آيا اينشتين مستحق اين همه شهرت در علم بود؟
دکتر احمد شيخی[1]
شايد در ميان دانشمندان يکصد سال اخير در همه شاخه هاي علوم، هيچکس شهرت و آوازه آلبرت اينشتين فيزيکدان آلماني نيمه اول قرن بيستم را نداشته باشد! حتي در بين مردم عادي کوچه و بازار هم، اينشتين بعنوان يک دانشمند نابغه شناخته ميشود و از شهرت خارقالعادهاي برخوردار است، بدون آنکه حتي بدانند نقش واقعي وي در پيشرفت دانش بشري چه بوده است؟ بيشتر مردم وقتي ميخواهند مثالي از نبوغ و استعداد وافر يک فرد بزنند ميگويند مانند اينشتين است! يا وقتي ميخواهند از هوش بالاي فرزندشان تعريف کنند او را با اينشتين مقايسه ميکنند. ولي آيا اينشتين مستحق اين همه شهرت در علم است؟ علت تأثيرگذاري اينشتين در علم چه بوده است؟ مگر اينشتين چه اختراع يا کشف بزرگي کرده است که زندگي بشريت را متحول کرده است؟ چرا دانشمندان ديگر چنين شهرت فراگيري در بين مردم پيدا نکردهاند؟ بسياري از مردم، نام مخترعان و مکتشفان بزرگي که دستاوردهاي آنها روي زندگي بشر تأثير زيادي داشته است را نميدانند. مثلاً اگر سؤال شود مخترع تلفن همراه يا الايدي يا هواپيما کيست؟ يا چه کسي آنتيبيوتيک و پنيسيلين را کشف کرد؟ شايد اغلب مردم ندانند. البته دانشمندان و مخترعاني هم وجود دارند که مردم به خوبي آنها را ميشناسند مانند توماس اديسون مخترع لامپ الکتريکي. اما اديسون هم شهرت اينشتين را حداقل در زمينه هوش و نبوغ ندارد! در اينجا ذکر اين نکته لازم است که اينشتين هيچ اختراع يا اکتشافي نکرده که بصورت مستقيم در زندگي روزمره مردم تأثير گذاشته باشد! و يا حداقل در دوران حيات اينشتين در نيمه اول قرن بيستم، هيچکدام از پيشبينيهاي نظريههاي نسبيت خاص و عام وي جنبه کاربردي و فناورانه پيدا نکردند. ولي با اين وجود اينشتين در همان دوره و حداقل از اوايل دهه 1920 و تا زمان مرگش در اواسط دهه 1950 شهرتي عالمگير يافت. پس بايد دنبال دليل ديگري براي شهرت اينشتين در بين دانشمندان معاصر باشيم.
وقتي اينشتين در روز 18 آوريل 1955 در بيمارستان پرينستون در ايالت نيوجرسي آمريکا درگذشت، مغز او را از سرش جدا کردند و براي تحقيقات پزشکي کنار گذاشتند. گرچه اين افتخار بحثبرانگيز، منحصر به اينشتين نبود، فکر اينکه مغز او ميتواند موضوعي براي پژوهش باشد نشان ميدهد که سطح شهرت او، به عنوان يک نابغه علمي تا کجا رسيده بود. بررسيهاي وسيع در اين زمينه به نتيجه خاصي نرسيد، اما اين خارج از نکته اساسي است: با وجود آنکه مغز اينشتين عادي تشخيص داده شد، هوش و بينشي که در طول هفتاد و شش سال در آن جاي گرفته بود، مسلماً چنين نبود.
مايکل هارت در کتاب "صد: رتبهبندي مؤثرترين چهرههاي تاريخ"، صد نفر از برجستهترين شخصيتهايي را که در طول تاريخ، بيشترين اثرگذاري را بر بشريت داشتهاند، با ارائه دليل، رتبهبندي کرده است. در اين ردهبندي نفر اول حضرت محمد(ص) پيامبر اعظم اسلام است. مايکل هرت در دلايل انتخاب حضرت محمد(ص) بهعنوان نفر اول ميگويد: به شکل فوقالعادهاي موفق بوده، هم رهبر ديني است و هم رهبر سکولار، هم رهبر سياسي است و هم فرمانده نظامي. اصلاحگر اجتماعي، ديپلمات، بازرگان، فيلسوف، مبلغ مذهبي، قانونگذار و در بين پيروان خود پر نفوذ و قدرتمند است.
