معرفی کتاب « نسبیت »، نوشته پوریا ناظمی

کتاب نسبیت نوشته پوریا ناظمی

مقدمه مترجم

نظریه نسبیت، یکی از مهم‌ترین سنگ بناهای درک امروزین ما از جهانی که در آن زندگی می‌کنیم را تشکیل می‌دهد. نام انیشتین شاید هنوز هم شناخته‌ترین نام در بین دانشمندان معاصر در بین مردمان جهان باشد و کمتر کسی است که وقتی کلمه دانشمند را می‌شنود اولین چهره‌ای که در ذهنش نقش می‌بندد تصویر پیرمرد، خوش‌رو و آشفته‌مویی نباشد که بنیادهای ادراک ما از جهان امروز را به‌طور اساسی دستخوش تغییر کرده است. نظریه نسبیت او نه‌تنها افق‌های جدیدی در درک ما از کیهان گشود که مرزهای جدی و مهمی را پیش راه ذهن‌های کنجکاو قرار داد. درک ایده‌های انیشتین و به‌ویژه شاهکار شگفت‌انگیز او یعنی نظریه نسبیت امروزه یکی از ضروریات برای کسانی است که می‌خواهند به درک درستی از جهان ما دست یابند.

انیشتین و نظریه او بی‌شک یکی از ظریف‌ترین و چشم‌نوازترین آثار تاریخ علم بشر به‌شمار می‌رود اما همان اندازه که این نظریه به درک عالم کمک کرده است موجب سوءتفاهم‌های بسیاری هم شده است.

در طول سال‌های طولانی که به روزنامه‌نگاری علمی و ترویج علم و نجوم پرداخته‌ام، همیشه انیشتین و نظریه او یکی از چالش‌برانگیزترین موضوعات در زمینه حرفه‌ایم به‌شمار می‌رفته است. علت این امر به دشواری بیان این نظریه برنمی‌گردد بلکه به این واقعیت برمی‌گشت که اگر کسی بخواهد نظریه انیشتین را بشناسد باید درک درستی از پیش‌فرض‌هایی که او تئوری خود را بر آن مبنا بیان کرده است داشته باشد. زمانی نیوتون گفته بود اگر من افق‌های دورتری را می‌بینم به این علت است که بر دوش غول‌ها ایستاده‌ام. انیشتین برای بیان نظریه‌اش به این حد اکتفا نکرده است و بر فراز بام قصر غول‌ها ایستاده است. تک‌تک خشت‌های پیشین نقشی اساسی در درک درست ما از دیدگاه انیشتین بازی می‌کند و با گم کردن این خشت‌ها بالا رفتن از تئوری نسبیت مانند بالا رفتن از نردبانی بسیار لغزان و خطرناک خواهد بود.

در دوره کاریم بارها ـ شاید هر هفته ـ با تماس‌هایی مواجه می‌شدم که افرادی با سطح تحصیلی مختلف و از قشرهای مختلف جامعه ادعا می‌کردند نظریه انیشتین را رد کرده‌اند. در سخنرانی‌های عمومی و ترویجی، نظریه‌بافی‌هایی بر مبنای نظریه انیشتین و کنجکاوی درباره موضوعاتی مانند، کرمچاله‌ها، سیاهچاله‌ها، سپیدچاله‌ها، سفر در زمان و سفر با سرعت نور بخش جدایی‌ناپذیری از برنامه بوده است. در چنین مواردی مطمئن بودم که توضیحات کوتاه و بدون بیان پیشینه مورد نیاز که ممکن است ساعت‌ها وقت بگیرد، تنها ممکن بدفهمی خواهد شد و در نتیجه به جای آنکه وظیفه‌ام در ترویج علم را انجام داده باشم به عاملی برای ترویج شبه‌علم و بدفهمی بدل خواهم شد. به همین دلیل ترجیح می‌دادم به این سؤالات پاسخ ندهم و پرسش‌کننده را به مطالعه بیشتر منابع دقیق و یادگیری پیش‌نیازهای این بحث دعوت کنم.

متاسفانه بسیاری از منابع موجود درباره نسبیت یا آنچنان پیچیده، فنی و به زبان ریاضیاتی هستند که تنها مخاطبان خاص با تحصیلات بالا و تخصص ریاضیاتی و فیزیک می‌توانند متوجه شوند و یا برای ساده کردن موضوع آنچنان از کناره‌های آن زداند که بیشتر موجب بدفهمی می‌شوند.

