هر آنچه بايد در مورد نسبيت خاص و عام اينشتين بدانيد

زماني كه از جهان صحبت مي‌كنيم، تمام اشياء، انسان‌ها و حيواناتي كه مي‌شناسيم به ذهمان مي‌رسند و تصويري كه از جهان در ذهنمان مي‌سازيم به تصوير يك شهر شبيه است.

بياييد لحظه‌اي تصور كنيم كه تمام اشياء، انسان‌ها، حيوانات، ستاره‌ها، زمين و حتي اتم‌ها‌ي گاز غير قابل ديدن را از صحنه حذف كنيم. در اين صورت چه باقي مي‌ماند؟ جوابي كه اكثرمان به اين سؤال خواهيم داد: هيچ چيز است. اما اين جواب، درست نيست؛ زيرا چيزي كه باقي مي‌ماند، فضاي خالي است و فضاي خالي با هيچ چيز، تفاوت بسيار دارد. بيش‌تر مردم زماني كه از فضا صحبت مي‌شود، فضاي ميان ستاره‌اي دوردست را تصور مي‌كنند ؛ درحالي‌كه فضا همه جا حضور دارد و تمام اتفاقات روزانه‌ي زندگي ما در همين فضا شكل مي‌گيرد. در واقع ساختار بدن تمامي موجودات و تمامي اشياء بيش‌تر از فضاي خالي تشكيل شده است. طبق مدل كلاسيك رادرفورد و مدل‌ها‌ي كوانتومي، بيش‌تر ساختار اتم‌ها را فضاي خالي تشكيل مي‌دهد.

ساختماني مانند برج ميلاد را تصور كنيد. اگر تمام فضا‌ي خالي تشكيل دهنده‌ي اتم‌ها‌ي آن را حذف كنيم، حجمي كه باقي مي‌ماند، به اندازه‌ي يك دانه‌ي برنج خواهد بود كه ميليون‌ها كيلو‌گرم جرم دارد. مي‌توانيد هر ساختمان يا مكان ديگري را نيز در انديشه متخصصين بگيريد؛ ولي در واقع بيش‌تر آنچه جهان ما را مي‌سازد، فضا‌ي خالي است. اما فضا‌ي خالي، دقيقا چيست؟

از انديشه متخصصين نيوتون، پدر علم جديد، فضا چيزي شبيه به صحنه‌ي نمايش است كه حركات بازيگران در اين صحنه انجام مي‌شود و وسايل مورد نياز نمايش در آن قرار مي‌گيرد. اين صحنه، تحت تأثير حركات و اتفاقات قرار نمي‌گيرد و كاملا ثابت است.

اين تصوير از فضا امكان شرح چگونگي افتادن سيب از درخت و گردش زمين به دور خورشيد را به نيوتون داد و اين قوانين درمورد اكثر پديده‌ها‌ي آشنا، به‌خوبي جواب مي‌دهند. با اينكه نمي‌توانيم فضا را لمس كنيم يا ببينيم، فضا يك واقعيت فيزيكي است كه تمامي حركت‌ها نسبت به آن سنجيده مي‌شوند.

از زمان نيوتون تا ۲۰۰ سال بعد، قوانين نيوتون تنها قوانين طبيعت بودند؛ تا اين‌كه شخصي به‌نام آلبرت اينشتين همه چيز را تغيير داد. آلبرت اينشتين در ۱۴ مارس ۱۸۷۹ در آلمان به دنيا آمد. در اين زمان نيروي الكتريكي شهر‌ها را روشن كرده و باعث به‌ وجود آمدن تكنولوژي‌ها‌يي شده بود كه نيوتون حتي آن‌ها را تصور نمي‌كرد. اواسط دهه‌ي ۱۸۰۰، جيمز كلارك ماكسول، با نوشتن معادلات مشهور خود و ادغام الكتريسيته و مغناطيس، راه را براي اينشتين و ابداع تئوري نسبيت خاص باز كرد. در اين زمان مفهوم نور، ذهن اينشتين را به خود مشغول كرده بود و چيزي كه اهمميت بيش‌تري داشت، سرعت نور بود. نور، بازيگر اصلي تئوري اينشتين بود كه اوايل قرن بيستم بيان شد. ويزگي منحصر به فرد نور، ثابت بودن سرعت آن در خلأ است. اگر دو نفر با سرعت به ست يكديگر حركت كنند، سرعت‌ها‌ي آن‌ها با هم جمع مي‌شود؛ يعني سرعت نسبي آن‌ها از سرعت تك‌تك آن‌ها بيش‌تر است. اما اين قضيه در مورد نور صادق نيست و سرعت نور در خلأ هميشه ۶۷۱ ميليون مايل بر ساعت يا ۳۰۰ ميليون متر بر ثانيه است.

