هر آنچه باید در مورد نسبیت خاص و عام اینشتین بدانید

زمانی که از جهان صحبت می‌کنیم، تمام اشیاء، انسان‌ها و حیواناتی که می‌شناسیم به ذهمان می‌رسند و تصویری که از جهان در ذهنمان می‌سازیم به تصویر یک شهر شبیه است.

بیایید لحظه‌ای تصور کنیم که تمام اشیاء، انسان‌ها، حیوانات، ستاره‌ها، زمین و حتی اتم‌ها‌ی گاز غیر قابل دیدن را از صحنه حذف کنیم. در این صورت چه باقی می‌ماند؟ جوابی که اکثرمان به این سؤال خواهیم داد: هیچ چیز است. اما این جواب، درست نیست؛ زیرا چیزی که باقی می‌ماند، فضای خالی است و فضای خالی با هیچ چیز، تفاوت بسیار دارد. بیش‌تر مردم زمانی که از فضا صحبت می‌شود، فضای میان ستاره‌ای دوردست را تصور می‌کنند ؛ درحالی‌که فضا همه جا حضور دارد و تمام اتفاقات روزانه‌ی زندگی ما در همین فضا شکل می‌گیرد. در واقع ساختار بدن تمامی موجودات و تمامی اشیاء بیش‌تر از فضای خالی تشکیل شده است. طبق مدل کلاسیک رادرفورد و مدل‌ها‌ی کوانتومی، بیش‌تر ساختار اتم‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد.

ساختمانی مانند برج میلاد را تصور کنید. اگر تمام فضا‌ی خالی تشکیل دهنده‌ی اتم‌ها‌ی آن را حذف کنیم، حجمی که باقی می‌ماند، به اندازه‌ی یک دانه‌ی برنج خواهد بود که میلیون‌ها کیلو‌گرم جرم دارد. می‌توانید هر ساختمان یا مکان دیگری را نیز در نظر بگیرید؛ ولی در واقع بیش‌تر آنچه جهان ما را می‌سازد، فضا‌ی خالی است. اما فضا‌ی خالی، دقیقا چیست؟

از نظر نیوتون، پدر علم جدید، فضا چیزی شبیه به صحنه‌ی نمایش است که حرکات بازیگران در این صحنه انجام می‌شود و وسایل مورد نیاز نمایش در آن قرار می‌گیرد. این صحنه، تحت تأثیر حرکات و اتفاقات قرار نمی‌گیرد و کاملا ثابت است.

این تصویر از فضا امکان شرح چگونگی افتادن سیب از درخت و گردش زمین به دور خورشید را به نیوتون داد و این قوانین درمورد اکثر پدیده‌ها‌ی آشنا، به‌خوبی جواب می‌دهند. با اینکه نمی‌توانیم فضا را لمس کنیم یا ببینیم، فضا یک واقعیت فیزیکی است که تمامی حرکت‌ها نسبت به آن سنجیده می‌شوند.

از زمان نیوتون تا ۲۰۰ سال بعد، قوانین نیوتون تنها قوانین طبیعت بودند؛ تا این‌که شخصی به‌نام آلبرت اینشتین همه چیز را تغییر داد. آلبرت اینشتین در ۱۴ مارس ۱۸۷۹ در آلمان به دنیا آمد. در این زمان نیروی الکتریکی شهر‌ها را روشن کرده و باعث به‌ وجود آمدن تکنولوژی‌ها‌یی شده بود که نیوتون حتی آن‌ها را تصور نمی‌کرد. اواسط دهه‌ی ۱۸۰۰، جیمز کلارک ماکسول، با نوشتن معادلات مشهور خود و ادغام الکتریسیته و مغناطیس، راه را برای اینشتین و ابداع تئوری نسبیت خاص باز کرد. در این زمان مفهوم نور، ذهن اینشتین را به خود مشغول کرده بود و چیزی که اهممیت بیش‌تری داشت، سرعت نور بود. نور، بازیگر اصلی تئوری اینشتین بود که اوایل قرن بیستم بیان شد. ویزگی منحصر به فرد نور، ثابت بودن سرعت آن در خلأ است. اگر دو نفر با سرعت به ست یکدیگر حرکت کنند، سرعت‌ها‌ی آن‌ها با هم جمع می‌شود؛ یعنی سرعت نسبی آن‌ها از سرعت تک‌تک آن‌ها بیش‌تر است. اما این قضیه در مورد نور صادق نیست و سرعت نور در خلأ همیشه ۳۰۰هزار کیلومتر بر ثانیه است.

