نویسنده: جان گریبین
مترجم: رضا خزانه
مترجم: رضا خزانه
اندازه گیری سرعت نور
تا زمانی که ماکسول نظریه الکترومغناطیسی نور را توسعه می داد، یک گواه تجربی کلیدی دیگر (یا شاید دو گواه که با یکدیگر ارتباط داشتند) مورد بحث قرار گرفته بود. در پایان دهه 1840، آرمان فیزو (1896-1819)، فیزیک دان فرانسوی که در ضمن کسی بود که پدیده دوپلر را در مورد نور توضیح داد، اولین اندازه گیری واقعی سرعت نور از زمین را انجام داده بود. او برای این منظور باریکه ای از نور را از درون شکاف چرخ دندانه داری (مانند شکاف های دندانه های بالای برج قصرها) از بالای تپه سورن (Surenes) در پاریس به 8 کیلومتر دورتر به بالای تپه مونمارتر فرستاد. این باریکه نور پس از طی این مسافت، توسط آینه ای منعکس می شد و دوباره به چرخ دندانه دار باز می گشت. این آزمایش تنها در صورتی جواب می داد که چرخ با سرعت درستی دوران می کرد. فیزو با دانستن سرعت دوران چرخ، توانست زمان رفت و برگشت نور را اندازه گیری کند و برآوردی که از سرعت نور به دست آورد با مقدار امروزی آن 5 درصد تفاوت دارد. در سال 1850، فیزو نشان داد که نور با سرعتی کمتر در آب نسبت به هوا حرکت می کند، نتیجه ای که پیش بینی کلیدی تمام مدل های موجی نور بود. سرانجام این طور به نظر آمد که آخرین میخ بر گور مدل ذره ای نور کوبیده شده است زیرا این مدل پیش بینی می کرد که سرعت نور در آب بیش از هواست. لئون فوکو (1868-1819) که در دهه 1840 در عکس برداری علمی با فیزو کار می کرد (آنها به کمک یکدیگر اولین عکس دقیق را از سطح خورشید تهیه کردند) نیز به اندازه گیری سرعت نور علاقه داشت و آزمایشی را توسعه داد که آراگو مبتکر آن بود (و بر پایه ایده ای از ویتستون قرار داشت). این آزمایش ابتدا با دستگاهی ساخته آراگو که از سال 1850 به بعد، بینایی خود را از دست داد، انجام شد. در این آزمایش، نور پس از بازتاب از آینه ای در حال دوران از آینه ای ایستا بازتابیده و یک ثانیه بعد پس از برخورد مجدد با آینه دوار منعکس می شد. مقدار انحرافی که در باریکه نور ایجاد شده است، نشانگر آن بود که آینه دوار در مدت زمانی که نور به آینه ایستا برخورد کرده و بازگشته، چه اندازه حرکت کرده است. در اینجا نیز با آگاهی از سرعت دوران آینه دوار، سرعت نور را به دست می آوریم. فوکو در سال 1850 با معکوس کردن رویکرد فیزو برای اولین بار (قدری پیش از فیزو) نشان داد که نور در آب آهسته تر حرکت می کند تا در هوا. او سپس سرعت نور را اندازه گرفت. او تا سال 1862 دقت این آزمایش را آن قدر افزایش داد که به عدد 298005 کیلومتر در ثانیه، یعنی با 1% اختلاف نسبت به برآورد امروزی رسید (که 299792/5کیلومتر در ثانیه است). رویدادهای بعدی نشان داد که این اندازه گیری دقیق سرعت نور، برای نظریه ماکسول فوق العاده ارزشمند بوده است.ماکسول نه در یک بلکه در دو خانواده مشهور اسکاتلند ریشه داشت که نسبتاً مرفه بودند. ماکسول های میدلبی (Middlebie) و کلرک های پنی کویک (Penicuik) از طریق دو ازدواج، از قرن هجدهم با هم پیوند داشتند. این ملک میدلبی بود (قریب 1500 اکر زمین زراعتی نزدیک دالبیتی (Dalbeattie) در منطقه گالووی (Galloway) در گوشه جنوب غربی اسکاتلند) که به پدر ماکسول، جان کلرک، به ارث رسید و در نتیجه او نام ماکسول را بر خود نهاد؛ ملک پنی کویک به برادر بزرگ او جورج به ارث رسید (از نظر حقوقی، تقسیم ارث به نحوی تنظیم شده بود که دو ملک به یک نفر نرسد).جورج با نام سِر جورج کلرک نماینده میدلوتین (Midlothian) در پارلمان بود و در کابینه رابرت پیل خدمت کرد. ملک موروثی میدلبی ارزش زیادی نداشت، از زمین های نا مستعدی تشکیل می شد و حتی خانه ای برای اقامت صاحب خود نداشت. جان کلرک ماکسول، اغلب در شهر ادینبورو زندگی می کرد و به صورت ناپیوسته به حرفه حقوق اشتغال داشت. او بیشتر علاقه مند بود که از پیشرفت علم و فناوری آگاه شود (که همان طور که دیدیم، در اولین دهه های قرن نوزدهم در ادینبورو به وفور یافت می شد). اما او در سال 1824 با فرانسس کی (Frances Cay) ازدواج کرد، خانه ای در میدلبی ساخت و در آنجا سکونت کرد. او زمین ها را آباد کرد، سنگ های بزرگ را از روی زمین ها جمع آوری و آنها را برای زراعت آماده کرد.
جیمز کلرک ماکسول در 13 ژوئن سال 1831 در ادینبورو، نه در گالووی به دنیا آمد. خانواده او برای برخورداری از مراقبت های بیشتر پزشکی هنگام زایمان به این شهر رفته بودند. این مراقبت برای خانم ماکسول به ویژه از این جهت اهمیت داشت که وی در آن زمان بیش از چهل سال داشت و فرزند قبلی آنها، الیزابت که چند ماه زودتر به دنیا آمده بود، پس از مدتی درگذشت. جیمز که تنها فرزند آنها بود، در خانه جدیدی به نام گلن لیر (Glenlair) بزرگ شد، با کودکان محلی بازی می کرد و با این وجود که از خانواده ای نسبتاً اشرافی بود، لهجه غلیظ گالوویایی داشت. دالبیتی، زمانی که ماکسول کودک بود، واقعاً جای دور افتاده ای بود. گر چه این شهر از شهر گلاسکو تنها 110 کیلومتر فاصله داشت، اما رفتن به آن یک روز طول می کشید و شهر ادینبورو پیش از آنکه راه آهن گلاسکو- ادینبورو در سال 1837 آغاز به کار کند، به اندازه دو روز با آنجا فاصله داشت. همان طور که لزوم برداشتن سنگ ها از روی زمین ها قبل از آغاز به کشت نشان می دهد، وضع خانوادگی ماکسول از بعضی جهات بیشتر مانند خانواده ای پیشگام در غرب ایالات متحده در زمانی بود که خانواده انگلیسی هم تراز آنها در چند کیلومتری بیرمنگام زندگی می کرد.
