دنیای اینشتین – بخش اول

بیگ بنگ: آلبرت اینشتین (Albert Einstein ) متولد ۱۴مارس ۱۸۷۹ که همراه با آخرین یاداشت های علمی اش در ۱۸آوریل ۱۹۵۵بر روی تخت بیمارستان از دنیا رفت. او بیشتر بخاطر نظریه نسبیت و به ویژه برای هم‌ ارزی جرم و انرژی شهرت دارد.

البته به نظرم نظریه نسبیت عام او و تلاشهایی که برای آزمون آن در کسوف انجام گرفت، وی را بسیار خبر ساز نمود. علاوه بر این، او در بسط تئوری کوانتوم و مکانیک آماری سهم قابل توجهی داشت. اینشتین جایزه نوبل فیزیک را در سال ۱۹۲۱ برای خدماتش به فیزیک نظری و به خصوص به خاطر تفسیر پدیده فتوالکتریک دریافت کرد. او به دلیل تأثیرات چشمگیرش، به عنوان یکی از بزرگ‌ترین فیزیکدانانی شناخته می‌شود که به این جهان پا گذاشته‌اند. اینشتین نه در دوران دانش آموزی و نه در زمان دانشجویی خود در دانشگاه پلی تکنیک سوئیس، مورد توجه هیچ معلم و استادی قرار نگرفت. وی پس از فارغ التحصیل شدن، هیچ شغلی متناسب با تحصیلاتش پیدا نکرد و حتی نامه نگاریهای پدرش به اساتید به منظور یافتن شغلی برای پسرش در دانشگاه افاقه نکرد. او دورانی را در افسردگی به سر برد تا سرانجام به عنوان یک کارمند ساده در اداره ثبت اختراعات سوئیس مشغول کار شد. در این زمان بود که او دوباره متمرکز یکی از رویاهای دوران نوجوانی خویش افتاد : سفر با سرعت نور!

نظریه نسبیت اینشتین برای اولین بار پس از دو قرن به صورت جهشی و اساسی بدیهیات و در واقع عادات ذهنی درگیر با فیزیک نیوتنی را به چالش می کشید. هنگامیکه اینشتین گمنام در اوج هیجانات خود مقاله نسبیت را برای ژورنالهای مختلف فرستاد، هیچ جوابی دریافت نکرد.در طول این چند ماه او دوباره افسرده شد! به جرات می گویم که اگر دنیا شبیه فضای علمی و فرهنگی کنونی جامعه ما بود، اینشتین و صدها نفر شبیه او که دور از فضای آکادمیک به مفاهیم عمیقی می رسیدند، در اوج افسردگی از دنیا می رفتند و هیچگاه چیزی از خود باقی نمی گذاشتند. اما در اروپا یک فیزیکدان مشهور پیدا شد که به جای توجه به اسم و رسم و ظاهر و …، به کیفیت و عمق مقاله توجه نمود : ماکس پلانک، این فیزیکدان بزرگ در آن زمان ویراستار یکی از ژورنال های مهم در برلین به نام”سالنامه فیزیک” بود. وی مقاله اینشتین را دید و چون سواد و تخصص کافی داشت، آن را فهمید و چون انسان فهمیده و با اعتماد به نفسی بود، به جای کلمه “رقیب” به یک ” همکار” فکر کرد. به جای موقعیت خود به آینده فیزیک و علم فکر کرد! بنابراین وی مقاله اینشتین را در سال ۱۹۰۵ چاپ کرد و راه را برای توجه بقیه و شهرت انیشتین باز نمود. مقاله ای که تاریخ ساز شد!