کتاب حاضر از مجموعه مقدمه‌ای بسیار کوتاه انتشارات آکسفورد دقیقاً مخاطبان عمومی را هدف گرفته است. برای درک این کتاب لازم نیست به ریاضیات پیشرفته مسلط باشید. آگاهی از ریاضیاتی در حد اوایل دبیرستان برای مطالعه و درک بخش‌های ریاضیاتی این کتاب کافی است. اگرچه خواندن این کتاب کوچک صبر و حوصله می‌طلبد و گاهی لازم است بخش‌هایی را چند بار مرور کنید تا مفاهیم آن به‌خوبی در ذهن بنشیند. این کتاب داستان نسبیت را از نسبیت خاص آغاز می‌کند و پس از معرفی و توضیح مفاهیم اصلی آن به نسبیت عام می‌پردازد و در نهایت از دل نظریه نسبیت عام سعی می‌کند توصیفی از جهان ما ارایه دهد. این کتاب شما را به ماجراجویی شگفت‌انگیزی می‌برد که در آن با زبانی ساده ولی مستدل و به دور از تخیل‌پردازی‌های رایج، زیرساخت‌های لازم برای درک نسبیت را در اختیارتان می‌گذارد. این کتاب با مفاهیم آشنایی که هر روزه با آنها مواجهیم آغاز می‌کند و در پایان می بینید که در این سفر هیجان‌انگیز تا چه حد دیدگاهتان نسبت به جهانی که در آن زندگی می‌کنید جابه‌جا شده است. برای علاقه‌مندان علم و به‌خصوص مسایل فیزیک و نسبیت خواندن این کتاب کوچک می‌تواند لذتی بی‌نظیر را به همراه داشته باشد.

این کتاب در عین حال با ارایه دقیق توصیفی از نسبیت و تبیین پیش‌نیازها و بسترهای آن و شفاف کردن مفاهیمی که در نسبیت مورد بحث قرار می‌گیرد مانع بروز بسیاری از بدفهمی‌ها در زمینه نسبیت خواهد شد.

نویسنده این کتاب پرفسور راسل استانارد (Russell Stannard) فیزیکدان ذرات پرانژی است و در حال حاضر استادی دانشگاه اوپن را به‌عهده دارد. او متولد سال ۱۹۳۱ در انگلستان است او به پاس تلاش‌هایش در توسعه فیزیک و همچنین عمومی‌سازی آن عالی‌ترین نشان شوالیه‌گری امپراتوری بریتانیا (OBE) را در سال ۱۹۹۸ از آن خود کرده است. او همچنین در سال ۱۹۹۹ مدال و جایزه انستیتیو فیزیک را به پاس تلاش‌هایش در بهبود شیوه‌های آموزش فیزیک از آن خود کرد. او همچنین مجموعه‌ای از ویدیوهای کوتاه را تحت نام کلی «مرزهای قابل آگاهی»(۱) را با اجرای خودش تولید و منتشر کرده است. او در هر قسمت از این مجموعه به سراغ یکی ازمفاهیم علمی از ماده، زمان، فضا، آگاهی و حیات فرازمینی می‌رود و سعی می‌کند هر یک از آنها را از دو چشم‌انداز علمی و فلسفی مورد بحث قرار دهد. این ویدیوهای کوتاه هم‌اکنون در شبکه‌های اجتماعی منتشر شده و بازدیدکنندگان زیادی دارند. او در این کتاب سعی کرده است با پرهیز از زبان فنی و در عین حال دقت کامل نظریه نسبیت انیشتین را برای مخاطب عام خود توضیح دهد و راهنمای شما در این سفر باشد.

اما قبل از اینکه این سفر هیجان‌انگیز را آغاز کنید لازم است درباره یک نکته توضیح مختصری داده شود. در زمانی که این کتاب را ترجمه می‌کردم، اتفاق مهمی در جهان علم رخ داد که به‌طور جدی با مسئله نسبیت گره می‌خورد.

چند ماه پیش گروهی از پژوهشگران فیزیک ذرات خبری را اعلام کردند که جهان علم را شگفت‌زده کرد. آنها اعلام کردند موفق شدند در آزمایشی مشخص کنند که برخی از نوترینوها با سرعتی بالاتر از سرعت نور سفر می‌کنند. اولین واکنش عمومی به این خبر این بود که نظریه انیشتین اعتبار خود را از دست داده است. چراکه همان‌طور که در این کتاب خواهید دید این مسئله که سرعت نور در خلأ حد نهایی برای سرعت به‌شمار می‌رود یکی از زمینه‌های اصلی در نسبیت است.

این آزمایش و داستان آن هنوز نهایی نشده است برای اینکه اطلاع بهتری از این آزمایش به دست آورید شرح مختصری از آن را در پی می‌آورم:

داستان این آزمایش در جایی به نام گران ساسو در ایتالیا شروع شد جایی که محققان آزمایشی به نام اوپرا یا Oscillation Project) (with Emulsion-tRancking Apparatus دریافتند نوترینوهایی که از ۷۳۰ کیلومتر دورتر از آزمایشگاه سرن در ژنو سویس، از دل زمین به سوی آشکارسازهای این مرکز فرستاده شده بودند زودتر از آنچه تصور می‌شد به مقصد رسیده‌اند. این آزمایش برای ۳ سال تکرار شد تا احتمال خطاهای موجود، محاسبات اشتباه و خطاهای سیستم بررسی شود اما هر بار همان نتیجه به دست می‌آمد. این نوترینوها ۶۰ میلیاردم ثانیه ـ با احتمال خطای ۱۰ میلیاردم ثانیه مثبت یا منفی ـ زودتر از آنچه باید به مقصد می‌رسند. به‌عبارت دیگر سرعت سفر این نوترینوها ۲۹۹۷۹۸۴۵۴ متر بر ثانیه بوده است در حالی‌که سرعت نور در خلأ یا همان ثابت معروف c، ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر بر ثانیه است.