مادر ماکسول در سن 48 سالگی از سرطان فوت کرد. در آن زمان ماکسول 8 سال داشت و شاید این حادثه تأثیر بازدارنده در رشد شیوه های زمخت و خالی از ظرافت او را در زندگی از میان برداشت. او کودک شادی بود، با پدر خود رابطه نزدیکی داشت و وی کنجکاوی پسر خود را به دنیا و رشد فکری تشویق می کرد. اما پاره ای از کارهای آنها عجیب بود. از جمله، آنها لباس ها و کفش های خود را طوری طراحی می کردند که از نظر عملی مناسب باشد، هر چند با مد آن روزگار تناسبی نداشت. تنها ابر سیاه در گلن لیر وجود معلمی جوان بود (که خود او هم پسر بچه ای بیش نبود). وی در زمانی که مادر جیمز دوران پایانی بیماری خود را طی می کرد، برای درس دادن به جیمز استخدام شده بود. به نظر می رسد که این معلم درس را عملاً با کتک زدن به این کودک القا می کرد. این وضعیت دو سال طول کشید زیرا جیمز لجوجانه از شکایت از رفتار معلم به پدرش خودداری می کرد. اما در سن 10 سالگی، او را برای آموزش مناسب به آکادمی ادینبورو فرستادند و در آنجا در منزل یکی از عمه های خود زندگی می کرد.
ظاهراً دانش آموزان دیگر در آکادمی (زمانی به آنجا رسید که ترم شروع شده بود) با این پسر که لباسی کهنه و غیر عادی پوشیده بود و به لهجه دهاتی صحبت می کرد، رفتاری مورد انتظار در پیش گرفتند. پس از آنکه بعضی از برخوردهای اولیه با مشت و کتک حل شد، بر ماکسول نام خودمانی «خل وضع» نهادند. این نام گذاری تنها به علت ظاهر و آداب عجیب او بود و ربطی به کمبود فکریش نداشت. او در آنجا چند دوست پیدا کرد، یاد گرفت که دیگران را تحمل کند و از دیدارهای پدرش در ادینبورو خوشحال می شد. در این دیدارها، پدرش اغلب او را برای تماشای نمایش های علمی با خود می برد. زمانی که 12 سال داشت، پدرش او را برای دیدن نمایشی در مورد پدیده الکترومغناطیس در انجمن سلطنتی با خود همراه کرد. ماکسول در ظرف چند سال مهارت استثنایی در ریاضی از خود نشان داد. او در سن 14 سالگی روشی برای رسم شکل بیضی با استفاده از حلقه ریسمانی اختراع کرد. با این وجود که این اختراع یک نوآوری محسوب می شد، دستاورد برجسته ای نبود. اما جیمز به وسیله های ارتباطاتی که پدرش داشت، آن را به عنوان اولین مقاله خود در مذاکرات انجمن سلطنتی منتشر کرد. ماکسول در سال 1847 در سن 16 سالگی (سن معمولی برای ورود به دانشگاه در اسکاتلند) به دانشگاه ادینبورو رفت. او سه سال در آنجا تحصیل کرد ولی بدون انتظار برای دریافت پایان نامه تحصیلی رهسپار کمبریج شد و ابتدا در پیترهاوس و پس از پایان ترم اول در ترینیتی، کالج قدیمی نیوتون، اقامت کرد. در سال 1854 با رتبه دوم فارغ التحصیل شد. چون دانشجوی ممتازی بود، عضو ترینیتی شد. اما فقط تا سال 1856 در آنجا ماند و سپس به عنوان استاد علوم طبیعی در کالج ماریشال در شهر ابردین (Aberdeen) مشغول به کار شد.
ماکسول در مدت کوتاهی که عضو کمبریج بود، به اندازه کافی فرصت داشت تا دو کار مهم را به انجام برساند. اولی توسعه نظریه بینایی رنگ ها بر پایه کار یانگ بود. او نشان داد که می توان با «اختلاط» چند رنگ، چشم را به نحوی فریب داد که گویا رنگ های بسیاری را می بیند (آزمایش کلاسیک برای نشان دادن این موضوع آن است که بخش های مختلف یک فرفره را با رنگ های متفاوت رنگ کنیم؛ اگر این فرفره را بچرخانیم، رنگ های بسیاری پدیدار می شود). او همچنین مقاله مهمی درباره خطوط نیروی فارادی نوشت و به دقت معلوم کرد که چه بخشی از الکترومغناطیس در آن زمان شناخته شده و چه کارهایی در این زمینه باقی مانده است. این مقاله مبنای مطالعات بعدی او بود. کار ماکسول درباره بینایی رنگ ها (او این کار را در سال های آخر عمرش توسعه داد) مبنایی برای عکس برداری رنگی بود که با ترکیب عکس های تک رنگ با سه صافی مختلف (قرمز، سبز و آبی) تهیه می شد؛ تحقیقات او همچنین مبنای دستگاه تلویزیون رنگی، نمایش گرهای رایانه های امروزی و چاپگرهای مرکب پاش رنگی را تشکیل می دهد.
پدر ماکسول در 2 آوریل سال 1856 کمی پیش از آنکه جیمز به پست ابردین منصوب شود در گذشت؛ اما او مدت زیادی تنها نماند زیرا در سال 1858 با کاترین ماری دوار (Katherine Mary Dewar)، دختر رئیس کالج که هفت سال از او بزرگ تر بود ازدواج کرد. آنها هیچ گاه صاحب فرزند نشدند ولی کاترین در بیشتر کارهای ماکسول به عنوان دستیار به او کمک می کرد. این پیوند خانوادگی در زمینه کاری ماکسول تأثیر نداشت زیرا در سال 1860، کالج ماریشال و کینگز کالج ابردین به یکدیگر پیوستند (که بعداً دانشگاه ابردین را تشکیل دادند). این مؤسسه جدید تنها به یک استاد علوم طبیعی نیاز داشت و ماکسول از همکار خود در کینگز کالج جوان تر بود (آن همکار برادر زاده ی فارادی بود ولی این پیوند خانوادگی در انتخاب او تأثیر نداشت). در نتیجه ماکسول باید از ابردین می رفت. پر ارزش ترین کاری که ماکسول در ابردین انجام داد، مطالعه نظری درباره حلقه های سیاره زحل بود. مطالعات او نشان داد که این حلقه ها باید از تعداد زیادی ذرات ریز یا ماه های کوچک تشکیل شده باشد که هر کدام مدار خود را به دور سیاره طی می کند. محتمل به نظر می رسد که روش حل ریاضی مسئله ذرات بسیار زیاد که برای این نتیجه گیری ضروری بود، به ماکسول در راستای سهمی که در نظریه جنبشی داشت کمک کرده باشد. انگیزه این کار او که در فصل گذشته از آن صحبت کردیم، بعد از خواندن کار کلاوزیوس شکل گرفت. زمانی که در اواخر قرن بیستم، تصویرهای رنگی حلقه های زحل توسط ردیاب های فضایی به زمین مخابره شد، از فن عکس برداری سه رنگی ماکسول استفاده شد. به این ترتیب عکس های ماه های کوچکی که ماکسول پیش بینی کرده بود تهیه و به وسیله امواج رادیویی که یکی دیگر از پیش بینی های ماکسول بود (چنانچه به زودی خواهیم دید) به زمین مخابره شد.
