نسبيت عام، نظريه اي براي توضيح آنچه كه در اطرافمان مي گذرد
ظاهراً اينشتين درست مي گفت
مهدي صارمي فر
msaremif@hamshahri.org
|
|
|
|
آلبرت اينشتين را اكثر مردم مي شناسند. مردم او را نابغه اي مي دانند كه توانسته كار هاي بزرگي در جهان دانش انجام دهد، اما بيشتر به خاطر دو چيز در بين مردم معروف شده است، يكي تئوري معروف نسبيت و ديگري نامه اش به رئيس جمهور آمريكا و تذكر به وي بر لزوم ساخت بمب اتمي پيش از هيتلر.
اما نسبيت دستاويز عده اي شد تا با برداشت نادرست از عنوان اين نظريه و بدون آگاهي از ماهيت آن، به اين بهانه به ترويج افكار خود به خصوص بعد از ويرانيهاي ناشي از جنگ هاي جهانيدر اروپا بپردازند، تا جايي كه حتي اينشتين در اواخر عمر به خاطر سوءاستفاده هاي افراد ناآگاه از اسم تئوري نسبيت، از اين نام گذاري بسيار متأسف شد. لازم به ذكر است كه نظريه هاي نسبيت (خاص و عام) بر روي اصول موضوعه كاملاً مطلق بنا نهاده شده اند. در نسبيت خاص، ثابت بودن سرعت نور و يكي بودن قوانين فيزيكي در همه دستگاه هاي لخت و در نسبت عام هم ارزي جرم لختي و جرم گرانشي اصل موضوع هستند.
دليل ديگر معروفيت اينشتين در دنيا به همكاري، البته غيرعلمي، وي در پروژه هاي ساخت بمب اتمي براي ايالات متحده (پروژه منهتن) مربوط مي شود. اينشتين يهودي بود و درجريان جنگ دوم جهاني از آلمان گريخته و ساكن آمريكا شده بود. او در آمريكا و به اسرار ليو زيلارد (فيزيكدان تجربي لهستاني كه او هم از اروپا فرار كرده و به آمريكا پناه آورده بود) با نوشتن نامه اي به رئيس جمهور، روزولت، لزوم ساخت هر چه سريع تر بمب اتمي را پيش از رسيدن آلمان نازي به اين تكنولوژي متذكر شد. او بعدها پس از تنها باري كه در تاريخ بشري بمب اتمي به كار رفت، يعني در هيروشيما و ناكازاكي، بسيار خود را از اين بابت سرزنش كرد و حتي گفت كه اگر دوباره فرصت زندگي داشت، مي رفت و كفاش مي شد. او در پايان عمرش با پيشنهاد رياست جمهوري اسرائيل روبه رو شد. اما در پاسخ گفت: اسرائيل را در سرزمين فلسطين تأسيس كرده ا ند و اين انتخاب دلايل نژادي دارد و من با هرگونه نژادپرستي مخالفم. و به اين ترتيب اين پيشنهاد را رد كرد. او جايي مثل اوگاندا را براي تأسيس اسرائيل مناسب تر مي دانست.
اما در جامعه علمي اينشتين دلايل زيادي براي معروفيت دارد. وي در طول حيات خود كارهاي بزرگي انجام داد كه هر كدام از آنها به تنهايي لايق يك جايزه نوبل فيزيك بودند. سه مقاله معروف كه در سال 1905 و به فاصله هشت هفته چاپ شدند، حاصل بيش از 5 سال پژوهش نظري وي بود. اين سه مقاله در مورد حل نظري حركت براوني، توضيح اثر فتوالكتريك و نسبيت خاص (الكتروديناميك اجسام متحرك) بودند. مقاله اول او حركتي جدي را در مكانيك آماري آغاز كرد. مقاله دوم تأييدي بود بر كوانتم هاي انرژي پلانك . اين مقاله و چند مقاله و كشف ديگر در ربع اول قرن بيستم، سرمنشاء اصلي بزرگ ترين انقلاب علمي تاريخ مكانيك كوانتومي شدند. دليل اصلي كسب جايزه نوبل فيزيك توسط اينشتين هم همين توضيح اثر فتوالكتريك بود. در مقاله سوم، اينشتين نظريه اي داد كه نتيجه چند آزمايش قبلي را كه نظريه هاي موجود (مكانيك كلاسيك يا نيوتوني) نمي توانستند آنها را توجيه كنند، توجيه كرد. نسبيت خاص، منجر به انقلابي در مفاهيم فيزيكي مثل فضا و زمان شد. اين كار نتيجه تلاش طاقت فرساي چند ساله او بود.