مي‌دانيم كه سرعت يك جسم از مسافت پيموده شده‌ي جسم در يك بازه‌ي زماني مشخص به‌دست مي‌آيد. پس سرعت در واقع يك ارتباط ميان فضا و زمان است. ثابت بودن سرعت نور نشان مي‌دهد كه با تغيير بازه‌ي زماني، فضا نيز تغيير مي‌كند و برعكس و اينشتين از همين سرعت ثابت نور نتيجه گرفت كه فضا و زمان از يكديگر تأثير مي‌پذيرند. دليل مشاهده نكردن اين تأثيرات و تغييرات در زندگي اين است ما هيچ‌گاه با سرعت بالا در حد نور حركت نمي‌كنيم.

زماني كه اينشتين جوان بود، سؤالي ذهن او را به خود مشغول كرده بود: آيا اگر بتوانيم با سرعت نور حركت كنيم، نور نسبت به ما ساكن خواهد بود يا به عبارت ديگر ما نور را ساكن خواهيم ديد؟ اين در حالي است كه معادلات ماكسول نشان مي‌دهند كه نور نمي‌تواند ساكن باشد و مسلما كسي تا به حال، تجمعي از پرتو‌ها‌ي نور ساكن را نديده است. پس سؤال اين بود كه اين پارادوكس ظاهري چگونه قابل حل است؟

۱۰ سال بعد، اينشتين با بيان انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت خاص، جواب اين سؤال را به جهان عرضه كرد. قبل از اين تاريخ، آزمايش‌ها‌يي براي اثبات وجود اتر در پهنه‌ي كيهان انجام شده بود كه تمامي آن‌ها نشان مي‌دادند كه چيزي به نام اتر وجود ندارد و نور بر‌خلاف ديگر امواج، براي انتشار به محيط مادي نيازي ندارد. به‌زبان ديگر، چارچوبي براي سنجش سرعت نور نسبت به آن وجود ندارد. پاسخ ساده‌ي اينشتين براي اين مورد، ثابت بودن سرعت نور يعني ۱۰۷۰ ميليون كيلومتربر‌ساعت، نسبت به همه چيز و هيچ چيز است. انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين به‌سادگي بيان مي‌كند كه با هر سرعتي، چه به نور نزديك شويد يا از آن دور شويد، سرعت آن را به‌طور ثابت اندازه‌گيري خواهيد كرد و معادلات ماكسول نشان مي‌دهند كه نور نمي‌تواند ساكن باشد. طبيعتا اين سؤال پيش مي‌آيد كه منشأ اين رفتار عجيب نور چيست؟

همان‌گونه كه گفته شد، سرعت، معياري از اندازه‌گيري فضا بر زمان است و طبق انديشه متخصصين نيوتون، اين اندازه‌گيري به ناظر وابسته نيست و براي همه‌ي ناظر‌ها‌يي كه آن را اندازه مي‌گيرند ثابت است. چرا كه نيوتون فضا و زمان را مطلق در انديشه متخصصين مي‌گيرد و اين انديشه متخصصينات در زندگي روزانه و معمول درست است. اما در انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت خاص اينشتين فضا و زمان ديگر همان فضا و زمان معمول قبلي نيستند.

