آلبرت اینیشتین و نظریه نسبیت

zoomit.ir: سال ۲۰۱۵ میلادی سال مهمی برای علم فیزیک به شمار می‌رود، چراکه مصادف با صدمین سالگرد مهم‌ترین دستاورد آلبرت اینیشتین یعنی نظریه نسبیت عام است. با ما همراه باشید تا در مورد منشا این نظریه و این که چه چیزی را بیان می‌کند، بیشتر بدانید.

نسبیت عام در واقع نظریه‌ی جاذبه است و در صد سالی که از مطرح شدن آن می‌گذرد هیچ دانشمندی نتواسته نظریه‌ای بهتر از آن ارائه کند. نسبیت عام نظریه‌ای است که می‌گوید چگونه سیب از درخت می‌افتد و ما انسان‌ها چگونه به راحتی می‌توانیم روی زمین راه برویم. اما عمق این نظریه زمانی مشخص می‌شود که در ابعاد بزرگ‌تر به آن فکر کنیم. چرا ماه به دور زمین می‌چرخد و زمین به دور خورشید و چرا خورشید یکی از ۱۰۰ میلیارد ستاره‌ای است که دور سیاه‌چاله‌ای که در مرکز کهکشان راه شیری قرار دارد، می‌چرخد. نسبیت عام نظریه‌ای است که بر حرکت بزرگ‌ترین کهکشان‌ها نیز حاکم است.

اینیشتین نظریه‌ی نسبیت عام را در سال ۱۹۱۵ و در حالی ‌که تنها ۳۶ سال سن داشت مطرح کرد. او دانشمند شهره و بنامی نبود اما در زمینه‌ی علم فیزیک در بین دانشمندان، نامی برای خود دست و پا کرده بود. اینیشتین به تازگی به برلین رفته و مقام‌ علمی بالایی در اروپا بدست آورده بود و عضو فرهنگستان علوم پروس و جوان‌ترین عضو این فرهنگستان بود. او خدمات زیادی به علم فیزیک کرده است اما بزرگ‌ترین دستاورد او بدون شک نظریه‌ی نسبیت عام است و شاید بتوان از آن به عنوان بزرگ‌ترین دستاورد تاریخ تمام علوم نیز نام برد.

فیزیک در محل کار اینیشتین

پایه‌های نظریه نسبیت عام در سال ۱۹۰۵ در ذهن اینیشتین پایه‌ریزی شد. او در آن سال‌ها مردی جوان بود که مقامی در دانشگاه نداشت و حتی مدرک دکتری نیز دریافت نکرده بود. دلیل اصلی این بود که او تمامی معلمان و دانشمندانی که با آن‌ها روبه‌رو شده بود را از خود رانده بود، چون بسیار تنبل و رک بود. سال ۱۹۰۵ میلادی در سوئیس به عنوان یک کارمند ساده در زیرزمین یکی از ادارات کار می‌کرد. مزیتی که این کار برای او داشت این بود که کار او آسان بود و وقت آزاد زیادی داشت. او زمان زیادی را برای تفکر روی علوم صرف می‌کرد و در این سال و در حین کار، چهار مقاله نوشت که یکی از آن‌ها برای او مدرک دکتری را به ارمغان آورد و سه مقاله‌ی دیگر هر کدام بخشی از علم را دچار دگرگونی و انقلاب کرد.

یکی از این مقالات نظریه‌ی نسبیت خاص بود. نسبیت خاص منشا رابطه‌ی معروف E=mc^۲ است. ایده‌ی اصلی این نظریه محدود بودن سرعت در جهان هستی است، قوانین فیزیکی می‌گویند که هیچ ذره‌ای نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند. جرقه‌ی این ایده زمانی در ذهن اینیشتین زده شد که به تازگی قوانین الکترومغناطیس مطرح شده بودند. او از خود این سوال را می‌پرسید که اگر با سرعت نور حرکت کنیم، پرتو نور چگونه دیده خواهد شد. ما این محدودیت را در زندگی روزمره‌ی خود احساس نمی‌کنیم چراکه سرعت نور بسیار زیاد بوده و در حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر درثانیه است.