اهمیت این یافته در این نبود که دانش ما به حدی رسیده است که می‌توانیم ذراتی با سرعت بالاتر از سرعت نور را کشف کنیم بلکه در این نکته نهفته است که مطابق فیزیک مدرن و همان‌طور که در این کتاب خواهید دید جهان ما امکان رسیدن به سرعتی بالاتر از سرعت نور را در اختیار هیچ چیزی نمی‌گذارد. این نکته که سرعت نور در خلأ آخرین و حد نهایی سرعت ممکن در جهان است تنها یک فرض یا یک فرمول ساده نیست که به‌راحتی اصلاح شود بلکه سنگ بنای فیزیک مدرن و درک ما از جهان را تشکیل می دهد.

زمانی که این خبر اعلام شد افراد مختلفی درباره آن اظهارنظر کردند. برایان کاکس، استاد فیزیک ذرات در دانشگاه منچستر و از محققان مرکز سرن در این‌باره به بی بی سی گفته است: «اگر چیزی را پیدا کنید که با سرعتی سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند، این اتفاق مهم‌ترین کشف جهان فیزیک در بیش از یک قرن گذشته خواهد بود و باید بر مبنای آن تمام فیزیک را دوباره نوشت».

دکتر جیم الخلیل، فیزیکدان ذرات در این‌باره به گاردین گفته است: «اگر واقعاً چنین اتفاقی افتاده باشد، در حقیقت سنگ بنای فیزیک در یک قرن گذشته جابه‌جا شده است اما من ترجیح می‌دهم فعلاً این احتمال را در نظر بگیریم که این محاسبه ناشی از اشتباهی است که در روند کار این دانشمندان از چشم آنها دور مانده است». او که گویا هنوز از شوک این خبر بیرون نیامده بود گفته است: «اگر اثبات شود که نتایج آزمایش سرن درست بوده است و نوترینوها سرعت نور را شکسته‌اند من در برنامه زنده تلوزیونی لباس خودم را خواهم خورد».

در عین حال آنتونیو اردیتاتو سخنگوی تیم تحقیقاتی اوپرا گفته است که دانشمندان این طرح درحال بیرون آمدن از شوک اولیه حاصل از این نتایج هستند و تفسیر و توضیح این نتایج را بر عهده جامعه علمی گذاشته‌اند. او به گاردین گفته است: «ما اندازه‌گیری‌های خود را چندین بار تکرار کرده‌ایم و اکنون به‌عهده جامعه علمی است که آنها را دوباره بررسی کنند. ما هیچ عجله‌ای نداریم به ما بگویید کجا اشتباه کرده‌ایم و اگر می‌توانید اندازه‌گیری‌ها را دوباره انجام بدهید و به نتایج دیگری دست پیدا کنید» او درباره احتمالاتی که این یافته به همراه می‌آورد گفته است معنی این کشف برای نویسندگان علمی تخیلی دنیاهای جدیدی را مطرح کرده است آنها ایده‌های خود را بیان می‌کنند اما ما فعلاً وارد این بازی نمی‌شویم و سعی می‌کنیم پیش‌بینی نکنیم».

زمانی که برای اولین بار نتایج این آزمایش مطرح شد گمانه‌زنی‌ها درباره تأثیراتی که نتایج آن بر فیزیک و نسبیت می‌گذاشت بالا گرفت و این سؤال مطرح شد که آیا راهی وجود دارد که بتواند با سیستم موجود و بدون زیر سؤال بردن نسبیت این نتایج را تأیید کند؟

هنریش پائه از دانشگاه دورتمند که از اعضا این گروه تحقیقاتی هم بوده است معتقد است شاید نوتریونوها در واقع از میان‌برهای فضا ـ زمانی استفاده کرده باشند و با گذر از ابعاد اضافی ولی پنهان موجود در فضا ـ زمان رد شده و نوعی میان بر فضا ـ زمانی را تجربه کرده باشند. او معتقد است اگر چنین ابعادی وجود داشته و در مسیر این نوترینوها قرار گرفته باشد در این صورت آنها می‌توانند با عبور از گذرگاه‌های آنها به‌نحوی میان‌بر بزنند که برای ناظر بیرونی که شاهد ماجرا است زمان گذر آنها نسبت به زمانی که باید در فضای عادی ۳ بعدی طی کنند کوتاه‌تر خواهد شد. توضیح دیگر در این مورد سال‌ها پیش از سوی الن کستلسکی از دانشگاه ایندیانا مطرح شده بود او در سال ۱۹۸۵ این ایده را مطرح کرده بود که یک میدان انرژی نامریی که در خلأ قرار دارد ممکن است به نوترینوها اجازه دهد سریع‌تر از فوتون‌ها که ذرات تشکیل‌دهنده نور هستند حرکت کنند. اما همه اینها توضیحات زودهنگام ماجرا است.