درک نسبیت به هوش خیلی بالا نیاز ندارد. سختی فهم آن به خاطر عادت به اصول فیزیک کلاسیک است. حتی ریاضی نسبیت خاص برخلاف مدل عام آن نسبتا ساده است.مفاهیم فیزیک نیوتنی با مشاهدات روزمره ما تطابق دارد و اصول آن تطابق خوبی با احساسات ما دارد. به همین خاطر جهش به نتایج نسبیت، ذهن ما را به چالش می کشد. کسانی که به هر دلیلی انعطاف ذهنی کافی ندارند، حتی اگر هوش مناسبی داشته باشند، برای پذیرش نظرات جدید مانند نسبیت با دردسر روبرو می شوند! بیایید همچون اینشتین شده و گام به گام به سوی نسبیت پیش برویم : حتما می دانید که حرکت، نسبی است و صحبت از سرعت اجسام بدون در نظر گرفتن یک مرجع یا دستگاه مختصات بی معناست. اگر شما درون یک فضای خالی باشید، از کجا متوجه خواهید شد که ساکن هستید یا متحرک؟ مرجعی برای مقایسه وجود ندارد. در فیزیک نیوتنی همیشه یک مرجع برای سنجش سرعت در نظر گرفته می شود.

مثلا سرعت سنج خودرو، سرعت آن را نسبت به جاده ساکن نشان می دهد، در حالیکه سرعت همین خودرو نسبت به راننده آن صفر است. حتی حواس ما به طور ناخود آگاه با انتخاب مرجع، حرکت را حس می کند.هنگامی که دوستتان را ملاقات می کنید، بلافاصله با مقایسه مکان او نسبت به یک مرجع نزدیک مانند درخت، ساختمان، تیر چراغ و یا خودتان متوجه می شوید که وی به سمت شما در حال حرکت است. حتی زاویه دید یا نوک بینی و … نیز می تواند نقش یک مرجع را بازی کند. بنابراین شکی نیست که حرکت و سرعت نسبی است. حرکت نسبی حتی بدین مفهوم است که زمان حرکت با یک خودرو، تفاوتی بین اینکه من به سمت جلو می روم یا کل اشیاء پیرامون به سمت عقب می روند، وجود ندارد. البته تجربیات روزمره ما چنین تفاوتی را برای ما مهم و قابل درک می نماید. بنابراین لازم است بدانیم که ما و خودرو در حال حرکتیم و اشیاء دور و بر شامل درختان، ساختمانها و … ساکن هستند. اگر شخصی از ابتدای تولدش در یک خودروی در حال حرکت زندگی کرده باشد، چنین تفاوتی را درک نمی کند! ما نیز اگر در یک فضای خالی با یک سیارک روبرو شویم که در حال نزدیک شدن به ماست، نمی توانیم تشخیص دهیم که کدامیک در حال حرکتیم!

چندین سال قبل بر روی صندلی یک اتوبوس در حالتی بین خواب و بیداری لمیده بودم. راننده و بقیه سرنشینها پیاده شده بودند. اتوبوس در امام زاده هاشم لابلای اتوبوس های دیگر پارک کرده بود. همانطور که به خودروی بغلی نگاه می کردم، ناگهان حس کردم، همراه با اتوبوس به سمت عقب در حال حرکتیم! میدانستم که چند متر عقب تر یک دره عمیق انتظار ما را می کشد؛ با وحشت از جایم بلند شدم اما به سرعت متوجه شدم که در واقع اتوبوس کناری به سمت جلو حرکت می کند! زمین مرجع مطمئن تری بود. با توجه به نسبی بودن سرعت، نتیجه این است که سرعت اجسام برای ناظرین مختلف می تواند مقادیر متفاوتی داشته باشد. این موضوع در معادلات حرکت نیوتنی کاملا صادق است. مثلا اگر شما با سرعت ۸۰ کیلومتر درساعت در حال رانندگی به سمت خودرویی با سرعت ۱۰۰ باشید، سرعت خودروی مقابل برای شما ۱۸۰ خواهد بود. این سرعت را می توان مثلا با رادار به دست آورد و حتی قابل حس است. این سرعت نسبی برای امواج نیز صادق است. اگر شما درانتهای اتوبوس متحرکی بشکن بزنید، صدای آن با سرعت ۳۳۰ متر در ثانیه به سمت راننده حرکت می کند. برای شخص ساکن در زمین سرعت این موج صوتی با سرعت اتوبوس جمع بسته می شود.