چند تا از مهم ترين تئوري هايي كه اينشتين نقش برجسته اي در آنها داشته، عبارتند از: توضيح گذارهاي خودبه خودي و واداشته كه سرمنشاء اصلي ساخت ليزرها شد، آمار بوز اينشتين كه توضيح دهنده سرشت آماري ذراتي به نام بوزون (حامل هاي نيرو) است، گل سرسبد آنها نسبيت عام كه كامل ترين نظريه براي توضيح گرانش است، طراحي آزمايش EPR با همكاري پودولسكي و روزن كه منشأيي مهم در تئوري هايي مثل كامپيوترهاي كوانتومي و اطلاع رسانيكوانتومي و رمزگشايي است و جديداً مورد توجه جامعه علمي قرار گرفته، كارهايي هستند كه در مقابل اين 106 جايزه نوبلي كه داده شده اند، هر كدام به تنهايي ارزش يك جايزه نوبل فيزيك را دارند. اين در حالي است كه اينشتين، سي سال آخر عمر خود را صرف ساختن تئوري اي بنيادي كرد و قصد داشت كه در آن نظريه، بين نيروي گرانش و الكترو مغناطيس وحدت ايجاد كند. البته در آن زمان نيروهاي هسته اي قوي و ضعيف شناخته شده نبودند به همين دليل عده اي، اين فعاليت هاي اينشتين را بي ثمر توصيف كرده اند. اما همين ميل خواستن توضيح جهان توسط يك نظريه واحد كه در حال حاضر تعداد زيادي از بزرگ ترين نوابغ جهان در نظريه هاي ريسمان و ابر ريسمان به دنبال آن هستند، بسيار مديون كارها و ايده هاي اينشتين است. آلبرت اينشتين در سال۱۹۲۱ به خاطر خدماتش به فيزيك نظري جايزه نوبل فيزيك را دريافت كرد.
***
پس از اين كه اينشتين در نسبيت خاص، مفاهيم علمي درباره فضا و زمان را باز تعريف كرد، لازم بود كه اين نظريه به دستگاه هاي شتاب دار تعميم يابد. ده سال كار مداوم اينشتين باعث بنيان نهادن نظريه نوين براي گرانش يعنينسبيت عام شد.
نظريه كلاسيك گرانش (نيوتن) در نوع خود بسيار بي نظير و موفقيت آميز بود. كشف سياره اورانوس از روي اختلال مداري كيوان و كشف نپتون از روي اختلال مداري اورانوس ابرشاهكارهاي مكانيك نيوتنيهستند. اما توضيح اختلالي بسيار كوچك در مدار تير كه قابل توضيح توسط نظريه گرانش نيوتنينبود، توسط اينشتين در همان اوان تدوين نسبيت عام يعني چرخش حضيض بيضي مدار تير به اندازه تنها 43 ثانيه قوسي در قرن باعث مقبوليت نسبيت عام شد. ضمن اين كه يكي از پيشگويي هاي نسبيت عام در سال 1916 اين بود كه مسير نور در هنگام گذر از كنار اجسام سنگين منحرف مي شود. اثري كه توسط سر آرتور ادينگتون در 1919 در رصد خورشيدگرفتگي در نيم كره جنوبي مشاهده شد و به اعتبار نسبيت عام افزود.
اما پس از اين نسبيت عام وارد يك دوران ركود نسبي شد. رياضيات غامض و پيچيده كه حتي براي خيلي از فيزيكدانان نيز به سادگي قابل فهم نبود از يك سو و نبود تكنولوژي لازم براي انجام آزمايش اثرات نسبيت عام در نزديكي زمين، به دليل كوچك بودن اجرامي مثل زمين يا ماه اين اثرات حتي در حد چند ده سانتي متر هستند، باعث شده بود كه هم از لحاظ نظري و هم تجربي پيشرفت چندانيدر نسبيت عام به وجود نيايد.
اما در دهه 1960 وقاي عي اتفاق افتاد كه مي توان از آن به عنوان نوزايش نسبيت عام ياد كرد.
