بیگ بنگ: از توضیح اسرار طبیعت گرفته تا اثبات قدرت خیال‌پردازی، آلبرت اینشتین کارهای زیادی برای دنیا انجام داده که باید قدردان او باشیم. امروز ۱۴ مارس، زادروز آلبرت اینشتین، شناخته‌شده‌ترین فیزیک‌دان قرن بیستم و تدوین‌کننده نظریه نسبیت است، اینشتین در ۱۴ مارس ۱۸۷۹ به دنیا آمد و اگر امروز زنده بود، 140 ساله می‌شد. وی خدمات زیادی برای علم انجام داده که در این مقاله به برخی از آنها اشاره می کنیم، با بیگ بنگ همراه باشید.

به گزارش بیگ بنگ، در سال 1915، یک فیزیکدان 36 ساله به نام آلبرت اینشتین مقاله‌ای را به مجموعه مقالات علمی آکادمی علوم پروس در برلین ارائه داد. این مقاله – تحت عنوان «معادلات میدانی گرانش» – علمی، برجسته و موثر بود و سئوالاتی را مطرح کرد که جهان را تحت تاثیر قرار داد. فیزیکدانان و اخترشناسان قدردان کار اینشتین هستند، همانند بسیاری از دانشمندان دیگر که شغلشان وابسته به معادلات اینشتین است؛ معادلاتی که بازی را عوض کرده‌اند. اما اینشتین فقط یک قهرمان پنهان برای محققان نیست – او یکی از معروف‌ترین دانشمندان در تمام اعصار است که به عنوان یک تندیس جهانی و معادل با “نبوغ” در نظر گرفته می‌شود.

معمولأ در زمان توصیف تأثیرگذاری چهره‌های تاریخی مبالغه صورت می‌گیرد، با این حال در نمونۀ اینشتین، صفات عالی که به او نسبت داده شده واقعأ برازنده هستند. او به واقع یک نابغۀ کمیاب بود که درک ما از فضا، زمان و گرانش را تغییر داد و کشفیات او واقعأ آرایش گسترده‌ای از تکنولوژی مدرن را پدید آورد. او همچنین یک میراث فرهنگی غنی بجا گذاشت و قدرت رویاپردازی و افکار مستقل را نشان داد.

هدایت ماهواره

اخترفیزیکدان دانشگاه آکسفورد، پدرو فرریا در مقاله‌ای در سال 1915 در مورد نظریه نسبیت عام اینشتین نوشت – یکی از بهترین دستاوردهای فیزیک در قرن بیستم – زیرا این نظریه نشان داد که گرانش انحنایی از فضا-زمان است که در اثر ماده ناشی شده است. این نظریه براساس نظریه‌ تخصصی نسبیت اینشتین شکل گرفته و این دو نظریه توضیح می‌دهند کیهان چگونه کار می‌کند.

نه تنها نسبیت اینشتین حیرت‌آور است، بلکه دلالت‌های بزرگی برای دانشمندان دارد، مثل اخترشناسانی که مأموریت‌های فضایی را برنامه‌ریزی می‌کنند، جرم ستارگان را اندازه می‌گیرند یا امواج گرانشی را مطالعه می‌کنند. و در حالیکه ممکن است برای ما انتزاعی و محرمانه به نظر برسد، نسبیت بر زندگی روزانه‌مان بیشتر از آن چیزی که بدانیم تأثیر می‌گذارد.

این یک معاملۀ بزرگ برای سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای است، مثل سیستم موقعیت‌یابی جهانی آمریکا(GPS). علت این است که GPS واحدهای مشابه از طریق برقراری ارتباط با آرایشی از ماهواره‌های در حال حرکت به دور مدار زمین با سرعت تقریبی 14000 کیلومتر بر ساعت موقعیت خود را تعیین می‌کنند. از آنجاییکه این سرعت بیشتر از سرعت بر روی زمین است، نسبیت خاص به ما می‌گوید که این ماهواره‌ها گذر زمانی آهسته‌تری را تجربه می کنند. این پدیده که اتساع زمانی نامیده می شود باید باعث شود ساعت‌های ماهواره‌ها تقریبأ 7 میکروثانیه در روز از ساعت‌های زمینی عقب‌تر باشند.

از طرف دیگر، نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که “زمان” در نزدیکی اجرام پرجرم مثل زمین به نظر کُندتر است، زیرا انحنای فضا-زمان بیشتر می باشد. و از آنجاییکه ماهواره‌های GPS در فاصلۀ نزدیک به 2000 کیلومتر بالای سطح زمین قرار گرفته‌اند – در جاییکه فضا-زمان انحراف کمتری دارد – این امر به ساعت‌ها سرعت می‌بخشد. به گفته “ریچارد پوگ” اخترشناس دانشگاه دولتی اوهایو، ترکیب این دو اثرِ نسبیتی بدین معناست که ساعت اتمی در یک ماهوارۀ PGS باید به اندازه 38 میکروثانیه در روز سریعتر از همان ساعت بر روی زمین باشد.

