ایده‌هایی که جهان را تغییر دادند؛ نظریهٔ نسبیت چگونه به وجود آمد و چه تاثیری بر درک ما از جهان گذاشت؟

رویداد ۲۴: «نظریه نسبیت» عبارتی است برای اشاره به دو نظریه بزرگ علمی که توسط فیزیکدان معروف، آلبرت انیشتین، وضع شده است: نظریه‌ی نسبیت خاص و نظریه‌ی نسبیت عام. نظریه‌ی نسبیت، در مجموع، عبارت از این ایده است که قوانین فیزیک برای همه و در همه جا یکسان هستند.

قاعده‌ی اصلی نسبیت خاص از این قرار است: سرعت حرکت اغلب امور جهان براساس موقعیت ناظر آن متغیر است، اما سرعت نور همواره برای همه ثابت است. دان فالک، نویسنده علمی، در مقاله‌ای توضیح می‌دهد که نور همیشه با سرعت ثابت ۱۸۶۰۰۰ مایل در ثانیه حرکت می‌کند و «اینکه ناظر یا جسم ساطع‌کننده نور با چه سرعتی حرکت می‌کنند تاثیری در این امر ندارد.»

انیشتین پس از ارائه‌ی این نظریه، عامل شتاب را وارد ایده‌های خود کرد و به نظریه نسبیت عام رسید. براساس نظریه‌ی نسبیت عام، اجسام عظیم باعث ایجاد انحا و خم شدگی در فضا-زمان می‌شوند و همین امر باعث ایجاد گرانش می‌شود. هرچه یک جسم بزرگتر باشد، فضا-زمان اطراف خود را بیشتر خم می‌کند. به تعبیر دان فالک، «گرانش درهمان لحظه که فضا را منبسط یا معوج می‌کند، باعث انبساط زمان نیز می‌شود.»

نظریه‌ی نسبیت چگونه به وجود آمد؟

پیش از ارائه‌ی نظریه نسبیت انیشتین، دانشمندان جهان را بر اساس قوانین سه‌گانه‌ی نیوتن، که در دهه ۱۶۸۰ میلادی وضع شد، می‌نگریستند. این قوانین را می‌توان چنین خلاصه کرد: جهان دارای زمانی مطلق است. اجسام در فضایی مطلق حرکت می‌کنند؛ و جهان برای تمام ناظران، صرف‌نظر از موقعیت و سرعت‌شان، یکسان به نظر می‌رسد؛ بنابراین در حالی که ممکن است ناظران از زوایای مختلفی رویداد‌ها را مشاهده کنند، «بازنمود اساسی رویداد‌هایی که برای ناظران آشکار می‌شوند یکسان است؛ و قوانین فیزیکی‌ای که توسط این افراد به دست می‌آید، به معنای واقعی کلمه، یک شکل خواهند بود.»

تحقیقات گسترده دانشمندان در قرن نوزدهم میلادی، که پیرامون موضوعاتی همچون الکتریسیته، مغناطیس و نور انجام گرفت، بسیاری از آن‌ها را به این نتیجه رسانده بود که نمی‌توان همه پدیده‌های جهان را با نظریه نیوتون تبیین کرد. انتشار معادلاتی که دانشمند اسکاتلندی، جیمز کلرک ماکسول، پیرامون این سه پدیده انجام داده بود و عنوان «الکترومغناطیس» را یدک می‌کشید، بسیاری را متقاعد کرد که وضعیت ناظر_ متحرک یا غیرمتحرک بودن آن_ مهمتر از آن چیزی است که قبلا تصور می‌شد.

این تغییر دید، منجر به خلق «تبدیلات لورنتس» شد؛ یعنی مجموعه‌ای از معادلات که در اوایل قرن بیستم توسعه یافتند و رسما بیان‌گر مفاهیم نسبیت هستند: اینکه فضا و زمان مطلق نیستند، اینکه طول و زمان و جرم نسبت به حرکت ناظر معین می‌شوند، و اینکه سرعت نور در خلاء ثابت و مستقل از حرکت ناظر یا منبع آن است.