فرض كنيد در يك تاكسي نشسته‌ايد و اين تاكسي مي‌تواند با سرعتي نزديك به سرعت نور حركت كند. در اين حركت، شما فضا‌ي بيرون و خيابان پيش رويتان را طولاني‌تر مي‌بينيد اما زمان روي ساعت مچي‌تان به‌صورت نرمال جلو مي‌رود. ولي فردي كه در خيابان ايستاده و حركت شما را تماشا مي‌كند، مي‌بيند كه زمان براي شما به‌كندي جلو مي‌رود. همه‌ي اين وقايع عجيب براي ثابت نگه‌داشتن سرعت نور است. پس در انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت خاص، فضا و زمان ديگر جدا از هم نيستند و با‌هم كار مي‌كنند.

بنابر اين امروزه مي‌دانيم كه زمان و مكان لاخبار تخصصيا در همه‌ي شرايط، مطلق نيستند و كاملا به ناظر اندازه‌گيرنده و مشاهده‌كننده‌ بستگي دارند. رياضيات انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين بسيار ساده است. هنر اينشتين رياضيات و معادلات پيچيده نبوده است، بلكه او ديد فيزيكي ما نسبت به فضا و زمان را تغيير داده و نشان داده است كه چگونه امكان دارد كه اندازه‌گيري دو شخص مختلف از يك رويداد، متفاوت باشد.

براي درك بهتر يافته‌ها‌ي اينشتين، اسكيت‌سواري را تصور كنيد كه با سرعت ۲۰ متر بر ثانيه به طرف شمال حركت مي‌كند. در يك لحظه به راهي برخورد مي‌كند كه جهت‌ آن به سمت شمال شرقي است و اين راه را انتخاب مي‌كند. زماني كه او در اين راه حركت مي‌كند، مؤلفه‌ي شمال سرعت او ديگر همان ۲۰ متر بر ثانيه‌ي قبلي نخواهد بود و كم‌تر از قبل خواهد بود. چرا كه به دليل تغيير جهت از شمال به شمال شرقي، ميزاني از سرعت قبلي به سرعت در جهت شرق تبديل شده است. اين مثال بسيار ساده، چگونگي كاركرد انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين را به‌صورت زير نشان مي‌دهد:

همه‌ي ما مي‌دانيم كه اشياء مي‌توانند در فضا حركت كنند. اما نوع ديگري از حركت نيز وجود دارد و آن حركت اشياء در زمان است؛ منظور از اين نوع حركت، رفتن از يك ثانيه به ثانيه‌ي بعدي و بعدي است. به عقيده‌ي نيوتون، حركت در فضا و حركت در زمان كاملا از هم جدا هستند و ربطي به هم ندارند؛ اما اينشتين نشان داد كه اين دو حركت، كاملا به‌ هم مرتبط هستند. براي مثال: زماني كه به يك ماشين پارك شده نگاه مي‌كنيد كه نسبت به شما ساكن است و حركتي در فضا ندارد، كل حركت اين ماشين، به حركت در زمان اختصاص داده مي‌شود و زمان براي ماشين و سرنشينان آن به‌صورت معمول مي‌گذرد. اگر اين اتوموبيل با سرعت مشخصي به حركت در‌آيد، كسري از سرعت آن به سرعت حركت در فضا تبديل مي‌شود و سرعت گذر زمان براي اتوموبيل كند‌تر از گذر زمان براي شما و اشياء‌ ساكن نسبت به شما خواهد بود. 

نگاهي به ساختار فضا_ زمان اينشتين، يكي از معما‌ها‌ي بنيادين طبيعت را حل كرد و اين معما، چگونگي كار‌كرد آشنا‌ترين نيروي طبيعت به‌نام گرانش است. نيوتون مي‌دانست كه نيروي گرانش، اجسام مختلف را در كنار يك‌ديگر نگه مي‌دارد و با جرم اشياء سرو كار دارد. روابطي كه تحت عنوان قوانين نيوتون با آن‌ها درگير هستيم، شدت اين نيرو را با دقت بسيار خوبي تعيين مي‌كند. اما نيوتون هيچ‌وقت متوجه چگونگي كار‌كرد نيروي گرانش نشد. چگونه ممكن است كه ماه بي‌وقفه به دور زمين بگردد؟ ماه از فاصله‌ي بسيار دور چگونه متوجه وجود زمين در آن مكان مي‌شود؟ كار‌كرد اين نيرو به گونه‌اي است كه انگار ماه با طنابي نامرئي به زمين متصل شده باشد؛ اما همه‌ي ما مي‌دانيم كه اين تفكر درست نيست و در حقيقت اين‌ها سؤالاتي هستند كه قوانين نيوتون پاسخي براي آن‌ها ندارد.