نظریه کامل الکترومغناطیسی جیمز کلرک ماکسول
ماکسول و همسرش از ابردین به گلن لیر بازگشتند. او در همان اوایل به بیماری آبله مبتلا شد ولی به موقع سلامتی خود را بازیافت تا پست استاد علوم طبیعی و اخترشناسی کینگز کالج لندن را درخواست کند و به دست آورد. در آنجا بود که کار بزرگ خود درباره نظریه الکترومغناطیس را تکمیل کرد. اما مجبور شد در سال 1866 به علت بیماری از پست خود استعفا دهد. هنگامی که در هوای آزاد مشغول اسب سواری بود، سرش به شاخه درختی اصابت کرد و زخمی شد. این زخم منجر به حمله شدید باد سرخ، نوعی بیماری التهاب آور شد (اکنون می دانیم که این بیماری به علت عفونت میکروب استرپتوکوک است). اثرات آن سردردهای شدید، استفراغ و زخم های کبودرنگ در روی صورت بود. برخی از مورخان این آسیب را در ارتباط با بیماری آبله ای دانسته اند که ماکسول قبلاً به آن مبتلا شده بود.کار بزرگ ماکسول از حدود ده سال پیش، زمانی که به خطوط نیروی فارادی علاقه پیدا کرد، فکر او را به خود مشغول ساخته بود. در دهه 1840، ویلیام تامسون نوعی قیاس ریاضی بین نحوه شارش گرما در اجسام و نقش نیروهای الکتریکی پیدا کرده بود. ماکسول کار خود را از این مطالعات آغاز کرد. او پس از مکاتبه با تامسون که به روشن شدن ایده هایش کمک کرد، به جستجوی قیاس های دیگر پرداخت. ماکسول در جریان این بررسی ها به مدل میانبری بر پایه ایده ای دست یافت که از نظر امروزی ما بسیار عجیب به نظر می آید. براساس این ایده نیروهای الکتریسیته و مغناطیس از طریق برهم کنش های گردشارها یا چرخاب ها در داخل شاری که تمام فضا را پر کرده است منتقل می شوند. اما عجیب بودن این مدل فیزیکی مانع از توسعه ایده های ماکسول نشد، زیرا او تفسیر درستی از آنها داشت. به نظر او این تصویرهای فیزیکی کمتر از معادلات ریاضی ارزش دارند که آنچه را که روی می دهد تشریح می کنند. او در سال 1864 نوشت:
به جا است که حقیقت علمی بنا به طرز فکر مختلف اشخاص، به شکل های مختلفی ارائه شود اما باید اهمیت علمی آنها را معادل یکدیگر دانست. این حقیقت ممکن است یا به شکل پویا و روشن یک تصویر فیزیکی و یا به شکل ضعیف و بی رمق بیان نمادین ارائه شود.(1)
این مطلب تقریباً مهم ترین چیزی است که ماکسول در تمام مدت عمر خود نوشته است. با توسعه علم در قرن بیستم (به ویژه نظریه کوانتوم)، به طور روزافزونی آشکار شد که تصویرها و مدل های فیزیکی که ما از آنها برای تصور آنچه در واقع در مقیاس های فراتر از احساس می گذرد استفاده می کنیم، صرفاً تکیه گاه هایی برای تصور ما هستند. ما تنها می توانیم بگوییم که پدیده ای خاص در بعضی شرایط رفتاری دارد که «گویی» مثلاً مانند ریسمانی مرتعش است و نه اینکه واقعاً یک ریسمان مرتعش باشد (یا هر چیز دیگر). همان طور که بعداً خواهیم دید، ممکن است شرایطی به وجود آید که افراد مختلف از مدل های متفاوتی برای تجسم پدیده ای معین استفاده کنند، در همه آنها بر مبنای ریاضیات به پیش بینی های یکسانی درباره واکنش آن پدیده نسبت به بعضی محرک ها می رسند. ما با کمی پیش افتادن از شرح داستان خود، در می یابیم که کاملاً درست است اگر بگوییم که نور در بسیاری از شرایط (به ویژه در حرکت از نقطه ای به نقطه دیگر) مانند موج عمل می کند، در حالی که در پاره ای از موارد دیگر، همان طور که نیوتون فکر می کرد، رفتاری مانند جریانی از ذرات دارد. ما نمی توانیم بگوییم که نور موج است یا ذره؛ ما تنها می توانیم بگوییم که در برخی شرایط مانند موج و در برخی شرایط مانند ذره عمل می کند. همانندی دیگری که آن هم مربوط به علم قرن بیستم است، می تواند به روشن شدن این موضوع کمک کند. بعضی اوقات از من سؤال می شود که آیا عقیده دارم که مهبانگ «واقعاً» وجود داشته است. بهترین پاسخ این است: علائمی که در دست است با این ایده که جهان امروزی ما از حالتی داغ و متراکم (مهبانگ)، در حدود 13 میلیارد سال پیش تکامل یافته باشد، مطابقت دارد. بر اساس این دیدگاه، من معتقدم که مهبانگ وجود داشته است. اما این بیان به عنوان مثال، از جنس آن عقیده ای نیست که بنای یادبود هوراشیو نلسون در میدان ترافالگار وجود دارد. من این بنای یادبود را دیده و لمس کرده ام؛ بنابراین باور دارم که این بنا در آنجاست. من مهبانگ را نه دیده و نه لمس کرده ام اما می دانم که مدل مهبانگ بهترین راه برای تجسم چگونگی جهان زمان های پیش است. و این تصویر با مشاهدات ما در حال حاضر و محاسبات ریاضی هماهنگی دارد.(2) اینها تمام نکات مهمی هستند که وقتی که از علم کلاسیک نیوتون (به طور کلی به معنای چیزهایی که می توانیم ببینیم و لمس کنیم) دور می شویم و به ایده های قرن بیستم می رسیم (که از بعضی جهات به چیزهایی که قابل لمس نیست مربوط می شود)، باید در نظر بگیریم. مدل ها مهم اند و به ما کمک می کنند؛ اما آنها حقیقت محض نیستند؛ تا آنجا که حقیقت علمی وجود داشته باشد، این حقیقت در معادلات وجود دارد و ماکسول به چنین معادلاتی دست یافت.