می‌دانیم که سرعت یک جسم از مسافت پیموده شده‌ی جسم در یک بازه‌ی زمانی مشخص به‌دست می‌آید. پس سرعت در واقع یک ارتباط میان فضا و زمان است. ثابت بودن سرعت نور نشان می‌دهد که با تغییر بازه‌ی زمانی، فضا نیز تغییر می‌کند و برعکس و اینشتین از همین سرعت ثابت نور نتیجه گرفت که فضا و زمان از یکدیگر تأثیر می‌پذیرند. دلیل مشاهده نکردن این تأثیرات و تغییرات در زندگی این است ما هیچ‌گاه با سرعت بالا در حد نور حرکت نمی‌کنیم.

زمانی که اینشتین جوان بود، سؤالی ذهن او را به خود مشغول کرده بود: آیا اگر بتوانیم با سرعت نور حرکت کنیم، نور نسبت به ما ساکن خواهد بود یا به عبارت دیگر ما نور را ساکن خواهیم دید؟ این در حالی است که معادلات ماکسول نشان می‌دهند که نور نمی‌تواند ساکن باشد و مسلما کسی تا به حال، تجمعی از پرتو‌ها‌ی نور ساکن را ندیده است. پس سؤال این بود که این پارادوکس ظاهری چگونه قابل حل است؟

۱۰ سال بعد، اینشتین با بیان نظریه‌ی نسبیت خاص، جواب این سؤال را به جهان عرضه کرد. قبل از این تاریخ، آزمایش‌ها‌یی برای اثبات وجود اتر در پهنه‌ی کیهان انجام شده بود که تمامی آن‌ها نشان می‌دادند که چیزی به نام اتر وجود ندارد و نور بر‌خلاف دیگر امواج، برای انتشار به محیط مادی نیازی ندارد. به‌زبان دیگر، چارچوبی برای سنجش سرعت نور نسبت به آن وجود ندارد. پاسخ ساده‌ی اینشتین برای این مورد، ثابت بودن سرعت نور یعنی ۱۰۷۰ میلیون کیلومتربر‌ساعت، نسبت به همه چیز و هیچ چیز است. نظریه‌ی اینشتین به‌سادگی بیان می‌کند که با هر سرعتی، چه به نور نزدیک شوید یا از آن دور شوید، سرعت آن را به‌طور ثابت اندازه‌گیری خواهید کرد و معادلات ماکسول نشان می‌دهند که نور نمی‌تواند ساکن باشد. طبیعتا این سؤال پیش می‌آید که منشأ این رفتار عجیب نور چیست؟

همان‌گونه که گفته شد، سرعت، معیاری از اندازه‌گیری فضا بر زمان است و طبق نظر نیوتون، این اندازه‌گیری به ناظر وابسته نیست و برای همه‌ی ناظر‌ها‌یی که آن را اندازه می‌گیرند ثابت است. چرا که نیوتون فضا و زمان را مطلق در نظر می‌گیرد و این دیدگاه در زندگی روزانه و معمول درست است. اما در نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین فضا و زمان دیگر همان فضا و زمان معمول قبلی نیستند.

