نظریه نسبیت به زبان ساده – نسبیت عام و خاص

بعضی از نظریه‌ها، که تعددشان خـیلی کـم اسـت، بر تفکر علمی چنان اثر وسیعی گذاشته‌اند که بالاتر از بقیه جای گرفته‌اند. در میان این نـظریه‌ها می‌توان نظریه کپرنیک دربارهٔ حرکت سیارات، نظریه ایساک (اسحاق) نیوتون دربارهٔ جاذبهٔ عـمومی، نظریهٔ شلایدن Schleiden و شوآن Schwann دربـارهٔ یـافته‌ها و نظریهٔ داروین دربارهٔ تکامل موجودات زنده را نام برد. بی‌شک نظریهٔ نسبیت را هم، که توسط آلبرت اینشتین تنظیم شد و بعدها خود وی و دیگر دانشمندان آن را تکمیل کردند، باید در شمار این نظریه‌ها قرار داد. این نـظریه انقلابی در افکار پدید آورد، تصورات ما از فضا، زمان، جرم، انرژی، حرکت و جاذبه دگرگون کرد و روش جدیدی برای مطالعهٔ کاینات به وجود آورد. این نظریه از دو بخش «خاص» و «عام» تشکیل شده است. هر دو نظریهٔ پایهٔ ریـاضی مـحص دارند، هر دو با آزمایشات و مشاهدات تایید شده‌اند.

نظریهٔ نسبیت به خاطر نیاز به یک دستگاه مرجع پدید آمد، یعنی معیاری که دانشمندان می‌توانستند برای تحلیل قوانین حرکت بکار برند. نـیاز بـه چنین معیاری واضح است، زیرا در هر لحظه‌ای که به تحلیل حرکت شروع کنیم، باید از خود بپرسیم «حرکت نسبت به چه؟»

فرض کنیم که خلبانی هواپیمائی را در ارتفاع زیاد از سطح زمین در مـسیر جـریان سریع هوا با سرعت 300 کیلومتر در ساعت می‌راند، و خود هواپیما هم با سرعتی مثلا 300 کیلومتر در ساعت در همان جهت پرواز می‌کند. خلبان نسبت به جریان هوا با سرعت 300‌ کیلومتر در ساعت حرکت مـی‌کند، ولی بـه چـشم ناظری که روی زمین ایستاده اسـت سـرعت آن 600 کـیلومتر در ساعت خواهد بود. اگر خلبان در خلاف جهت جریان سریع هوا پرواز کند، به چشم ناظر روی زمین در هوا بی‌حرکت به نظر می‌رسد.

بـه چـشم نـاظری که روی سیاره مریخ باشد، سرعت 300 یا 600 کیلومتر در سـاعت، در مـقایسه با سرعت چرخش زمین به دور خورشید که 29 کیلومتر در ثانیه است، ناچیز است. اما خود خورشید ساکن نیست. خورشید بـا سـرعت زیـادی به دور مرکز راه شیری یا کهکشان می‌چرخد، که منظومهٔ شمسی مـا جزء بسیار کوچکی از آن را تشکیل می‌دهد. خود راه شیری نسبت به دیگر کهکشانها حرکت می‌کند. بنابراین مبداء مختصات یا دسـتگاه مـراجعهٔ مـا کجاست؟

زمانی دانشمندان به «اثیر» نوررسان یا حامل نور معتقد بودند، کـه گـویا نور را منتقل می‌کرد. فرض این بود که اثیر یک ماده یا جامدی بسیار کشسان است کـه هـمهٔ فـضای بین اتمهای سازندهٔ مواد را پر می‌کند. تصور می‌شد که نور همچون مجموعه‌ای از مـوجهای عـمود بـه امتداد حرکت در داخل اثیر منتقل می‌شود. گروهی از دانشمندان معتقد بودند که خود اثیر در مـوقع عـبور مـوجهای نور، ساکن می‌ماند.

آنها عبور نور را از اثیر با حرکت موجهای اقیانوس در دریا مقایسه مـی‌کردند. آنـها می‌گفتند شکل یا طرح موج اقیانوس است که به جلو حرکت می‌کند ولی ذرات آب بـه انـدازهٔ مـحسوسی حرکت نمی‌کنند.*

اگر دانشمندان می‌توانستند ثابت کنند که اثیر خود حرکت نمی‌کند و اجرام سـماوی هـنگام عبور از فضا نیز موجب حرکت آن نمی‌شوند، می‌توانستیم نقطهٔ شروع قابل اطمینانی برای تـحلیل عـمومی حـرکت داشته باشیم. برای اثبات سکون اثیر نسبت به زمین، باید در نظر گرفت که از نظر مـا زمـین ثابت است. بنابراین، به نظر خورشید که اثیر به قول توماس یـانگ فـیزیکدان انـگلیسی «همچون باد از میان بیشه» از برابر ما با سرعت میگذرد. به همان ترتیب خورشید در نظر مـا بـه دور زمـین حرکت می‌کند درحالی‌که حقیقتا زمین است که به دور خورشید می‌چرخد.