در این آزمایش نوترینوها بازیگران اصلی بودند. اگر بخواهیم از همه دقت‌ها و دشواری‌ها و جنبه‌های فنی چنین آزمایشی چشم‌پوشی کنیم می‌توان آن را به‌طور خلاصه این‌گونه بیان کرد که گروهی از میون‌ها از سرن در مسیر مشخصی رها شده‌اند و در سوی دیگر این مسیر در ایتالیا جایی در ۷۳۰ کیلومتری محل اول توسط حس‌گرهایی که با دقت فراوان با حس‌گرهای محل ارسال آنها هماهنگ شده بود ـ و بخشی از اهمیت این آزمایش در رسیدن به توانایی بالای هماهنگی این دو حس‌گر در این حد فوق‌العاده است ـ تشخیص داده شدند. این زمان با دقتی بی‌نظیر اندازه‌گیری و عوامل اضافی از آن حذف شد و با در نظر گرفتن شرایط مسیر حرکت میون‌ها و مسایل ژئو دزی مربوط به آن در نهایت با تقسیم مسافت طی شده بر زمان بین رهاسازی و آشکارسازی میون‌ها سرعت آنها محاسبه شده است. اصول کار شبیه به همان کاری است که در یک مسابقه دو سرعت صورت می‌گیرد اما همه چیز میلیون‌ها برابر دقیق‌تر شده است. دونده‌های این مسیر میون‌ها بودند. میون‌ها ذرات بنیادی هستند که از نظر بار الکتریکی خنثی بوده و جرم بسیار ناچیزی ـ اما نه صفر ـ دارند. این ذرات تمایل بسیار پاینی برای واکنش دادن با ماده معمولی دارند و به همین دلیل تشخیص آنها بسیار دشوار است حجم زیادی از نوترینوها هر لحظه از درون بدن شما عبور می‌کنند. این ذرات در واپاشای‌های رادیو اکتیو مشخصی ایجاد می‌شوند. رویدادهایی مانند برخورد میان اتم‌ها و تشعشعات کیهانی منشأ این ذرات هستند و به همین دلیل در انفجارهای ابر نواختری بارش فوق‌العاده‌ای از آنها به وجود می‌آید.

اما داستان در اینجا به پایان نرسید و تنها چند هفته بعد پس از اعلام نتایج یک گروه از محققان با بررسی دقیق این آزمایش اعلام کرده‌اند که بروز این نتیجه به این مسئله بر می‌گشت که در تنظیم و ساختاربندی سیستم زمان سنجی این رویداد دقت لازم صورت نگرفته است. بر اساس گفته این محققان ثبت سرعت بالاتر از نور برای این ذرات به این دلیل بوده است که سیستم زمان‌سنجی خودش تحت‌تأثیر عوارض نسبیتی قرار گرفته است و به نوعی خود این آزمایش نظریه نسبیت را تأیید می‌کند. اما این هم پایان داستان نبود و مدتی بعد دوباره گروه اول آزمایش را با لحاظ کردن ملاحظات جدید تکرار کردند و باز هم همان نتایج اولیه را به‌دست آورند. تا زمانی که این مقدمه نوشته می‌شد هنوز بحث‌ها بر سر صحت و سقم این آزمون در جریان بود. این آزمایش باید توسط گروه‌های علمی مستقل دیگری نیز مورد بررسی قرار می‌گرفت و از جمله دو آزمایشگاه در ژاپن و ایالات متحده که قابلیت این اندازه‌گیری را داشتند در ماه‌های بعدی به سراغ این آزمایش می‌روند.

اما فارغ از نتیجه‌ای که این آزمایش‌های مجدد به‌دست آورد، باید دو نکته را در نظر داشت. آیا اگر وجود ذراتی سریع‌تر از نور ثابت شود آیا این به این معنی خواهد بود که الف. انیشتین اشتباه می‌کرده است و نظریه نسبیت غلط است و ب. مهم‌تر از آن آیا این مسئله نشان می‌دهد که علم غیرقابل اتکا و غیردقیق است؟