نفر دوم در اين ردهبندي فيزيکدان پرآوازه انگليسي قرن 17 ميلادي، ايزاک نيوتن است. از نظر مايکل هارت، نيوتن نه تنها فيزيکدان، بلکه رياضيدان، منجم، فيلسوف علوم طبيعي، شيميدان و متخصص الهيات نيز بوده است. نيوتن سه قانون پايهگذاري کرد که حرکت اجسام را بيان ميکرد و قانوني نيز درباره نيروي گرانش ارائه کرد که مدار حرکت سيارات به دور خورشيد و قوانين کپلر را به درستي توضيح ميداد. نيوتن حتي يک اصل نسبيت هم براي قوانين مکانيک ارائه کرد که بر اساس آن، قوانين مکانيک نيوتن از ديد همه ناظرهايی که نسبت به هم با سرعت ثابت حرکت ميکنند (ناظرهاي لخت)، يکسان به نظر ميرسند. نيوتن همچنين فکر ميکرد که بايد استانداردهاي جهاني براي فضا و زمان وجود داشته باشد تا بتوان حرکت را با آنها سنجيد. به عبارتي وي معتقد به فضا و زمان مطلق بود. نيوتن ميپنداشت که تمام حرکتها در زمينه يک فضاي مطلق که در همهجا يکسان و هميشه در حال سکون است روي ميدهد. مثلاً زمين و ماه در اين فضاي مطلق در حرکت هستند. در نظر نيوتن، زمان نيز مانند ظرفي مطلق که حوادث در آن رخ ميدهند، بود. اين زمان مطلق، براي همه ناظرها يکسان سپري ميشد. فضا و زمان مطلق نيوتني تحت تأثير حرکت اجسام در آن قرار نميگرفت و حرکت هر چيز ديگر را بايد با آنها مقايسه نمود.
تفکرات و اعتقادات نيوتن درخصوص قوانين حاکم بر طبيعت، و جهانبيني علمي وي، بيش از 200 سال بر مجامع علمي حکمفرمايي ميکرد و همه مشاهدات تجربي نيز آنها را تأييد ميکرد. به همين دليل نيوتن در علم مقدس بود وکمتر کسي جرأت آن را داشت که نظريههاي وي را زير سؤال برده و انديشههاي او را به چالش بکشد.
در ردهبندي مايکل هارت، حضرت عيسي مسيح(ع) در رتبه سوم، و پس از آن بودا، کنفسيوس، پولس (مبلغ مسيحي و گسترشدهنده آن)، تساي لون (مخترع کاغذ)، گوتنبرگ (مخترع ماشين چاپ)، کريستوف کلمب (کاشف قاره امريکا)، و بالاخره آلبرت اينشتين در جايگاه دهم قرار دارد. پاستور و گاليله هم به ترتيب در ردههاي بعد قرار دارند.
بنابراين در ميان ده شخصيت تأثيرگذار تاريخ بشريت، دو دانشمند برجسته وجود دارد. اولي نيوتن که جايگاه دوم را بعد از حضرت محمد(ص) دارد، و نفر ديگر اينشتين است که در جايگاه دهم قرار دارد. حال به سؤال اصلي خود برگرديم و ببينيم دليل شهرت فراگير اينشتين چه بوده است؟
اينشتين در سال 1905 در مقالهاي تحت عنوان "درباره الکتروديناميک اجسام متحرک" نظريه نسبيت خاص خود را بر مبناي دو فرض ساده معرفي کرد. فرض اول که تعميم اصل نسبيت نيوتني بود، بيان ميکرد که همه قوانين فيزيک براي ناظراني که با سرعت ثابت نسبت به هم در حرکتاند (ناظرهاي لخت)، دقيقاً يکسان است. فرض دوم نظريه نسبيت خاص درباره سرعت نور است. بر طبق اين اصل سرعت نور در خلاء از نظر همه ناظرهاي لخت، ثابت و برابر سيصد هزار کيلومتر بر ثانيه است. اين اصل نسبيت خاص با تجربه روزمره ما در مورد ساير اجسام که با سرعت کم حرکت ميکنند، در تضاد آشکار قرار دارد.
