گناه بر گردن اتر است!

10. کجراهي

اکنون به بحث درباره تأثير حرکت جسم بر جهت انتشار پرتوها مي پردازيم، بخصوص به بررسي اين مسئله که آيا حرکت زمين در اتر از طريق مشاهد تغييرات جهت، ميسر تواند بود يا نه. در اين مورد باز فرق خواهد کرد، اگر يک منبع نور نجومي در ميان باشد، يا يک منبع نور زميني.
انحراف ظاهري نوري که از ثوابت به زمين مي رسد، کجراهي است، و ما آن را قبلاً از ديدگاه نظريه گسيل (1) بحث کرده ايم. به همان اندازه که توضيح اين پديده از ديدگاه مزبور ساده است، مسئله از ديدگاه نظريه موجي پيچيده مي نمايد. چون به آساني مي توان تصديق کرد که براي سطحهاي موج اصولاً انحرافي به ميان نمي آيد. نمايانترين راه براي پي بردن به اين امر آنست که پرتوها عمود بر امتداد حرکت ناظر بتابند. آنگاه سطحهاي موج به موازات اين حرکت قرار خواهند گرفت و به اين ترتيب براي ناظر متحرک قابل رؤيت خواهند شد (ش. 1). اما از محاسبه هم عين همين نتيجه به دست مي آيد.
اينک يک دستگاه مختصات ساکن S و يک دستگاه مختصات متحرک 'S را در نظر مي گيريم و فرض مي کنيم که محور x و 'x متعلق به اين دو دستگاه در راستاي سرعت v مربوط به 'S قرار گرفته باشند. همچنين فرض اينست که موجهايي در اين مجموعه در امتداد محور y حرکت کنند، و ما اين موجها را از دو نقطه زير نظر قرار مي دهيم. از معادله مي دانيم که عدد n موجها ناوردا (تغييرناپذير) است. پس براي اين مورد مي نويسيم:

