نویسنده و گردآورنده: شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

تنها پاسخ من به این مسئله بر پایه اصل انتخاب طبیعی داروین می‌باشد. در هر اجتماعی از ارگانیسم‌های قادر به تولید مثل، از نظر ژنتیک و پرورش ناهمسانی‌هایی میان افراد جداگانه وجود دارد. این تفاوتها بدان منجر می‌شود که برخی از افراد بیشتر از سایرین بتوانند استنتاجات درستی از جهان پیرامون خود بعمل آورند و بر طبق آنها عمل کنند. این افراد بخت بیشتری برای بقا و تولید مثل دارند و کردار و پندار آنان مسلط خواهد گردید. بیگمان در گذشته آنچه که هوش و شعور و اکتشاف علمی نامیده می‌شود از مزیت بقا برخوردار بوده است. اما معلوم نیست که وضع همچنان بدینقرار باشد: اکتشافات علمی ما شاید همه را به نابودی بکشاند، و حتی اگر چنین نشود، یک نظریه یگانه و کامل شاید تاثیر چندانی در سرنوشت و بقای ما نداشته باشد. با اینهمه، چنانچه هستی بگونه‌ای منظم و بقاعده راه تکامل را پیموده باشد، می‌توان انتظار داشت که توانایی تعلق که انتخاب طبیعی به ما ارزانی داشته، در جستجوی نظریه ای یگانه و کامل همچنان معتبر باشد و ما را براه خطا نکشاند.

از آنجا که با نظریه‌های پاره‌ای موجود، توانسته‌ایم پیش‌بینی‌های دقیقی در همۀ زمینه‌ها مگر در وضعیت‌های حدی و بحرانی به عمل آوریم، از نقطه نظر عملی، توجیه جستجوی نظریه غائی جهان، دشوار بنظر می‌رسد. (شایان ذکر است که دلایل مشابهی را می‌توان بر علیه نسبیت و مکانیک کوانتوم اقامه کرد، اما این نظریه‌ها انرژی هسته‌ای و انقلاب میکرو الکترونیک را برای ما به ارمغان آورده‌اند!) بنابراین کشف نظریه‌ای یگانه و کامل، شاید کمکی به بقای نژاد بشر نکند. شاید حتی بر روش زندگی ما تاثیری نگذارد. اما از سپیده دم تمدن تاکنون انسان‌ها از دیدن  رویدادها همچون مجموعه‌ای نامربوط و توضیح ناپذیر، ناخشنود بوده‌اند. آنها همواره در اشتیاق درک نظم نهفته در دل هستی بوده اند. امروزه ما همچنان در آرزوی آگاهی برآنیم که از کجا آمده‌ایم و آمدنمان بهر چه چیز بوده است. اشتیاق ژرف بشریت برای دانش، کنکاش مداوم ما را بخوبی توجیه می‌کند. ما به هیچ وجه به کمتر از توضیح کامل جهانی که در آن به سر می‌بریم، رضایت نمی‌دهیم.

مکان وزمان

اندیشه ها و باورهای کنونی ما پیرامون حرکت اجسام به زمان گالیله و نیوتن باز میگردد. پیش از آنان افکار و نظریات ارسطو مورد قبول عامه بود. ارسطو معتقد بود که وضعیت طبیعی اشیاء، حالت سکون و ایستائی است و تنها در صورتی بحرکت در می آیند که نیرو یا ضربه ای بر آنان وارد آید. بر این اساس یک شی سنگین سریعتر از شی سبک سقوط خواهد کرد چرا که کشش بیشتری به سوی زمین دارد.