دو دانشمند آمـریکایی بـه نامهای آلبرت آ.مایکلسون و ادوارد و.مورلی کوشیدند با اندازه‌گیریهای دقیق سرعت نور مسئلهٔ اثیر را حل کنند. آنها گـفتند فـرض کنیم اثیر در زمان انتقال نور ساکن است. اگر زمین هم در فضا بـی‌حرکت بـود، حرکت می‌کند. بنابراین سرعت نور در جهات مـختلف شـعاع نـورانی، یعنی در جهت حرکت، خلاف جهت حرکت و عـمود بـر جهت حرکت زمین، متفاوت به نظر خواهد رسید.

دو دانشمند امریکایی تفاوت زمان ورود شـعاعهای نـورانی موازی با جهت حرکت زمـین و عـمود بر ایـن جـهت را تـجزیه و تحلیل کردند. علیرغم تعداد اندازه‌گیریهای انـجام شـده، سرعت نور در تمام جهات (موازی، مخالف و عمود بر حرکت زمین) با یـکدیگر مـساوی بود. پژوهشگران نتیجه‌گیری می‌کردند که: «اگـر هم حرکت نسبی بـین زمـین و اثیر ناقل نور وجود داشـته بـاشد، باید کاملا ناچیز باشد.» آزمایشهای سرعت نور همراه در چشم ناظر زمینی یکسان بـاقی مـی‌ماند. اما زمین در فضا

مایکلسون-مورلی موجب شک دانـشمندان در مورد وجود اثیر ناقل نور شد.*حتی مهمتر اینکه آزمایشهای نامبرده نشان داد که سرعت نور بستگی به حرکت ناظر ندارد. (به خاطر داشته باشیم که در زمان اندازه‌گیری سرعت نور مـا بـا سرعت زمین در فضا حرکت می‌کنیم). به زبان دیگر، سرعت نور مقدار ثابتی است که در تمام شرایط یکسان باقی می‌ماند. این مفهوم پایهٔ نظریهٔ نسبیت اینشتین را بنا نهاد.

نظریهٔ نـسبیت خـاص (یا خصوصی)

بنابر نظریهٔ نسبیت خاص، که در سال 1905 توسط اینشتین پایه‌گذاری شد، اندازه‌گیری یا پیدا کردن حرکت مطلق یک جسم در فضا مقدور نـیست. امـا می‌توان با به کار بـردن سـرعت نور به عنوان پایه، حرکت نسبی جسم را به دقت تعیین کرد.

سرعت نور 300000 کیلومتر در ثانیه به دست آمده ولی آن‌طور که اخیرا به دست آوردهـ‌اند 298048 کـیلومتر است.

نظریهٔ نسبیت خـاص، عـقاید فیزیک کلاسیک را با توجه به فضا و زمان اصلاح کرده است. براساس این عقاید، ذرات در دستگاه مختصات سه‌بعدی و در زمان معین حرکت می‌کنند. این سه بعد، طول، عرض و ارتفاع (یا ضخامت) است. ایـن مـفهوم آشنایی است. مثلا می‌دانیم که اتاق دارای طول، عرض و ارتفاع است.

فرض کنیم بالونی با نخی به سقف اتاق آویزان کرده‌ایم، بیان موقعیت بالون برحسب دیوارها و کف اتاق آسان اسـت. بـاید x فاصله بـالون از دیوار شماره 1 و y فاصلهٔ بالون تا دیوار شمارهٔ 2 و z فاصلهٔ بالون تا زمین را اندازه گرفت.

وقتی x، و y و z را بدانیم، می‌توانیم مـحل بالون را در فضا دقیقا تعیین کنیم.

می‌توانیم بگوئیم مثلا،3 متر از دیوار شـمارهٔ 1،5 ر 2 مـتر از دیـوار شماره 2 و 5 ر 1 متر از زمین فاصله دارد. فاصلهٔ x، y و z را «مؤلفه» می‌نامیم، یعنی اندازه‌هایی که برای تعیین موقعیت لازم است. معمولا آنها را مـؤلفه‌هایی ‌ دکـارتی Cartesian نام می‌نهند زیرا این مفهوم به فیلسوف و ریاضیدان قرن هفدهم فرانسه، رنه‌دکارت تـعلق دارد. مـوقعیت هـر نقطه را در فضا بابکاربردن مؤلفه‌های x، y و z می‌توان تعیین کرد. فرض کنیم دو نقطهٔ p1 و p2 را مشخص کرده‌ایم. می‌خواهیم حرکت ذرهـ‌ای را از p1 به p2‌ ردیابی کنیم. معمولا برای خواندن زمان در نقطه‌های p1 و p2 یا در حقیقت وقتی که ورود ذره را در p1 و p2 مـی‌بینیم، مدتی وقت صرف مـی‌شود.