بعد از ده سال جست‌و‌جو و تفكر در مورد اين موضوع، اينشتين توانست با ارائه‌ي توصيف جديدي از فضا به اين سؤالات پاسخ دهد. گفتيم كه از انديشه متخصصين نيوتون، فضا مانند يك صحنه‌ي خالي است كه نمي‌تواند بر عمل شكل‌گرفته در اين صحنه تأثير بگذارد. اما از ديد اينشتين اينگونه نيست. در اين انديشه متخصصينات جديد، فضا مي‌تواند كشيده يا حتي موج‌دار شود. اجسام مختلف مي‌توانند باعث تغيير شكل اين فضا بشوند. براي درك بهتر، يك ميز بيليارد را به‌عنوان فضا در انديشه متخصصين بگيريد كه گوي‌ها‌ي بيليارد، به‌عنوان زمين و ديگر سيارات باشند، اگر فضا‌ي نيوتوني را در انديشه متخصصين بگيريم، گوي‌ها‌ي بيليارد در مسير مستقيم حركت مي‌كنند؛ اما فضا از ديد اينشتين، قابل انعطاف است. پس اگر يك جسم سنگين مانند زمين در اين فضا قرار بگيرد، باعث ايجاد يك چاله در ساختار اين فضا مي‌شود كه ماه، حول اين چاله مي‌گردد. 

طبق انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين، گرانش، همان كشيدگي‌ها و خميدگي‌ها‌ي فضا است كه توسط اجسام ايجاد شده است. هر جسمي مي‌تواند بسته به جرمي كه دارد بر اين فضا تأثير بگذارد اما اين تأثير به حدي كوچك است كه تنها در مورد اجسام بسيار سنگين مثل زمين و سيارات و ديگر اجرام كيهاني محسوس است. گردش ماه حول زمين به دليل وجود يك نيروي مرموز يا يك طناب نامرئي نيست، بلكه به دليل وجود چاله‌اي است كه زمين به دليل جرم زياد خود در فضا ايجاد كرده است. پس از اينشتين، فضا ديگر يك صحنه‌ي ثابت نيست، بلكه بازيگري است كه نقش مهمي در درام كيهاني بازي مي‌كند.

 يكي از موارد مهم براي تست ايده‌ي اينشتين در مورد فضا، نزديك افق رويداد يك سياهچاله است. يك سياهچاله در ابتدا ستاره‌ي پر‌جرمي بوده است كه پس از اتمام سوخت هسته‌اي مركزي، در خود فرو‌رفته است. حجم يك سياهچاله، بسيار كم است و ميليون‌ها تن جرم دارد. گرانش يك سياهچاله به حدي زياد است كه با توجه به رياضيات انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين، مي‌تواند فضا را به دنبال خود بكشد و آن را مانند يك تكه پارچه دچار پيچ و خم‌ها‌ي شديد كند. همين تغييرات شديد فضا در افق رويداد يك سياهچاله مي‌تواند مورد براي آزمودن انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين باشد. اما نزديك‌ترين سياهچاله ميليارد‌ها مايل از ما دور است و به دليل گرانش زياد سياهچاله نمي‌توان به آن نزديك شد. پس چگونه مي‌توان فهميد كه انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين حقيقت دارد؟