سنت ارسطوئی همچنین بر آن بود که همه قوانین حاکم بر جهان به کمک اندیشه ناب قابل کشف و شناسائی اند و برای آزمودن آنان نیازی به تجربه و مشاهده نیست ازینر و تا زمان گالیله کسی بخود زحمت نداد که ببیند آیا براستی اجسام با وزنهای مختلف با سرعتهای متفاوت سقوط میکنند یا نه. گفته اند گالیله با انداختن اجسام از فراز برج کج پیزا نشان داد این باور ارسطو نا درست است .کم یا بیش با اطمینان میتوان گفت این داستان واقعی نیست، اما گالیله قطعاً کاری مشابه انجام داده است: او گلوله هایی را با وزن های مختلف برسطح شیبدار همواری رها کرد. این حالت همانند سقوط عمودی اجسام سنگینی میباشد با این تفاوت که بدلیل پائین بودن سرعتها مشاهده و آزمایش آسانتر انجام میپذیرد. اندازه گیریهای گالیله نشان داد که وزن اجسام هر چه باشد، سرعت آنها با آهنگ یکسانی افزایش می یابد. مثلاً اگر توپی را روی سطح شیبداری بگذاریم که بازاء هر ۱۰ متر روی آن، یک متر از ارتفاعش کاسته شود پس از یک ثانیه توپ ما سطح شیبدار را با سرعت یک متر در ثانیه خواهد پیمود و پس از دو ثانیه سرعت آن دو متر در ثانیه خواهد شد و به همین ترتیب پیش خواهد رفت بدون آنکه وزن توپ تأثیری در آن بگذارد. البته یک وزنه سربی تندتر از یک پر سقوط میکند، اما علت این تفاوت را باید در مقاومت هوا جست. چنانچه دو جسم را که مقاومت هوای چندانی نداشته باشند، مثلاً دو وزنه متفاوت سربی، رها کنیم، همزمان سقوط خواهند کرد.

نیوتن از اندازه گیریهای گالیله بعنوان بنیاد قوانین حرکت خود، بهره گرفت. در آزمایشهای گالیله جسمی که روی سطح شیبداری به سوی پائین می غلتید، همواره تحت تأثیر نیروی ثابتی (وزن جسم) بود و این نیرو موجب افزایش مداوم سرعت جسم میگردید. این واقعیت نشان میداد که نیروی وارد بر یک جسم، برخلاف باور کهن صرفاً جسم را به حرکت در نمی آورد، بلکه پیوسته سرعت آن را می افزاید. همچنین اگر جسمی تحت تأثیر هیچ نیروئی نباشد، در مسیری مستقیم و با سرعتی ثابت به حرکت خود ادامه میدهد. این فکر نخستین بار در سال ١٦٨٧ در کتاب اصول ریاضی نیوتن بصراحت بیان گردید و به قانون اول نیوتن شهرت یافت .قانون دوم نیوتن سخن از حالتی میگوید که نیروئی برجسم وارد آید. در اینحالت، جسم متناسب با نیروی وارده، شتاب خواهد گرفت یا به دیگر سخن سرعتش تغییر خواهد نمود. (مثلاً اگر نیرو دو برابر شود، شتاب نیز دو برابر خواهد گردید.) هر چه جرم جسم (یا مقدار ماده تشکیل دهنده آن) بیشتر شود شتاب کمتر خواهد شد. (همان نیرو اگر برجسمی با جرم دو برابر جسم اول وارد شود شتاب حاصل نصف شتاب جسم اول خواهد بود.) اتومبیل میتواند مثالی آشنا برای ما باشد: هر چه موتور نیرومندتر باشد شتاب بیشتر است ,هر چه ماشین سنگینتر شود ,بدون آنکه موتور تغییر کند، شتاب کمتر است.

