از نیوتن تا اینیشتین؛ نظریه نسبیت عام چگونه شکل گرفت؟

نسبیت عام بر پایه‌ی نظریه‌ی نسبیت خاص اینیشتین استوار است. نظریه‌ای که پاسخی برای بزرگ‌ترین اسرار علمی قرن ۱۹ با خود به همراه داشت.

پس برای درک بهتر معنا و اهمیت نسبیت عام، باید وضعیت علم فیزیک در قرن ۱۹ را شناخت تا متوجه شد که چگونه اینیشتین به این نتیجه رسید که فضا-زمان و هندسه مستقل از هم نیستند و به محیط فیزیکی اطراف بستگی دارند.

در قرن ۱۷، آیساک نیوتن دسته‌ای از روابط را تعریف کرد که مشخصات فیزیکی جهان اطراف ما را شرح می‌دادند. این روابط بسیار موفقیت آمیز بودند و از حرکت یک توپ تا حرکت سیارات را می‌توانستند شرح دهند.

به‌علاوه این معادلات و روابط، مشخصه‌ی جذابی نیز داشتند. تمامی تماشا کنندگان، صرفنطر از اینکه آن‌ها حرکت می‌کنند یا خیر از دید این روابط و از لحاظ اتفاقات اطرافشان با همدیگر یکسان هستند. بنابراین دو فرد که در جهت خلاف یکدیگر حرکت می‌کنند، اتفاقات اطراف خود را به طرز یکسانی خواهند دید.

هر چند ممکن است نحوه‌ی بیان اتفاقات اطراف از دید این دو نفر یکسان نباشد اما پایه و اساس این اتفاقات از دید آن‌ها یکسان خواهد بود. برای مثال ممکن است از دید یک نفر که در خلاف جهت نفری دیگر حرکت می‌کند، توپی از راست به چپ در حرکت باشد و از دید دیگری این توپ از چپ به راست حرکت کند، اما با این حال اساس تعریف وقایع از دید هر دو یکسان است. بنابراین قوانین فیزیکی که از دیدگاه این دو بیننده استخراج خواهند شد نیز یکسان خواهند بود.

اما در قرن ۱۹ محققان متوجه شدند همه‌ی اتفاقات اطراف ما منطبق بر قوانین نیوتن پیش نمی‌روند.

قرن ۱۹، قرنی بود که توجهات برای تحقیق روی الکتریسیته، مغناطیس و نور به اوج خود رسیده بود. در سال ۱۸۶۵، جیمز کلرک مکسول دسته‌ای از روابط را معرفی و تمامی این پدیده‌ها را در پدیده‌ای با نام الکترومغناطیس جمع‌آوری کرد.

اندکی پس از معرفی این روابط توسط مکسول، محققان متوجه شدند که موارد عجیبی در معادلات وی وجود دارد. شکل این معادلات در صورتی که ما از چهارچوب زمانی به چهارچوب زمانی دیگری می‌رفتیم، تغییر می‌کرد. بنابر این روابط فرد ساکن در قیاس با فرد متحرک پدیده‌های اطراف خود را به شکل دیگری خواهد دید.

تمامی زیبایی تغییر ناپذیری و عدم ارتباط روابط با بیننده که توسط قوانین نیوتن به آن‌ها عادت کرده بودیم از بین رفتند. حالا به نظر می‌رسید برخی چهارچوب‌های زمانی برای تشریح پدیده‌های طبیعی بر دیگری ارجح هستند.

سپس اوایل قرن ۲۰، تبدیل ریاضی جدیدی یافت شد که ساختار روابط مکسول را زمانی که از یک چهارچوب زمانی به چهارچوب زمانی دیگر حرکت می‌کردیم، محافظت می‌کرد. هر چند بسیاری در این کشف دست داشتند اما در حال حاضر این تبدیل را با نام تبدیل لورنتس می‌شناسیم.

تبدیل لورنتس با تبدیل استاندارد مورد استفاده در قوانین نیوتن تفاوت داشت. در فیزیک نیوتنی، طول و زمان از یکدیگر مستقل بودند، پس طول یک جسم در یک چهارچوب زمانی با طول آن در چهارچوب زمانی دیگر یکسان بود. همچنین زمان در یک چهارچوب زمانی مشابه چهارچوب زمانی دیگر به جلو پیش می‌رفت.

اگر بخواهیم تبدیل لورنتس را به‌سادگی توضیح دهیم، می‌توان گفت که این تبدیل طول و زمان را مستقل از یکدیگر ندانسته و بیان می‌کند با توجه به اینکه کدام چهارچوب زمانی را انتخاب می‌کنیم، طول و زمان نیز تغییر خواهند کرد.