او در سال های 1861 و 1862 چهار مقاله تحت عنوان درباره خطوط فیزیکی نیرو (On Physical Lines of Force) منتشر کرد که از تصویر گردشارها استفاده می کرد، اما در میان چیزهای دیگر، به این موضوع می پرداخت که این امواج در این شرایط چگونه پخش خواهند شد. سرعت حرکت این امواج به خواص محیط بستگی دارد. ماکسول با در نظر گرفتن خواص مربوط به الکتریسیته و مغناطیس که تا آن زمان شناخته شده بود دریافت که محیط باید این امواج را با سرعت نور انتقال دهد. هیجان او از این اکتشاف با توجه به بیان خودش در یکی از مقالات سال 1862 نمایان است که در آن بر اهمیت این اکتشاف با حروف ایتالیک تأکید می کند: «ما به زحمت می توانیم از این برداشت اجتناب کنیم که نور از امواج عرضی همان محیطی تشکیل شده است که عامل پدیده های الکتریسیته و مغناطیس است.»
نور نوعی آشفتگی الکترومغناطیسی است
ماکسول با بهبود بخشیدن نظریه ریاضی خود به زودی دریافت که می تواند این گردشارها و همچنین محیط دست اندر کار را کنار بگذارد. تصویر فیزیکی به او کمک کرده بود تا معادلات را بسازد اما معادلات به محض شکل گیری روی پای خود ایستادند. قیاس چشمگیر در این زمینه، کلیسای جامع قرون وسطایی است که به کمک داربست چوبی تق و لقی ساخته شده است. کلیسای جامع با برداشتن داربست بدون کمک از خارج، با افتخار روی پای خود می ایستد. ماکسول در سال 1864 مقاله شاهکار خود را تحت عنوان «نظریه دینامیکی میدان الکترومغناطیسی» (A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field) منتشر کرد که همه گفتنی ها درباره الکتریسیته و مغناطیس کلاسیک را در چهار معادله که اکنون به نام معادلات ماکسول مشهورند جمع بندی کرد. هر مسئله ای که به الکتریسیته و مغناطیس مربوط می شود، بجز بعضی از پدیده های کوانتومی را می توان با استفاده از این معادلات حل کرد. از آنجا که این معادلات همه مسائل الکتریسیته و مغناطیس را حل می کند، ماکسول همچنین امکان یگانه کردن این دو نیرو را در یک مجموعه که ابتدا فارادی به آن اشاره کرده بود تکمیل کرد؛ در آنجایی که الکتریسیته و مغناطیس وجود داشت، اکنون یک میدان به نام میدان الکترومغناطیسی وجود دارد. همه این دلایل نشان می دهد که چرا ماکسول در کنار نیوتون در معبد بزرگ خدایان علم قرار می گیرد. قوانین و نظریه گرانی نیوتون و معادلات ماکسول، هر چیز شناخته شده ای در فیزیک تا پایان دهه 1860 را توضیح می داد. بدون تردید دستاورد ماکسول، بزرگ ترین دستاورد فیزیک از زمان پرینسیپیا بود. البته روی کیک، خامه هم وجود داشت. این معادلات شامل ثابتی به نام c است که سرعت حرکت امواج الکترومغناطیس را نشان می دهد. این ثابت با خواص قابل اندازه گیری الکتریکی و مغناطیسی در ارتباط است. در آزمایش هایی برای اندازه گیری این خواص، آن طور که ماکسول بیان می کند، «تنها استفاده ای که از نور شد... مشاهده دستگاه های اندازه گیری بود.» اما عددی که از این آزمایش ها به دست آمد (مقدار c) در محدوده خطاهای آزمایشی، دقیقاً برابر با سرعت نور بود ( که تا آن زمان به خوبی تعیین شده بود):این سرعت به قدری به سرعت نور نزدیک است که به نظر می آید ما دلایل قوی در دست داریم که خود نور (و گرمای تابشی و هر نوع تابش دیگر) نوعی آشفتگی الکترومغناطیسی و به شکل امواجی است که بر مبنای قوانین الکترومغناطیس، به وسیله میدان الکترومغناطیسی منتشر می شوند.
اشاره به «هر نوع تابش دیگر» مهم است؛ ماکسول پیش بینی کرد که ممکن است اشکال دیگری از امواج الکترومغناطیسی با طول موج های بسیار بزرگ تر از نور مرئی وجود داشته باشد که ما اکنون آنها را امواج رادیویی می نامیم. در اواخر دهه 1880، هاینریش هرتز (1894-1857)، فیزیک دان آلمانی، آزمایش هایی انجام داد که وجود این امواج را تأیید می کرد. او نشان داد که این امواج با سرعت نور حرکت می کنند و می توان آنها را مانند نور منعکس، منکسر یا پراشیده کرد. این گواه دیگری بر درستی نظریه نور ماکسول بود.
هر چند این معادلات و اثبات تجربی آنها ارضا کننده است، اما همان طور که ماکسول درک کرد، تفکر درباره آنها با استفاده از یک مدل مفید است، به شرط آنکه به خاطر داشته باشیم که این مدل در واقعیت برقرار نیست و تنها ساختاری است برای کمک به ما تا تجسمی از آنچه روی می دهد داشته باشیم. در این مورد یک راه برای تجسم انتشار نور (یا تابش های الکترومغناطیسی دیگر) آن است که به طناب کشیده ای فکر کنیم که یک انتهای آن بسته است. به خاطر داشته باشیم که همان طور که فارادی کشف کرد، هر میدان مغناطیسی متحرک، میدان الکتریکی ایجاد می کند و بر عکس. میدان الکتریکی متحرک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. اگر با تکان دادن طنابی کشیده شده به آن انرژی بدهیم (معادل انرژی که با برقرار کردن جریانی ابتدا در یک جهت و بعد در جهت دیگر به سیم یا یک دستگاه آنتن به منظور ایجاد میدان الکترومغناطیسی داده می شود)، می توانیم ریزموج هایی در راستای طناب بفرستیم. اگر طناب را به بالا و پایین بجنبانیم، ریزموج های عمودی ایجاد می شود و اگر طناب را به جلو و عقب حرکت دهیم، موج های افقی پدید می آید. یکی از مواردی که معادلات ماکسول به ما می گوید آن است که ریزموج های الکتریکی و مغناطیسی معادل در امواج الکترومغناطیسی بر هم عمود هستند. بنابراین اگر ریزموج های الکتریکی عمودی باشند، ریز موج های مغناطیسی افقی هستند. در هر نقطه در طول موج (در طول طناب)، میدان الکتریکی به طور پیوسته با گذر ریزموج ها تغییر می کند. اما این امر به آن معناست که باید میدانی مغناطیسی وجود داشته باشد که پیوسته در حال تغییر است و میدان الکتریکی، آن را ایجاد کرده است. بنابراین در هر نقطه در طول مسیر موج، میدان مغناطیسی دائماً متغیری وجود دارد که میدان الکتریکی دائماً متغیری را به وجود می آورد. این دو دسته از ریزموج ها پشت سر یکدیگر به صورت باریکه ای از نور (یا موجی رادیویی) حرکت می کنند و از سرچشمه تابش انرژی می گیرند.
