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