فرض کنید در یک تاکسی نشسته‌اید و این تاکسی می‌تواند با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند. در این حرکت، شما فضا‌ی بیرون و خیابان پیش رویتان را طولانی‌تر می‌بینید اما زمان روی ساعت مچی‌تان به‌صورت نرمال جلو می‌رود. ولی فردی که در خیابان ایستاده و حرکت شما را تماشا می‌کند، می‌بیند که زمان برای شما به‌کندی جلو می‌رود. همه‌ی این وقایع عجیب برای ثابت نگه‌داشتن سرعت نور است. پس در نظریه‌ی نسبیت خاص، فضا و زمان دیگر جدا از هم نیستند و با‌هم کار می‌کنند.

بنابر این امروزه می‌دانیم که زمان و مکان لزوما در همه‌ی شرایط، مطلق نیستند و کاملا به ناظر اندازه‌گیرنده و مشاهده‌کننده‌ بستگی دارند. ریاضیات نظریه‌ی اینشتین بسیار ساده است. هنر اینشتین ریاضیات و معادلات پیچیده نبوده است، بلکه او دید فیزیکی ما نسبت به فضا و زمان را تغییر داده و نشان داده است که چگونه امکان دارد که اندازه‌گیری دو شخص مختلف از یک رویداد، متفاوت باشد.

برای درک بهتر یافته‌ها‌ی اینشتین، اسکیت‌سواری را تصور کنید که با سرعت ۲۰ متر بر ثانیه به طرف شمال حرکت می‌کند. در یک لحظه به راهی برخورد می‌کند که جهت‌ آن به سمت شمال شرقی است و این راه را انتخاب می‌کند. زمانی که او در این راه حرکت می‌کند، مؤلفه‌ی شمال سرعت او دیگر همان ۲۰ متر بر ثانیه‌ی قبلی نخواهد بود و کم‌تر از قبل خواهد بود. چرا که به دلیل تغییر جهت از شمال به شمال شرقی، میزانی از سرعت قبلی به سرعت در جهت شرق تبدیل شده است. این مثال بسیار ساده، چگونگی کارکرد نظریه‌ی اینشتین را به‌صورت زیر نشان می‌دهد:

همه‌ی ما می‌دانیم که اشیاء می‌توانند در فضا حرکت کنند. اما نوع دیگری از حرکت نیز وجود دارد و آن حرکت اشیاء در زمان است؛ منظور از این نوع حرکت، رفتن از یک ثانیه به ثانیه‌ی بعدی و بعدی است. به عقیده‌ی نیوتون، حرکت در فضا و حرکت در زمان کاملا از هم جدا هستند و ربطی به هم ندارند؛ اما اینشتین نشان داد که این دو حرکت، کاملا به‌ هم مرتبط هستند. برای مثال: زمانی که به یک ماشین پارک شده نگاه می‌کنید که نسبت به شما ساکن است و حرکتی در فضا ندارد، کل حرکت این ماشین، به حرکت در زمان اختصاص داده می‌شود و زمان برای ماشین و سرنشینان آن به‌صورت معمول می‌گذرد. اگر این اتوموبیل با سرعت مشخصی به حرکت در‌آید، کسری از سرعت آن به سرعت حرکت در فضا تبدیل می‌شود و سرعت گذر زمان برای اتوموبیل کند‌تر از گذر زمان برای شما و اشیاء‌ ساکن نسبت به شما خواهد بود. 

نگاهی به ساختار فضا_ زمان اینشتین، یکی از معما‌ها‌ی بنیادین طبیعت را حل کرد و این معما، چگونگی کار‌کرد آشنا‌ترین نیروی طبیعت به‌نام گرانش است. نیوتون می‌دانست که نیروی گرانش، اجسام مختلف را در کنار یک‌دیگر نگه می‌دارد و با جرم اشیاء سرو کار دارد. روابطی که تحت عنوان قوانین نیوتون با آن‌ها درگیر هستیم، شدت این نیرو را با دقت بسیار خوبی تعیین می‌کند. اما نیوتون هیچ‌وقت متوجه چگونگی کار‌کرد نیروی گرانش نشد. چگونه ممکن است که ماه بی‌وقفه به دور زمین بگردد؟ ماه از فاصله‌ی بسیار دور چگونه متوجه وجود زمین در آن مکان می‌شود؟ کار‌کرد این نیرو به گونه‌ای است که انگار ماه با طنابی نامرئی به زمین متصل شده باشد؛ اما همه‌ی ما می‌دانیم که این تفکر درست نیست و در حقیقت این‌ها سؤالاتی هستند که قوانین نیوتون پاسخی برای آن‌ها ندارد.