اکنون به اصل مطلب می رسیم. فرض کنید فوتون های نور همانند یک خودرو حرکت می کنند. برای یک ناظر ساکن، سرعت این فوتونها حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه است. طبق فیزیک نیوتنی اگر بر فرض شما با سفینه ای به سرعت ۱۰ کیلومتر در ثانیه به سمت نور پرواز کنید، سرعت نور برای شما ۳۰۰ هزار و ۱۰ کیلومتر در ثانیه خواهد بود. ظاهرا این موضوع بدیهی است؛ اما آزمایش چه می گوید؟

سرعت نور برای شما همان ۳۰۰ هزار است. کلی تر بگوییم : سرعت نور (در خلاء) برای تمام ناظرها و در هر شرایطی مقدار ثابت و یکسانی دارد. یعنی شما در هر وضعیت و حالتی، با اندازه گیری سرعت نور به مقدار ثابت C دست خواهید یافت. همین موضوع ، ذهن انیشتین را متمرکز اصول نظریه نسبیت خاص نمود. در آن دوران کمتر کسی به موجی بودن نور شک داشت. معادلات قدرتمند ماکسول، نور را یک موج الکترومغناطیس معرفی می کرد و حتی سرعت آن را پیش بینی می کرد. تایید تجربی این معادلات و کشف امواج الکترومغناطیس، توسط هاینریش هرتز در آزمایشگاهی صورت گرفت که طول کوچک آن مدتها باعث اختلال در آزمایش و سر درگمی هرتز شده بود! بحث اصلی در مورد حامل این امواج با نام پذیرفته شده ” اتر” بود. آب دریا حامل امواجی است که ما در ساحل می بینیم. هوا حامل امواج صداست که با سرعت ۳۳۰ کیلومتر در ساعت منتقل می شود . در واقع موج همچون اغتشاشی است که در حامل خود منتشر می شود. ظاهرا حامل امواج نور نیز اتر می باشد. چه راهی برای اثبات آن وجود دارد؟

در سال ۱۸۸۷ بود که مایکلسون و مورلی برای کشف حامل امواج نور، دست به یک آزمایش خلاقانه زدند. یک فرض بر این بود که اتر در فضا ساکن است و کره زمین نسبت به آن متحرک می باشد. فرض دیگر حرکت اتر با کره زمین بود. این دو دانشمند تجربی، سرعت نور را بر روی زمین متحرک در فضا و در جهت های مختلف و عمود بر یکدیگر اندازه گرفتند. به نظر شما چه نتایجی می بایست به دست می آمد؟ طبق فیزیک کلاسیک، به خاطر حرکت زمین می بایست سرعت های مختلفی برای نور در جهات گوناگون به دست می آمد (چرا؟ در این لینک ببینید)، اما نتیجه عجیبی حاصل شد. سرعت نور در تمام حالتها یکسان و ثابت بود. از این لحظه بود که تعدادی از فیزیکدانان به جای توجه به پتانسیل انقلابی این آزمایش سعی در توجیه این انحراف نمودند. یکی از بهترین آنها به انقباض طول لورنتز – جرالد معروف است. نکته جالب اینکه معادلات این انقباض توسط اینشتین استفاده شد، اما در یک مفهوم انقلابی و نه برای توجیه!

ادامه دارد »»»

نویسنده : احمد مصدر / سایت علمی بیگ بنگ
منابع :
• نظریه نسبیت اینشتین، ماکس بورن – ترجمه هوشنگ گرمان
• نسبیت و مفهوم نسبیت، آلبرت اینشتین – ترجمه محمد رضا خواجه پور
• آشنایی با نسبیت خاص، رابرت رزنیک، ترجمه جعفر گودرزی
• نسبیت برای همگان ، مارتین گاردنر، ترجمه محمود مصاحب

لینک کوتاه نوشته : https://bigbangpage.com/?p=23792

(۳۰ نفر , میانگین : ۴,۸۳ از ۵)