نیوتن، علاوه بر قوانین حرکت , قانونی مربوط به نیروی گرانش کشف نمود که می گوید اجسام یکدیگر را با نیروئی متناسب با جرم شان جذب می کنند. از اینرو  نیروی گرانش بین دو جسم دو برابر خواهد شد چنانچه جرم یکی از آنها ( مثلا جسم A) دو برابر شود. این امر دور از انتظار نیست چرا که میتوان در حالت اخیر جسم A را متشکل از دو جسم با جرم اولیه A تصور کرد. هر یک از اینها, جسم B را با نیروی حالت اول جذب میکند و در نتیجه نیروی کل بین A و B دو برابر نیروی جاذبه حالت نخست میگردد، مثلاً اگر جرم یکی از اجسام دوبرابر و جرم دیگری سه برابر شود، آنگاه نیروی جاذبه شش برابر میگردد. حالا معلوم میشود که چرا همۀ اجسام با شتاب یکسانی سقوط میکنند: بر جسمی که وزنش دو برابر جسم دیگر است، نیروی جاذبه ای دو برابر جسم دوم وارد میشود اما در عین حال جرم اولی نیز دو برابر جرم دومی است. براساس قانون دوم نیوتن ايندو عامل دقیقاً یکدیگر را خنثی میکنند و در نتیجه شتاب در همه موارد ثابت باقی میماند.

قانون گرانش نیوتن همچنین میگوید که هر چه اجسام از یکدیگر دورتر باشند، نیروی جاذبه بینشان کمتر است. بر این اساس، نیروی گرانش یک ستاره در فاصله ای معین ,دقیقاً یک چهارم نیروی گرانش ستاره ای مشابه با آن در فاصله ای نصف فاصلۀ اول است .این قانون مدارهای زمین, ماه و سیارات را با دقت بسیار زیاد تعیین میکند. اگر برفرض، بنابر قانون گرانش,نیروی جاذبه گرانشی ستارگان با افزایش فاصله ,بیش از میزان فوق الذکر کاهش می یافت, دیگر سیارات مدار بیضوی را نمی پیمودند و در عوض در مسیری مار پیچی به خورشید نزدیک میشدند. حال اگر با افزایش فاصله نیروی جاذبه گرانشی ستارگان کمتر از آن میزان کاهش می یافت، نیروی جاذبه ستارگان دور دست بر نیروی جاذبه زمین می چربید.

تفاوت بزرگ میان اندیشه های ارسطو و افکار گالیله و نیوتن در آن است که ارسطو می پنداشت سکون حالت طبیعی اشیاء است و اجسام خوشتر دارند در حالت ایستا باقی بمانند مگر آنکه با نیرو یا ضربه ای به حرکت درآیند. او بطور مشخص فکر میکرد زمین ساکن است. اما از قانون های نیوتن چنین بر می اید که هیچ معیار واحدی برای سکون وجود ندارد. می توان بدرستی گفت: جسمA ساکن است و جسم B با سرعتی ثابت نسبت به A درحرکت است ویا اظهار داشت که جسم B ثابت است وA در حرکت.

برای مثال فرض کنید زمین بدور خورشید نمی گردد, آنگاه میتوان گفت زمین ثابت است و قطاری با سرعت نود مایل در ساعت به سمت شمال در حرکت می باشد. یا آنکه قطار ساکن است و زمین با نود مایل در ساعت به سوی جنوب راه می سپرد. چنانچه آزمایشهایی روی اشیاء متحرک درون قطار انجام دهیم, همه قوانین نیوتن همچنان صدق میکند. مثلاً اگر کسی در قطار پینگ پنگ بازی کند، درخواهد یافت که توپ درست همانند توپی که روی میز کنار خط آهن قرار دارد, از قوانین نیوتن تبعیت میکند. بنابراین هیچ راهی نیست که بتوان تشخیص داد زمین یا قطار کدامیک در حال حرکتند.  فقدان معیاری مطلق برای سکون, به این معنا بود که قادر نیستیم تعیین کنیم که دو رویداد در زمانهای متفاوت ,آیا در نقطه واحدی از فضا رخداده اند یا نه. برای مثال, فرض کنید که توپ تخم مرغی ما در قطار روی میز پینگ پنگ بالا و پائین میجهد و دوبار به فاصله زمانی یک ثانیه, به نقطه واحدی روی میز برخورد مینماید. اما ناظری که کنار خط آهن ایستاده می پندارد که توپ دوبار با میز برخورد داشته و به بالا جهیده است و ایندو جهش در فاصله تقریباً چهل متر از یکدیگر رویداده اند, چرا که قطار در مدت بین دو جهش، همین فاصلهٔ چهل متر را پیموده است. عدم وجود سکون مطلق همچنین به این معنا بود که برخلاف نظر ارسطو نمیتوان رویدادی را با وضعیت مکانی مطلق در فضا مشخص نمود. مکان رویدادها و فاصله بین آنها از دید مسافر قطار و ناظر کنار خط آهن با یکدیگر فرق میکند و دلیل و علتی در دست نیست که مکان یک ناظر را بر ناظر دیگر برتری دهیم.