پس ناظر متحرک موجي را مي بيند که دقيقاً با همان بسامد و سرعت در همان جهت حرکت مي کند؛ چون در غير اين صورت شماره موجها در 'S، علاوه بر وابستگي به 'y، مي بايست به 'x نيز وابسته باشد.
بدين ترتيب، چنين مي نمايد که نظريه موجي در توجيه پديده کجراهي که از حدود 200 سال قبل به اين طرف شناخته شده است، عاجز باشد.
اما اين قضيه آن قدرها هم يأس آور نيست. اين نافرجام ماندن تلاشهاي تجربي البته بيشتر به اين علت است که دستگاه هاي اپتيکي اي که براي مشاهدات به کار برده مي شوند و چشم بي سلاح نيز در شمار آنها قرار دارد، مطلقاً قابليت آن را ندارند که موضع جبهه موج را مشخص کنند، چون کاري که با اين دستگاهها انجام مي گيرد، در واقع غير از اين است.
عملي که به وسيله چشم با دوربين انجام مي گيرد، تصوير اپتيکي ناميده مي شود و در واقع عبارت از اين است که پرتوهاي خارج شده از شيئي در قالب تصوير متحد مي شوند. در ضمن همين جريان، انرژِي نوسان ذرات شيئي به وسيله موجهاي نور به نقطه هاي منطبق و واقع در تصوير منتقل مي گردد. منتها راههاي اين انتقال انرژي را واقعاً همان پرتوهاي فيزيکي تشکيل مي دهند. اما انرژي کميتي است که، مانند ماده، از اصل بقا پيروي مي کند و تغيير صورت مي دهد، ولي آفريده يا نابود نمي شود. از اين رو موجه تواند بود، اگر قوانين نظريه ذره اي را براي حرکت انرژي به کار برند.
اما بدون به کار بردن اين صورتهاي پرتوي به منزله راههاي انرژي هم مي توان دستور کجراهي را به دست آورد، از اين طريق که شکست موجها يک به يک جداگانه در عدسيها يا منشورهاي اپتيکي تعقيب شوند. بدين منظور لازم است که يک نظريه با خودکشاني پايه ريزي گردد.
نظريه با خودکشاني استوکس کجراهي را فقط با استفاده از مفروضاتي مي تواند توضيح دهد که به حرکت اتر مربوط مي شوند و مجوّزي در مکانيک ندارند؛ ما قبلاً به وجود اين مشکلات اشاره کرده ايم. نظريه فرنل يک قانون شکست موجهاي نور بر سطح خارجي جسم متحرک ارائه مي کند. از اين قانون فرمول کجراهي به صورتي دقيق تنظيم مي شود. ماده جسم که نور را از خود عبور مي دهد، تأثيري بر نتيجه نمي گذارد، گو اينکه ميزان عدد با خودکشاني در هر ماده اي فرق مي کند.آيري (3) (1871) به منظور آزمايش مستقيم اين مطلب، آب در يک دوربين ريخت و به اين نتيجه رسيد که مقدار کجراهي در حد عادي باقي مي ماند. چنانچه موج نور و ناظر متقابلاً حرکت نسبي نداشته باشند، کجراهي در حکم چندي قدريکم طبعاً از بين خواهد رفت، از اين رو نتيجه گرفته مي شود که در کليه آزمايشهاي با منبع نورهاي زميني، انحرافي بر اثر باد در پرتوها به وجود نمي آيد. نظريه فرنل قادر است که اين واقعيت را در انطباق و هماهنگي با تجربه نشان دهد. فقط اين باقي مي ماند که جزئيات مسئله به تفصيل بررسي شود.
ما اتر را در حکم جوهري تلقي کرديم که از قوانين مکانيک پيروي مي کند. پس اين جوهر مشمول قانون لختي مي شود و در جايي که ماده وجود ندارد، يعني در فضاي عالم، در يک دستگاه لخت مناسب ساکن است. اينک اگر کليه پديده ها را به يک دستگاه لخت ديگر منسوب کنيم، قوانيني دقيقاً يکسان براي حرکت ماده و حرکت اتر معتبر خواهند بود، پس همچنين براي انتشار نور، ولي طبعاً فقط تا جايي که اين قوانين به شتابها و تأثير متقابل نيروها مربوط گردند. مي دانيم که سرعت و راستاي هر حرکتي نسبت به دستگاههاي لخت متفاوت کاملاً فرق مي کنند؛ البته هر جسم در حال حرکت مستقيم يکنواخت را تنها با انتخاب يک دستگاه مرجع مناسب، مثلاً دستگاهي که با جسم حرکت کند، مي توان در حکم ساکن منظور کرد. بنابراين به يک تعبير پيش پا افتاده مي توان گفت، اصل نسبيت سنتي در مورد جوهر مکانيکي اثر تخيلي نيز بايد صادق باشد.
اما اينجا چنين نتيجه مي شود که سرعت و راستاي انتشار پرتوهاي نوري در هر يک از دستگاههاي لخت مي بايد به يک صورت ديگر ظاهر گردند. پس چنين ايجاب مي کرد که انتظار رود، سرعت زمين يا منظومه شمسي را از طريق مشاهده پديده هاي اپتيکي زميني (که غالباً به سرعت و راستاي نور بستگي دارند) بتوان تشخيص داد. ولي همه تلاشها و آزمايشهاي در اين زمينه به نتايج منفي منتهي شده اند. بنابراين، چنين به نظر مي رسد که سرعت و راستاي پرتوهاي نور از حرکت جسماني عالم که در معرض مشاهده قرار مي گيرند، کاملاً مستقل و آزادند. يا به عبارت ديگر: پديده هاي اپتيکي فقط از حرکت نسبي جسمهاي مادي تبعيت مي کنند.
اين اصل نسبتي است که کاملاً هماهنگ با اصل نسبيت سنتي در گوش طنين مي اندازد، ولي محتوا و معناي ديگري دارد؛ زيرا که به سرعت و به راستاي فرايند هاي حرکتي استناد مي کند، و اين مستند ها در مکانيک از حرکت دستگاه مرجع مستقل نيستند.