بعد از ده سال جست‌و‌جو و تفکر در مورد این موضوع، اینشتین توانست با ارائه‌ی توصیف جدیدی از فضا به این سؤالات پاسخ دهد. گفتیم که از نظر نیوتون، فضا مانند یک صحنه‌ی خالی است که نمی‌تواند بر عمل شکل‌گرفته در این صحنه تأثیر بگذارد. اما از دید اینشتین اینگونه نیست. در این دیدگاه جدید، فضا می‌تواند کشیده یا حتی موج‌دار شود. اجسام مختلف می‌توانند باعث تغییر شکل این فضا بشوند. برای درک بهتر، یک میز بیلیارد را به‌عنوان فضا در نظر بگیرید که گوی‌ها‌ی بیلیارد، به‌عنوان زمین و دیگر سیارات باشند، اگر فضا‌ی نیوتونی را در نظر بگیریم، گوی‌ها‌ی بیلیارد در مسیر مستقیم حرکت می‌کنند؛ اما فضا از دید اینشتین، قابل انعطاف است. پس اگر یک جسم سنگین مانند زمین در این فضا قرار بگیرد، باعث ایجاد یک چاله در ساختار این فضا می‌شود که ماه، حول این چاله می‌گردد. 

طبق نظریه‌ی اینشتین، گرانش، همان کشیدگی‌ها و خمیدگی‌ها‌ی فضا است که توسط اجسام ایجاد شده است. هر جسمی می‌تواند بسته به جرمی که دارد بر این فضا تأثیر بگذارد اما این تأثیر به حدی کوچک است که تنها در مورد اجسام بسیار سنگین مثل زمین و سیارات و دیگر اجرام کیهانی محسوس است. گردش ماه حول زمین به دلیل وجود یک نیروی مرموز یا یک طناب نامرئی نیست، بلکه به دلیل وجود چاله‌ای است که زمین به دلیل جرم زیاد خود در فضا ایجاد کرده است. پس از اینشتین، فضا دیگر یک صحنه‌ی ثابت نیست، بلکه بازیگری است که نقش مهمی در درام کیهانی بازی می‌کند.

 یکی از موارد مهم برای تست ایده‌ی اینشتین در مورد فضا، نزدیک افق رویداد یک سیاهچاله است. یک سیاهچاله در ابتدا ستاره‌ی پر‌جرمی بوده است که پس از اتمام سوخت هسته‌ای مرکزی، در خود فرو‌رفته است. حجم یک سیاهچاله، بسیار کم است و میلیون‌ها تن جرم دارد. گرانش یک سیاهچاله به حدی زیاد است که با توجه به ریاضیات نظریه‌ی اینشتین، می‌تواند فضا را به دنبال خود بکشد و آن را مانند یک تکه پارچه دچار پیچ و خم‌ها‌ی شدید کند. همین تغییرات شدید فضا در افق رویداد یک سیاهچاله می‌تواند مورد برای آزمودن نظریه‌ی اینشتین باشد. اما نزدیک‌ترین سیاهچاله میلیارد‌ها مایل از ما دور است و به دلیل گرانش زیاد سیاهچاله نمی‌توان به آن نزدیک شد. پس چگونه می‌توان فهمید که نظریه‌ی اینشتین حقیقت دارد؟

