نسبیت

نسبیت با یک پرسش معمولی آغاز می شود: هرگاه ما نسبت به یکدیگر در حال حرکت باشیم، فیزیک شما به فیزیک من چگونه مربوط می شود؟ گالیله پاسخ می دهد، اگر سرعت نسبی یکسان باشد، دقیقاً قوانین مکانیک یکسانی را می یابیم. نیوتون همان چیز را می گوید اما به تفصیل بیشتر با ارجاع همه حرکتهای- شما، من و هر کس دیگر- به چارچوب مرجع مطلق در فضا و زمان. نظریه پردازان قرن نوزدهم چارچوب مطلق نیوتون را جایگاه مناسبی یافتند برای برقراری یک ملأ فرضی که آن را اِتِر می نامیدند، ملأای که نور و دیگر امواج الکترمغناطیسی را منتشر می کند.
فیزیک اِتِر در میان دانشمندان دوره ویکتوریا مجاهدت برجسته ای بود، اما نقصهای مهلکی داشت- از یک لحاظ، فیزیکدانانی که اِتِر را پذیرفته بودند، هرگز نتوانستند با یک مدل استاندارد برای ساختار مکانیکی اِتِر توافق داشته باشند. همچنین مفهوم حرکت در یک اتر با تکیه بر چارچوب مرجع مطلق نیوتون سؤال انگیز و قابل تردید بود. در سالهای 1880 یک سری آزمایشهایی به منظور تشخیص حرکت زمین نسبت به یک «دریای اِتِر» به وسیله آلبرت مایکلسون و ادوارد مورلی انجام شد که به ناکامی چشمگیری انجامید. واقعیت سرسختانه ای که همیشه مشاهده می شود، این بود که سرعت نور در فضای خالی، صرف نظر از سرعت و جهت چشمه نور، یکسان است.
یک مأمور تحقیق اداره ثبت اختراع در شهر بِرن سویس به نام البرت اینشتین در سال 1905 مقاله ای منتشرکرد که مسئله اتر را به سادگی با نادیده گرفتن آن، حل می کرد. اینشتین دو اصل تجربی غیرقابل انکار را مسلّم فرض کرد: ثابت بودن سرعت نور و تعمیمی از اصل نسبیت گالیله برای شمول پدیده های الکترومغناطیسی و اپتیکی. با شروع این دو اصل، و بدون توسل به مفهوم اِتِر، او ثابت کرد برای ناظرانی که با سرعتهای ثابت (متفاوتی) نسبت به یکدیگر حرکت می کنند، اندازه های طول و زمان متفاوت است، و شاید هرچه سرعت به سرعت نور نزدیکتر باشد، این تفاوت شدیدتر خواهد بود. مثلاً اگر ناظر ساکنی مراقب ساعتی باشد که با سرعت زیاد حرکت می کند می بیند که این ساعت کُندتر از وقتی تیک تیک میکند که ناظری با ساعت در حرکت باشد. علاوه بر این «تأخیر یا اتساع زمان»، اینشتین در مقاله سال 1905 خود اصرار می ورزد که بُعد طول ساعت، یا هر چیز دیگر در جهت حرکت برای ناظر ساکن، منقبض می شود.
اینشتین در سال 1905 نظریه نسبیت «خاص» خود را با دو محدودیت مطرح کرد: این نظریه بر سیستمهای لَختی (intertial) متمرکز بود، سیستمهایی که با سرعتهای نسبی ثابت در حرکت بودند، و گرچه این نظریه با معادلات ماکسول برای میدان الکترومغناطیسی سازگار بود، حوزه آن نظریه بزرگ دیگری از گذشته، یعنی نظریه نیوتونی را شامل نمی شد. اینشتین به زودی دریافت که یک نظریه «عام» نسیت می باید هم آثار گرانشی و هم سیستمهای غیر لخت، یعنی سیستمهایی را که نسبت به یکدیگر شتاب دارند، مشخص کند. نخستین مرحله در آن جهت که بعداً «اصل هم ارزی» نامیده شد، تأکیدی بود بر «بهترین اندیشه» اینشتین که شتاب و گرانش عمیقاً به یکدیگر مربوطند: جایی که شتاب وجود دارد ‌آثار گرانشی مصنوعی که از واقعی آن غیرقابل تمیز است، وجود دارد.
اینشتین همچنان که با اصل هم ارزی با عنوان رهنمون کارش پیش می رفت، به این آگاهی دست یافت که فضا و زمان به طور خاصی در سیستمهای شتابدار پیچیده شده اند؛ فرمولهای اقلیدسی از جمله محاسبه نسبت محیط- به- قطر در دایره به عنوان π اندکی با خطا همراه است. این موضوع سررشته ای حیاتی به او داد که نظریه عام نسبیت می باید بر اساس هندسه غیراقلیدسی باشد. اتفاقاً، یک نظریه کامل فضاهای غیراقلیدسی، که در سالهای 1850 به وسیله بِرنهارد ریمان(1) بسط یافته بود. درست ابزارهای ریاضی برای اینشتین فراهم آورد تا یک بنای نظریه ای که هندسه و گرانش را به هم متصل می کرد، بسازد. در همان زمان، او یک معادله عامّی از حرکت را یافت که آن نیز به شیوه ریمانی با هندسه مشخص می شد. شعار او، فیزیک به صورت هندسه، را بسیاری از جانشینانش ادامه دادند.

پی نوشت ها :

1.Bernhard Riemann

منبع: کروپر، ویلیام ه؛ (1390)، فیزیکدانان بزرگ از گالیله تا هاوکینگ، ترجمه احمد خواجه نصیر طوسی، تهران؛ انتشارات فاطمی، چاپ سوم.