انفجار خورشید

نظریه نسبیت خاص اینیشتین با نظریه‌ی جاذبه‌ی نیوتن در تضاد بود. نظریه‌ی نیوتن ۲۵۰ سال پیش از آن مطرح شده بود به عنوان اساس و پایه‌ی علوم شناخته می‌شد و این تضاد اینیشتین را شدیدا به فکر فرو برده بود.

اینیشتین در این فکر بود که اگر خورشید منفجر شود چه اتفاقی برای زمین خواهد افتاد. اگر این اتفاق بیفتد چون خورشید خیلی از زمین فاصله دارد، انفجار را ۸ دقیقه بعد از زمان دقیق وقوع آن متوجه خواهیم شد. در واقع برای ۸ دقیقه ما از این اتفاق فجیع بی‌خبر خواهیم بود.

اما چه اتفاقی برای جاذبه می‌افتد؟ زمین در مداری به دلیل جاذبه‌ی خورشید دور آن می‌چرخد، و اگر خورشید منفجر شود باید در مسیر مستقیم به راه خود ادامه دهد. اما سوالی که ذهن اینیشتین را درگیر کرده بود این بود که اگر خورشید منفجر شود زمین در همان لحظه‌ی انفجار از مدار خود منحرف می‌شود یا این اتفاق ۸ دقیقه بعد رخ خواهد داد. با توجه به نظریه‌ی نیوتن باید زمین در همان لحظه‌ی انفجار از مدارش منحرف می‌شد، اما اینیشتین مخالف بود و می‌گفت هیچ چیزی نمی‌تواند با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند، حتی اثر جاذبه!

خورشید در ذهن اینیشتین منفجر می‌شد اما تنها چیزی که توجه او را جلب می‌کرد این بود که آیا زمین حرکت روی مدار خود را ادامه می‌دهد یا در همان لحظه منحرف شده و روی خط مستقیم حرکت می‌کند. اما این طرز تفکر اینیشتین بود و او همواره در مورد علم این‌گونه تفکر می‌کرد. او بر روی همه‌ی جوانب یک مسئله فکر می‌کرد و برهر نکته‌ای که تضادی در آن وجود داشت، متمرکز می‌شد.


هشت سال تفکر

اینیشتین در ابتدا تصور می‌کرد با تغییرات روی رابطه‌ی نیوتن می‌تواند آن را تصحیح کند، اما او هرگز در این کار موفق نبود. سال ۱۹۰۷ میلادی اینیشتین شروع به تفکر عمیق روی نظریه‌ی نیوتن کرد و اعماق و پایه‌های این نظریه را مورد بررسی قرار داد. ۸ سال زمان برد تا او بتواند این مشکل را حل کند و در بیشتر این ۸ سال او تنها فرد روی زمین بود که روی این مسئله کار می‌کرد. این بازه یکی از تاثیرگذارترین برهه‌های زمانی در علم فیزیک بود، پایه‌های ساختار اتمی کشف شده و روزهای اولیه مکانیک کوانتوم سپری می‌شدند. اینیشتین پیشروی این دستاوردها بود اما تنها چیزی که فکر او را درگیر کرده بود این بود که آیا زمین بعد از انفجار روی مدار خود به حرکت ادامه خواهد داد یا نه.

اینیشتین ابتدا در سال ۱۹۱۳ میلادی تصور می‌کرد که توانسته این مشکل را حل کند و ایده‌ی خود را «شمای کلی یک نظریه» نام گذاشت. او می‌دانست که نظریه‌اش کامل نیست اما معتقد بود اساس کار درست است و تنها نیاز به اندکی کار ریز و اضافی دارد. برای دو سال اینیشتین در تلاش بود تا این ریز کاری‌ها را انجام دهد اما در این دو سال مدام به در بسته برمی‌خورد و افکار آزاردهنده به سراغ او آمده بودند. این افکار در تابستان ۱۹۱۵، که قرار بود چند سخنرانی در مورد نظریه‌اش داشته باشد، بیشتر فکر او را مشغول کرده بود. در آلمان، محل برگزاری این سخنرانی‌ها فردی به نام دیوید هیلبرت ساکن بود که به عنوان بزرگ‌ترین ریاضیدان زمان خود شناخته می‌شد. هیلبرت در این سخنرانی‌ها حضور داشت و علاقه‌ی زیادی به کارهای اینیشتین نشان داد.

