوند می دهد، چندین پدیده تبیین ناپذیر پیشین را تعلیل می کند. یکم، این واقعیت را تعلیل می کند که از عناصر رادیواکتیو ذراتی برای سالیان متمادی متشعشع می شود(نیمه عمر این عناصر سنجش زمان را میسر می سازد)(32). دوم، انرژی عظیم سیارات، از جمله خورشید ما، تبیین شدند. آشکار است که این اجرام جرم را به انرژی تابشی(33)مبدل می کنند؛ در غیر این صورت آنها قرن ها قبل «از بین رفته»بودند. سوم، انرژی عظیمی که از اتم ها آزاد می شود منجر به تولید بمب های هسته ای و انرژی هسته ای گردید. چهارم، اینشتین اثبات کرد که تمایز جرم و انرژیْ شرط موقت یا مظاهر معمولِ واقعیتی یگانه است.
یادآوری:
نکته چهارم به پرسش جالبی رهنمون شد: کدام یک واقعی تر است، جرم یا انرژی؟پر پیداست که پاسخ این است هیچ کدام واقعی تر نیستند. هرکدام می تواند در زمانهای مناسب و تحت شرایط مناسب به دیگری تبدیل شود. از این رو پرسشی که علم در ارتباط جرم و انرژی پاسخ می دهد، پرسشی نیست که واقعیت فرجامین را بیان کند، بلکه مبین آن است که هریک چگونه به دیگری ربط پیدا می کند. این پاسخ کاملاً همنوا با هدف علم است و توصیف کردن طبیعت.این پاسخ، خبر از پاسخ پرسشی دیگر می دهد. اگر جرم و انرژی جلوه های متفاوت یکدیگر باشند و نه جلوه های یک واقعیت نهفته و بنیادی، در این صورت شاید امواج، ذرات و غیره نیز صرفاً تجلیات یکدیگر باشند نه تجلیاتِ یک واقعیت بنیادی.
این نکته را بیشتر می کاویم. یکی از مسائل سنتی فلسفه علم تفکیک بین نمود و واقعیت است. درگذشته این مسأله را در ارتباط با کپلر و بهره جستن او از مفاهیم ریاضی و تمایزی که گالیله بین کیفیات اولیه و ثانویه قائل بود، مطرح کرده ایم؛ هم چنین این تمایز را در ارتباط با نظریه اتمی و نظریه کوانتوم در مقاله بعدی ملاحظه خواهیم کرد. اکنون، این مسأله را به صورت کلی مطرح می کنیم: شیء بنیادی در جهان چیست؟ جهان از چه چیز ساخته شده است( مسأله طالس)؟ چه چیز در جهان واقعی است؟
هنگامی که در فحوای واژه واقعیت کندوکاو می کنیم، یا انبوهی از مفاهیم تعریف شده را که خیلی واضح هم نیستند می یابیم، یا مفهومی را که به نظر می رسد برای بیشتر تعریف ها مشترک باشد. گفته می شود«X» با عنایت به «y» واقعی است و «y» صرفاً به این سبب ظاهری خوانده می شود که بشود«y»را( معمولاً به صورت علّی) یا به عنوان مظهری از«X» تبیین کرد. بر این اساس، کیفیات اولیه واقعی و کیفیات ثانویه ظاهری اند؛ زیرا کیفیات اولیهْ کیفیات ثانویه را تبیین( تعلیل) می کنند که این کیفیات ثانویه به نوبه خود مظاهری از کیفیات اولیه اند. لکن این تفکیک دلبخواهی است. هیچ دلیلی وجود ندارد که ما نتوانیم بگوییم«X» مظهری از«y» است. در واقع، این همان ایرادی است که بارکلی و هیوم در ارتباط با کیفیات عنوان کرده اند: ما نمی توانیم سرشت کیفیات اولیه را درک کنیم مگر اینکه قبلاً به کیفیات ثانویه علم پیدا کرده یا آنها را ادراک کرده باشیم. وانگهی، ممکن است معلول مقدم بر علت معلوم شده باشد. در این صورت چرا نمی شود گفت معلول هاْ واقعی و علل ظاهری اند؟
ارزش بحث اینشتین در باب جرم و انرژی و ضمناً ارزش مطالعه تاریخ علم در این است که باعث می شود دریابیم چقدر تمایز بین نمود و واقعیت گزافی و دلبخواهی است. این مسأله که کدام یک واقعی ترند،جرم یا انرژی؟ مسأله ای بی حاصل و مهمل است. هریک از این دو جلوه ای از دیگری است.
