دنیای اینشتین – بخش پنجم

بیگ بنگ: نسبیت عام : در سال ۱۹۰۷ انیشتین ۲۸ ساله با مرور نسبیت خاص متوجه محدودیت این نظریه می شود. نسبیت خاص فقط با دنیایی سرو کار دارد که در آن همه چیز با سرعت یکنواخت در حرکت است. اما دنیای واقعی اینگونه نیست. شتاب، این پارامتری است که همیشه و همه جا دیده می شود اما در نسبیت خاص وجود ندارد. یک نیروی فراگیر جهانی نیز به نام جاذبه جایی در نسبیت خاص ندارد.

اینشتین کار خود را برای فراگیر کردن نسبیت خود با استفاده از این دو پارامتر آغاز کرد. او از آزمایشهای ذهنی خود بهره می برد و این بار زمانی که در دفتر کار خود بود، سقوط فردی را از ساختمان روبروی پنجره دفترش تصور کرد و … احتمالا شادی این لحظه برابر یا حتی بیشتر از مشاهده توقف ساعت بالای برج در سرعت نور بود! شخص در حال سقوط وزن خود را احساس نمی کند! برای تصور بهتر آسانسوری را در نظر بگیرید که ناگهان کابل آن پاره می شود. در حالیکه آسانسور سقوط می کند، برای شخص درون آن، نیروی وزن و یا نیروی جاذبه ناپدید می شود! چگونه است که نیروی جاذبه کره زمین به همین سادگی از بین می رود؟ اینشتین به گرانش نیوتن مشکوک بود و مشکوک تر شد. اکنون بیایید با همان آسانسور به یک فضای تهی و خالی از هر نوع نیروی گرانش برویم. اگر آسانسور با شتاب ۸.۹ متر بر مجذور ثانیه به سمت بالا حرکت کند، شما درون آسانسور چه احساسی می کنید؟ نیروی گرانش زمین!

اینشتین متوجه شد که تفاوتی میان گرانش و شتاب وجود ندارد! این سیب نیست که به سمت زمین سقوط می کند، بلکه زمین است که به سمت سیب شتاب می گیرد. لحظه هیجان انگیزی است، اما پرسش آزار دهنده ای پیش می آید: مگر کره زمین در سرتاسر اطراف خود در حال شتاب است که ما چنین نیروی گرانشی را حس می کنیم؟ یعنی زمین می بایست با شتاب۸.۹ متر بر مجذور ثانیه در تمام جهات منبسط شود، البته که اینطور نیست. پس اشکال کار در کجاست؟! نبوغ اینشتین راه حل این معمای عجیب را یافت! نیازی به انبساط زمین نیست.  اطراف زمین منحنی است!

این جاست که نقش تخیلات و تحلیل های علمی- فلسفی روشن می شود. اینشتین دریافت که اجرام باعث انحنای فضا – زمان اطراف خود می شوند. بنابراین به دنبال ریاضیات این ایده رفت. ریمان چنین هندسه ای را برای فضای سه بعدی طراحی کرده بود، اما انیشتین تصمیم گرفت آن را برای فضا – زمان چهار بعدی گسترش دهد. البته چون یک ریاضیدان خیلی قوی نبود، طبعا در این راه با مشکلات زیادی دست و پنجه نرم کرد، اما در نهایت چند روز پس از یک ریاضیدان مشهور به نام دیوید هیلبرت به طور مستقل به نتیجه رسید.

به نظرم تخیلات و تحلیلهای فلسفی اینشتین که ظاهرا بی تاثیر از اندیشه های ارنست ماخ نبوده، در به ثمر رسیدن نسبیت نقش مهمی داشته است. اگر فقط ریاضی و فیزیک بود، از او قویتر نیز بودند! در عین حال ایده های فلسفی اینشتین، وی را از کوانتوم بیزار می کرد. البته او بخش علمی کوانتوم را می پذیرفت. شاید اینطور برداشت شود که پس ایده های فلسفی می تواند سد راه پذیرش علوم شود. به نظرم برای کسی که با علم و روشهای علمی آشناست، اینگونه نیست. یک باور مطلق چه از جنس فلسفی یا ایدئولوژیکی آدمی را از پذیرش یک نظریه علمی باز می دارد، در حالیکه ایده فلسفی می تواند شما را نسبت به بنیان یک نظریه مشکوک کند. بدین منظور که شما برای رسیدن یا یافتن یک نظریه عمیق تر تلاش کنید. چالشهای انیشتین با کوانتوم، خود به خلق مسائل جالبی در کوانتوم شد که بور و همکارانش آنها را حل می کردند. شاید در آینده دانشمند بزرگ دیگری به خاطر همین بیزاری فلسفی از مفاهیم کوانتوم راه را برای یک نظریه عمیق تر باز کند!