نظريه نسبيت خاص داراي نتايج جالب و در عين حال مهيجي نيز هست که در اينجا به بعضي از آنها اشاره ميشود. برطبق اين نظريه مفهوم همزماني مطلق نيست، و دو واقعهاي را که دريک چارچوب لخت همزمان باشند، در چارچوبهاي لخت ديگر که نسبت به چارچوب اول حرکت ميکنند، لزوماً همزمان نيستند. در حالي که در نسبيت نيوتني همزماني مفهومي مطلق است. دليل آن هم مطلق بودن فضا و زمان و اثر آني سيگنالهاست. بعلاوه روش جمع کردن سرعتها به ترتيبي نيست که نيوتن ادعا ميکرد و ما در سرعتهاي کم در زندگي روزمره به کار ميگيريم. مثلاً بر طبق اصل نسبيت نيوتني، اگر دو اتومبيل هر يک با سرعت 100 کيلومتر بر ساعت به سمت يکديگر حرکت کنند، سرعت يک اتومبيل از ديد سرنشين اتومبيل مقابل 200 کيلومتر بر ساعت است. در حالي که بر طبق نظريه نسبيت خاص، اگر دو فضاپيما با سرعت 75/0 سرعت نور به سمت يکديگر حرکت کنند سرعت يک فضاپيما از ديد ناظر درون فضاپيماي ديگر تنها 96/0 سرعت نور است و نه 5/1 برابر سرعت نور.
ثابت بودن سرعت نور همچنين به پيشبينيهاي خلاف عقل سليم در نظريه نسبيت خاص ميانجامد. مثلاً طول يک خطکش متحرک کوتاهتر از يک خطکش ساکن ميشود، به عبارتي طول يک جسم در راستاي حرکت آن منقبض ميشود. به عنوان مثال اگر يک ميله فلزي به طول يک متر با سرعت بسيار بالا ( مثلاً 86/0 سرعت نور) حرکت کند طول آن تنها نيم متر اندازهگيري ميشود. يعني طول اين ميله نصف شده است! به همين ترتيب يک ساعت متحرک کندترکار ميکند، به عبارتي بازه زماني کش ميآيد. اين پديده را اتساع زمان مينامند. پيشبينيهاي نظريه نسبيت خاص از بوته آزمايش سربلند بيرون آمدهاند.
بطور خلاصه اينشتين در نظريه نسبيت خاص، برخي از مفاهيم بنيادي نيوتني را که بيش از 200 سال بر قلمرو علم حکمفرمايي ميکرد به چالش کشيد. مفاهيمي مانند فضاي مطلق، زمان مطلق، همزماني دو رويداد، بازه فضايي مطلق و بازه زماني مطلق.
اينشتين حتي نشان داد که قانون دوم نيوتن نيز فقط براي سرعتهاي کم (در مقايسه با سرعت نور) صادق است و در سرعتهاي بالا نياز به تصحيح دارد.
چه چيزي نظريه نسبيت خاص را "خاص" ميسازد؟ پاسخ روشن است: اين نظريه تنها درباره چارچوبهايي خاص صادق است، يعني آنهايي که با سرعت ثابت حرکت ميکند. اما سؤالي که مطرح ميشود اين است که ناظر درون يک چارچوب شتابدار قوانين فيزيک را چگونه خواهيد ديد؟ اينشتين بعد از ارائه نظريه نسبيت خاص در سال 1905 به اين فکر افتاد که آن را به گونهاي تعميم دهد که چارچوبهاي شتابدار را نيز شامل شود. اينشتين در سال 1907 متوجه شد که چارچوب شتابدار همارز يک چارچوب لخت در يک ميدان گرانشي ساکن است. او اين مطلب را اصل هم-ارزي ناميد و آن را زيربناي نظريه نسبيت عام خود قرار داد.
با پذيرش اصل همارزي اينشتين متوجه شد که براي تعميم نظريه نسبيت خاص خود نيازي به در نظر گرفتن چارچوبهاي شتابدار نيست، و تنها کافي است معادل آن، سيستمهاي گرانشي را در نظر بگيرد. به همين دليل نظريه نسبيت عام در واقع يک نظريه براي سيستمهاي گرانشي است. از آنجا که در بين همه نيروهاي موجود در طبيعت نيروي گرانش ضعيفترين نيروست و تنها در مقياسهاي کيهاني که جرم اجسام بسيار زياد است، غالب ميشود، بنابراين نظريه نسبيت عام نظريهاي براي مطالعه دقيق سيستمهاي کيهاني مانند کهکشانها و ستارگان سنگين مانند سياهچالهها و حتي کل کيهان است. علاوه بر آن نسبيت عام توصيف کننده فضا-زمان است، و بنابراين بايد بتواند براي توصيف کل فضا- زمان کيهان ما نيز کارايي داشته باشد. در واقع بعد از ارائه نظريه نسبيت عام بود که کيهانشناسي نوين متولد شد و خيلي سريع شروع به تکامل کرد.