اما برخی نظریه پردازها از تبیین پیشگفته خرسند نیستند. اگر جرم و انرژی جلوه های یکدیگر و قابل تبدیل به همدیگر باشند، در این صورت این تبیین برای آنها صرفاً این معنی را می دهد که باید یک واقعیت بنیادی مشترک وجود داشته باشد. آیا این نظریه پردازها هیچ شاهدی که سرشت تجربی داشته باشد، بر باورشان مبنی بر یک واقعیت بنیادی دارند؟ خیر! باور آنها مبتنی بر تأثیر مخرب احکام جزمی قانون های کلی است.
از همان اوایل، نگرش رازورانه یونان باستان و صورت بندی اولیه آن توسط ارسطو، یعنی آموزه قانون های کلی، در تاریخ علم نفوذ و تأثیر داشته است. تبیین کردن همانا اثبات کردن این مطلب است که یک رویداد مصداقی از یک قانون کلی است که این رویداد و بسیاری رویدادهای دیگر را در برمی گیرد. بسیاری همچنان بر این باور باقی مانده اند که علم قوانین را کشف می کند.
اگر این بینش را بپذیریم که جرم و انرژی قابل تبدیل شدن به یکدیگرند، مسأله ای دشوار بر عهده نظریه پرداز قانون کلی نهاده می شود: از جرم یا انرژی کدام یک قانون کلی اند؟ کدام یک بنیادی ترند؟ اگر حق با اینشتین باشد، دیگر کار علم کشف قوانین نیست بلکه تنظیم و تدوین توصیف هایی فراخور تبیین چیزهایی است که در طبیعت اتفاق می افتند. اگر مدل تبیین قانون کلیْ تبیین های ما را گنگ و نامفهوم کند، هیچ دلیلی برای حفظ آن وجود ندارد.
از این گذشته، اگر حق با اینشتین باشد، قانون های طبیعت که او از آنها در نظریه اش بهره می برد، توصیف های رویدادها، چه واقعی و چه بنیادی، نیستند بلکه دستگاههایی از تعاریف هستند که با رویدادهای گوناگون در عالم همنوایند و توصیف های چندگانه را مبدل به همدیگر می کنند.
تأثیر مخرب قانونهای کلی را می توان به دقت در این گونه فهم و برداشت از قانون های علمی مشاهده کرد. اگر قانون های علمیْ توصیف های واقعیت فرجامین انگاشته شوند، و اگر قانونهای علمی متضمن واژه های نظری باشند که هیچ مصداق مستقیمی در تجربه ندارند، آن گاه فقط یک گام ساده تا این باور سخره آمیز باقی می ماند که گفته شود واقعیت فرجامین نامرئی است و انسان لایزال محبوس در عالم نمودهاست.
علاوه بر این، یکی از عناصر فریبنده در مدل قانون کلی، فرضی ضمنی و تلویحی است مبنی بر اینکه واقعیت یکی است. منظورم از این سخن این نظر است که نه فقط آن تبیین نهایی تحویل پذیر به نظامی صوری است، بلکه این است که نظام صوری می باید یک قانون یا اصل متعارفه بنیادی داشته باشد. هیچ مبنایی برای این شق دوم وجود ندارد بجز خرافه و پذیرش غیرنقادانه مدل قانون کلی. هیچ دلیلی وجود ندارد که چرا یک تبیین علمی درخور نتواند متضمن چندین قانون یا بسیاری از قانونها برای توصیف کردن و پیوند برقرار کردن بین رویدادهای دنیای ما باشد. به هر حال، همه ما می دانیم که اگر قانونی بنیادی وجود داشته باشد، به محض آنکه برخی متکلمان از آن دم بزنند، آن قانون با خدا یکی دانسته خواهد شد و پیامدهای اخلاقی از آن استنتاج خواهد شد.
پی نوشت ها :
1.anti-Semitism
2.special theory of relativity
3.Annalen der Physik
4.general theory of relativity
5.principal of equivalence
6.acceleration
7.transposability
8.unified field theory
9.macrocosm
10.microcosm
11.the quantum theory
12.The Meaning of Relativity
13.On the Method of Theoretical Physics
14.The World As I see It
15.The Evolution of Physics
16.pure mathematic
17.applid mathematic
18.simultaneity
19.inertial system
20.Galileo`s principle
21.arbitrary moving systems of coordinates
22.L-principle
23.Lorentz transformation
24.conservation of mass
25.conservation of energy
26.ad hoc
27.Michelson-Morley experiment
28.dilemma
29.now
30.defined term
31.H.A.Lorentz
32. منظور این است که مثلاً با دانستن نیمه عمر رادیوم می توان پیش بینی کرد که پس از گذشت حدود 1700 سال فعالیت، توده ای از رادیوم به اندازه فعالیت نصف آن کاهش خواهد یافت.- م.
33.radiant energy
