پارادوكس‌هاي نسبيت – قسمت اول

اينكه بزرگترين انقلاب در فيزيك،‌ از زمان نيوتون تا به حال،‌ از جايي مثل اداره ثبت اختراعات آغاز شود، بسيار نامحتمل به نظر مي‌رسد. ولي با اين حال، كار در چنين موقعيتي از بعضي جهات مؤثر بود. اينشتين به سرعت به كارهاي ثبتي انباشته‌شده روي ميز رسيدگي مي‌كرد. سپس روي صندلي مي‌نشست و روياي دوران كودكي خود باز مي‌گشت.

او در دوران جواني كتابي خوانده بود با نام ««كتاب عوام در علم طبيعي»» از ««آرون برنشتاين»». او بعدها در مورد كتاب چنين گفت:

««  كتابي كه من با شوقي نفس‌گير مطالعه كردم»».

برنشتاين از خواننده مي‌خواست تصور كند كه همراه الكتريسيته در طول سيم تلگراف حركت مي‌كند. زماني كه اينشتين 16 ساله بود، سوال مشابهي را از خود پرسيد. اگر بتوانيد همراه نور حركت كنيد، اين پرتو نوري چگونه به نظر خواهد رسيد؟ بعد اينگونه پاسخ مي‌دهد:

««  اين مفهوم از پارادوكسي كه من در سن 16 سالگي با آن برخورد كردم، سرچشمه گرفت. اگر من پرتو نوري را با سرعت C (سرعت نور در خلاء) دنبال كنم، بايد اين پرتو نور را به عنوان يك ميدان الكترومغناطيسي نوسانگر در فضا،‌ در حال سكون ببينم. به هر حال به نظر مي‌آيد، چه از نظر تجربي و چه بر اساس قوانين ماكسول،  چنين چيزي صحت ندارد.»»

اينشتين به عنوان يك كودك انديشيد كه اگر مي‌توانست در كنار يك پرتو نوري حركت كند، نور بايد بي حركت ديده شود،‌مثل يك موج ايستا. ولي هيچ‌كس تا كنون نور ايستا نديده است، بنابراين مي‌شود فهميد كه يك جاي كار ايراد دارد.

هنگام تغيير قرن، همه چيز در فيزيك بر دو ستون بزرگ استوار بود: نظريه‌ي مكانيك و گرانش نيوتون، و نظريه‌ي نور ماكسول.

در دهه‌ي 1860، فيزيك‌دان اسكاتلندي، جيمز كلارك ماكسول نشان داد كه نور از ميدان‌هاي نوسانگر الكتريكي و مغناطيسي تشكيل شده كه به طور مداوم در حال تبديل به يكديگر هستند. اينشتين در كمال تعجب دريافت كه اين دو ستون با يكديگر در تناقض هستند و يكي از آنها محكوم به فناست.

او با كنكاش در معادلات ماكسول، پاسخ معمايي را يافت كه او را ده سال به خود مشغول كرده بود. اينشتين چيزي را يافت كه خود ماكسول فراموش كرده بود. معادلات ماكسول نشان مي‌دادند كه نور با سرعتي ثابت حركت مي‌كند،‌بدون توجه به اينكه سرعت شما چقدر است. سرعت نور C در تمام چارچوب‌هاي لخت يكسان است (منظور چارچوب‌هايي هستند كه با سرعت ثابت حركت مي‌كنند و شتاب ندارند). اگر شما ايستا باشيد و يا در قطاري حركت كنيد يا روي دنباله‌داري پرسرعت نشسته باشيد، در هر حالت پرتو نوري را خواهيد ديد كه جلوي شما با همان سرعت نور در حركت است. با هر سرعتي حركت كنيد،‌ هيچ‌گاه نمي‌توانيد از نور سبقت بگيريد.