اخـتلاف بین زمان واقعی و زمان ظاهری ورود ذره در یک نقطهٔ معین، به علت زیاد بودن سرعت نور، معمولا ناچیز است. حتی در سرعتی برابر سرعت نور یعنی حدود 300000 کیلومتر در ثانیه نیز، خیلی کم اسـت و فقط با وسایل اندازه‌گیری خیلی دقیق می‌توان آن را تا حدودی تشخیص داد. ولی در سرعت برابر 5/0 سرعت نور یعنی 150000‌ کیلومتر در ساعت، این تفاوت شروع به ظاهر شدن می‌کند.

در سرعت برابر 0.1 .سرعت نور زیاد، و در سرعت برابر 0.1 سرعت نور، خیلی زیاد است.

اگر بخواهیم حرکت یک ذره را در چنین سرعت زیادی بـا دقـت به روی نمودار بیاوریم باید نظریهٔ نسبیت را به کار بریم که در آن زمان لازم برای حرکت نور در فضا به حساب آمده است. محاسبات لازم را می‌توان را با دقت انجام داد. زیرا سرعت نـور بـدون توجه به موقعیت مخصوصی که ناظر خود را در آن می‌یابد، همیشه ثابت می‌ماند.

بنابر اصول فیزیک کلاسیک دو عامل متفاوت را در رسم نمودار حرکت ذره باید به حساب آوریم. این دو عامل فضا (سه‌بعد، طـول، عـرض و ارتـفاع) و زمان است.

بنابر نظریهٔ نـسبیت، نـمی‌توان زمـان را چیزی جداگانه به حساب آورد. زمان نمایندهٔ بعد چهارم است که باید به طول، عرض و ارتفاع اضافه شود. نباید بگوییم فضا و زمـان بـلکه بـاید از فضا-زمان نام برد. بنا به گفتهٔ هـرمان مـینکوسکی فیزیکدان مشهور آلمانی، «از حالا به بعد، فضا به تنهایی و زمان به تنهایی صرفا خیالاتند و تنها ترکیب هر دو است کـه اصـالت دارد.»

چـهار بعد را می‌توان به شکل ریاضی نمایش داد. ولی نمی‌توان آنها را در یـک نمودار که در مورد سه بعد مرسوم است، مشخص ساخت. برای بسیاری از مردمان حتی تصور بعد چهارم مشکل اسـت. ایـن مـطلب به همان اندازه تصور بعد سوم برای انسان نقطه‌ای که شـکلی کـه در دنیای دو بعدی (طول وعرض) زندگی کند، مشکل است.

اگر این انسان نقطه‌ای شکل از نقطهٔ الف (بـه شـکل مـراجعه فرمایید) در دنیای دو بعدی خود مسافرت کند، برای مدت زمان بی‌نهایت در خط مـستقیم پیـش خـواهد رفت. فرض کنیم او را به دنیای سه‌بعدی یعنی کره‌ای بسیار بزرگ منتقل کنیم.

انسان نقطه‌ای از هیچ تغییری آگـاه نـخواهد شد، زیرا خمیدگی سطح، از نقطهٔ نظر او ناچیز خواهد بود. ولی اگر از نقطهٔ الف رویـ کـره شـروع به حرکت در مسیری کند که به نظر او خط مستقیم است، از اینکه پس از مدتی خود را در نـقطهٔ اول یـافته است، بهت‌زده خواهد شد. انسان نقطه‌ای ما نمی‌تواند کره را رؤیت کند، زیرا وی فـقط بـا دنـیای دوبعدی آشناست. به‌هرحال، یک انسان نقطه‌ای ریاضیدان می‌تواند ساختمان کره را به زبان ریاضی بیان کـند. وی مـی‌تواند به کمک علامتها در معادلات ریاضی نشان دهد که برای انسان نقطه‌ای چـه اتـفاقی افـتاده که به نقطهٔ اول برگشته است. اما اگر انسان نقطه‌ای مسافر با زبان و روشهای ریاضی آشـنا نـباشد هـیچ توصیفی تردیدهای وی را برطرف نمی‌کند. گروه زیادی از مردم توصیفات راجع به بعد چـهارم را بـه همان سختی خواهند فهمید.

فضا-زمان انیشتین را کنتینیوم Continuum چهاربعدی می‌نامند. نقطه‌ای از فضا و لحظه‌ای از زمان که در آن هـر حـادثه‌ای اتفاق بیفتد نمایندهٔ تک‌تک نقطه در کنتینیوم*است. فاصلهٔ بین دو حادثه را با خـط مـحدودی نمایش می‌دهند. (یک خط با حدود مـعین) امـتداد خـطوط محدودی از این نوع، موقعیتهای متوالی را که تـوسط یـک ذره در فضا-زمان اشغال شده است، نشان می‌دهد. ثبت کاملی که بدین نحو انـجام گـیرد، دنیای ذره نامیده می‌شود.