جواب هر دو سؤال منفی است. اولاً هنوز آزمایش‌های بسیاری باید برای تأیید این رویداد صورت بگیرد. اما با فرض تأیید هیچ چیزی از ارزش نظریه نسبیت کم نمی‌شود. همان‌طور که در بالا اشاره کردم توضیحات دیگری وجود دارد که می‌تواند با حفظ نظریه نسبیت وقوع چنین پدیده‌ای را توضیح دهد حتی اگر تفسیر آن نیازمند بازنگری در نظریه انیشتین باشد، این امر تنها به این معنی است که حوزه‌ها و قلمروهای جدید پیش روی دانشمندان قرار گرفته است که باید برای آن توضیحات دقیق‌تری پیدا کنند. نظریه انیشتین اگرچه جایگزین نظریه نیوتون درباره گرانش شد و درک کاملاً متفاوتی نسبت به آن را درباره گرانش مطرح کرد اما هنوز نظریه نیوتون برای موارد عمومی کاربرد دارد هنوز ماهواره‌ها و سفینه‌های فضایی با محاسبات نیوتونی به فضا پرتاب می‌شوند و به مقصد می‌رسند. انیشتین نشان داد جهان فیزیک قلمرو وسیعی از آن چیزی است که نیوتون و فیزیک او توصیف می‌کردند برای توصیف این قلمرو جدید فیزیک جدید نیاز است. با فرض اینکه (و دقت کنید که این فرض بسیار جدی و فعلاً مشکوکی است) این آزمایش تأیید شود و تنها تفسیر موجود آن در ارتقای نظریه انیشتین باشد قطعاً دیدگاه‌ها از جهان تغییر اساسی می‌کند اما این موضوع هیچ چیزی از اهمیت شاهکار انیشتین کم نمی‌کند و آموختن و درک نسبیت کماکان پله‌ای ضروری برای بالا رفتن از نردبان درک جهان است. پاسخ سؤال دوم هم منفی است. ذات علم بر مبنای مشاهده، آزمایش، استنتاج، توسعه دادن، نظریه دادن، پیش‌بینی کردن و مهم‌تر از همه قابلیت ابطال کردن بنا شده است. تنها حوزه‌ای از دانش که اجازه دارد و می‌تواند با قطعیت اعلام‌نظر کند ریاضیات است که در آن منطق ناب و استنتاج منطقی از اصول اولیه شما را به نتیجه قطعی درستی و غلطی یک گزاره می‌رساند. در بقیه علوم هیچ‌گاه چنین قطعیتی وجود ندارد و به همین دلیل آنها را علوم تجربی می‌نامند. این مسئله به قدری مهم است که برخی از فلاسفه علم مانند کارل پوپر اساساً علم را بر مبنای ابطال‌پذیری آن تعریف می‌کنند یعنی علم چیزی است که ابطال‌پذیر باشد و فرق علم از غیر علم نیز همین است. علم را نظریه‌هایی می‌سازد که برای تفسیر جهان اطراف ما ارایه می‌شوند آنها در گذر زمان و در برابر آزمون‌های مخالف محک می‌خورند یا تقویت می‌شوند یا در آزمایش‌هایی باطل شده و نظریه دیگری جای آنها را می‌گیرد. این ذات علم است و همین موضوع است که علم را به شیواترین و شگفت‌ترین ماجراجویی نوع بشر بدل کرده است.

اما این بحث‌ها درباره آزمایشی است که فعلاً مجامع علمی آن را تأیید نکرده‌اند! پس به سراغ دنیای نسبیت بازگردیم. پیش از آنکه داستان اصلی را دنبال کنید می‌خواهم از این فرصت استفاده کرده و از دوستان عزیزم در انتشارات بصیرت که علی‌رغم بدقولی‌های من فرصت ترجمه این کتاب را در اختیارم قرار دادند تشکر کنم. امیدوارم این کتاب به مخاطبان عام در ایران و علاقه‌مندان مباحث علمی کمک کند تا طعم شگفت‌انگیز و بی‌نظیر جهان پرماجرای علم را بچشند.

همچنین مایلم ترجمه این کتاب را به روح معلم و پدر بزرگوارم، مرحوم رضا ناظمی تقدیم کنم که مرا با جهان شگفت‌انگیز دانش آشنا کرد.

پوریا ناظمی

پاییز ۱۳۹۰


پیش‌گفتار

همه ما درباره زمان، فضا و ماده، دیدگاه‌های بنیادینی داریم که با آنها بزرگ شده‌ایم. گزاره‌های زیر از جمله این دیدگاه‌ها هستند:

همه ما در یک فضای سه‌بعدی واحد زندگی می‌کنیم؛

زمان بر همه ما یکسان می‌گذرد؛

دو رویداد یا همزمان با هم رخ می‌دهند و یا یکی از آنها بر دیگری تقدم دارد؛

اگر نیروی کافی را تأمین کنید به هر سرعتی که بخواهید می‌توانید برسید و در این راه هیچ مانعی وجود ندارد؛

ماده نه به وجود می‌آید و نه از بین می‌رود؛

مجموع زوایای یک مثلث ۱۸۰ درجه است؛

محیط یک دایره حاصل ضرب شعاع آن در ۲π است؛

در خلأ، نور همیشه در مسیر مستقیم به حرکتش ادامه می‌دهد.

به نظر می‌رسد این گزاره‌ها، حتی بدیهی‌تر از بقیه مواردی باشد که درک مشترک (۲) ما نسبت به طبیعت را شکل می‌دهند، اما باید مواظب بود:

درک‌های مشترک شامل آن لایه‌هایی از پیش‌داوری‌ها هستند که از پیش از قرن ۱۸ در ذهن‌های ما رسوب کرده‌اند.