در اواخر دهه‌ی ۱۹۵۰، فیزیکدانی به‌نام لئونارد شیف به‌دنبال مکان نزدیک‌تری برای آزمودن نظریه‌ی اینشتین می‌گشت. همانگونه که یک سیاهچاله می‌تواند فضا را دچار کشیدگی کند، زمین نیز با چرخیدن و حرکت در فضا می‌تواند پیچش و کشیدگی ایجاد کند، اما اثر این پیچش از تأثیر یک سیاهچاله کم‌تر است. وسیله‌ای که ذهن شیف را درگیر کرده بود، یک اسباب‌بازی ساده به‌نام ژیروسکوپ بود. ایده‌ی شیف بسیار عجیب بود. او ایده‌ی خود را با دو نفر از همکاران خود به‌نام‌ها‌ی ویلیام فلربنک و رابرت کنن در اسختر استنفورد در میان گذاشت. این سه نفر تصمیم گرفتند که یک ژیروسکوپ پیشرفته را به مدار زمین بفرستند تا بتوانند درستی نظریه‌ی اینشتین را بررسی کنند. ایده‌ی شیف در قالب مقاله‌ای به‌عنوان راه جدید و قابل اجرای تست ازمایشگاهی نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین در ۱ مارس ۱۹۶۰ در Physical Review Letters منتشر شد.

در حالت عادی، جهت‌گیری یک ژیروسکوپ در فضا ثابت است مگر اینکه یک عامل خارجی باعث تغییر در جهت آن شود.

این ایده سیار ساده است. اما مشکلی وجود داشت و آن هم پیش‌بینی نظریه‌ی انیشتین در مورد میزان تغییر جهت ژیروسکوپ بود. طبق پیش‌بینی اینشتین، اندازه‌گیری این تغییر جهت مثل این است که بخواهید قطر یک سکه را از فاصله‌ی ۶۲ مایلی اندازه بگیرید.

در سال ۱۹۶۲ طرح با نام کاوشگر گرانش B، برای گرفتن حمایت برای ناسا فرستاده شد. پیش‌بینی اعضا‌ی تیم برای انجام پروژه حدود سه سال بود اما این پیش‌بینی بسیار خوشبینانه بود و عملی شدن طرح حدود ۴۰ سال طول کشید و در طول این سال‌ها، عملیات ۹ بار توسط ناسا در شرف لغو شدن بود. اما بلاخره در آوریل سال ۲۰۰۴ کاوشگر گرانش B به فضا فرستاده شد و از سه بنیان‌گذار این طرح، فقط یکی از آن‌ها زنده بود و توانست نتیجه‌ی تلاش‌ها‌ی خود را ببیند.

فراهم کردن تکنولوژی لازم برای آزمودن این نظریه بسیار دشوار بود. زیرا ماهواره‌ای که در مدار زمین قرار می‌گرفت باید طوری طراحی می‌شد که باد‌ها‌ی خورشیدی و دیگر تابش‌ها‌ی کیهانی تأثیری بر آن نگذارند. در این آزمایش، از چند ژیروسکوپ پیشرفته استفاده شد که جهت اشاره‌ی همه‌ی ان‌ها به یک ستاره در دور‌دست بود. بررسی داده‌ها نشان داد که جهت اشاره‌ی ژیروسکوپ‌ها به همان میزان پیش‌بینی شده در معادلات اینشتین تغییر پیدا کرد. این آزمایش، نخستین مشاهده‌ی مستقیم از نسبیت عام اینشتین بود و نشان داد که اگر فضا در واقع، هیچ بود، دیگر چیزی برای پیچ و تاب خوردن وجود نداشت.

معادلات گرانش نیوتون توضیح داد که همه‌ی اجسام به یکدیگر نیروی گرانش وارد می‌کنند و هر جسمی متناسب با جرم خود تحت تأثیر نیرو، حرکت شتاب‌دار خواهد داشت. طبق معادلات نیوتون، نیروی گرانش بین دو جسم، با مربع فاصله‌ی آن‌ها نسبت عکس دارد. نظریه‌ی گرانش نیوتونی جوابگو‌ی بسیاری از مشاهدات روزمره است اما نتوانست بی‌نظمی موجود در حرکت گردشی عطارد به دور خورشید را به‌خوبی توصیف کند و اختلاف اندکی با واقعیت این مسئله داشت. 