برای فـهم ایـن اصل، فـرض مـی‌کنیم کـه دنیای دوبعدی انسان نقطه‌ای با مـربعهای مـساوی مشخص شده است که از برخورد خطوط به وجود آمده‌اند. انسان نقطه‌ای قـدم مـی‌زند، و از نقطهٔ الف محل تقاطع دو خط شروع مـی‌کند و مستقیم به جلو مـی‌رود. در انـتهای یک ساعت وی به نقطهٔ ب مـی‌رسد، جـایی که دو خط همدیگر را قطع کرده‌اند. پس از دو ساعت به نقطهٔ ج می‌رسد و همینطور تا آخر. اگـر خـطی بکشیم که این نقطه‌ها را بـه هـم وصـل کند، نمایش قـسمتی از دنـیای خطی است که بـر دو بـعد طول و عرض و بعد سوم زمان بنا شده است. این خط اطلاعاتی درباره مجموعه‌ای از وقـایع یـعنی ورود انسان نقطه‌ای به یک نقطه پس از نـقطهٔ دیـگر به دسـت مـی‌دهد.

نـظریهٔ نسبیت خاص برای مـطالعهٔ اجسامی که با سرعت خیلی زیاد نزدیک سرعت نور حرکت می‌کنند، ضروری است. برای ایـن اجـسام اتفاقات جالب توجهی رخ می‌دهد. یکی ایـنکه ایـن اجـسام در جـهت حـرکت خود منقبض مـی‌شوند. ایـن پدیده را انقباض فیتز جرالد-لورنتس می‌نامند که نام دو فیزیکدان مشهور واضع این عقیده در دههٔ 1890 است.*در هـمان مـوقع کـه جسم منقبض می‌شود، جرم آن زیاد و زمان کـند مـی‌شود.

اگـر یـک تـوپ بـازی را با آخرین سرعت پرتاب کنیم، هیچ تغییری در شکل توپ ظاهر نمی‌شود. علت آن است که سرعت، در حدود 160 کیلومتر در ساعت، در مقایسه با سرعت نور قابل صرفنظر کردن است. فرض کنیم که توپ از کنار ناظر باسرعتی نزدیک به سرعت نور عبور کند. اگر ناظر می‌توانست جـزئیات را تـشخیص دهد، مشاهده می‌کرد که توپ در جهت حرکت خود به مقدار زیادی متراکم می‌شود و در انتها شبیه کلوچه می‌گردد. اگر در داخل توپ ساعتی وجود داشت در مقایسه باسرعتی که در دست ناظر اسـت، کـند کار می‌کرد.

وقتی سرعت توپ به سرعت نور نزدیکتر شود، طول آن در جهت حرکتش به سمت صفر میل می‌کند و تبدیل به قرص مـسطحی مـی‌شود و وقتی سرعت آن بیشتر شود، جـرم بـسمت بینهایت نزدیک می‌شود. ساعت داخل آن کندتر و کندتر می‌شود از آنجا که نیرویی بینهایت لازم است تا به جرم بینهایت شتاب دهد، نتیجه می‌گیریم که هیچ جـسم فـیزیکی با سرعت نور نـمی‌تواند حـرکت کند، اما اگر نیروی کافی در دسترس باشد سرعت نزدیک به سرعت نور می‌رسد.

آیا می‌توان ثابت کرد که وقتی اجسام به سرعت نور نزدیک شود، در جهت حرکت خود منقبض مـی‌شوند، آیـا می‌توانیم همچنین ثابت کنیم که جرم زیاد و زمان کند می‌شود؟ جواب به هر سه این پرسشها «مثبت» است.

انقباض اجسام در جهت حرکتشان با بررسی اشعهٔ کیهانی ثابت شده است.

وقتی ذرات اولیهٔ اشـعهٔ کـیهانی با هـسته‌های ازت و اکسیژن در سطوح بالایی جو برخورد می‌کنند، در میان چیزهای دیگر، ذراتی به نام مومزون mu meson را آزاد می‌کنند، این ذرات قدرت نـفوذ فوق العاده دارند، و از لایه‌های هوا تا سطح دریا راه طی می‌کنند. آنـها را مـی‌توان بـا شمارندهٔ گایگر مولر شمرد و هویت آنها را تا در اطاق ابر ویلسون مشخص کرد. آنها نیم عمری برابر دو مـیکروثانیه ‌ دارنـد.*یعنی دو ملیونم یک ثانیه. در دو ملیونم ثانیه نصف مومزونها تباه شده و تبدیل به الکـترونهای مـعمولی مـی‌شوند. اما در یک ملیونم ثانیه، ذره‌ای که می‌تواند بسرعت نور حرکت کند فقط در حدود 30 متر حـرکت خواهد کرد. چطور یک مومزون که بیشتر در ارتفاع 1800 متری تشکیل می‌شود. به مـا می‌رسد؟ تا زمان رسیدن به مـا مـعمولا باید تباه شده باشد.