آلبرت انیشتین (۳)

در حقیقت، نظریه نسبیت انیشتین همه گزاره‌های بالا را به چالش کشیده است. شرایطی وجود دارند که در آنها می‌توان نشان داد این گزاره‌ها نادرست هستند. با وجودی که چنین یافته‌هایی مبهوت‌کننده و شگفت‌انگیز هستند اما دنبال کردن ردپای انیشتین در مسیری که منجر به کشف آنها شد، کار مشکلی نیست. در این کتاب، خواهیم دید چگونه از مشاهدات عادی روزمره و ادغام کردن آنها با نتایج آزمایش‌هایی خاص، می‌توانیم به صورت منطقی به این نتیجه‌گیری‌ها برسیم. در بخش‌هایی از این کتاب، اندکی ریاضیات مورد استفاده قرار گرفته است. اما این استفاده به مواردی مانند گرفتن جذر اعداد یا استفاده از قضیه فیثاغورث، محدود می‌شود. خوانندگانی که مایلند موضوع را با جزئیات ریاضیاتی بیشتری دنبال کنند می‌توانند به منابع فنی‌تری که در این‌باره وجود دارد مراجعه کنند.

نظریه نسبیت به دو بخش تقسیم می‌شود: نظریه نسبیت خاص که در سال ۱۹۰۵ فرمول‌بندی شد و نظریه نسبیت عام که در سال ۱۹۱۶ ارایه شد. نظریه اول تنها تأثیراتی بر فضا و زمان، در شرایط حرکت یکنواخت، را بررسی می‌کرد و بعداً با در نظر گرفتن اثرات دیگری مانند تأثیرات شتاب و گرانش تکمیل شد. نظریه نخست وضعیت خاصی از یک نظریه عمومی را بیان می‌کرد که همه حالت‌ها را شامل می‌شد. ما هم بحث خود را با همین ترتیب و با بررسی نسبیت خاص آغاز می‌کنیم.


۱. نسبیت خاص

اصل نسبیت و سرعت نور

فرض کنید که در یک واگن قطار نشسته‌اید و منتظر حرکت آن از ایستگاه هستید. بیرون پنجره قطار دیگری را می‌بینید که آن هم در کنار شما توقف کرده است. سوت قطار به صدا در می‌آید و بالاخره شروع به حرکت می‌کنید. کم‌کم از کنار قطار بغلی می‌گذرید و وقتی آخرین واگن این قطار نیز از کنار شما گذشت، انتظار دارید از پنجره ایستگاه را ببینید که در پشت سر در حال دور شدن از شما است. اما وقتی آخرین واگن قطار بغلی را پشت سر می‌گذارید می‌بینید که ایستگاه حتی اندکی هم جابه‌جا نشده که سر جای خودش باقی مانده است. اما چطور چنین چیزی ممکن است؟ واقعیت این است که در این مورد شما و قطاری که سوارش هستید هیچ حرکتی نکرده بودید و علت اینکه فکر کردید در حال حرکت هستید صرفاً به این دلیل بوده که قطار بغلی ایستگاه را ترک می‌کرده است.

این یک تجربه و مشاهده ساده است که برای همه ما گاه‌گداری رخ می‌دهد و فریب‌مان می‌دهد. واقعیت این است که شما ـ حداقل در شرایطی که درباره یک حرکت مستقیم‌الخط یکنواخت صحبت می‌کنیم ـ نمی‌توانید با قطعیت بگویید که آیا واقعاً در حال حرکتید یا نه. به‌طور معمول زمانی که با ماشین در حال حرکت هستید می‌فهمید که حرکت می‌کنید. حتی اگر چشمان خود را ببندید زمانی که ماشین در پیچ‌ها دور می‌زند آن را احساس می‌کنید، حرکت روی دست‌اندازها را می‌فهمید و کاهش و افزایش ناگهانی سرعت را نیز متوجه می‌شوید. اما در هواپیمایی که به‌طور یکنواخت حرکت می‌کند، غیر از صدای موتورها و ارتعاشات خفیف راهی برای اثبات اینکه در حال حرکت هستید وجود ندارد. زندگی درون هواپیمای در حال حرکت دقیقاً به همان شکلی جریان دارد که وقتی که هواپیما روی زمین بود اتفاق می‌افتاد و عملاً راهی برای تفکیک بین آنها وجود ندارد. در چنین شرایطی می‌گوییم این هواپیما یک چهارچوب مرجع لَخت به‌شمار می‌رود.

به این معنی که تا وقتی که ناظر ما درون چنین چهارچوبی باشد، قوانین لَختی نیوتون برای وی معتبر است، به عبارت دیگر یک شیء، سرعت و جهت حرکت خود را درون چنین چهارچوبی تغییر نخواهد داد، مگر اینکه به آن نیروی جدیدی اعمال شود. برای مثال یک لیوان آب که روی میز مقابل شما در هواپیما قرار دارد تا زمانی که شما با دستتان نیرویی به آن وارد نکرده‌اید سر جای خود باقی می‌ماند.

