بیگ بنگ: كار مايكلسون و مورلي، نيمي از مشكل نور را حل كرد كه توضيح انتشار نور بدون استفاده از رسانه اتر براي حمل موج بود. اما هنوز گير ديگري وجود داشت. اينبار نوبت معادلات ماكسول بود. اين معادلات در توصيف چگونگي رفتار ميدان‌هاي الكتريكي و مغناطيسي و نور شايد مهم‌ترين دستاورد فيزيك در قرن نوزدهم بود. اما متأسفانه يك نقص اساسي داشت. معادلات ماكسول تنها براي ناظري كه در حال سكون است، صادق‌اند و به وضوح در مورد چارچوب‌هاي مرجع متحرك به كار نمي‌آمدند.  ميدان‌هاي الكتريكي شروع به تبديل‌شدن به ميدان‌هاي مغناطيسي مي‌كردند و زماني‌كه ناظري متحرك، نيروهايي را كه روي جسم اثر مي‌كردند با هم جمع مي‌كرد، اغلب اوقات پاسخ اشتباه به دست مي‌آورد.

اين مسئله منطقي به نظر نمي‌رسيد. قوانين يكسان طبيعت بايد بدون توجه به وضعيت ناظر به كار بروند. ناظري كه در حال حركت با يك قطار است و از معادلات ماكسول استفاده مي‌كند تا دريابد ذره‌اي چگونه رفتار مي‌كند، بايد همان جوابي را به دست آورد كه وقتي حركت نمي‌كند.  اين ايده كه قوانين فيزيك به حركت ناظر ربطي ندارند، اولين فرض از دو فرض اساسي نظريه‌ي نسبيت است. از طرفي گرچه قوانين نسبيت كاملاً سرراست و گويا هستند، با اين حال پيچيده و ظريف هم هستند و كمي كار مي‌برد تا ببينيم عالم چگونه ممكن است جور ديگري باشد.

مايكلسون و مورلي نشان دادند كه حركت زمين روي سرعت نور تأثيري نمي‌گذارد. اينشتين فرض كرد سرعت نور تحت تأثير هيچ حركتي قرار ندارد و از اين منظر آزمايش مايكلسون و مورلي را توضيح داد. بدون توجه به آنكه چگونه حركت مي‌كنيد، سرعت نور را هميشه ثابت است. با اين حال، تا آنجا كه از ظاهر امر بر مي‌آيد، اين فرض كاملاً مضحك و نامعقول به نظر مي‌رسد. اما چرا؟

فرض كنيد در خياباني راه مي‌رويد، ناگهان مگسي با بيني شما برخورد مي‌كند، بعيد است از شدت درد ناگهان خود را به عقب بكشيد. يك مگس كوچك تنها مي‌تواند با سرعت چند مايل در ساعت بال بزند و با در نظرگرفتن وزنش و بدون توجه به باقي شرايط، هنگام برخورد با شما فقط مي‌تواند سبب بروز تأثيري جزئي شود. حال اگر در هنگام رانندگي مگسي با شيشه ماشين برخورد كند، پخش و پلا خواهد شد. در حد سرعت اتومبيل در بزرگراه، اگر آن حشره به صورت شما اصابت مي‌كرد، احتمالاً به شما آسيب مي‌رساند.

پس حركت شما روي نحوه‌ي درك‌تان از سرعت حشره تأثير مي‌گذارد. حركت نسبي حشره زماني‌كه بي‌حركت ايستاده‌ايد با زماني‌كه در حال حركت با اتومبيل هستيد، متفاوت است. اگر حشره‌اي با سرعت 10 مايل در ساعت حركت كند، زماني‌كه شما ساكن هستيد، با سرعت 10 مايل در ساعت به شما اصابت مي‌كند. اما اگر شما در حال حركت با سرعت 80 مايل در ساعت هستيد، در اصل حشره با سرعت 90 مايل در ساعت با شما برخورد مي‌كند. اگر نسبت به جسمي حركت كنيد، سرعت شما با سرعت آن جسم جمع مي‌شود و اين مقدار است كه سرعت حركت نسبي شما به حساب مي‌آيد. همه چيز در دنيا اينطور عمل مي‌كند.

به مثال ديگري توجه كنيد:

افسر پليسي را فرض كنيد كه بايد با استفاده از سرعت سنج خود سرعتش را هنگام تعقيب راننده‌اي كه بيش از سرعت مجاز مي‌راند، تنظيم كند. ابزاري كه او براي تشخيص سرعت چنين اتومبيلي استفاده مي‌كند، اگر خودش در حال حركت باشد، سرعت آن وسيله را درست نشان نمي‌دهد. فرض مي‌كنيم سرعت اتومبيل راننده متخلف 100 مايل در ساعت باشد. سه حالت وجود دارد:

 يك: افسر ساكن است. پس دستگاهش به وضوح و صحيح سرعت خودرو را 100 مايل در ساعت ثبت مي‌كند.