اينک دو وجه ممکن وجود دارد: يکي از اين مبدأ که واقعاً يک چيز اصولي و نو در طريق تجربيات اپتيکي به دست آمده است، مثلا اينکه رفتار نور با رفتار جسمهاي مادي از حيث جهت و سرعت متفاوت است، همينکه تجربيات اپتيکي قهري تلقي شوند، فوراً از اين وجه استقبال خواهد شد، البته اگر بخواهند با هر نوع تصوري در خصوص ماهيت ماده فاصله بگيرند. اينشتين هم بالاخره درهمين راه گام نهاد. اما انتخاب اين راه مستلزم داشتن اختيار و آزادي بي حد و حصر در برابر مقررات نظريه سنتي است، تا اگر «گره گوردياني» طرحها و فرضيه ها به حدي کور خورده و پيچيده شود که راه حلي جز قطع رشته باقي نماند، آنگاه قطع رشته را ممکن سازد.
ما در اين مرحله در عصر شکوفايي نظريه اتر مکانيکي قرار گرفته ايم، و اين نظريه طبعاً وجه ديگري را پذيرفته بود. نظريه اتر مکانيکي ناگزير بود که اصل نسبيت اپتيکي را در حکم يک پديده ثانوي تلقي کند، آنچنان که اين پديده به نحوي نيمه تصادفي از ترکيب علتهاي متقابلاً مؤثر برخاسته باشد. اينکه امکان چنين چيزي وجود دارد، ناشي از اين است که البته هنوز آزادانه مي توان درباره اتر فرضيه ها ساخت، از اين قبيل که: اتر چگونه حرکت مي کند، اتر در ضمن حرکتش به چه نحو تحت تأثير جسمهاي متحرک قرار مي گيرد... حال اين توفيق بزرگي است که فرضيه فرنل اصل نسبيت اپتيکي را تا جايي که چنديهاي قدريکم مورد توجه باشند، واقعاً توضيح مي دهد. تا زماني که دقت سنجشهاي اپتيکي آن افزايش فوق العاده را به خود نديده بود که چنديهاي قدر دوم را بتوان اندازه گيري کرد، اين نظريه در برابر همه خواستهاي تجربه به حد کافي روي موافق نشان داد، جز در مورد يک استثناي ممکن که شگفتانه غالباً کمتر محل توجه واقع مي شود. مثلا اگر دقت اندازه گيريهاي نجومي موجب تحصيل چنين نتيجه گيريي مي گشت که تأثير حرکت منظومه شمسي بر سرعت نور را از طريق ترصد کسوفهاي اقمار مشتري به شيوه قديمي رومر نمي توان محقق کرد، نظريه اتر طبعاً در برابر مشکلي قرار مي گرفت که دشوار مي توانستند راه حلي براي آن بيابند؛ چون بطور معلوم اين اتر قدر يکم را با کمک هيچ فرضيه اي که در خصوص با خود کشاني اتر بنا شده باشد، نمي توان از بحث خارج کرد.
اينک اهميت تکليف تجربي که عبارت است از اندازه گيري تبعيت فرايندهاي اپتيکي از حرکت زمين تا حد چنديهاي قدر دوم، شناخته شده است. که آيا اصل نسبيت اپتيکي به تحقيق معتبر است يا به تقريب. چنانچه حالت اول پيش آمد، نظريه فرنل ناتوان مي گشت. سپس در برابر يک وضع جديد قرار مي گرفتند.
اين وضع نخست در حدود 100 سال پس از فرنل پديد آمد. ولي نظريه اتر در آن فاصله در يک جهت ديگر تحول يافت. به اين صورت که در آغاز، نه فقط يک نوع اتر، بلکه انواع بيشمار اتر وجود داشته است: اتر اپتيکي، اتر گرمايي، اتر الکتريکي، اتر مغناطيسي و شايد مضافاً چند نوع ديگر. براي هر پديده اي که در فضا روي مي داد، يک اتر مخصوص در حکم انتقال دهنده ابداع مي شد. همه اين اترها در مرحله نخست ارتباطي با يکديگر نداشته اند، بلکه مستقل و در کنار يکديگر - بهتر بگوييم، اندر يکديگر - در فضايي واحد وجود داشته اند. اين حالت فيزيک طبعاً نمي توانست همچنان ادامه يابد. چندان نگذشت که بين پديده هاي رشته هاي متفاوت، ارتباطهايي يافتند، نخست در هر رشته به طور جداگانه. و به اين ترتيب، سرانجام يک نوع اتر منظور شد که در حکم پل انتقال دهنده، همه پديده هاي فيزيکي را از فضاي فاقد ماده عبور دهد. بويژه نور خود را در حکم فرايند نوسان الکترو مغناطيسي اي نشان داد که انتقال دهنده آن با ملائي که نيروهاي الکتريکي و مغناطيسي را منتقل مي کند، يکسان است. براثر اين کشف، فرضيه اتر ابتدا يک تکيه گاه استوار پيدا کرد. سر انجام حتي اين نيز اضافه شد که اتر را با فضاي نيوتوني يکسان انگاشتند و معتقد شدند که اتر در سکون مطلق پايدار است و نه فقط اثرات الکترو مغناطيسي را انتقال مي دهد، بلکه نيرو هاي گريز نيوتوني را نيز غير مستقيم به وجود مي آورد.
اين تحول نظريه صحنه اي است نظير جريان يک محاکمه هيجان انگيز. همه گناهان را مي بايد اتر به گردن گيرد. سند جرم روي سند جرم آمده انبار مي شود، تا سرانجام اثبات غيبت در محل ارتکاب جنايت، قضيه را خاتمه مي دهد: آزمايش مايکلسون در خصوص چنديهاي قدر دوم و نتايج آن به توسط اينشتين.

پي‌نوشت‌ها:

1. Emission
2. رجوع شود به تشريح اثر دوپلر (بند 8 فصل قوانین بنیادی اپتیک از منبع مقاله) - م.
3. Airy
4. قومي آريايي به نام فريژيها، در حدود 600 سال ق.م در بخشي از آسياي صغير يک امپراتوري مستقل داشت. نقل مي کنند که گورديوس پادشاه فريژي ريسماني را به طوري گره زده بود که گشودن آن ساده نبود و هر کس آن را باز مي کرد، بر سراسر آسيا مسلط مي شد.
اسکندر کبير اين گروه را به ضرب شمشير از هم بريد. سپس «گره گوردياني» در مورد مسائلي که فقط به زور قابل حل بود، ضرب المثل شد. - م.

منبع مقاله :
ماکس، بورن؛ (1371)، نظريه ي نسبيت اينشتين، ترجمه ی هوشنگ گرمان، تهران: انتشارات علمي و فرهنگي، چاپ چهارم.