اما وقتی از پنجره بیرون را نگاه می‌کنید و می‌بینید که زمین در زیر پای شما در حال حرکت است چه؟ آیا از این مشاهده نمی‌توان نتیجه گرفت که هواپیما در حال حرکت است؟ واقعاً نه! به هر حال زمین شیء ثابتی نیست. سیاره ما در حال چرخش به دور خورشید است. خود خورشید به دور مرکز کهکشان راه شیری می‌چرخد و راه شیری نیز در خوشه‌ای از کهکشان‌ها در حال حرکت است. تنها چیزی که می‌توانیم بگوییم این است که حرکت‌ها همه نسبی هستند. هواپیما نسبت به زمین حرکت می‌کند و زمین نسبت به هواپیما در حال حرکت است. هیچ راهی برای تشخیص اینکه واقعاً کدام‌یک از دو مورد ثابت و کدام در حال حرکت واقعی هستند وجود ندارد. اگر کسی در جمعی از افراد که هر یک در جایگاهی نشسته‌اند شروع به قدم زدن به شکل یکنواختی کند، این اجازه را دارد که در این شرایط خود را ثابت فرض کرده و در نظر بگیرد که بقیه افراد در اطراف او در حال حرکت هستند این امر به این دلیل است که قوانین فیزیک حاکم بر محیط ما، برای همه افراد و اشیایی که به‌صورت ثابت و یکنواخت حرکت می‌کنند، یکسان است و یا به عبارت دیگر، این قوانین برای همه افرادی که در یک چهارچوب مرجع لَخت هستند، صادق است. این گزاره را اصل نسبیت (۴) می‌نامند.

و البته اگر فکر می‌کنید که انیشتین کاشف این اصل بود اشتباه می‌کنید. بلکه این داستانی است که به زمان گالیله بر می‌گردد. اما اگر داستان نسبیت به گالیله بر می‌گردد، پس چرا واژه نسبیت با نام انیشتین گره خورده است؟ آن چیزی که انیشتین به آن توجه کرد، در دل قوانین الکترومغناطیس ماکسول (۵) قرار داشت. بر مبنای نظریه ماکسول نور شکلی از تابش الکترومغناطیسی است. به همین دلیل با آگاهی از قدرت نیروی الکتریکی و مغناطیسی، می‌توان سرعت نور یا c در خلأ را محاسبه کرد. البته این واقعیت که نور هم دارای سرعت است، امر بدیهی به‌شمار نمی‌رود. وقتی وارد اتاق تاریکی می‌شوید و چراغ را روشن می‌کنید نور یک باره و در یک آن، همه‌جا از سقف و دیوار گرفته تا کف اتاق را روشن می‌کند. اما در حقیقت ماجرا آن‌قدرها هم یکدفعه‌ای و همزمان اتفاق نمی‌افتد. مدت زمانی طول می‌کشد تا نور فاصله لامپ تا مقصد خود را طی کند. البته این مدت زمان، بسیار کوتاه است. آن‌قدر کوتاه که چشمان غیرمسلح نمی تواند آن را تشخیص دهد. بنابر قوانین حاکم بر طبیعت سرعت نور در خلأ که با نماد c نشان داده می‌شود، ۴۵۸ /۲۹۹۷۹۲ کیلومتر بر ثانیه است (البته در هوا این سرعت اندکی کاهش می‌یابد) و این سرعتی است که قابل اندازه‌گیری است.

اما اگر منبع نور در حال حرکت باشد چه پیش می‌آید؟ یک احتمال این است که مثلاً رفتار نور را شبیه به رفتار گلوله توپی فرض کنیم که از عرشه ناو جنگی که در حال عبور از آب‌های مقابل چشم شما است، شلیک می‌شود. در این حالت، برای ناظری که در ساحل ایستاده است، این انتظار وجود دارد که اگر توپ در جهت حرکت کشتی شلیک شود سرعت کشتی به سرعت اولیه آن اضافه و اگر در جهت معکوس شلیک شود این سرعت از آن کم شود. رفتار نور در چنین شرایطی که منبعش در حال حرکت است در سال ۱۹۶۴ در آزمایشگاه سرن در ژنو بررسی شد. در این آزمایش از ذرات زیر اتمی که به آنها پیون‌های خنثی (۶) گفته می‌شود، کمک گرفته شد. این پیون‌ها در حالی که با سرعتی معادل ۹۹۹۷۵ /۰ برابر سرعت سرعت در حال حرکت بودند دو موج نوری در دو جهت تابش کردند. سرعت هر دو این دو موج نوری با دقتی معادل ۱ /۰% سرعت نور اندازه‌گیری شد و مشخص شد سرعت آنها با سرعت نور برابر است. نتیجه این آزمایش این است که سرعت نور به سرعت منبع نور وابسته نیست.