دو: افسر پليس در مسير ترافيك با سرعت 60 مايل در ساعت در حال حركت باشد. دستگاه اختلاف سرعت بين اتومبيل پليس و راننده متخلف را يعني 40 مايل در ساعت ثبت مي‌كند.

سه: افسر پليس در خلاف جهت اتومبيل و با همان سرعت 60 مايل در ساعت در حال حركت است.  دستگاه جمع سرعت دو اتومبيل يعني 160 مايل در ساعت را ثبت مي‌كند.

آنچه دستگاه سرعت‌سنج پليس هنگام اندازه‌گيري سرعت آن اتومبيل نمايش مي‌دهد، به چگونگي حركت پليس بستگي دارد. پس نتيجه اندازه‌گيري وابسته به چارچوب مرجع پليس است. حال اگر به جاي اتومبيل آن راننده متخلف از يك باريكه‌ي نور استفاده كنيد. طبق نظريه‌ي ثبات سرعت نور اينشتين، افسر پليس چه ساكن باشد چه در جهت باريكه‌ي نور و چه در جهت مخالف آن حركت كند، هر سه سرعت 300 هزار كيلومتر بر ثانيه را ثبت مي‌كنند.

چطور ممكن است سه ناظر با سرعت‌هاي مختلف كه در جهت‌هاي گوناگون هم حركت مي‌كنند، يك مقدار را ثبت كرده و در يك زمان بر اساس اصل نسبيت، همه درست باشند؟ اين مسئله امكا‌ن‌پذير است و اتفاقاً بي‌تناقض است. سه ناظر همگي سرعت نور را اندازه‌ مي‌گيرند و هر سه هم اينكار را درست انجام مي‌دهند. اندازه‌گيري‌هاي پيشرفته امكان به دست آوردن دقت‌هاي بسيار بالا را ممكن مي‌سازند. فرقي نمي‌كند كه سفينه‌اي به شما نزديك مي‌شود يا از شما فاصله مي‌گيرد، چون سيگنالي كه به سوي شما مي‌فرستد، هميشه سرعت 300 هزار كيلومتر بر ثانيه دارد. پس چطور مي‌شود كه تناقضي وجود نداشته باشد؟

پاسخ در مفهوم سرعت و البته اطلاعات نهفته است. سرعت عبارت است از فاصله‌ي پيموده‌ شده در يك مدت زمان مشخص. اما شما براي ثبت سرعت يك جسم، بايد آن را به شكلي اندازه‌گيري كنيد. لازم است اطلاعاتي درباره‌ي فاصله و مدت زمان گردآوري كنيد. مثلاً با استفاده از متر و ساعت، ملاحظه كنيد كه يك جسم در مدت يك ثانيه تا كجا مي‌رود. اگر سه افسر پليس در حال اندازه‌گيري سرعت يك باريكه‌ي نور هستند، هر كدام به طور مستقل مشغول جمع‌آوري كاربردي اطلاعاتي درباره‌ي زمان و فاصله بر حسب نوار مترها و ساعت‌هاي خود هستند.

تنها راه خلاصي از درك اين تضاد ظاهري كه حاصل دو فرضيه اينشتين است، عبارت است از اين فرضي كه ساعت‌ها و نوار مترها به نوعي تحت تأثير حركت قرار مي‌گيرند. زمان و مكان نسبي هستند. آنها بسته به چارچوب مرجع شما تغيير مي‌كنند. علاون بر اين وقتي مفهوم زمان و مكان نزد شما تغيير مي‌كند، بر نحوه‌ي اندازه‌گيري شما از سرعت هم تأثير مي‌گذارند.