ماکسول با اتمام کار بزرگ خود که آخرین بخش از علم کلاسیک در سنت نیوتونی بود (او در آن زمان در سال 1866 تنها 35 سال داشت) در رفاه و آسایش در گالووی اقامت کرد، با بسیاری از دوستان دانشمندش از طریق مکاتبه در تماس بود و کتاب مشهور خود را تحت عنوان رساله درباره الکتریسیته و مغناطیس (Treatise on Electricity and Magnetism) نوشت که در سال 1873 در دو جلد منتشر شد. او چندین درخواست برای تصدی پست های دانشگاهی را رد کرد ولی در سال 1871 دوباره نظرش به کمبریج جلب شد. در آن هنگام از او خواسته شد تا اولین استاد کرسی کاوندیش در فیزیک تجربی شود و (بسیار پراهمیت تر) آزمایشگاه کاوندیش را راه اندازی کند و رئیس آن شود.(3) این آزمایشگاه در سال 1874 راه اندازی شد و ماکسول آن قدر زندگی کرد که نشان خود را بر آزمایشگاهی بگذارد که بعداً مهم ترین مرکز تحقیقاتی برای کشفیات جدید در فیزیک شد. این کشفیات که در دهه های بعد انجام گرفت از نظر علمی انقلابی بود. اما در سال 1879ماکسول سخت بیمار شد و در 5 نوامبر آن سال در اثر همان بیماری مادرش (سرطان) و در همان سن (48 سالگی) درگذشت. در 14 مارس همان سال، کسی که به اولین نتیجه گیری کامل معادلات ماکسول دست یافت، در شهر اولم آلمان متولد شد. نام او آلبرت اینشتین بود.
ارتباط اینشتین با دنیای الکترومغناطیس، یک سال پس از تولد او، زمانی شروع شد که خانواده به مونیخ نقل مکان کرد. در آنجا پدر او، هرمان، به همراهی برادرش یاکوب (با کمک مالی خانواده پاولین، مادر آلبرت) کسب و کاری در زمینه مهندسی برق به راه انداختند. این نمونه خوبی در استفاده عملی از کشفیات فارادی بود. شرکت آنها از نظر فنی با موفقیت روبه رو شد و مدت زمانی 200 نفر را در استخدام داشتند و در شهرهای کوچک چراغ برق نصب می کردند؛ اما آنها از نظر مالی همیشه مقروض بودند و سرانجام از غول هایی مانند زیمنس و کمپانی ادیسون آلمان شکست خوردند. در سال 1894 شرکت آنها، فعالیت خود را متوقف کرد. آن دو برادر در جستجوی فضایی بهتر به ایتالیا رفتند که در آنجا قبلاً کارهایی انجام داده بودند. اما در آنجا هم موفق نبودند؛ عزیمت آنها به ایتالیا از سوی دیگر موجب شد که آلبرت 15 ساله تنها بماند تا تحصیلات متوسطه خود را در چارچوب نظام آموزشی آلمان به پایان برساند.
این کار ایده خوبی نبود. آلبرت، جوان باهوش و برخوردار از فکر مستقلی بود و با نظام سفت و سخت آموزش کشور محل تولد خود سازگار نبود. در آن زمان آلمان با پروس متحد شده و سنت نظامی گری پروس بر این کشور حاکم شده بود. از جمله این سنت ها خدمت اجباری نظام وظیفه بود. درست معلوم نیست که اینشتین با چه ترفندی گیمنازیوم (دوره متوسطه) را ترک کرد؛ به روایتی او پس از دوره ای تمرد از مدرسه اخراج شد. به روایتی دیگر او به ابتکار خود مدرسه را ترک کرد. در هر صورت او به پزشک خانوادگی قبولاند که دچار نوعی اختلال عصبی است و نیاز به استراحت کامل دارد. او با دریافت گواهی پزشکی، در اوایل سال 1895 به ایتالیا رفت و به خانواده خود پیوست (پدر و مادر به اضافه تنها فرزند دیگر آنها که دختری به نام مایا بود). او در آنجا از ملیت آلمانی خود انصراف داد (این تنها راه مطمئن برای اجتناب از خدمت نظام وظیفه بود)، چندی نزد پدر خود کار کرد، از جلوه های زندگی در ایتالیا لذت برد و خود را برای امتحان ورودی مؤسسه فدرال تکنولوژی سوئیس (ETH-Eidgenossische Technische Hochschule) در زوریخ آماده کرد. او می توانست از این مؤسسه مدرک بگیرد که هر چند در سطح دانشگاه های بزرگ آلمان نبود، اما نشان دهنده شایستگی بود. آلبرت در پاییز سال 1895، هجده ماه تمام از جوانانی که وارد این مؤسسه می شدند (در 18 سالگی) جوان تر بود و مدرسه متوسطه را بدون گرفتن دیپلم ترک کرده بود و تنها نامه ای از معلم خود مبنی بر تأیید توانایی اش در ریاضی داشت. از نظر ما امروز به هیچ وجه شگفت آور نیست که او در امتحانات ورودی موفق نشد، با این وجود که به نظر می رسد که این رویداد ضربه ای به این جوان از خود راضی وارد کرده باشد. آلبرت تنها پس از یک سال تحصیل در مدرسه متوسطه سوئیسی در شهر آراو (Aaru) در جنوب زوریخ، سرانجام در سال 1896 موفق به ورود به مؤسسه زوریخ شد. دوران اقامت در آراو جزء سعادتمند ترین دوران زندگی او بود. او در منزل رئیس مدرسه، یوست وینتلر (Jost Winteler) اقامت داشت و دوستانی مادام العمر در خانواده وینتلر پیدا کرد (مایا، خواهر آلبرت بعداً با پل، پسر یوست وینتلر ازدواج کرد).