یک دلیل آنست که «ساعت» یعنی نیم عمر مومزون به مقدار خیلی زیادی کند شده است. در 200 میکروثانیه که برای ما می‌گذرد «ساعت» مومزون باید فقط دو میکروثانیه بـه جلو حرکت کرده باشد.

فرض کنیم ناظری بر مومزون سوار شده باشد. وی از حرکت آگاه نیست، به نظرش می‌رسد که آرام نشسته است و ساعت او به‌نظر طبیعی کار می‌کند. وی می‌بیند که زمین باسرعت سرسام‌آور نزدیک به‌سرعت نور به طرف او حرکت می‌کند.

وی تحت تأثیر انقباض فیتز جرالد-لورنتس قرار مـیگیرد و جـو اطراف آن در جهت حرکت مومزون منقبض می‌شود. در نتیجه جو فقط در حدود چند صد متر ضخامت خواهد داشت و زمین و مومزون قبل از تباهی مومزون به یکدیگر خواهند خورد.

فیزیکدان آلمانی برخرر A.H.Bucherer در حـدود سـالهای 1910‌، ازدیـاد جرم اجسام بر اثر سـرعت را بـا آزمـایشی به ثبوت رساند. وی جرم ذرات تباه، یعنی الکترونهایی را که از اجسام رادیواکتیو طبیعی ساطع می‌شوند، اندازه گرفت، و دریافت که جرم بر اثر سـرعت زیـاد مـی‌شود و این همان مطلبی است که نظریهٔ خاص نـسبیت پیـش‌بینی کرده است.

تغییر زمان در سرعتهای نزدیک به‌سرعت نور توسط ا.ایوز N.E.lves در حدود 1925 ثابت شده است. وی نشان داد اتمهای هیدروژن، که اشـعه‌ای بـابسامد کـاملا معین ساطع می‌کنند، اگر باسرعتی نزدیک به‌سرعت نور حرکت کـنند، بسامد خود را تغییر می‌دهند.

آزمایشهای دیگر تغییرات جرم، طول و زمان بر اثر سرعت را طـبق پیـش‌بینی نـظریهٔ خاص نسبیت نشان داد. اکنون فیزیکدانان این تغییرات را بدون هیچ شکی ثابت شـده تـلقی مـی‌کنند. به نظر می‌رسد نظریاتی که قابل مقایسه با نور باشند کاملا نظری هستند امـا اصـل قـضیه چنین نیست. سرعتهای ذرات در اشعهٔ حاصل از ماشینهای بزرگ شتاب‌دهنده، مانند سیکلوترون، سینکروترون، بتاترون در این ردیـف دانـشمندان در موقع کار کردن با چنین ذراتی، محاسبات نظریهٔ خاص نسبیت را به کار مـی‌برند، در حـقیقت غـالبا از ذراتی که بر اثر شتاب گرفتن سرعتی نزدیک به‌سرعت سرعت نور یافته‌اند به نـام ذرات نـسبی نام می‌برند.

پروتون یا ذرات دیگر در یک سینکلروترون به‌سرعتی نزدیک سرعت نور می‌رسند اگـر بـه شـتاب دادن ادامه دهیم سریعتر حرکت نمی‌کنند بلکه سنگینتر می‌شوند. دانشمندان پیشنهاد کرده‌اند که این اتم‌شکنهای بـزرگ «پونـدراتور» یا «وزن‌بخش» نامیده شوند، زیرا جرم ذراتی را که شتاب می‌دهند بالا مـی‌برند.

در جـنگ جـهانی دوم، مهندسان می‌بایست بابکاربردن فورمولهای نسبیتی، مسیرهای الکترونها را در اشعهٔ سریع کاتودی اسیلوسکوپها محاسبه کنند. در زمانی ه موشکهای خیلی سریعتر از صوت حرکت مـی‌کنند و پروازهـایی فضایی مورد توجه است، مردان دانش توجه بیشتری مصروف پدیده‌های عجیبی می‌کنند کـه در سـرعتهای نزدیک به‌سرعت نور رخ می‌دهد.

کـاربرد اصـول نظریهٔ خـاص نـسبیت در انـدازه‌گیریهای سرعت نتایج بخصوصی می‌دهد. مثلا فـرض کـنیم دو موشک یکدیگر را در سرعتهای زیاد و نزدیک به‌سرعت نور تعقیب می‌کنند. فرض کنیم، نـسبت بـه زمین هریک سرعتی برابر 9/0 سرعت نـور دارند. سرعت نسبی ایـن دو مـوشک نسبت به یکدیگر جه خـواهد بود؟

مـمکن است تصور شود که ما باید همان نوع محاسباتی را به کار ببریم کـه بـرای اندازه‌گیریهای سرعت دو اتومبیل که بـسوی یـکدیگر مـی‌آیند بکار برده مـی‌شود.