بیشتر بخوانید:ایده‌هایی که جهان را تغییر دادند؛ طلاق | چگونه طلاق از رسوایی اخلاقی به حق زنان تبدیل شد؟

این معادلات انیشتین را به کندوکاو در مطلق بودن زمان و مکان و همچنین تامل در تغییرناپذیری قوانین فیزیک کشاند. او به این نتیجه رسید که قوانین فیزیک نمی‌توانند متغیر باشند و تمام آنها، در همه‌ی چارچوب‌های مرجع، باید شکل یکسانی داشته باشند. این امر انیشتین را به وضع نسبیت خاص رهنمون کرد.

اما انیشتین متوجه شد که ایده‌های او_ همراه با تئوری‌های موجود پیرامون چیستی گرانش_نشان می‌دهند که فقط زمان و مکان به امور ثانویه (و متغیر) نیستند، بلکه هندسه نیز چنین است. مجله‌ی ساینس‌ورلد می‌نویسد: «انیشتین متوجه شد که فضا مانند یک ملافه‌ی پارچه‌ای است که وقتی اشیاء روی آن قرار می‌گیرند، اعوجاج پیدا کرده و خمیده می‌شود.» انیشتین از این امر به یک استنتاج قابل توجه رسید: آنچه ما به عنوان گرانش درک می‌کنیم، برآیند جنبشی در فضا-زمان است و هرقدر خمیدگی فضا-زمان ببیشتر باشد، گرانش نیز قوی‌تر است.

انیشتین در سلسله معادلاتی دست به تبیین این ایده و تحلیل ارتباط خمیدگی‌ها و سطوح هندسی با فضا-زمان زد و در سال ۱۹۱۵ نتایج پژوهش‌های خود را منتشر کرد. این معادلات پایه و اساس نظریه نسبیت عام قرار گرفتند.

نظریه‌ی نسبیت چگونه جهان را تغییر داد؟

لایوساینس می‌نویسد: «نظریه‌ی نسبیت یکی از مهم‌ترین اکتشافات قرن بیستم است و پیامد‌های این مشهورترین نظریه‌ی آلبرت انیشتین بسیار عمیق و دامنه‌دار است». به قول نویسنده‌ی بی‌بی‌سی، «این نظریه هنوز به عنوان مهم‌ترین ایده‌ی فیزیک مدرن در نظر گرفته می‌شود».

نظریه‌ی نسبیت درک علمی ما از جهان را به‌طور اجتناب‌ناپذیری تغییر داده و به ادراکی از جهان رهنمون شد که تاکنون نیز ادامه دارد. این نظریه علاوه بر نکته‌ی مذکور، کاربرد‌های عملی فراوانی هم داشته است. نظریه‌ی نسبیت پایه و اساس قانون فارادی است؛ قانونی که می‌گوید یک میدان مغناطیسی پویا، جریان الکتریکی ایجاد می‌کند.

توماس مور، استاد فیزیک در کالج پومونا کالیفرنیا، می‌گوید: «ترانسفورماتور‌ها و ژنراتور‌های الکتریکی بر اساس اصل فارادی کار می‌کنند و به همین دلیل هرکسی که از الکتریسیته استفاده می‌کند، در حال تجربه کردن تاثیرات نظریه‌ی نسبیت است.»

هدایت GPS نیز بر نظریه‌‎ی نسبیت متکی است. جیمز مک‌دانل، استاد فیزیک در دانشگاه واشنگتن، در مقاله‌ای می‌گوید: «بدون کاربرد مناسب نظریه‌ی نسبیت، سیستم هدایتگر GPS در عرض حدود دو دقیقه از کار می‌افتد. بنابرین اگر برایتان سوال شد که فیزیک پایه به چه دردی می‌خورد، به زمانی بیاندیشید که سوار هواپیما هستنید و هواپیمای شما در شرایط آب و هوایی بد راه خود را یافته و سالم به فرودگاه می‌رسد. در واقع این امر را مدیون انیشتین و ردیاب GPS هستیم.»