اينشتين همچنين متوجه شد که اصل همارزي پيامد مهم و قابل اندازهگيري دارد: پرتو نور هنگام عبور از کنار يک جسم سنگين مانند خورشيد بايد خميده شود. اما او هنوز ابزار رياضي لازم را براي بيان نظريهاش در دست نداشت. او به کمک دوست و همکارش مارسل گراسمن متوجه شد که هندسه اقليدسي براي توصيف خمش نور در نسبيت عام کارآيي ندارد. آنچه اينشتين به آن نياز داشت و گراسمن با استفاده از کارهاي ريمان فراهم آورد، توصيف رياضي خميدگي فضا- زمان چهار بعدي بود. علاوه بر آن اينشتين دنبال يک ابزار رياضي براي بيان معادلاتش ميگشت که شکل رياضي معادلات را از نظر همه ناظرها اعم از لخت و غير لخت يکسان نتيجه دهد. به عبارتي قوانين فيزيک از نظر همه ناظرها و در همه چارچوبها شکل رياضي يکساني داشته باشند. اين در واقع تعميم اصل اول نسبيت خاص بود. اين ابزار رياضي که خوشبختانه قبلاً به وسيله رياضيدانهايي مانند ريمان، کريستوفل و ريچي ابداع شده بود، حساب تانسوري نام داشت. اينشتين در سال 1914 به همراه گراسمن مقالهاي درباره نظريه خود نوشت. سپس ريزهکاريهاي نظريه خود را در سه جلسه پيدرپي در فرهنگستان علوم پروس در برلن در نوامبر 1915 عرضه کرد و درنهايت در سال 1916 شکل نهايي معادلات تانسوري نظريه نسبيت عام خود را ارائه کرد. اين معادلات توصيفکننده فضا و زمان پيرامون يک جسم پر جرم بود. بر طبق نظريه نسبيت عام هر جسم جرمدار فضاي اطرافش را به علت حضورش خميده ميکند. حرکت هر جسم ديگري در چنين فضاي خميدهاي، تابع انحناي فضا خواهد بود. بنابراين هر جسمي از جمله پرتو نوري که در اين فضاي خميده حرکت ميکند کوتاهترين مسير را که منحني است طي ميکند. به همين دليل در اثر عبور نور از مجاورت يک جسم سنگين مانند خورشيد مسير آن منحني ميشود. بدين ترتيب نيروي گرانش را بايد به عنوان انحناي فضا- زمان نگريست! در اين توصيف گرانش صرفاً تجلي انحناي فضا و غير قابل تمايز از آن است. اين ديدگاه اينشتين به نظر کاملتر از نظر نيوتن است که معتقد بود نيروي گرانش مانند ساير نيروها يک برهمکنش بين ذرات دو جسم است.
برخورد علمي با هر نظريه جديد با اين پرسش آغاز ميشود که: اين نظريه جديد، چه چيزي را پيشبيني ميکند که نظريههاي ديگر قادر به پيشبيني آن نبودهاند؟ آنگاه پيشبينيها به بوته آزمايش گذاشته ميشود و نتايج آزمايشها درستي يا نادرستي نظريه را معلوم میکند. گفتيم يکي از پيشبينيهاي نظريه نسبيت عام، انحراف پرتو نور به هنگام عبور از مجاورت يک جسم پر جرم است. مثلاً نور ستارهاي دوردست را در نظر بگيريد که از مجاورت خورشيد ميگذرد. به دليل انحناي فضا مسير نور ستاره، بر طبق پيشبيني اينشتين، منحرف ميشود. تنها زمان مناسب براي اين آزمون به هنگام کسوف کامل خورشيد پيش ميآمد، زيرا نور هر ستارهاي که در خط خورشيد واقع شود در نور آن محو ميگردد.