ممکن است این امر چندان درست به نظر نرسد، اما اگر سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای مسبب این اثر نباشند، خطاهای موقعیت‌یابی جهانی در سرعت تقریبی 10 کیلومتر در روز، زیاد می‌شوند. خوشبختانه، نظریات نسبیت اینشتین این مشکل بالقوه را پیش‌بینی کرده‌اند، بنابراین سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای ما به گونه‌ای طراحی شده که این مشکل را جبران می کنند.

مولکول‌ها و سرمایه‌گذاری سهام

سال 1905 سال بزرگی برای اینشتین بود؛ وی پایان‌نامه‌ دکترایش را کامل کرد و نظریه‌ نسبیت خاص را منتشر کرد و توضیح داد که نور چگونه بصورت ِ بسته‌های انرژی وجود دارد؛ ایده‌ای که در نهایت وی را برنده‌ جایزه نوبل کرد. او همچنین شاهکارهایی کمتر شناخته شده داشت، مثل توضیح پدیده‌ای به نام «حرکت براونی».

حرکت براونی که در سال 1820 توسط گیاه‌شناس “رابرت براون” توصیف شد یک نوع حرکت متلاطم برای ذرات قابل مشاهده است که در یک مایع معلق شده‌اند. این اثر یک توضیح چالشی دارد، اما در سال 1905، اینشتین با استفاده از آمار پاسخ داد. مولکول‌ها در یک مایع باید نوسانات کوچکی را تجربه کنند؛ در اثر این نوسانات، مولکول‌ها بطور تصادفی از رفتار اصلی‌شان منحرف می‌شوند. خوشه‌ای از مولکول‌ها در مایع در یک مسیر یکسان کنار هم حرکت می‌کنند و یک ذره‌ی بزرگتر و قابل مشاهده را در مایع به وجود می آورند تا به آرامی در کنار آنها حرکت کند. سپس گروه دیگری از مولکول‌ها در یک مسیر دیگر حرکت می‌کنند و یک مسیر زیگ‌زاگ را ایجاد می‌کنند.

اینشتین حتی میانگین مسافت افقی که یک ذره می تواند درون مایع ظرف مدت زمان مشخصی حرکت کند را محاسبه کرد. فراتر از توضیح حرکت براونی، این توضیح یک طرح کلی را برای تأیید وجود مولکول‌ها ارائه داد. این همان کاری است که دانشمند فرانسوی “ژان باتیست پرن” در سال 1908 انجام داد و بر اساس برآورد اینشتین تحقیقاتی را انجام داد که بخاطر آن جایزه‌ نوبل دریافت کرد. اما علاوه بر تاباندن نور بر روی مولکول‌ها، تلاش‌های اینشتین نقش احتمال را در فیزیک پررنگ‌تر کرد. فیزیکدان “کورمک اوریفیرتاگ” می گوید: «این یک لحظه‌ تعیین کننده در فیزیولوژی علم است.»

اوریفیرتاگ، استاد موسسه فناوری واترفورد در ایرلند می گوید: «مفهوم نوسانات آماری اینشتین امروزه در تمام علوم کاربرد پیدا کرده است. این مفهوم بر درک ما از تمام سیستم‌های پیچیده سایه افکنده است، از مطالعه‌ غشاهای سلولی گرفته تا دیدگاه ما از تکامل، از تحلیل سیستم‌های آب‌وهوایی گرفته تا مطالعه‌ی بازار سهام.»

تلفن‌های همراه و سلول‌های خورشیدی

وقتی اینشتین جایزۀ نوبل ِ فیزیک را برنده شد، این جایزه بخاطر «خدماتی که وی برای فیزیک نظری و به ویژه کشف اثر فوتوالکتریک ارائه داد اعطا شد.» در این پدیده، وقتی نور با انرژی کافی به مواد خاصی تابیده شود، باعث انتشار الکترون‌ها می‌شود. دانشمندان سال‌ها دربارۀ اثر فتوالکتریکی اطلاعات داشتند اما همانطور که اخترفیزیکدان سابرینا استیروالت می گوید، نمی‌توانستند آن را تحت مفهوم سنتی نور به عنوان موج توضیح دهند.

هرچند، این پدیده با در نظر گرفتن نور به عنوان جریانی از ذرات یا «کوآنتا» قابل توضیح بود. اینشتین این کار را در سال 1905 انجام داد و نشان داد که این کوانتاهای نور – که اکنون فوتون نامیده می‌شوند – می توانند انرژی کافی را به یک سطح فلزی منتقل کنند تا اثر فوتوالکتریکیِ مبهم را توضیح دهند. این اصل کلید سلول‌های خورشیدی است، اما برای دامنۀ به شدت گسترده‌ای از الکترونیک مدرن نیز اهمیت دارد.

همانطور که BBC News در سال 2005 برای صدمین سالگرد نسبیت خاص این نقطۀ عطف توضیح داد، «تشخیص فوتون توسط فوتون مبنای بسیاری از اختراعات الکترونیکی پیشرفتۀ قرن بیستم را تشکیل می دهد. این اثر کوانتومی بود که بدون آن، تلفن‌های خورشیدی یا حسگر دود یا هشدارهای سرقت یا درهای اتوماتیک سوپرمارکت‌ها یا آسانسورها را نداشتیم.»