از يك سو مقاله راجر پن روز رهيافت اسپينوري به نسبيت عام باعث شده بود كه حل بعضي از مسأله هاي نسبيت عام آسان تر شود كه اين امر توجه فيزيكدانان نظري را به نسبيت عام جلب كرد و از طرف ديگر پيشرفت هاي تكنولوژي و آغاز عصر فضا، تاسيس ناسا و رقابت فضايي آمريكا و شوروي باعث سرازير شدن بودجه هنگفت پژوهشي به تحقيقات فضايي شد. فيزيكدانان تجربي شروع به انجام آزمايش هاي بسيار دقيق در زمينه نسبيت عام كردند. اين عوامل باعث نوزايش نسبيت عام شد.
خود اينشتين در بدو تاسيس نسبيت عام سه آزمايش را براي تاييد نظريه پيشنهاد داد. اولين آن انتقال به سرخ گرانشي بود و بعد انحراف مسير نور از خط مستقيم و سومي پيشروي حضيض سياره تير. اين سه موضوع و آزمايش هاي پيشرفته ديگر با دقتي بسيار بالاتر مثل آزمونيكه از چشم اينشتين دور مانده بود، اما قادر بود خيلي خوب نسبيت عام را تاييد يا رد كند، يعنيتاخير زمانينور از آزمايش هاي مهم آن زمان هستند. البته آزمايش تاخير زمانينور نياز به تكنولوژي بسيار بالا دارد كه بتواند اختلاف زمانيدر حدود نانوثانيه را آشكار كند. اين امر باعث شد انجام اين آزمايش دشوار شود. تفاوت در شتاب اجسام سنگين و سبك، از ديگر آزمايش هاي نسبيت عام است كه نسبيت عام از آن سربلند بيرون آمد.
در حيطه نظري نيز نسبيت عام در برج عاج نبود،بلكه نظريه هاي رقيبي براي آن ارائه شد كه بسياري از نتايج آزمايش هاي انجام شده تا آن روز را تاييد مي كردند و نياز به آزمايش هاي بسيار دقيق تري بود كه بين آنها و نسبيت عام فرق بگذارد. يكي از مهم ترين اين نظريه ها، نظريه برنز _ ديكي بود كه حدود يك دهه رقيب جدي نسبيت عام بود. ثابت گرانش و آشكارسازي غيرمستقيم امواج گرانشي در تپ اخترهاي دوتايي از ديگر موضوعات مهم در اواخر قرن بيستم اند كه نسبيت عام را تاييد كردند.
تا به امروز، نسبيت عام اينشتين يكي از معتبرترين نظريه هاي علمي است كه دوران فراز و فرود زيادي را پشت سرگذاشته و از آزمايش هاي بسياري سربلند بيرون آمده است. اين نظريه را مي توان در كنار مكانيك كوانتومي و ژنتيك مولكولي بزرگ ترين دستاوردهاي خرد بشري و لب لباب عقلانيت مدرن هستند.
نظريه نسبيت عام در حال حاضر با دو چالش اساسي ماده تاريك و انرژي تاريك مواجه است. نوعي جرم كه قابل رديابي نيست، اما بايد وجود داشته باشد تا سرعت فعلي ستاره ها به دور كهكشان ها را توجيه كند و 20 درصد دنيا بايد از آن ساخته شده باشد، ماده تاريك نام دارد و نوعي انرژي كه قابل رديابي نيست، اما بايد وجود داشته باشد تا سرعت فعلي انبساط عالم را توجيه كند و بيش از 75 درصد دنيا بايد از آن ساخته شده باشد، انرژي تاريك نام دارد. در آينده در مورد اين دو چالش اساسي نسبيت عام بيشتر خواهيم نوشت.
پي نوشت:
* كتاب آيا اينشتين درست مي گفت؟ روايتي رمان گونه از وقايعي است كه از سپتامبر 1959 با نوزايش نسبيت عام آغاز شد و تاكنون ادامه دارد. كليفورد ام ويل، نويسنده كتاب، خودش از فيزيكداناني است كه در زمينه گرانش تحقيق مي كند. ترجمه فارسي آن توسط دكتر احمد شريعتي انجام شده است. وي يكي از نخستين فارغ التحصيلان دوره دكتراي فيزيك در ايران از دانشگاه صنعتي شريف است كه حوزه پژوهشي وي فيزيك رياضي است. وي هم اكنون استاد دانشگاه الزهرا است. عنوان اين مقاله كوتاه هم از نام اين كتاب گرفته شده است.
|