در اواخر دهه‌ي ۱۹۵۰، فيزيكداني به‌نام لئونارد شيف به‌دنبال مكان نزديك‌تري براي آزمودن انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين مي‌گشت. همانگونه كه يك سياهچاله مي‌تواند فضا را دچار كشيدگي كند، زمين نيز با چرخيدن و حركت در فضا مي‌تواند پيچش و كشيدگي ايجاد كند، اما اثر اين پيچش از تأثير يك سياهچاله كم‌تر است. وسيله‌اي كه ذهن شيف را درگير كرده بود، يك اسباب‌بازي ساده به‌نام ژيروسكوپ بود. ايده‌ي شيف بسيار عجيب بود. او ايده‌ي خود را با دو نفر از همكاران خود به‌نام‌ها‌ي ويليام فلربنك و رابرت كنن در اسختر استنفورد در ميان گذاشت. اين سه نفر تصميم گرفتند كه يك ژيروسكوپ پيشرفته را به مدار زمين بفرستند تا بتوانند درستي انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين را مطالعه كنند. ايده‌ي شيف در قالب مقاله‌اي به‌عنوان راه جديد و قابل اجراي تست ازمايشگاهي انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت عام اينشتين در ۱ مارس ۱۹۶۰ در Physical Review Letters منتشر شد.

در حالت عادي، جهت‌گيري يك ژيروسكوپ در فضا ثابت است مگر اينكه يك عامل خارجي باعث تغيير در جهت آن شود.

اين ايده سيار ساده است. اما اشكالي وجود داشت و آن هم پيش‌بيني انديشه متخصصينيه‌ي انيشتين در مورد ميزان تغيير جهت ژيروسكوپ بود. طبق پيش‌بيني اينشتين، اندازه‌گيري اين تغيير جهت مثل اين است كه بخواهيد قطر يك سكه را از فاصله‌ي ۶۲ مايلي اندازه بگيريد.

در سال ۱۹۶۲ طرح با نام كاوشگر گرانش B، براي گرفتن حمايت براي ناسا فرستاده شد. پيش‌بيني اعضا‌ي تيم براي انجام پروژه حدود سه سال بود اما اين پيش‌بيني بسيار خوشبينانه بود و عملي شدن طرح حدود ۴۰ سال طول كشيد و در طول اين سال‌ها، عمليات ۹ بار توسط ناسا در شرف لغو شدن بود. اما بلاخره در آوريل سال ۲۰۰۴ كاوشگر گرانش B به فضا فرستاده شد و از سه بنيان‌گذار اين طرح، فقط يكي از آن‌ها زنده بود و توانست نتيجه‌ي تلاش‌ها‌ي خود را ببيند.

فراهم كردن تكنولوژي لازم براي آزمودن اين انديشه متخصصينيه بسيار دشوار بود. زيرا ماهواره‌اي كه در مدار زمين قرار مي‌گرفت بايد طوري طراحي مي‌شد كه باد‌ها‌ي خورشيدي و ديگر تابش‌ها‌ي كيهاني تأثيري بر آن نگذارند. در اين آزمايش، از چند ژيروسكوپ پيشرفته استفاده شد كه جهت اشاره‌ي همه‌ي ان‌ها به يك ستاره در دور‌دست بود. مطالعه داده‌ها نشان داد كه جهت اشاره‌ي ژيروسكوپ‌ها به همان ميزان پيش‌بيني شده در معادلات اينشتين تغيير پيدا كرد. اين آزمايش، نخستين مشاهده‌ي مستقيم از نسبيت عام اينشتين بود و نشان داد كه اگر فضا در واقع، هيچ بود، ديگر چيزي براي پيچ و تاب خوردن وجود نداشت.

معادلات گرانش نيوتون توضيح داد كه همه‌ي اجسام به يكديگر نيروي گرانش وارد مي‌كنند و هر جسمي متناسب با جرم خود تحت تأثير نيرو، حركت شتاب‌دار خواهد داشت. طبق معادلات نيوتون، نيروي گرانش بين دو جسم، با مربع فاصله‌ي آن‌ها نسبت عكس دارد. انديشه متخصصينيه‌ي گرانش نيوتوني جوابگو‌ي بسياري از مشاهدات روزمره است اما نتوانست بي‌نظمي موجود در حركت گردشي عطارد به دور خورشيد را به‌خوبي توصيف كند و اختلاف اندكي با واقعيت اين مسئله داشت. 