وقتی اینیشتین به برلین بازگشت، دو مورد را متوجه شد. یک این‌که نظریه او نادرست بوده است. ایده‌ی او درست اما قالب فکری اینیشتین نادرست بود. دوم او نامه‌ای از هیلبرت دریافت کرد که می‌گفت:

من به کار شما بسیار علاقه‌مند شدم اما به نظر من، نظریه‌ی شما نادرست است به این دلیل تصمیم گرفتم خودم روی آن کار کنم.

هشت سال کسی توجهی به کار اینیشتین نکرده بود و او به یکباره یکی از بزرگ‌ترین ریاضیدانان تاریخ را رقیب خود می‌دید.

اینیشتین ابتدا افسرده شد اما توانست خود را آرام کند و فکر خود را روی مشکل پیش رو متمرکز کرد. او ماه‌ها تلاش بی‌وقفه‌ای کرد و حتی گاهی اوقات فراموش می‌کرد که بخوابد یا حتی غذایی بخورد. این تلاش ادامه داشت تا نوامبر سال ۱۹۱۵ فرا رسید و قرار بود او چهار سخنرانی در طول چهار هفته در مورد نظریه‌ی نسبیت عام برای اعضای فرهنگستان علوم پروس که از بزرگ‌ترین دانشمندان جهان بودند، داشته باشد. او این سخنرانی‌ها را زمانی که تصور می‌کرد نظریه‌ی اولیه‌اش درست هستند پذیرفته بود اما حالا چیزی برای ارائه نداشت. اینیشتین توانست مطالب مورد نیاز برای سخنرانی اول را جمع‌آوری کند اما بعد از آن شروع به کار در مورد نطریه‌‌ی خود بین دو سخنرانی کرد و در هر سخنرانی بعدی در مورد مطالب جدیدی که بین دو سخنرانی‌ها به آن‌ها رسیده بود، سخنانی بیان می‌کرد. او بعد از سخنرانی اول تلاش خود را شروع کرد، تلاشی که در طی ۸ سال نتیجه‌ای نداده بود باید در طی چهار هفته به نتیجه می‌رسید . در این زمان نیز او نامه‌های از طرف هیلبرت دریافت می‌کرد که نشان می‌داد هیلبرت نیز در مسیر درستی قدم برمی‌دارد. این عامل فشارها را بر اینیشتین دو چندان می‌کرد.

در نهایت او در هفته‌ی آخر و قبل از سخنرانی چهارم خود توانست از راز این مسئله پرده بردارد. اینیشتین در آخرین سخنرانی خود با غرور خاصی اعلام کرد که مشکل نظریه‌ی نسبیت عام را برطرف کرده است.

نسبیت عام

نظریه‌ی اینیشتین درک ما از فضا و زمان را تغییر داد، قبل از آن تفکر این بود که فضا جایی است که قوانین فیزیکی خود را در آن نشان می‌دهند. ما می‌توانیم در این فضا سیاره‌ها و ستاره‌ها را رها کنیم و آن‌ها در این فضا به حرکت خواهند پرداخت.

اینیشتین متوجه شده بود که فضا این‌گونه نیست و به تغییرات درون خود واکنش نشان می‌دهد. اضافه کردن جزئی مانند زمین در فضا باعث ایجاد تغییر می‌شود و گودالی در زمان و فضا ایجاد می‌کند. وقتی جز کوچک دیگری مانند ماه نیز به این فضا افزوده می‌شود این گودال را احساس می‌کند و مانند گلوله‌ای در این گودی شروع به چرخش می‌کند که به آن جاذبه می‌گوییم.