در ایـن صورت اگر هریک از ایـن مـاشینها باسرعت 60‌ کیلومتر در ساعت حرکت کنند باسرعت 60+60 یعنی 120 کیلومتر به یکدیگر نزدیک می‌شوند. بر ایـن‌اساس، چـون هر موشک باسرعت 9/0 سرعت نور یـعنی تـقریبا باسرعت 270000 کـیلومتر در ثـانیه حـرکت می‌کند بنابراین سرعت آنـها نسبت بیکدیگر دو برابر مقدار بالا یعنی 540000 کیلومتر در ثانیه خواهد بود. ولی عملا، ترکیب سرعت دو موشک کـمتر از سـرعت نور یعنی کمتر از 300000‌ کیلومتر در ثانیه خـواهد بـود.

بـه دلیـلی، سـرعت نور سرعت نـمادی اسـت، که هیچ ترکیب سرعتی نمی‌تواند از آن تجاوز کند همچنین، باید به خاطر داشته باشیم که در سرعتهای نـزدیک بـه سـرعت نور، زمان کند می‌شود. سرعت کمیتی اسـت کـه بـا واحـدها طـول بـر واحد زمان اندازه‌گیری می‌شود. زمان برای دو موشک سریع به اندازهٔ کافی کند می‌شود به‌طوری که جمع دو سرعت چیزی در حدود 99 ر.سرعت نور یعنی 297000 کیلومتر در ثانیه گردد.

نظریهٔ خـاص نسبیت با تغییر شکل انرژی نیز ارتباط می‌یابد. فیزیکدانان قرن نوزدهم می‌دانستند که شکلهای مختلف انرژی مانند انرژی سینتیک (انرژی جنبشی) انرژی الکتریکی، انرژی شیمیایی، انرژی حرارتی، انرژی پتانسیل و غـیره وجـود دارد. آنها این نکته را نیز تشخیص داده بودند که یک نوع انرژی می‌تواند به نوع دیگر تبدیل شود. در قرن بیستم دانشمندان به این نتیجه رسیدند که انرژی به ماده و ماده بـه انـرژی تبدیل می‌شود.

اینشتین، در نظریهٔ خاص نسبیت خود روی معادلهٔ این تبدیلات کار کرد. این همان معادلهٔ معروف تبدیل ماده به انرژی یعنی E mc2 است کـه در آن E انـرژی برچسب ارگ، m جرم برحسب گرم و C سـرعت نـور برحسب سانتیمتر بر ثانیه است. فیزیک هسته‌ای مدرن ماورای سایه‌های شک، صحت این فرمول را ثابت کرده است. این فرمول نقش همه جانبهٔ مهمی در پیـشرفت و تـوسعهٔ انرژی اتمی برای جـنگ و صـلح بازی کرده است.

جمع کل انرژی و یا معادل آن برحسب جرم، همیشه در گیتی، Univers‌ یا در هر دستگاه بستهٔ دیـگر ثابت می‌ماند. هسته‌ای که باید تلاشی رادیواکتیو داشته باشد، در خود انرژی متراکم شده‌ای به صورت جرم دارد. این انرژی بعد به صورت انرژی جنبشی درمی‌آید و در موقع متلاشی شدن ذرات آزاد می‌شود. اگر ذره‌ای را مـاقبل و بـعد از تلاشی وزن کنیم، وزن حاصل از تلاشی و اندازهٔ انرژی جنبشی ذرات آلفا و گاما را به دست آوریم (اگر ساطع شده باشد)، می‌توانیم نشان دهیم که هیچ چیز از ذرات اصلی گم نشده است. عموما فـقط یـک بخش از ذرات موجود به انرژی خالص تبدیل میشود به‌هرحال مثالهای مختلفی از تبدیل کامل جرم به انرژی وجود دارد.

مثلا وقتی الکترون منفی با الکترون مثبت یا پوزیترون برخورد می‌کند همهٔ جـرم هـر دو الکترون تبدیل به اشعهٔ گاما می‌شود.

نظریهٔ خاص نسبیت معتبر است، زیرا به‌درستی خواص فیزیکی دستگاهی را توصیف می‌کند. این نظریه، نظریه‌های قدیمی گالیله و نیوتون را منسوخ نکرده است. اختلاف بـین مـحاسبات فـیزیک کلاسیک و نظریهٔ خاص در مورد اجـسامی کـه بـا سرعت کمتر از سرعت نور حرکت می‌کنند، ناچیز است و می‌توان آن را ندیده گرفت. ولی وقتی باسرعتهای نزدیک به‌سرعت نور سروکار داریم، درمی‌یابیم که مـحاسبات فـیزیک کـلاسیک به درد نمی‌خورد. باید نظریهٔ نسبیت خاص را به کـار بـریم تا از خطاهای جدی پرهیز کرده باشیم.