این اتفاق که تبدیل لورنتس می‌توانست روابط مکسول را در حرکت بین چهارچوب‌های زمانی حفاظت کند، اینیشتین را به فکر فرو برد. او درصدد بود که بداند آیا این تبدیل یک روش ریاضی است یا ریشه در طبیعت اطراف ما دارد. او شک داشت که آیا زمان و فضا مستقل‌اند یا اینکه قوانین تغییر ناپذیری بر طبیعت اطراف ما حکمفرما هستند.

در سال ۱۹۰۵ میلادی، اینیشتین به این نتیجه رسید که تغییرناپذیری قوانین فیزیکی است که بر دنیای اطراف ما حکمفرما است و به این ترتیب اولین پایه‌های نسبیت را بنا نهاد. او بیان کرد که تمامی چهارچوب‌های مرجع ایستای یکسان هستند. حرکت بیننده با سرعت ثابت نامرتبط به قوانین فیزیکی بوده و تمامی این قوانین در تمامی چهارچوب‌های مرجع ایستا، یکسان هستند.

زمانی که این ایده با الکترومغناطیس ترکیب شود، نیازمند این است که تبدیل از چهارچوب مرجعی به چهارچوب مرجع زمانی دیگر نیاز به پیروی از تبدیل لورنتس داشته باشد. به این معنا که زمان و فضا از یکدیگر مستقل نبوده و مقدار خود را در حرکت بین چهارچوب‌ها تغییر می‌دهند.

در سال ۱۹۰۷ اینیشتین متوجه شد که نظریه‌ی او کامل نیست. پایه و اساس مطرح شده توسط او برای نسبیت تنها زمانی صحت داشت که بینندگان با سرعت ثابت حرکت کنند. همچنین این نظریه‌ی او با تشریح نیوتن از جاذبه همخوانی نداشت.

اینیشتین به دلیل موقعیت شغلی خود به تجهیزات آزمایشگاهی دسترسی نداشت و برای حل این مشکل آزمایش‌ها را در ذهن خود طراحی می‌کرد. او تمامی جوانب را در نظر گرفته و آزمایش‌ها را در ذهن خود قدم به قدم پیش می‌برد.

او با آزمایش‌های ذهنی خود به این نتیجه رسید که جاذبه تفاوتی با شتاب ندارد. بنابراین ثابت ایستادن در زمین همانند این است که با سرعت بسیار بالا درون جتی حرکت کنید.

این آزمایش‌ها نشان می‌دادند که اگر نظاره‌گری شتاب بگیرد، شاهد تغییر در مشخصات بنیادی هندسه خواهد بود. برای مثال در آن زمان نمی‌توان عدد پی را به عنوان نسبت محیط دایره به قطر آن تعریف کرد.

بنابراین نه‌تنها زمان و فضا مستقل از یکدیگر نبودند بلکه هندسه نیز با توجه به شرایط فیزیکی می‌تواند استقلال خود را از دست بدهد.

تمامی این مشاهدات، اینیشتین را قانع کردند که هندسه‌ی فضازمان و فرایند فیزیکی که در فضازمان رخ می‌دهند در ارتباط با یکدیگر بوده و می‌توانند روی یکدیگر تأثیر بگذارند.

به‌علاوه او به نتیجه‌ای عجیب رسید: آن چه که ما به عنوان جاذبه می‌شناسیم در واقع در نتیجه‌ی حرکت در فضازمان ایجاد می‌شود. هرچه انحنای فضا زمان بیشتر باشد، جاذبه نیز قوی‌تر خواهد بود. ۸ سال زمان برد تا اینیشتین متوجه رابطه‌ی بین هندسه و فضازمان شود.

معادله‌ی اینیشتین نه‌تنها توضیحی جدید برای پدیده‌های اطراف ما داشت بلکه برای بسیاری از پدیده‌هایی که در آن روز کشف نشده بودند نیز توجیهی به همراه داشت. خم شدن نور توسط جاذبه‌ی خورشید، پیش‌بینی وجود سیاه چاله‌ها و گسترش نامحدود جهان ما همگی از این دست موارد هستند.

مسیر رسیدن از فیزیک نیوتنی به نسبیت خاص و سپس نسبیت عام بسیار پر پیچ و خم بود اما دیدگاه اینیشتین توانست تصویری که ما هم‌اکنون از جهان اطراف داریم را برای ما نقاشی کند.