در نظریه نیوتن ، نیرو عاملی است که موجب شتاب می شود. شتاب از تغییر سرعت پدید می آید. مثلا اگر چه مقدار سرعت چرخش ماه به دور زمین یکسان است، اما چون دائما جهت آن تغییر می کند، یعنی پیوسته شتاب می گیرد. نیروی این شتاب ، گرانش زمین است، اما در فیزیک نیوتنی چگونه معلوم می شود که جهت حرکت ماه در حال تغییر است؟ اگر ما یک چشم غول آسا داشتیم، می دیدیم که ماه به دور زمین یک حرکت تقریبا دایره ای را طی می کند. این مدار اصلا یک خط مستقیم یا کوتاهترین خط نیست. سند آن چیست؟ هندسه اقلیدسی! این هندسه با احساسات ما به شدت عجین شده است.آدمی بر روی زمین محدود با این هندسه مانوس است و به همین دلیل آن را به خوبی تصور می کند. این بزرگترین سد برای جهش به نسبیت عام است!

در نسبیت عام خبری از هندسه اقلیدسی نیست! نه تنها از هندسه منحنی ریمانی استفاده می شود، بلکه یک بعد زمان نیز به آن اضافه شده است. البته قابل تصور نیست. فقط باید آن را فهمید! در این هندسه به جای خط مستقیم از خط ژئودزیک استفاده می شود. خط ژئودزیک نیز کوتاهترین فاصله میان دو نقطه است. چگونه؟ مثلا خطوط نصف النهاری که قطب شمال را به جنوب وصل می کند، همگی خطوط ژئودزیک بر روی سطح زمین هستند. اکنون شما با همان چشم غول آسا و استناد به هندسه اقلیدسی از فضای بیرون از زمین صرفا به این خطوط بنگرید. همه آنها منحنی هستند! با این چشم غول آسا ، خط مستقیم، قطر زمین است که قطبین را به همدیگر متصل می کند!

برای کره زمین می توان خط مستقیم را با سوراخ کردن زمین تصور کرد، اما برای فضا چطور؟ اگر فضا – زمان منحنی شود چطور؟ در این حالت ناچارید از همان خطوط ژئودزیک استفاده کنید! شاید تصور کنید که با نور می توان خط مستقیم را پیدا کرد، اما نکته اینجاست که نور نیز خط ژئودزیک را می پیماید که به استناد به هندسه اقلیدسی یک خط منحنی است! این مهمترین نتیجه ای است که انیشتین از نسبیت عام می گیرد! اجرام، فضا – زمان اطراف خود را منحنی می کنند و نور نیز در اطراف این اجرام خم می شود! چرا این نتیجه اینقدر مهم است؟ چون یکی از مهمترین نتایج قابل آزمایش نسبیت عام است. اکنون به این عبارات توجه کنید: فیزیک نیوتنی: هنگام گردش ماه به دور زمین، حرکت مستقیم آن پیوسته تغییر می کند. یعنی دائما شتاب می گیرد. نیروی این شتاب گرانش زمین است. نسبیت عام : به خاطر زمین، فضا – زمان اطراف آن منحنی است و ماه یک خط ژئودزیک را در این هندسه می پیماید. یعنی کوتاهترین خط بین دو جایگاه! با این تعریف نیازی به نیروی گرانش نیست!

اینشتین به گرانش مشکوک شد. او به خوبی متوجه شد که هیچ تفاوتی میان میدان گرانشی با شتاب جاذبه g و قرار گرفتن در سفینه ای که با شتاب g حرکت می کند وجود ندارد. در واقع تمام قوانین فیزیک برای هر دو حالت یکسان عمل می کند. این موضوع همان اصل هم ارزی در نسبیت عام است. اکنون فرض کنید که ما درون اتاقی با شتاب g به سمت بالا در حرکت کنیم. ناگهان یک پرتو نوری از روزنه سمت راست اتاق به صورت موازی با کف وارد می شود. چه اتفاقی می افتد؟ در طول زمانی که نور عرض اتاق را طی می کند، مجموعه به سمت بالا رفته است. نهایتا محل فرود نور در سمت مقابل پایین تر است. یعنی نور یک خط منحنی را طی کرده است. همین اتفاق در حوزه گرانشی خواهد افتاد. این انحنا برای سیارات کمتر از آن است که قابل اندازه گیری باشد، اما برای خورشید شدنی است. چگونه ؟

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=24138

(۱۲ نفر , میانگین : ۵,۰۰ از ۵)