این مکانیزمی است که جهان ما براساس آن عمل می‌کند، ستاره‌ها گودال ایجاد می‌کنند و سیاره‌ها در آن می‌چرخند و سیاره‌ها این کار را برای اقمار انجام می‌دهند و این روند ادامه می‌یابد. این دیدگاه عمیق اینیشتین است که می‌گوید جاذبه جلوه‌ای از انحنای ایجاد شده در زمان و فضا است.


از کجا می‌دانیم این نظریه صحیح است؟

اما از کجا می‌دانیم نظریه‌ی اینیشتین صحیح است؟ نظریه‌ی اینیشتین مواردی را پیش‌بینی کرده است که نظریه‌ی نیوتن از پیش‌بینی آن‌ها عاجز بوده است. یکی از آن‌ها این است که نور خم می‌شود. فرض کنید ستاره‌ای پشت خورشید قرار داشته باشد، به نظر می‌آید که ما آن ستاره را نخواهیم دید چرا که خورشید جلوی آن را گرفته است اما اینیشتین فهمیده بود که در واقعیت این‌گونه نیست. با توجه به این نظریه چون در فضا گودی وجود دارد نور لزوما مسیر مستقیم طی نمی‌کند و می‌تواند کمی منحرف شود و روی خطی منحنی مانند خورشید را پشت سر بگذارد و به چشمان ما در زمین برسد. ما وقتی این نور را دنبال می‌کنیم تصور می‌کنیم که ستاره‌ی منشا آن، در سمت چپ یا راست خورشید قرار دارد و نه در پشت آن.


چون خورشید بسیار نورانی است، نمی‌توانیم ستاره‌های نزدیک به آن را بینیم و تنها یک راه وجود دارد که بتوان اثر نظریه‌ی نیوتن را مشاهده کرد و آن زمان خورشید گرفتگی کامل است. اولین آزمایش در مورد نظریه‌ی اینیشتین در خورشید گرفتگی سال ۱۹۱۹ انجام شد. دو گروه به رهبری منجم بریتانیایی آرتور ادینگتون در غرب آفریقا و برزیل مستقر شدند. آن‌ها منتظر خورشید گرفتگی بودند تا بتوانند در آن زمان از ستاره‌های نزدیک به خورشید عکس بگیرند. عکس گرفته شده عکس زیر بود:


در عکس می‌توانید مشاهده کنید که خورشید توسط سایه‌ی ماه پوشیده شده است و ستاره‌ها در کنار آن قرار دارند. وقتی ادینگتون موقعیت ستاره‌ها را محاسبه کرد متوجه شد که موقعیت آن‌ها دقیقا به همان مقدار که اینیشتین پیش‌بینی کرده بود، تغییر یافته است.
اینیشتین معروف می‌شود

اندازه‌گیری‌هایی که زمان خورشید گرفتگی انجام شدند، اینیشتین را به یک ستاره در سطح جهانی تبدیل کردند. البته بخشی از این شهرت بدلیل تمام شدن جنگ جهانی بود چرا که یک نجوم‌شناس بریتانیایی نظریه‌ی یک دانشمند آلمانی را اثبات کرده بود. این اتفاق بسیار بزرگ بود و در طول هفت روز تیتر اول روزنامه‌ی نیویورک تایمز بود. از سیاستمداران تا هنرپیشگان در مورد این نظریه سوال می‌شد و اما هیچ‌کدام از محتوای آن خبری نداشتند ولی می‌دانستند اتفاق مهمی افتاده است.

اینیشتین نیز به این توجه رسانه‌ها علاقه داشت چرا که لبخند خاصی داشت و چهره‌اش او را خاص‌تر می‌کرد. اما شهرت معایبی نیز دارد، او یهودی بود و در برلین زندگی می‌کرد و زندگی به عنوان یک یهودی در برلین بعد از جنگ جهانی کار آسانی نبود. او بعضی مواقع حتی به دلایل تهدید‌ها مجبور به ترک شهر نیز می‌شد. شرایط در آلمان برای او خوب پیش نمی‌رفت و فضای ملتهب بعد جنگ او را به شدت اذیت می‌کرد.

