اینشتین چگونه فیزیک را متحول کرد/ از سرعت نور تا اتساع زمان

به گزارش خبرنگار گروه علم و فناوری خبرگزاری آنا، سخنرانی برایان گرین با عنوان «فضا و زمان پس از اینشتین» به همت دانشکده فیزیک دانشگاه صنعتی شریف و با همکاری انجمن فیزیک ایران، چهارشنبه ۸ اردیبهشت ساعت ۱۸ به وقت تهران برگزار شد. برایان گرین، استاد فیزیک دانشگاه کلمبیا و فیزیکدان نظری است که در حوزه کیهان‌شناسی و جهان اولیه تحقیق می‌کند و در زمینه عمومی‌سازی و ترویج علم در میان دانشمندان شناخته‌شده است. برایان گرین بنیانگذار فستیوال جهانی علم(world science festival) است. او کتاب‌های متعددی دارند که چند مورد از آنها از جمله «جهان زیبا» و «واقعیت پنهان» به فارسی ترجمه شده است. گرین جایزه انجمن فیزیک آمریکا در سال ۲۰۰۳ را دریافت کرده است. در این گزارش قسمت‌هایی از سخنرانی مجازی وی را می‌خوانیم.

سرعت نور

در بهار ۱۹۰۵ طوفانی در ذهن آلبرت اینشتین رخ داد(دست کم این شرحی بود که خود اینشتین بعدها در مورد این رویداد در زندگی خود توصیف کرد). در نتیجه آن طوفان فکری، نظریه نسبیت خاص مطرح شد، نظریه‌ای که درک ما از فضا و زمان و ماده و انرژی را کاملاً دگرگون می‌کند. منظورم این است که اینشتین کاملاً خلاف باورهای معمول دریافت که ساعت‌ها با سرعت کمتری زمان را طی می‌کنند و اجسام در حال حرکت در جهت حرکت خود منقبض می‌شوند. او همچنین معروف‌ترین معادله را در کل فیزیک کشف کرد، معادله هم‌ارزی جرم-انرژی، مفهومی که رابطه بین جرم و انرژی را توضیح می‌دهد و فرموله می‌کند(E=mc^۲).

یکی از مشهورترین گزاره‌های علمی جهان این است که سرعت نور ثابت است. بله این حرف درستی است. براساس تمام علوم، سرعت نور ثابت است. اما این چه اهمیتی دارد و چرا باید به آن توجه کنیم؟  خب برای رسیدن به چنین نکته‌ای، بیایید فکر کنیم که چطور اینشتین به این ایده رسیده است که سرعت نور ثابت است.

این مسئله تاریخچه جالبی دارد. طی قرن‌ها بسیاری از افراد برای درک نور تلاش کردند. احتمالاً بهترین نقطه برای درک این تلاش‌ها در بازه ۱۶۰۰ تا ۱۸۰۰ میلادی رخ داد. در آن ایام فیزیکدانان مختلف از اقصی نقاط جهان وقت زیادی را صرف تلاش برای اندازه‌گیری سرعت نور کردند و ازقضا کار بسیار خوبی هم از آب درآمد.  به لطف تلاش آنها و با به‌روزرسانی‌های مدرن، سرعت نور سرانجام اندازه‌گیری شد و ما اکنون می‌دانیم که سرعت نور معادل ۶۷۱ میلیون مایل در ساعت است. البته می‌توان از واحدهای دیگر هم استفاده کرد، برخی از معادل‌های دیگر آن استفاده می‌کنند و آن را ۳۰۰ میلیون متر در ثانیه معرفی می‌کنند. اما اگر کمی به طور دقیق‌تر بگوییم، سرعت نور معادل ۲۹۹ میلیون و ۷۹۲ ۴۵۸ متر در ثانیه است. با این حال ما بیشتر آن را ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه می‌خوانیم چون مردم به اعداد گِرد بیشتر تمایل دارند.