تفكر تكان‌دهنده‌ي اينشتين در مورد گرانش كه به آن را شادمانه‌ترين تفكر كل زندگي خود مي‌داند، بيان مي‌كند كه گرانش همان شتاب‌گيري است و آن را اصل تساوي ناميد. او متوجه شد كه اگر جسمي آزادانه در يك ميدان گرانشي سقوط كند، ديگر وزن خود را احساس نخواهد كرد (مانند چتر‌بازي هنوز چتر خود را باز نكرده است و يا شخصي در آسانسور كه كابل آسانسور بريده است.)

يك مثال ساده از اين تفكر، فضا‌پيما‌يي است كه با شتاب ۹.۸ متر بر مجذور ثانيه (شتاب گرانش زمين)، از زمين دور مي‌شود. فضا‌نورد اين فضا‌پيما، يك پر و يك چكش را به‌صورت هم‌زمان رها مي‌كند، در غياب مقاومت هوا، اين دو جسم با هم بر زمين مي‌افتند. درست مانند زماني كه اين آزمايش روي زمين انجام شود. اين نتيجه به اين معني است كه فضا‌نورد و اجسام داخل فضا‌پيما، شتاب خود را حس نمي‌كنند و موقعيت آن‌ها مانند زماني است كه در سطح زمين بوده‌اند.

گرانش مي‌تواند بر گذر زمان نيز تأثير بگذارد. در قسمت نسبيت خاص اينشتين، اتساع زمان يا گذر كند زمان توضيح داده شد. در نسبيت عام يا گرانش اينشتين نيز اين واقعيت وجود دارد كه زمان براي اجسام تحت تأثير ميدان گرانشي يك جسم بسيار سنگين به كندي مي‌گذرد. اتساع زمان تحت تأثير گرانش، امكان سفر در زمان را نيز فراهم مي‌كند. براي مثال اگر جسمي تحت تأثير يك ميدان گرانشي قوي مانند يك سياهچاله قرار بگيرد، گذر زمان را در مقايسه با محيط اطراف، به‌كندي احساس مي‌كند و در نتيجه امكان سفر به آينده را خواهد داشت.

امواج گرانشي، آشفتگي‌ها‌ي فضا_ زمان هستند كه با حركت شتاب‌دار اجسام بسيار سنگين مانند سياهچاله‌ها و ستاره‌ها‌ي نوتروني ايجاد مي‌شوند. همه‌ي اجسام در حال حركت، امواجي را در ساختار فضا_ زمان ايجاد مي‌كنند اما انرژي اين امواج به حدي كم است كه قابل تشخيص و آشكار‌سازي نيستند. اينشتين در سال ۱۹۱۶ در انديشه متخصصينيه‌ي نسبيت عام خود وجود اين امواج را پيش‌بيني كرد. در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ تيم پژوهشي لايگو توانست اولين مشاهده از امواج گرانشي حاصل از برخورد دو سياهچاله كه ۱.۳ ميليارد سال نوري از ما دور هستند را آشكار‌سازي كنند و بار‌ديگر درستي انديشه متخصصينيه‌ي اينشتين را تاييد كنند.

آلبرت اينشتين، يكي از جهان‌شمول‌ترين انديشه متخصصينيه‌ها‌ي تاريخ را بيان كرد و يكي از تأثيرگذارترين افراد تاريخ علم بود. او تا هنگام مرگ در پي حل معما‌ها‌ي بزرگ جهان بود و زماني كه در پي رسيدن به انديشه متخصصينيه‌اي جهان‌شمول براي اتحاد نسبيت و مكانيك كوانتومي بود، عمرش به پايان رسيد و كارش نيمه‌تمام ماند. اكنون دانشمندان زيادي در تلاش هستند تا كار نيمه‌تمام او را تمام كنند.