نظریهٔ عام نسبیت

این نظریه که در سال 1915 توسط اینشتین تکمیل شد با میدان نیرو سروکار دارد. برای نـشان دادن طـرز عـمل این میدانها فرض می‌کنیم که ناظری در جعبه‌ای در بسته قرار دارد. وی نمی‌تواند خـارج از جـعبه را ببیند، بنابراین مشاهده‌ای از جهان خارج نخواهد داشت. اما دستگاههایی که بتواند نیروهای مختلف را کاملا اندازه بـگیرد، در اخـتیار دارد.

نـخست فرض خواهیم کرد که جعبه روی زمین قرار دارد، با به‌کاربردن یک آونگ، نـاظر در جـعبه کـشف خواهد کرد که در میدان جاذبهٔ زمین قرار دارد.

وی مشاهده خواهد کرد که همهٔ اجسام در داخـل جـعبه بـه سمت نقطه‌ای که در اینجا مرکز زمین است، جذب می‌شوند.

حال، جعبه را با ناظری کـه هـنوز در آن است به نقطهٔ دور دستی منتقل می‌کنیم که از هر نوع نیروی جاذبهٔ وارد بر جـرم دور اسـت. اگـر جعبه ساکن باشد یا با سرعت ثابت حرکت کند، هیچ نیروی قابل اندازه‌گیری در داخـل جـعبه وجود نخواهد داشت.

ناظر و همهٔ اجسام داخل جعبه بی‌هدف در داخل جعبه شناور خـواهند شـد زیـرا وزنی ندارند.*

حالا باید تصور کنیم که یک عامل خارجی نیرویی بر جعبه وارد می‌آورد و بـه آن شـتاب ثابت در جهتی خاص می‌دهد. همهٔ اجسامی که در جعبه هستند تحت اثر ایـن نـیرو قـرار گرفته و «وزن» به‌دست می‌آورند. آنها درست مانند اجسامی که تحت تأثیر نیروی جاذبه هستند، مردی کـه در جـعبه اسـت قادر نخواهد بود بگوید که آیا ساکن است و تحت اثر میدان جـاذبه قـرار گرفته یا در فضای آزاد شتاب یکنواخت دارد.

فرض کنیم جعبه را با سیمی به نقطهٔ معین بیاویزیم و آن را به دور ایـن نـقطه بچرخانیم، نیروی گریز از مرکز (نیرویی که جسم را به خارج از مرکز می‌برد) هـمان اثـری را خواهد داشت که نیروی جاذبه باشتاب یـکنواخت ایـجاد مـی‌کند. ایستگاههای فضایی کنونی که در ارتفاع دو هزار کـیلومتری بـالای زمین ساخته می‌شوند، بر این اصل بنا می‌گردند.

برحسب نظریه عام، تشخیص مـیدانهای جـاذبه و دیگر میدانهای نیرو از یکدیگر مـحال اسـت. در حقیقت ایـنشتین بـیان داشـت که آنچه ما به نام نـیروی جـاذبه می‌شناسیم مربوط به شتابی است که بر اثر تغییر جهت حاصله از چـرخش زمـین به دور محور خود به وجود مـی‌آید. این میدان جاذبه یـا هـر میدان نیرو آثاری قابل انـدازه‌گیری بـوجود می‌آورد زیرا در کاینات ماده وجود دارد.

وقتی اینشتین این اثرات را در نظریهٔ نسبیت عام بـررسی کـرد، دریافت که آنها با آثـاری کـه تـوسط نیوتون در قانون جـاذبهٔ عـمومی و دیگر قوانین فیزیک پیـش‌بینی شـده است تفاوت دارند. به یک دلیل، بنابر مفهوم فیزیک کلاسیک، مسیر نور «ژئودزیک» یـعنی کـمترین فاصله بین دو نقطه است.*

اینشتین پی بـرد کـه این مـسئله فـقط در جـهانی که هیچ ماده‌ای در آن وجـود ندارد، صادق است. وی گفت عملا نور در موقع عبور از کنار جسم سنگین خم می‌شود.

دانـشمندان ایـن نظریه را به آزمایش گذاشتند. نخست از قـسمتی از آسـمان کـه در آن خـورشید نـبود عکسی برداشتند بـعد عـکس دیگری از آن ناحیه وقتی خورشید در آن بود گرفتند. (البته این عکس را می‌بایست وقتی بگیرند که کسوف کلی روی داده باشد زیرا در غیر این صورت ستاره‌های نزدیک به خورشید اصـلا دیده نمی‌شوند.) اگر خورشید عملا دستهٔ نور را خم کرده بود، موقعیت ستاره در عکس دوم باید کمی تغییر می‌کرد. در حقیقت هم‌چنین بود. مقدار تغییر همان بود که نظریهٔ نسبیت عام پیش‌بینی کـرده بـود.