اما اجازه دهید چیزی را به شما بگویم. حتی خود فیزیکدانان هم آن زمان، درک درستی از نور نداشتند تا اینکه سرانجام دو فیزیکدان مایکل فارادی و جیمز کلارک ماکسول از طریق آزمایش‌های خود به چیزی کاملاً شگفت‌انگیز پی بردند. تحقیقات آنها مبتنی بر امواج الکترومغناطیسی بود. بنابراین آنها امواج را در یک میدان الکترومغناطیسی مطالعه کردند و به نتیجه خیره‌کننده‌ای رسیدند. ماکسول این کار را از جنبه ریاضی پیگیری کرد و فارادی آن را بر اساس نتایج تجربی مورد بررسی قرار داد.

به طور تقریبی آنچه ماکسول در نهایت از معادلات ریاضی نتیجه گرفت این بود که یک سیگنال نویز یا تداخل الکترومغناطیسی(electromagnetic disturbance) بدون در نظر گرفتن طول موج(که فاصله بین یک انتها تا انتهای دیگری است) همیشه با سرعت خاصی حرکت می‌کند. نکته قابل توجه در تحقیقات وی در مورد امواج الکترومغناطیسی این بود که این امواج مستقل از طول موجی بودند که براساس آن منتقل می‌شدند. 

وی در معادلات دریافت که سرعت این اختلالات الکترومغناطیسی همیشه برابر با یک عدد خاص است و این عدد معادل ۶۷۱ میلیون مایل در ساعت(یا حدود ۳۰۰ میلیون متر در ثانیه) است. حتی اگر از الکترومغناطیس هم چیزی نمی‌دانید، باید توجه داشته باشید که این مسئله خیره‌کننده است. ماکسول با استفاده از معادلات عادی فیزیکی توانست سرعتی برابر با سرعت نور را استخراج کند.

 اما نتیجه ماکسول چه معنی داشت؟ وی گفت اگر سرعت اختلالات الکترومغناطیسی برابر با سرعت نور باشد، پس نور باید خود یک اختلال الکترومغناطیسی باشد. این یک گام بزرگ رو به جلو بود، اکنون ما درک می‌کنیم که در حقیقت چیزی به نام نور وجود دارد.

اما حتی با این پیشرفت ملموس، یک راز بزرگ و عمیق به وجود آمده بود. هر زمان که شما در مورد سرعت صحبت می‌کنید باید بگویید که یک شیء دارای این سرعت نسبت به آن شیء است. تنها در این صورت است که سرعت معنا و مفهومی درستی پیدا می‌کند. اما وقتی صحبت از معادلاتی می‌شود که ماکسول مورد مطالعه قرار داده بود، آنها مشخص نمی‌کردند که سرعت ۶۷۱ میلیون مایل در ساعت نسبت به چه به دست آمده است.

اینشتین وارد می‌شود

تا آن زمان اگر امواج صوتی داشتیم می‌گفتیم سرعت صدا نسبت به هوای ساکن است.  اگر موج آب داشتیم، می‌گفتیم سرعت موج نسبت به آب ساکن است.  اما چیزی که نسبت به سرعت نور قابل محاسبه باشد به نظر نمی‌رسید وجود خارجی داشته باشد. بنابراین ظاهراً فیزیکدانان آن دوره، با ساختن یک پاسخ، با این رمز و راز کنار آمدند و گفتند شاید چیزی به نام فضای پر شده از اتر(ether) وجود دارد و وقتی از سرعت نور صحبت می‌کنید، در مورد سرعت این موج الکترومغناطیسی نسبت به اتر حرف می‌زنید.

 این معما سر جای خود باقی ماند و این همان جایی است که نبوغ اینشتین وارد داستان می‌شود. اینشتین این توانایی غیرمعمول را داشت که به چیزی که دیگران به آن خیره شده بودند نگاه کند و آن را به روشی جدید ببیند. اینشتین گفت اگر معادلات می‌گویند سرعت نور ۶۷۱ میلیون مایل در ساعت است اما معادلات مشخص نمی‌کنند که این سرعت نسبت به چه چیزی است، دلیلش این است که شما نیازی به تعیین چیزی ندارید.

 اینشتین معتقد بود سرعت نور تا زمانی که از فضای خالی عبور ‌کند نسبت به هر چیزی می‌تواند باشد. اینشتین به زبان ساده می‌گفت شما نیازی به تعیین مرجعی برای سرعت نور ندارید.