زمان وقوع چنين کسوفي در 29 مي 1919 يعني سه سال پس از انتشار نظريه نسبيت عام بود. گروهي از طرف آکادمي سلطنتي علوم انگلستان به سرپرستي سر آرتورادينگتون اخترفيزيکدان انگليسي به جزيره پرينسيبه واقع در آبهاي ساحلي کرانه غربي افريقا اعزام شدند. آنها از مکان چند ستاره که در آن هنگام در اطراف خورشيد بودند، عکسبرداري کردند. نور اين ستارگان از مجاورت خورشيد ميگذشت. وقتي اين عکسها را با عکسهايي که ششماه پيش از همان ستارگان وقتي خورشيد در طرف ديگر آسمان بود، و همچنين عکسهاي شش ماه پيش آنها در آسمان شب، مقايسه کردند، ادينگتون دريافت که مسيرهاي نور منحرف شدهاند. ميزان اين انحراف دقيقاً با پيشبيني نظريه نسبيت عام اينشتين سازگار بود. هنگامي که خبر اين تأييد به بريتانيا رسيد، اينشتين پاسخ داد که من هرگز شک نداشتم که نتيجه کار مثبت از آب درميآيد. وقتي از او پرسيدند که اگر اندازهگيريها نظريه نسبيت عام را تأييد نميکردند، چه فکري ميکرد، جواب داد: آنگاه براي لرد عزيز (آرتور ادينگتون) متأسف ميشدم. نسبيت عام هر آزمون تجربي ديگري را نيز با موفقيت پشت سر گذاشته است. يکي از آنها حرکت تقديمي مدار عطارد است. عطارد نزديکترين سياره به خورشيد است و به همين دليل ميدان گرانش خورشيد در آنجا قوي است، يا به عبارتي انحناي فضا زياد است. اخترفيزيکدانان درسال 1915 ميدانستند که مدار عطارد رفتار عجيبي دارد که نميتوان آن را با نظريه گرانش نيوتن کاملاً توضيح داد. در حقيقت بيضي مدار عطارد به دور خورشيد يک حرکت تقديمي دارد و با گذشت زمان جابجا ميشود. مقدار تجربي اندازهگيري شده براي جابجايي مدار عطارد تقريبا 2 برابر پيشبيني نظريه گرانش نيوتن است و بنابراين نظريه نيوتن در توضيح آن ناتوان است، در حالي که نظريه نسبيت عام اينشتين به درستي آن را توضيح ميدهد.
به طور خلاصه اينشتين در نظريه نسبيت عام، يکبار ديگر به مفهوم فضا-زمان مطلق نيوتن حمله کرد و ادعا کرد که فضا-زمان مطلق نيست و از ماده درون آن متأثر ميشود و بر ماده درون آن نيز اثر ميگذارد. همچنين از ديدگاه اينشتين نيروي گرانش چيزي نيست جز هندسه فضا.
در پايان بايد تأکيد کنيم آنچنانکه به نظر ميرسد دليل اصلي شهرت عالمگير اينشتين، تفسير متهورانه و نوگرايانه وي از مفاهيم بنيادي مانند فضا و زمان بود، که کاملاً با انديشههاي نيوتن در تضاد قرار داشت. به بيان ديگر ميتوان گفت اينشتين اولين کسي بود که انديشههاي نيوتن را در مورد مفاهيم بنيادي زير سؤال برد و پايهگذار جهانبيني علمي نويني براي شناخت طبيعت شد. همچنين اولين کسي بود که يک توصيف رياضي قابل قبول از کل کيهان ارائه کرد. در حقيقت کيهانشناسي نوين هم برپايه نظريه نسبيت عام اينشتين استوار است. قبل از وي شناخت بشر از کل کيهان بيشتر بر اساس حدس و گمان بود! نکته قابل تأمل آن است که با وجود آنکه نيوتن انگليسي بود و آن سالها (1919-1916 ميلادي)، آلمان با انگليس درگير جنگ بود، ولي ادينگتون و آکادمي علوم سلطنتي بريتانيا آنقدر شهامت داشتند که اعلام کنند "حق با اينشتين آلماني است، نيوتن اشتباه ميکرد" و به همين دليل ميتوان گفت نقش بسزايي در به شهرت رساندن اينشتين داشتند. بنابراين به نظر ميرسد اينشتين واقعاً استحقاق اين شهرت فراگير در علم را داشته است!
[1]- استاد فيزيک دانشگاه شيراز و همکار مدعو گروه علوم پايه فرهنگستان علوم
Report