نیوتن از فقدان وضعیت مطلق یا آنطور که معروف بود –مکان مطلق– پریشان خاطر بود زیرا که با باور او به خداوند مطلق جور در نمی آمد. در واقع برغم آنکه قوانین او متضمن عدم وجود مكان مطلق بودند، او از پذیرش آن سر باز زد. این پنداشت غیر منطقی نیوتن از سوی بسیار کسان و برجسته تر از همه از سوی اسقف برکلی  مورد انتقاد قرار گرفت. اسقف برکلی فیلسوفی بود که همه اشیاء مادی و زمان و مکان را توهم می انگاشت. وقتی اندیشه های برکلی را برای دکتر جانسون بازگو کردند او انگشت پایش را به سنگ بزرگی کوبید و فریاد زد: «اینچنین من آنها را رد می کنم!»

ارسطو و نیوتن هر دو به زمان مطلق باور داشتند. یعنی معتقد بودند که بدون ابهام و بروشنی میتوان فاصله زمانی میان دو رویداد را اندازه گرفت و چنانچه ساعت دقیقی را بکار برده باشیم نتیجه همواره یکسان است و به شخص آزمایشگر بستگی ندارد. زمان یکسره از مکان جدا و مستقل از آن بود. بیشتر مردم این فکر را منطبق با عقل سلیم می.یابند. با اینهمه ما ناگزیر از تغییر عقایدمان درباره زمان و مکان بوده ایم. وقتی سروکارمان با اشیائی نظیر سیب یا سیاراتی است که به نسبت آهسته حرکت میکنند، پندارهای منطبق با عقل سلیم ما درست از آب در می آیند، اما وقتی پای چیزهائی بمیان می آید که با سرعت نور و یا نزدیک به آن حرکت میکنند ,ناتوانی آنها برملا می شود.

برای نخستین بار در سال ١٦٧٦، ستاره شناس دانمارکی اوله کریستن سن روامر  کشف کرد که نور با سرعتی معین اما بسیار بالا حرکت میکند. با فرض آنکه اقمار مشتری با سرعت ثابتی بگرد آن در گردش باشند، مدت زمان واحدی را صرف عبور از پشت مشتری میکنند و فاصله زمانی میان خسوف و رؤیت آنان باید ثابت باشد. از سوی دیگر بدلیل گردش زمین و مشتری بدور خورشید, فاصله بین ایندو سیاره تغییر میکند. روامر دریافت که هر چه از مشتری دورتر باشیم، خسوف اقمار آن دیرتر مشاهده میشود. او نتیجه گرفت که این پدیده معلول آنست که هر چه زمین و مشتری دورتر از یکدیگر باشند مدت زمان بیشتری طول میکشد تا نور از اقمار به ما برسد. او موفق به اندازه گیری بسیار دقیق تغییرات فاصله زمین و مشتری نشد و بنابراین محاسبه سرعت نور توسط او نیز چندان دقیق نبود: ۱۴۰۰۰۰ مایل در ثانیه در مقایسه با امروز که سرعت نور را ۱۸۶,۰۰۰ مایل در ثانیه محاسبه نموده اند. با اینهمه دستاورد روامر قابل توجه بود. او نه تنها نشان داد که سرعت نور مقداری معین است بلکه کوشید تا آنرا اندازه گیری کند. این رویداد یازده سال پیش از انتشار –اصول ریاضی» نیوتن اتفاق افتاد.

 ادامه دارد…