لیزرها

در مقالۀ سال 1917، اینشتین با معرفی فرآیندی به نام انتشارِ شبیه‌سازی شده، راه را برای لیزرها باز کرد. او چند ماه قبل در نامه‌ای به یک دوست نوشت: «جرقه‌ای دربارۀ جذب و انتشار تابش به ذهنم خطور کرد.» وقتی در حالت «برانگیخته» باشد، بدین معناست که انرژی بیشتری نسبت به حالت مبنایش دارد و ممکن است به سطح انرژی پایین‌تری افت پیدا کرده و فوتون‌ها را در فرآیندی به نام انتشار آنی رها کند. به گفته اینشتین، این فرآیند توسط فوتون‌های ورودی شبیه‌سازی می شود و باعث می‌شود فوتون‌های منتشر شده در یک مسیر یکسان با نورِ ورودی حرکت کنند (نه یک مسیر تصادفی). در نتیجه، تابش ورودی را تقویت کرده تا یک پرتو متمرکز و باریک از نور منسجم را تولید کند.

چند دهه بعد، فرآیند انتشار شبیه‌سازی شدۀ اینشتین به دانشمندان دیگر فرصت داد تا اولین لیزر را توسعه دهند (نامی که به عنوان مترادفی برای «تقویت نور توسط انتشارِ شبیه‌سازی شدۀ تابش» انتخاب شد). ممکن است اینشتین لیزر را اختراع نکرده باشد، اما مبنای حیاتی برای این تکنولوژی را ارائه داد که اکنون به طرق متفاوتی کاربرد دارد، از علوم، پزشکی و مخابرات گرفته، تا الکترونیک مصرف کننده هستند.

خیال‌پردازی و اختلال

اسرار بسیاری از پیشرفت‌های علمی اینشتین در پس قدرت عجیب خیال‌پردازی او نهفته است. خیال‌پردازی او را در زمان کودکی در مدرسه به دردسر می انداخت، اگرچه او بعدأ در مدرسه روستایی سوئیس ثبت نام کرد و خیال‌پردازی را از دانش‌آموزان الهام گرفت. او در اینجا تلاش کرد تصور کند که می تواند با سرعتی حرکت کند که به پرتو نور برسد؛ این تصور در نهایت باعث شد اینشتین نظریه نسبیت خاص را ارائه دهد. نظریه نسبیت عام که یک دهه بعد مطرح شد نیز از بذر خیال‌پردازی دربارۀ سقوط آزاد انسان رشد کرده است.

به گفته فیلسوف استیون گیمبل در سال 2015، اینشتین در یک زمان محوری از علم زندگی می‌کرد و جدا از بسیاری از کشفیاتش، به مردم کمک کرد تا دوباره خیال‌پردازی کنند که یک «نابغه» چه شکلی است و چه رفتاری دارد. او نوع جدیدی از دانشمند مشهور بود و بی‌میلی او به پیروی از رسوم و عقاید در موهای به هم ریخته‌اش نمادین شده است.

گیمبل گفت: «از طرف دیگر، اینشتین نمادی از نبوغ است، کسی که هوش ذاتی‌اش باعث شده بود از مردم دوری کند. اما او به دلیل موهایش به یک نماد تبدیل شد و گفت که افراد خاص می توانند از هر جایی ظهور پیدا کنند و شبیه هر کسی باشند. اینشتین با موهای وحشی‌اش نشان داد که رشد انسان ناشی از تبعیت از مقامات عالی نیست، بلکه از تفاوتش با دیگران ناشی می شود.»

شگفت‌انگیز

نه تنها اینشتین اعتقاد عموم مردم به قدرت استدلال و تعقل را بازگرداند، بلکه نشان داد که دانشمندان برجسته نباید گردن گلفت باشند، چه از لحاظ سبک زندگی و چه از لحاظ ذات و سرشت. اینشتین در یک مراسم شام در سال 1952 گفت: «تقویت فردیت یک نوع خیر عمومی است: زیرا یک فرد به تنهایی می‌تواند ایده‌های جدیدی را مطرح کند که جامعه به پیشرفت مداومِ آن نیاز دارد.»

البته میراث اینشتین از پیشرفت‌هایش در فیزیک گرفته شده و آرایش گسترده‌ای از تکنولوژی‌های مدرن را ایجاد کرده است. دلایل بیشتری نیز وجود دارد برای اینکه قدردان اینشتین باشیم که در اینجا مطرح نشده‌اند، اما یکی از بزرگترین هدایای او به جامعه الهام بخشیدن به ما برای استقبال از کنجکاوی بوده است. اینشتین در مقالۀ «دنیایی که من می‌بینم» در سال 1949 نوشت: «منصفانه‌ترین چیزی که تجربه می‌کنیم اسرارآمیزترین عواطف بنیادی است که در گهوارۀ هنر و علم حقیقی قرار گرفته است. کسی که دیگر کنجکاوی نمی‌کند و شگفت‌زده نمی شود به مثابه یک انسان مرده است.»

ترجمه: سحر  الله‌وردی/ سایت علمی بیگ بنگ

منبع: mnn.com