 برگرديم به آن راننده‌ي متخلف. براي لحظه‌اي فرض كنيد آن راننده متخلف يك پرتو نور است. سه پليس در مسيرهاي گوناگون آماده ثبت سرعت آن راننده هستند. يكي ايستاده و دو تاي ديگر در جهات مخالف يكديگر به سه پنجم يا 0.6 سرعت نور، سرعت اين راننده را اندازه مي‌گيرند و همگي يك جواب به دست مي‌آورند. 300 هزار كيلومتر بر ثانيه. چرا؟ چون هر پليس بايد زمان و فاصله را بسنجد و نوار مترها و ساعت‌هاي آنها همگي مختل مي‌شود. وقتي پليس ساكن به نوار مترش نگاه مي‌كند، مي‌بيند طول آن طبيعي است. وقتي ساعتش را نيز بررسي مي‌كند، به نظرش تيك تاك آن منظم و معقول است. با اين وجود اگر به آن دو پليس ديگر هر كدام با سرعت سه پنجم سرعت نور حركت مي‌كنند، بنگريد، مي‌بينيد نوار مترهاي هر كدام از آنها 20 درصد آب رفته است. به علاوه ساعت‌ها كند شده‌اند. وقتي پليس ساكن با ساعت خود 10 ثانيه را مي‌شمارد، متوجه مي‌شود كه ساعت‌هاي آن دو تاي ديگر هر كدام تنها 8 ثانيه گذشته است.

از نظر پليس ايستاده، هنگام اندازه‌گيري سرعت نور، جواب درست را به دست آورده است. اما دو پليس در حال حركت اندازه‌گيري‌هاي اشتباهي انجام مي‌دهند چون دريافت آنها از زمان و مكان به هم ريخته است. اين اختلال در فضازمان و اين تلقي كه ساعت‌هاي آن دو پليس متحرك كند شده و نوار مترهاي‌شان كوتاه، هر سه اندازه‌گيري‌ سرعت نور را به يك شكل ثبت مي‌كنند. (توجه شود كه اعداد درست هستند، هرچند ظاهرا اينطور نيست. رياضيات به كار رفته براي تعويض ديدگاه‌ها را تبديلات لورنتس مي‌نامند و كمي پيچيده‌تر از جمع ساده تبديلات سرعت‌هاي روزمره‌اي است كه از آن‌ها استفاده مي‌كنيم).

اما عجيب اين است كه هيچ‌كدام از دو پليس‌ متحرك در نظر خود متوجه آب‌ رفتن نوار متر ي كند شدن ساعتش نمي‌شود. در واقع، وقتي هر كدام از اين دو به نوار متر و ساعتش نگاه مي‌كند، همه چيز در نظرش معمولي است. اما وقتي هر كدام به مال ديگري نگاه مي‌كند، درمي‌يابد كه نوار مترش آب رفته و ساعتش كند شده است. پس هر كدام از پليس‌ها نوارمتر و ساعت به هم ريخته همكار خود را در «««به دست آوردن پاسخ صحيح از راه غلط مقصر مي‌داند»»».

 شايد نوارمترهايي كه آب شده‌اند و يا ساعت‌هايي كه كند شده‌اند، به نظر مسخره باشد، اما چنين چيزهايي مشاهده شده‌اند. مثلاً فيزيك‌دانان ذرات، ساعت‌هايي را مي‌بينند كه همواره كند مي‌شوند. برخي از ذرات زيراتمي مانند موئون يا تائو، خواهران سنگين‌تر الكترون، پيش از آنكه به طور خود به خود به ذرات پايدار ديگري متلاشي شوند، تنها زمان كوتاهي دوام مي‌آورند. مثلاً موئون به طور ميانگين در حدود دو ميليونيوم ثانيه دوام مي‌آورد. البته در يك شتاب‌دهنده ذرات، يك موئون اغلب با سرعتي بيش از 99 درصد سرعت نور حركت مي‌كند و نتيجه ساعت دروني آن نسبت به ساعت آزمايشگاه كند مي‌شود. اين بدان معنا است كه موئون چيزي به مراتب بيشتر از آن زماني‌ دوام مي‌آورد كه اگر ساكن مي‌بود.

گيرنده‌هاي GPS كه سيگنال‌هاي ساعت را از ماهواره‌هايي كه به دور زمين مي‌چرخند دريافت مي‌كنند، بايد هنگامي‌كه مي‌خواهند موقعيت‌مان را اعلام كنند، از ساعت‌هاي نسبيتي استفاده نمايند. و البته در سال 1971 دو دانشمند، چهار ساعت اتمي را با استفاده از جت‌هاي تجاري دور پرواز به حركت درآوردند. آن ساعت‌ها به خاطر سرعت نسبي آنها نسبت به زمين بعد از سفرشان با هم تطابق نداشتند. انقباض طول و اتساع زمان به انضمام چند اثر نسبيتي ديگر، همچون ازدياد جرم در سرعت‌هاي بالا و يا كند شدن زمان در كنار جرم سنگين‌تر، همگي حقيقت دارند. آنها مشاهده شده‌اند و به طرز اعجاب‌انگيز با نسبيت اينشتين همخواني دارند.

ادامه دارد »»»