همچنین سرعت نور به وضعیت ناظر آن نیز بستگی ندارد. یعنی مهم نیست که ناظری که شاهد تماشای سفر یک پرتو نور است، در مکانی ثابت ایستاده یا در حال حرکت باشد. دوباره آن کشتی فرضی را در نظر بگیرید. معلوم شد که رفتار نور شبیه رفتار گلوله‌ای نیست که از عرشه کشتی شلیک شده باشد، پس شاید باید رفتار آن را شبیه به رفتار امواج آب اطراف کشتی در نظر بگیریم. اگر ناظر ما کسی باشد که روی عرشه کشتی در حال حرکت قرار دارد، برای او این‌طور به نظر می‌رسد که امواج مقابل کشتی با سرعت کمتری از امواجی که در پشت سر کشتی ایجاد شده است حرکت می‌کنند. علت این امر به حرکت کشتی و حرکت ناظر نسبت به آب بر می‌گردد (شکل ۱ را ببینید). اگر نور را نوعی موج در نظر بگیریم که درون یک محیط واسطه ـ چنین محیط واسطه‌ای را پیشترها اتِر می‌نامیدند ـ و در جهات مختلف فضا حرکت می‌کند، آن‌گاه همان‌طور که زمین مسیرش در میان این اتر را می‌پیمود، سرعت نور هم می‌بایست برای ناظرانی که در دو سوی زمین قرار دارند و همراه آن حرکت می‌کنند متفاوت به نظر آید (یکی از این دو ناظر روی به سوی جهت حرکت زمین در میان اتر دارد و دیگری پشت به آن). اما در آزمایش معروفی که توسط مایکلسون (۷) و مورلی (۸) در سال ۱۸۸۷ صورت گرفت، مشخص شد سرعت نور مستقل از اینکه منبع یا ناظر را متحرک فرض کنیم در همه جهات ثابت است.

۱. ناظری که درون قایق نشسته مشاهده می‌کند که امواج حاصل از پاروزدنش، در راستای حرکت قایق با سرعت کمتری نسبت به خلاف آن حرکت می‌کنند.

بنابراین داریم:

الف. اصل نسبیت بیان می‌کند که قوانین طبیعت برای همه چهارچوب‌های مرجع لخت یکسان هستند.

ب. یکی از این قوانین طبیعت به ما اجازه می‌دهد که مقدار سرعت نور در خلأ ـ که مقداری ثابت در همه چهارچوب‌های مرجع لخت و مستقل از سرعت منبع و یا ناظر آن است ـ را به دست آوریم.

این دو گزاره به نام اصول موضوعه نسبیت خاص شناخته می‌شوند.

این واقعیت‌ها برای مدت‌های طولانی به باوری عمومی در بین فیزیک‌دان‌ها تبدیل شده بودند و نبوغ انیشتین را لازم داشتند تا مشخص شود اگرچه هر یک از این دو گزاره به‌تنهایی صادق و کارآمد هستند اما زمانی که هر دو را کنار هم قرار دهیم با مشکل مواجه می‌شویم. در این حالت به نظر می‌رسید که اگر گزاره اول درست باشد دومی باید اشتباه باشد و یا اگر دومی درست باشد، اولی باید اشتباه از کار درآید. اگر هر دو ـ آن‌گونه که ما نشان دادیم ـ درست باشند، آن‌گاه موضوعی بسیار بسیار جدی در این بین از قلم افتاده است. این واقعیت که سرعت نور برای همه ناظرهای چهارچوب لخت، فارغ از حرکت چهارچوب و یا ناظر همیشه یکسان است باعث می‌شود، روش رایج و همیشگی که با کمک آن بردارهای سرعت را با هم جمع و از هم کم می‌کنیم اشتباه از کار در بیاید. اگرهم چیزی درباره مفهوم سرعت به شکلی که می‌شناسیم، اشتباه باشد (یعنی درباره مفهوم مسافت تقسیم بر زمان) آن‌گاه باید به این نتیجه برسیم که چیزی درباره زمان، مکان یا هر دو آنها اشتباه است. مسئله‌ای که در اینجا با آن سر و کار داریم، یک گونه عجیب و غریب نور یا نوع خاصی از تابش‌های الکترومغناطیس نیست. بلکه هر چیزی که با سرعت معادل سرعت نور حرکت کند و فارغ از سرعت چهارچوب مرجع لخت، یا ناظر سرعت یکسانی داشته باشد، دچار همین مسئله می‌شود. مسئله بسیار مهم در این بحث سرعت است (و تأثیری که بر مفاهیم پایه‌ای، یعنی زمان و مکان می‌گذارد) و نه این مسئله که ما با پدیده‌ای به نام نور سر و کار داریم و سرعت آن را بررسی می‌کنیم. بلکه خود ماهیت سرعت مورد بحث اهمیت است.


کتاب نسبیت نوشته پوریا ناظمی

کتاب نسبیت
مقدمه ای بسیارکوتاه
نویسنده : پوریا ناظمی
مترجم : راسل استانارد
انتشارات بصیرت
تعداد صفحات: ۱۷۴ صفحه

دیدگاه خود را با ما اشتراک بگذارید:

ایمیل شما نزد ما محفوظ است و از آن تنها برای پاسخگویی احتمالی استفاده می‌شود و در سایت درج نخواهد شد.
نوشتن نام و ایمیل ضروری است. اما لازم نیست که کادر نشانی وب‌سایت پر شود.
لطفا تنها در مورد همین نوشته اظهار نظر بفرمایید و اگر درخواست و فرمایش دیگری دارید، از طریق فرم تماس مطرح کنید.