این فقط یک قانون فیزیک است و باید آن را همین طوری بپذیریم. همین مسئله بود که راه را برای پذیرش نظریه نسبیت خاص هموار کرد. تصور کنید که ما دو نفر را برای انجام این آزمایش داریم. نفر اول یک متر دارد که می‌تواند سرعت نور را هنگام ایستادن اندازه‌گیری کند. نفر دوم یک پرتو لیزر شلیک می‌کند. نفر اول تأیید می‌کند که این سرعت معادل سرعت نور است(۳۰۰ میلیون متر در ثانیه).

اما حالا بیایید کمی چیزها را تغییر دهیم و تصور کنیم نفر اول فرار می‌کند و از آنجا دور می‌شود. احتمالاً پیش خود فکر می‌کنید سرعت باید پایین بیاید زیرا او در حال دور شدن است.  اما اینشتین می‌گوید ما همچنان سرعتی معادل ۳۰۰ میلیون متر در ثانیه داریم. به عبارت دیگر  این یک اصل ثابت است و یک قانون طبیعت است که سرعت نور نسبت به هر چیزی همیشه یکسان می‌ماند.

اینشتین می‌گوید ما با کشف این سرعت ثابت شروع به آشکار کردن یک ویژگی طبیعت کرده‌ایم. بنابراین اگر آزمایش‌های فیزیکی در مورد ثابت بودن سرعت نور صحیح باشد و نور دارای این ویژگی عجیب باشد، آن‌گاه ما با مفهوم فضا-زمان سر کار داریم. ما در آزمایش‌های فیزیکی می‌بینیم که بین سرعت نور در فضا در طول زمان یک ارتباط خاص وجود دارد و به این معنی است که فضا و زمان ویژگی‌های عجیبی دارند. اینشتین با این کشف خود، درک ما را در مورد گیتی تغییر داد. این آزمایش جلوتر نشان داد به ‌طور کلی هرچه با سرعت بالاتری حرکت کنیم، زمان کندتر می‌گذرد و این دو رابطه معکوس دارند(که به اصل اتساع زمان مشهور است).

اتساع زمان

اتساع زمین پیامدهای حیرت‌انگیزی دارد و من به طور خلاصه برخی از آنها را برای شما شرح می‌دهم. ما از فرمول گاما می‌دانیم که اثرات اتساع زمانی فقط وقتی قابل توجه به حساب می‌آید که سرعت نسبی مورد مطالعه در یک موقعیت معین، به سرعت نور نزدیک شود. در این مسئله تردیدی نیست اما به طریق دیگری می‌توان آثار اتساع زمان(که در آن تأثیر نسبی همزمانی دیده می‌شود) را در فواصل بسیار زیاد ارتقا داد.  

آثار اتساع زمان می‌توانند حتی اگر سرعت‌های درگیر، سرعت عادی روزمره باشند نیز قابل توجه باشند. بنابراین چگونه این تنظیمات طبیعت به درستی انجام می‌شود؟ بیایید ابتدا از منظر تجربی، لحظه‌ای به زمان فکر کنیم. همه ما به طور کلی زمان را به عنوان یک نوع آشکارسازی مداوم می‌پنداریم یا آن را یک جریان رو به جلو می‌دانیم. اما بیایید در مورد زمان به طریقی متفاوتی نگاه کنیم و آن را به یک سری لحظات(یا یک سری تصاویر فوری که یکی پس از دیگری ضبط می‌شوند)، تقسیم کنیم. هر روند فیزیکی را می‌توان به این ترتیب توصیف کرد(روییدن یک گل، حمله یک حیوان وحشی و...)  

شما فقط یک سری عکس فوری دارید که هر لحظه در زمان ثبت کرده‌اید. درواقع حتی اگر بخواهید می‌توانید به فضا بروید و زمین در مدار خود به دور خورشید را تجسم کنید. اگر بخواهم با این طرز فکر کردن، مجموعه عکس‌های خودم را که با دنباله‌ای از وقایع به مرور زمان ضبط می‌شود با عکس‌های شخص دیگری به نسبت خودم مقایسه کنم چه؟

اینجا مفهوم «یک برش از اکنون» مطرح می‌شود.  منظور من از برش از اکنون این است که من دنیا را در نظر می‌گیرم و به همه اتفاقاتی که الان می‌افتد فکر می‌کنم. ما می‌توانیم به فضا و کهکشان‌ها فکر کنیم. بنابراین می‌توانیم در همین لحظه تصور کنیم یک شهاب سنگ به سطح ماه برخورد می‌کند یا از آن دور می‌شود. ما می‌توانیم یک انفجار ابرنواختر را در دورترین نقطه کهکشان تصور کنیم.