در زوریخ، اینشتین که ظاهراً به مطالعه ریاضی و فیزیک مشغول بود از زندگی خود استفاده کامل برد (از جمله دوست دختری به نام میلوا ماریک (Mileva Maric) داشت که از اینشتین حامله شد؛ آنها صاحب فرزند نامشروعی شدند که دیگران از وی سرپرستی کردند). اینشتین در سال های اقامت در زوریخ به برنامه درسی مؤسسه توجهی نداشت. او کار حداقلی را برای راضی کردن استادان خود انجام می داد و در سطح وسیع، موضوعاتی را می خواند و مطالعه می کرد که به آنها علاقه داشت. او مانند همیشه از توانایی های خود اطمینان داشت و انتظار داشت که امتحانات خود را به خوبی بگذراند و کاری در سطح سن خود، در مؤسسه یا در دانشگاه دیگری پیدا کند. در واقع او در امتحانات موفق شد و در ژوئیه سال 1900، پایان نامه خود را دریافت کرد. اما درخششی از خود نشان نداد و مطمئناً آن قدر برجسته نبود که بی میلی استادان خود را که خلق و خوی او را برای کارهای سخت و جدی نامناسب می دانستند، خنثی کند. در نتیجه آلبرت مجبور شد که شغلی به عنوان کارمند در اداره ثبت اختراعات شهر برن بپذیرد. او در سال 1903 با میلوا ازدواج کرد و فرزند پسر آنها در 14 ماه مه سال 1904 به دنیا آمد (فرزند مشروع دیگری به نام ادوارد در 28 ژوئیه سال 1910 متولد شد).
سنگ زیربنای نظریه نسبیت خاص اینشتین که در سال 1905 منتشر شد، ثابت بودن سرعت نور است. تا زمانی که او نظریه خود را توسعه داد، به اندازه کافی مدرک تجربی موجود بود که نشان دهد سرعت اندازه گیری شده نور، بدون در نظر گرفتن نحوه حرکت ناظر، همیشه یکسان است. اما توجه به این نکته مهم است که با وجود اینکه اینشتین از این اندازه گیری باخبر بود، اما تحلیلش تحت تأثیر این آزمایش قرار نگرفت. آنچه که رویکرد او را حائز اهمیت می کند آن است که او از معادلات ماکسول شروع کرد. این معادلات شامل ثابتی به نام c است که سرعت نور را نشان می دهد. در این معادلات تا آنجا که به تعیین c مربوط می شود، هیچگونه پیش بینی برای به حساب آوردن سرعت حرکت ناظر نسبت به نور نشده است. بر اساس معادلات ماکسول، همه ناظران سرعت یکسان c را اندازه خواهند گرفت، چه ساکن باشند، چه به سوی چشمه نور حرکت کنند و چه از آن دور شوند (یا در واقع تحت هر زاویه ای نسبت به باریکه نور حرکت کنند). این موضوع با احساس عمومی ما و مکانیک نیوتون که طبق آن سرعت ها با هم جمع می شوند در تضاد است. اگر یک اتومبیل در راستای خط مستقیمی با سرعت 100 کیلومتر در ساعت به سوی من حرکت کند و من در جهت مخالف با سرعت 50 کیلومتر در ساعت حرکت کنم، آن اتومبیل با سرعت 150کیلومتر به من نزدیک می شود؛ واگر من با سرعت 50 کیلومتر در ساعت حرکت کنم و اتومبیل دیگری با سرعت 100 کیلومتر در ساعت در همان جهت حرکت کند، آن اتومبیل نسبت به من با سرعت 50 کیلومتر در ساعت حرکت می کند. اما بر طبق معادلات ماکسول، در هر دو حالت، سرعت نور که از چراغ های جلو یا چراغ های عقب اتومبیل دیگر می آید، نسبت به من و نسبت به اتومبیل دیگر (در واقع نسبت به هر کسی که در کنار جاده ایستاده است) همان سرعت c است. به محض آنکه درباره این موضوع فکر کنیم، معلوم می شود که قوانین نیوتون و ماکسول هر دو هم زمان درست نیستند. بیشتر کسانی که قبل از سال 1905 درباره این موضوع اندیشیده بودند، فرض می کردند که باید چیزی در معادلات ماکسول نادرست باشد. اینشتین که همیشه در مسیر فکری ویژه خود سرسختی نشان می داد، در جهت مخالف فکر کرد؛ ماکسول بر حق و نیوتون دست کم در این مورد در اشتباه بود. این موضوع پایه بینش بزرگ اینشتین بود. اما ضرری نخواهد داشت که ذکری از اثبات تجربی به میان آوریم که نتیجه آن، تأیید کامل ماکسول بود.
آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلی: آزمایش مایکلسون-مورلی درباره نور
با این وجود که فارادی درسال 1846 سعی کرده بود که مفهوم «اتر را کنار بگذارد»، این مفهوم از بین نرفت. در مقاله ای که ماکسول در سال 1878(درست یک سال قبل از مرگ خود) در دائره المعارف بریتانیکا منتشر کرد، آزمایشی برای اندازه گیری سرعت زمین نسبت به اتر با استفاده از باریکه های نور مطرح کرد. این آزمایش چنین بود که باریکه ای از نور به دو باریکه از نور تقسیم شده و هر باریکه پس از طی مسافتی به آینه ای اصابت می کند. یکی از این دو آینه در جهت حرکت زمین و آینه دیگر در جهت عمود به آن قرار دارد. پس از آنکه دو باریکه نور هر یک به یکی از آینه ها برخورد می کرد و منعکس می شد، آن دو دوباره به هم پیوسته و تداخل ایجاد می کردند. اگر این آزمایش طوری انجام می شد که دو باریکه مسافت برابری را طی می کردند، به علت حرکت زمین از میان فضا (و احتمالاً از میان اتر)، این دو باریکه در زمان های متفاوتی به مقصد می رسیدند و با یکدیگر اختلاف فاز داشتند و مانند آزمایش دو شکاف، نقش تداخلی ایجاد می کردند. اجرای این آزمایش با دقتی که برای آزمون این پیش بینی مورد نیاز بود، آلبرت مایکلسون (1931-1852)، فیزیک دان آمریکایی را به مبارزه طلبید. او این آزمایش را ابتدا به تنهایی (در سال 1881 در حالی که در آزمایشگاه هرمان هلمهولتز در برلین کار می کرد) و بعد با همکاری ادوارد مورلی (1923-1838) در سال 1887 در ایالت اوهایوی آمریکا انجام داد. آنها با دقت زیاد به این نتیجه رسیدند که گواهی بر حرکت زمین نسبت به اتر وجود ندارد یا به بیان دیگر، سرعت نور در جهت حرکت زمین نسبت به اتر با سرعت نور در جهت عمود بر حرکت زمین تفاوتی ندارد. در واقع این سرعت در تمام جهات برابر است. آنها می توانستند دستگاه را به هر طرفی بچرخانند بی آنکه به نتیجه ای برسند؛ آنها آزمایش را در ساعات مختلف روز (در مراحل مختلف گردش زمین به دور خود) و در ایام مختلف در طول سال (در مراحل مختلف گردش زمین به دور خورشید) انجام دادند. نتیجه آزمایش همیشه یکسان بود: تداخلی بین دو باریکه مشاهده نمی شد.