تفکر تکان‌دهنده‌ی اینشتین در مورد گرانش که به آن را شادمانه‌ترین تفکر کل زندگی خود می‌داند، بیان می‌کند که گرانش همان شتاب‌گیری است و آن را اصل تساوی نامید. او متوجه شد که اگر جسمی آزادانه در یک میدان گرانشی سقوط کند، دیگر وزن خود را احساس نخواهد کرد (مانند چتر‌بازی هنوز چتر خود را باز نکرده است و یا شخصی در آسانسور که کابل آسانسور بریده است.)

یک مثال ساده از این تفکر، فضا‌پیما‌یی است که با شتاب ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه (شتاب گرانش زمین)، از زمین دور می‌شود. فضا‌نورد این فضا‌پیما، یک پر و یک چکش را به‌صورت هم‌زمان رها می‌کند، در غیاب مقاومت هوا، این دو جسم با هم بر زمین می‌افتند. درست مانند زمانی که این آزمایش روی زمین انجام شود. این نتیجه به این معنی است که فضا‌نورد و اجسام داخل فضا‌پیما، شتاب خود را حس نمی‌کنند و موقعیت آن‌ها مانند زمانی است که در سطح زمین بوده‌اند.

گرانش می‌تواند بر گذر زمان نیز تأثیر بگذارد. در قسمت نسبیت خاص اینشتین، اتساع زمان یا گذر کند زمان توضیح داده شد. در نسبیت عام یا گرانش اینشتین نیز این واقعیت وجود دارد که زمان برای اجسام تحت تأثیر میدان گرانشی یک جسم بسیار سنگین به کندی می‌گذرد. اتساع زمان تحت تأثیر گرانش، امکان سفر در زمان را نیز فراهم می‌کند. برای مثال اگر جسمی تحت تأثیر یک میدان گرانشی قوی مانند یک سیاهچاله قرار بگیرد، گذر زمان را در مقایسه با محیط اطراف، به‌کندی احساس می‌کند و در نتیجه امکان سفر به آینده را خواهد داشت.

امواج گرانشی، آشفتگی‌ها‌ی فضا_ زمان هستند که با حرکت شتاب‌دار اجسام بسیار سنگین مانند سیاهچاله‌ها و ستاره‌ها‌ی نوترونی ایجاد می‌شوند. همه‌ی اجسام در حال حرکت، امواجی را در ساختار فضا_ زمان ایجاد می‌کنند اما انرژی این امواج به حدی کم است که قابل تشخیص و آشکار‌سازی نیستند. اینشتین در سال ۱۹۱۶ در نظریه‌ی نسبیت عام خود وجود این امواج را پیش‌بینی کرد. در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ تیم پژوهشی لایگو توانست اولین مشاهده از امواج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاهچاله که ۱.۳ میلیارد سال نوری از ما دور هستند را آشکار‌سازی کنند و بار‌دیگر درستی نظریه‌ی اینشتین را تایید کنند.

آلبرت اینشتین، یکی از جهان‌شمول‌ترین نظریه‌ها‌ی تاریخ را بیان کرد و یکی از تأثیرگذارترین افراد تاریخ علم بود. او تا هنگام مرگ در پی حل معما‌ها‌ی بزرگ جهان بود و زمانی که در پی رسیدن به نظریه‌ای جهان‌شمول برای اتحاد نسبیت و مکانیک کوانتومی بود، عمرش به پایان رسید و کارش نیمه‌تمام ماند. اکنون دانشمندان زیادی در تلاش هستند تا کار نیمه‌تمام او را تمام کنند.