میراث اینیشتین

صد سال از آن اتفاق‌ها می‌گذرد و عکس رابطه‌ی E=mc^2 در ذهن عموم حک شده و این ایده‌ی معروف که «همه چیز نسبی است» به عنوان یک فرهنگ جایی برای خود در بین عموم باز کرده است. جهان علوم نیز مدیون اینیشتین است و علم کیهان شناسی فقط به دلیل وجود چارچوب نظریه‌ی نسبیت عام به وجود آمده است. مدتی بعد از نظریه‌ی اینیشتین دانشمندان کشف کردند جهان ما همواره به شکل کنونی نبوده و در ابتدا بسیار کوچک بوده است و در اثر انفجاری ۱۴ میلیارد سال قبل شکل گرفته است. البته این نظریه نیز به تازگی به چالش کشیده شده و احتمال نادرست بودن آن وجود دارد. برای اطلاعات بیشتر در این مورد به مطلب «وجود دو آینده‌ی متفاوت دلیلی که می‌تواند گذشته اسرارآمیز جهان را توجیه کند» مراجعه کنید.


قطعا مهم‌ترین نقطه‌ی اسرار آمیز موجود در نظریه‌ی اینیشتین سیاه‌چاله‌ها هستند، جایی از فضا که خمیدگی به قدری است که خود نور هم به دام می‌افتد. این سیاه‌چاله‌ها وجود خارجی دارند و برای مثال می‌دانیم سیاه‌چاله‌ای بزرگ در مرکز کهکشان ما وجود دارد. حتی تلاش‌های استفن هاوکینگز نیز برای درک این چاله‌ها بی‌نتیجه بوده است و سیاه‌چاله‌ها از بزرگ‌ترین مسائل حل نشده در فیزیک نظری به شمار می‌روند.

نظریه نسبیت عام هر آزمایشی که سر راه آن قرار گرفته را با موفقیت پشت سر گذاشته است اما یک پیش‌بینی در این نظریه وجود دارد که تا به امروز گواهی بر درست بودن آن بدست نیامده است و آن امواج جاذبه است. اگر سنگی را درون یک استخر پرتاب کنید امواجی بوجود می‌آیند و این اتفاقی است که در جهان ما می‌افتد، یعنی اگر اتفاق بزرگی در جهان رخ دهد باید آثار آن را مشاهده کنیم. این اتفاقات همواره به وقوع می‌پیوندند، ستاره‌ها به هم و سیاه‌چاله‌ها به هم برخورد می کنند و منفجر می‌شوند. این اتفاقات باید امواج جاذبه‌ای ایجاد کنند که ما امیدواریم بتوانیم آن‌ها را شناسایی کنیم.

اگر این امواج از زمین عبور کنند، زمین تکان کوچکی خواهد خورد و به حالت اولیه‌ی خود باز خواهد گشت. آزمایش‌هایی در حال انجام هستند تا اگر این اتفاق رخ دهد سریعا آن را اندازه گرفته و ثبت کنند که مهم‌ترین آن‌ها در آمریکا است. این پروژه که لیگو نام دارد، از دو برج تشکیل شده که یکی در ایالت لوئیزیانا و دیگری در ایالت واشنگتن است. این برج‌ها به طور دائم اشعه‌های لیزر به یکدیگر ارسال می کنند و مدام در حال اندازه‌گیری ارتفاع یکدیگر هستند. این اندازه‌گیری دقتی در حدی حتی کوچک‌تر از قطر اتم‌ها دارد و کوچک‌ترین تغییر در ارتفاع را ثبت خواهند کرد. در طی سال‌های آینده دانشمندان انتظار دارند بتوانند این امواج جاذبه را اندازه بگیرند. اگر این اتفاق بیفتد، دستاورد بزرگ دیگری به دیگر دستاوردهای اینیشتین اضافه خواهد شد.