مایکلسون که نسبت به نور نوعی وسواس داشت، آزمایش اندازه گیری سرعت نور را با دقت بیشتر و آزمایش های دیگری به صورت تکراری با ظرافت بالاتر انجام داد (آزمایش مایکلسون- مورلی در واقع با اندازه گیری سرعت نور ارتباطی نداشت زیرا هدف آن اندازه گیری تفاوت ها بین دو باریکه از نور بود)؛ مایکلسون در سال 1907 به پاس دقت فوق العاده ای که در انجام این آزمایش به کار برده بود، جایزه نوبل را دریافت کرد اما حتی بعد از آن نیز موضوع نور را کنار نگذاشت. در سال 1926 در سن 73 سالگی، در نمایش نهایی آزمایش های خود در ایالت کالیفرنیا نور را از قله ای به قله دیگر فرستاد و سرعت نور را معادل با 4 ± 299796 کیلومتر در ثانیه تعیین کرد که با بهترین برآورد امروزی که 299796/458 کیلومتر در ثانیه است، تنها در حد اشتباه آزمایشی تفاوت دارد. در واقع این عدد امروز برای تعریف سرعت نور به کار می رود، به این معنا که طول متر استاندارد، اکنون با این اندازه گیری ها مشخص شده است.(4)
پس از آنکه مایکلسون و مورلی نتایج نهایی آزمایش خود را اعلام کردند، جورج فیتس جرالد (1901-1851) فیزیک دان و ریاضی دان ایرلندی که در ترینیتی کالج دوبلین کار می کرد، راهی برای توضیح این آزمایش ارائه کرد. فیتس جرالد یکی از اولین کسانی بود که معادلات ماکسول را جدی گرفت و پیش از هرتز در زمینه امواج رادیویی تحقیق کرد. در سال 1889، فیتس جرالد نظر داد که عدم موفقیت آزمایش مایکلسون- مورلی در اندازه گیری هر نوع تغییر در سرعت نور را صرف نظر از اینکه دستگاه در چه جهتی نسبت به جهت حرکت زمین در فضا قرار گرفته است، می توان با این شرط توضیح داد که کل دستگاه (در واقع کل زمین) به مقدار اندکی در جهت حرکت زمین فشرده شده باشد. مقدار این فشردگی به سرعت بستگی دارد و می توان آن را دقیقاً بر مبنای این واقعیت که آزمایش به نتیجه ای منجر نشده است محاسبه کرد. همین ایده را هندریک لورنتس (1928-1853)، فیزیک دان هلندی، به طور مستقل در دهه 1890 مطرح کرد. لورنتس که در شهر لیدن کار می کرد، این ایده را به طور کامل توسعه داد (شانس او این بود که از فیتس جرالد بیشتر عمر کرد. فیتس جرالد در جوانی به علت کار زیاد به زخم معده مبتلا شد و درگذشت) و در سال 1904 شکل نهایی آنچه را که امروز معادلات تبدیل لورنتس نامیده می شود به دست آورد. تا اندازه ای با نادیده گرفتن تقدم تاریخی، این اثر اکنون انقباض لورنتس-فیتس جرالد نامیده می شود.
آلبرت اینشتین: نظریه نسبیت خاص
بعضی اوقات از این کار که بر نظریه نسبیت خاص اینشتین مقدم بود طوری صحبت می شود که گویا تنها کاری که اینشتین انجام داد آن بود که رفع ابهام کند. این قضاوت کاملاً دور از واقعیت است. نوع فشردگی ای که فیتس جرالد و لورنتس در نظر گرفته بودند، ذرات (اتم های) انفرادی باردار در داخل جسمی را شامل می شد که با افزایش نیروی جاذبه میانشان در اثر حرکت به یکدیگر نزدیک تر می شدند. این ایده با توجه به کشفیات فارادی در مورد اینکه چگونه حرکت در الکتریسیته و مغناطیس تأثیر می گذارد، ایده ای که اکنون اشتباه تلقی می شود، کاملاً احمقانه نبود. اینشتین از سوی دیگر از اصول اولیه بر پایه معادلات ماکسول شروع کرد که سرعت مشخصی را برای نور در نظر می گرفت و به معادلاتی دست یافت که از نظر ریاضی معادل معادلات تبدیل لورنتس بود ولی بر این واقعیت استوار بود که فضایی که جسم اشغال می کند در اثر حرکت جسم نسبت به ناظر فشرده می شود. این معادلات همچنین انبساط زمان را تشریح می کنند (آهنگ ساعت های در حال حرکت نسبت به زمانی که ناظری در حل سکون اندازه گیری می کند کندترند). این معادلات، افزایش جرم اجسام درحال حرکت را نیز پیش بینی می کنند. نظریه نسبیت نشان می دهد که هیچ جسمی را که با سرعت کمتر از سرعت نور آغاز به حرکت کرده است، نمی توان به فراتر از سرعت نور شتاب داد (راه اندیشیدن به این موضوع آن است که اگر این جسم با سرعت نور حرکت کند، جرمی معادل بی نهایت پیدا می کند، بنابراین برای شتاب دادن آن به سرعت نور، انرژی بی نهایتی مورد نیاز است). نظریه در مورد وابستگی جرم به سرعت، معادل بودن جرم و انرژی را به صورت مهم ترین معادله علم
نشان می دهد.اما این اندازه گیری ها نسبت به چه انجام می شود؟ یک جنبه کلیدی نظریه نسبیت خاص به موازات ثابت بودن سرعت نور، آن است که هیچ حالت سکون مرجحی در فضا وجود ندارد. اینشتین متوجه شد که هیچ چارچوب مرجع مرجحی در جهان یا «فضای مطلقی» که بتوان حرکت را نسبت به آن اندازه گرفت وجود ندارد. هر حرکتی نسبی است (نام نظریه از اینجا ناشی می شود) و هر ناظری که در حال سکون باشد، می تواند خود رادر حال سکون بداند و هر حرکت را نسبت به چارچوب مرجع خود اندازه بگیرد. این نظریه از این جهت «خاص» است که به حالت مشخصی محدود می شود که شتاب وجود ندارد. همه ناظرانی که با سرعت ثابت نسبت به یکدیگر (ناظران لخت) حرکت می کنند، به طور مساوی حق دارند بگویند که در حال سکون اند و هر حرکت را نسبت به خود اندازه بگیرند.