نظریهٔ نسبیت عام بـه حـل مسئله‌ای که سالها منجمین را گیج کرده بود، کمک کرد. آنها مشاهده کرده بودند که وقتی سیارهٔ مریخ در مدار بیضوی به دور خورشید می‌چرخد، خود مدار بیضوی هم در جهت حرکت سیاره مـی‌چرخد. وقـتی حضیض (نقطه‌ای که در آن سیاره نزدیکترین فاصله با خورشید را دارد) به دور خورشید با مدارهای متحرک می‌چرخد، نوعی مدار ثانوی را توصیف می‌کند.

منجمین دریافتند که پیشرفت حضیض در جهت حرکت سیاره، بیش از مقداری اسـت کـه با مـحاسبهٔ سیارات دیگر به‌دست می‌آید. این مقدار در حدود 40 ثانیه در مدت یک قرن شد.*منجمین ظنین شدند که شـاید جسمی ناشناس، مثلا یک سیاره مریخ را جذب می‌کند ولی چنین سیاره‌ای کـشف نـشد. ایـنشتین نشان داد که نظریهٔ نسبیت عام این اختلاف را محاسبه می‌کند. در حضیض، سیاره نسبت به خورشید، یعنی جسم سـنگین،‌ نـزدیکتر از هر موقعیت دیگر است. بنابراین مسیر آن اندکی تغییر می‌کند و این تغییر درست بـه انـدازه‌ای اسـت که محاسبات نظریهٔ انجام می‌دهد.

اثبات دیگر نظریهٔ عام از پیش‌بینی تغییری که در بسامد خطوط طیفی تابیده شده از اتمها در میدان جاذبهٔ خیلی قوی حاصل می‌شود، ناشی می‌گردد. میدانهایی از این‌گونه یا به اصطلاح سـتاره‌های کوتولهٔ سفید وجود دارند که شامل اجسام فوق العاده سنگین است که قطر خیلی کوچک دارند. تغییر مکان در خطوط طیفی همهٔ اتمها در این میدانها از پیش‌بینی نظریهٔ نسبیت عام تبعیت می‌کنند. (مـقالهٔ تـپ اخترها را در شمارهٔ 4 هدهد ببینید.)

نظریه نسبیت عام و ساختمان گیتی

اینشتین در مقالات اولیهٔ خود براساس نظریهٔ نسبیت عام خود برای جهان اساس جدیدی پیشنهاد کرد. وی خاطر نشان‌ساخت که اگر فضا کـاملا خـالی باشد، در تمام جهات به‌سوی بی‌نهایت کشیده خواهد شد. در چنین فضایی، نور به خط مستقیم حرکت می‌کند، اما، می‌دانیم که فضا خالی نیست. شامل ماده است که در بیشتر مناطق خـیلی رقیق و در بقیهٔ مناطق خیلی متراکم است. در مـناطقی کـه مـاده متراکم است، خطوط جهانی برای مسیر نور بـیشتر خـمیده است تا خط مستقیم. چگالی متوسط ماده در فضا آنچنان کم است که اثر مطلق حضور ماده، کوچک خواهد بـود. بـهرحال ایـنشتین فکر می‌کرد که بدلیل وسعت عظیم کاینات، احتمال می‌رود کـه اگر یک شعاع نور برای بیلیونها سال حرکت کند، مسیر منحنی که می‌پیماید سبب خواهد شد که بـالاخره بـه نـقط، شروع برگردد.

فیزیکدانان اصلا با این تصویر منحنی و خـمیدهٔ جـهان که با واقعیتهای عملی مربوط است، موافق نیستند، در حقیقت خود اینشتین در این باره به تردید دچـار شـد. دانـشمندان توضیحات گوناگون دیگری را از جهان پیشنهاد می‌کنند که بر نظریهٔ نسبیت استوار اسـت. مـا نـمی‌دانیم کدام‌یک از این نظریه‌ها حالت واقعی آنچه را که وجود دارد با بیشترین دقت نشان می‌دهد. بـه دلیـل آنـکه ما هنوز اطلاعاتی بسیار کم دربارهٔ چگالی و توزیع آن در کهکشانهای دوردست داریم. وقتی اطلاعات دقـیقتری دربـارهٔ آنها به دست آوردیم، شاید بتوانیم دربارهٔ حقایق جهان مطالب بیشتری بیاموزیم.

نـظریهٔ مـیدان واحـد اینشتین

اینشتین در سال 1949 نظریهٔ میدان واحد را عرضه داشت که در آن میدان جاذبه و میدان الکترومغناطیس در صـورت یـک نیروی جهانی به‌حساب آمده بود. وی این یگانگی را در چهار معادله که به نظر وی «بـسیار قـانع‌کننده» مـی‌رسید، عرضه داشت.

اما مجبور شد اظهار کند که هنوز شواهد تجربی برای پشتیبانی از نظریه مـیدان واحـد وجود ندارد.

سـرژا. کرف

ترجمهٔ ماری شیبائی

هدهد ، مهر 1358 – شماره 5