اين مسئله، فوراً انبوهي از پارادوكس‌ها را ايجاد كرد. براي لحظه‌اي تصور كنيد كه فضانوردي سعي دارد به يك پرتو نور برسد. فضانورد در فضاپيماي خود شروع به حركت مي‌كند تا اينكه شانه به شانه پرتو نور قرار مي‌گيرد. ناظري كه بر روي زمين به اين تعقيب فرضي مي‌نگرد، خواهد گفت كه فضانورد و پرتو نور در كنار هم حركت مي‌كنند. ولي فضانورد چيزي كاملاً  متفاوت خواهد گفت. او مي‌گويد كه پرتو نور با سرعت از او دور مي‌شود، درست مشابه حالتي‌كه فضاپيماي او ساكن است.

سوال پيش روي اينشتين اين بود كه چگونه دو نفر مي‌توانند چنين دريافت متفاوتي از يك رخداد داشته باشند؟

در نظريه‌ي نيوتون،‌ فرد همواره مي‌توانست به پرتوهاي نور برسد، ولي در دنياي اينشتين اين امر غير ممكن بود. ناگهان اينشتين دريافت كه ايرادي اساسي در بنيان‌هاي ابتدايي فيزيك وجود دارد. در بهار 1905 اينشتين نوشت:

«« توفاني در ذهن من به پا شد.»»

 سرانجام او ناگهان پاسخ را يافت. سرعت گذشت زمان متغير است و به سرعت شما بستگي دارد. در واقع،‌ هرچه سريع‌تر حركت كنيد، زمان كندتر مي‌گذرد. زمان، آن‌طور كه نيوتون فكر مي‌كرد، مطلق نيست. از نظر نيوتون، گذشت زمان در سراسر جهان يكنواخت است. يك ثانيه بر روي زمين با يك ثانيه بر روي مشتري يا مريخ برابر است. ساعت‌ها مطلقاً در سراسر جهان هم‌زمانند. اما از نظر اينشتين ساعت‌هاي مختلف در جهان ضرب‌آهنگ متفاوت دارند. اينشتين همچنين دريافت كه اگر زمان بسته به سرعت شما تغيير مي‌كند،  آنگاه كميت‌هاي ديگري همچون طول و جرم و انرژي نيز بايد تغيير كنند. او دريافت كه با افزايش سرعت شما، طول‌ها در نظر شما منقبض مي‌شوند (كه گاهي انقباض لورنتس‌-فيتزجرالد ناميده مي‌شود). به طور مشابه هرچه سريع‌تر حركت كنيد، جرم شما نيز بيشتر مي‌شود. (در حقيقت با نزديك‌ شدن شما به سرعت نور،‌ زمان تا توقف كامل كند مي‌شود، طول‌ها تا هيچ منقبض مي‌شوند و جرم شما بي‌نهايت خواهد شد، كه همه‌ي آنها نامعقول هستند. به همين دليل است كه شما هيچ‌ وقت نخواهيد توانست به سرعت نور كه حد نهايي سرعت در عالم است،‌ دست يابيد).

همان‌طور كه يافته‌هاي نيوتون، فيزيك زمين و آسمان‌ها را يكپارچه كرد، اينشتين نيز زمان را بافضا يكپارچه كرد. به علاوه نشان داد كه جرم و انرژي معادل‌اند و بنابراين مي‌توانند به يكديگر تبديل شوند. اگر جرم شي‌ء با افزايش سرعت زياد شود، پس انرژي جنبشي به جرم تبديل مي‌شود. عكس اين ماجرا نيز درست است. جرم نيز مي‌تواند به انرژي تبديل شود. آينشتين رابطه‌ي دقيق تبديل جرم به انرژي را به صورت E=mc^2  محاسبه كرد. به اين ترتيب منبع انرژي مخفي ستارگان آشكار شد. تبديل ماده به انرژي طبق همين فرمول باعث درخشندگي جهان شده است. معماي ستارگان با اين عبارت ساده توجيه مي‌شود كه سرعت نور در تمام چارچوب‌هاي لخت يكسان است.

ادامه دارد …

منبع: كتاب جهان‌هاي موازي، نوشته‌ي ميچيو كاكو