این برش تمام وقایعی است که در یک لحظه اتفاق می‌افتد. اما دو مسئله وجود دارد که خیلی مهم هستند و در مورد آنها تأکید دارم. مسئله اول این است که باید فضا-زمان را بفهمیم. ما تمام «فضا» را در هر یک از این برش‌ها داریم. تصور کنید این برش برای همیشه ادامه دارد و شامل همه آنچه می‌شود که در یک لحظه خاص در جهان هستی وجود دارد. در این راستا مسلماً ما «زمان» را خواهیم داشت.

مسئله دوم عقل سلیم است. در گذشته، بدون توجه به حرکت و سرعت نور، توافقی کلی در مورد «برش از اکنون» با دیدگاه نیوتنی وجود داشت. اما وقتی اینشتین وارد داستان می‌شود، این دیدگاه کاملاً تغییر می‌کند زیرا با اینشتین اکنون یاد گرفته‌ایم که سرعت نور ثابت است.

پس ناظرانی که در حرکت نسبی هستند نمی‌توانند آن حس همزمانی فرد ثابت را حس کنند. آنچه که در یک لحظه مشخص در زمان اتفاق می‌افتد یک پیامد حیرت‌انگیز دارد که می‌خواهم با کمی استعاره در اینجا توضیح دهم.  

به کل این گستره فضا-زمان فکر کنید، انگار مثل یک نان بزرگ کیهانی است. من این قرص فضای نان را به قطعاتی برش می‌دهم که نمایانگر کل فضا در یک لحظه در زمان از دید من است.

اگر کسی نسبت به من حرکت می‌کند، دیدگاه متفاوتی نسبت به آنچه که در حال حاضر همزمان با من است خواهد داشت و این بدان معنی است که آنها نان را با زاویه‌ای متفاوت از من مشاهده می‌کنند.  

 اگر متوجه منظورم شده باشید، با تجسم گیتی به این صورت خواهید دید که آنچه آینده در نظر می‌گیرید با آنچه گذشته در نظر می‌گیرید، از جنبه فضا-زمان تفاوت مفهومی به خصوصی ندارند. اگر حالا کسی به سمت من در حرکت باشد و او هم بخواهد برش‌های اکنون از فضا-زمان داشته باشد، یک زاویه متفاوت در قیاس با من خواهد داشت به عبارت دیگر مفهوم آنها از همزمانی آنچه در یک لحظه خاص اتفاق می‌افتد یکسان نیست. البته حرکت با سرعت کم عملاً هیچ تأثیری ندارد.

اما نکته این است که در مسافت‌های بزرگ‌تر، یک زاویه کوچک می‌تواند به یک اختلاف زمان بسیار زیاد تبدیل شود و تفاوت بسیار زیادی در تصور ما از آنچه در یک لحظه مشخص اتفاق می‌افتد به وجود می‌آورد.

پس می‌توان به این نتیجه رسید که اگر فرد با سرعت بالایی یک سال به سمت زمین حرکت کند این می‌تواند معادل ۷ سال در زمین باشد. به همین ترتیب، اگر یک ناظر بیرونی در حال حاضر با فاصله‌ای قابل توجه نسبت به زمین بتواند به سیاره‌مان نگاه کند، به گذشته زمین خواهد نگریست.

آنچه نظریه اینشتین به طور کلی به ما می‌گوید این است که روش سنتی که درباره واقعیت(حال حاضر) فکر می‌کنیم اشتباه است. اینکه اکنون را حالِ حاضر تصور کنیم، گذشته را چیزی ازمیان‌رفته بخوانیم و آینده را به منزله‌ای اوقاتی که هنوز سر نرسیده است قلمداد کنیم، از منظر فیزیکی هیچ پایه و اساسی ندارد. گذشته، حال و آینده همه به یک اندازه «اکنون» هستند.

انتهای پیام/۴۱۶۰/پ