تقارن اساسی و جالبی نیز در این معادلات دیده می شود: اگر ناظران در چارچوب های مرجع متفاوت (که نسبت به هم حرکت می کنند) آزمایش هایی انجام دهند، وقتی یادداشت هایشان را مقایسه کنند به نتایج یکسانی دست می یابند، حتی اگر در مورد چگونگی رسیدن به جواب ها با هم موافق نباشند. به عنوان مثال اگر شخصی فضاپیمایی را مشاهده کند که با کسر بزرگی از سرعت نور به سوی ستاره ای که در فاصله 10 سال نوری از او قرار دارد در حال حرکت است، به نظر آن شخص خواهد آمد که زمانی که برای انجام این سفر لازم است، طبق ساعت های فضاپیما کمتر از 10 سال است، بی آنکه فضاپیما سریع تر از سرعت نور حرکت کند، زیرا ساعت هایی که در فضاپیما در حال حرکت هستند کندترند. از سوی دیگر از نظر سرنشینان فضاپیما نیز، زمان مسافرت با آنچه آن ناظر محاسبه کرده است برابر است؛ اما آنها می گویند که ساعت هایشان مانند همیشه کار می کند ولی زمان مسافرتشان به این دلیل کوتاه تر شده است که فاصله بین آن ستاره دوردست و زمین کوتاه شده است. این امر به علت حرکت نسبی کلیه ستارگان جهان «نسبت» به فضاپیما است که سرنشینان آن حق دارند خود را در حال سکون بدانند. اگر ناظر «الف» ببیند که ساعت ناظر«ب» کند تر کار می کند و میله های اندازه گیری او کوتاه تر شده است، در این صورت ناظر «ب» همان تأثیر و دقیقاً همان اندازه را در ساعت ها و میله های اندازه گیری ناظر «الف» می بیند. هیچ یک از آنها متوجه مورد عجیبی درباره دستگاه های اندازه گیری خود نمی شود. یکی از نتایج شگفت انگیز این موضوع آن است که برای هر چیز که با سرعت نور حرکت کند، زمان متوقف می شود. از دیدگاه فوتون (کوانتوم نور که در فصل 13 از آن سخن خواهیم گفت)، زمان لازم برای سفر 150 میلیون کیلومتری از خورشید به زمین صفر است. از دیدگاه ما این موضوع به آن علت است که هر ساعتی که با فوتون حرکت کند، باز خواهد ایستاد؛ از دیدگاه فوتون، این امر به آن علت است که در این سرعت های زیاد (به خاطر داشته باشیم که فوتون حق دارد خود را در حال سکون و زمین را در حال شتاب گرفتن به سوی خود بداند)، فضای بین خورشید و زمین تا حد صفر فشرده می شود و بنابراین، پیمودن این فاصله به زمان نیاز ندارد. البته اهمیت کلیدی این موضوع، هر چند این برداشت ها شگفت آور به نظر آیند، آن است که پیش بینی های نظریه نسبیت خاص بارها به وسیله آزمایش تا چندین رقم اعشاری تأیید شده است (به عنوان مثال از طریق باریکه ای از ذرات که تا نزدیک سرعت نور شتاب گرفته است). به همین دلیل، نسبیت خاص صرفاً فرضیه نیست، بلکه نظریه است. از آنجا که این تأثیرات خود را در پدیده هایی نشان می دهند که با سرعت نزدیک به سرعت نور حرکت می کنند، ما در زندگی روزانه خود از آن آگاهی نمی یابیم و بنابراین با احساس عمومی ما هماهنگی ندارد. با این وجود، اینها واقعیت هایی هستند که به اثبات رسیده اند.
مینکوفسکی: اتحاد هندسی فضا و زمان مطابق با نظریه نسبیت خاص
اشتباه خواهد بود اگر فکر کنیم که هم عصران اینشتین نظریه نسبیت را در سال 1905 درک نکردند؛ اینکه مایکلسون چند سال بعد جایزه نوبل را دریافت کرد، بازتاب چشمگیری از این واقعیت است که بسیاری از فیزیک دان ها اهمیت معادلات تبدیل لورنتس و کار اینشتین، هر دو را، درک کرده بودند. اما این موضوع حقیقت دارد که ایده های اینشتین و تفاوت بزرگی که بین کار او و کار لورنتس و فیتس جرالد وجود داشت، تنها پس از سال 1908 اثر بارز خود را به جای گذاشت. در این زمان بود که معلم سابق او، مینکوفسکی (همان استادی که اینشتین را «یک سگ تنبل» نامیده بود) ایده او را نه تنها به شکل معادلات ریاضی بلکه به صورت هندسه چهار بعدی یا هندسه فضا و زمان (یا به صورت یکپارچه فضا-زمان) نشان داد. مینکوفسکی در سخنرانی ای که در همان سال در شهر کلن ایراد کرد (او در سال 1864 متولد شد و به علت مشکلات ناشی از عارضه آپاندیس، یک سال پس از این سخنرانی، فوت کرد) گفت:از این پس فضا به خودی خود و زمان به خودی خود محکوم به محو شدن هستند. تنها نوعی پیوستگی بین آن دو به عنوان واقعیتی مستقل باقی خواهد ماند.
اینشتین، همان طور که خواهیم دید، ابتدا از این هندسی کردن ایده های خود خوشحال نبود، اما دقیقاً همین پیوستگی فضا و زمان بود که او را به سوی نظریه نسبیت عام رهنمون شد، موضوعی که در سطح وسیع به عنوان بزرگ ترین دستاورد او قلمداد می شود.
پس از سال 1905، فیزیک دیگر هرگز مانند سابق نخواهد بود (و ما هنوز باید درباره چیزی که من آن را مهم ترین دستاورد سال شگفت انگیز اینشتین می دانم بحث کنیم. او به خاطر همین کار که پایه های مکانیک کوانتومی را بنا نهاد، جایزه نوبل را دریافت کرد). فیزیک بنیادی در قرن بیستم در مسیرهایی توسعه یافت که پیشگامان کلاسیک مانند نیوتون و ماکسول قادر به تصور آن نبودند. اما علم کلاسیک (و به ویژه فیزیک کلاسیک) یک پیروزی بزرگ در پیش رو داشت. این پیروزی از کاربرد ایده هایی پدید آمد که اصولاً پیش از سال 1905 در مورد بزرگ ترین معما در مقیاس انسانی، یعنی ماهیت منشأ و تکامل خود زمین بیان شده بود.
پی نوشت ها :
1- مقاله مهم سال 1864 و بیشتر مقالات علمی دیگر ماکسول را می توان در مجموعه مقاله های علمی جیمز کلرک ماکسول یافت (به بخش کتاب شناسی نگاه کنید).
2- در بعضی از مذاهب عقیده ای از نوع سوم نیز وجود دارد؛ نکته اصلی آن است که روایت مذهب بر مبنای ایمان پذیرفته می شود نه بر اساس شواهد و مدارک.
3- او همچنین نوشته های هنری کاوندیش درباره الکتریسیته را که منتشر نشده بود ویرایش کرد. این نوشته ها در سال 1879 منتشر شد.
4- در دنیایی مطلق، با اندازه گیری های بسیار دقیق کنونی می توانستیم با اندکی تنظیم، طول متر را طوری تعریف کنیم که سرعت نور دقیقاً برابر با 300000 کیلومتر در ثانیه شود.
