نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

تا سال ۱۸۶۵ نظریه شایسته و مناسبی برای انتشار نور تدوین نگردید در آن سال فیزیکدان انگلیسی جیمز کلارک ماکسول، توانست نظریه های محدود و پراکنده ای را که تا آن روزگار پیرامون نیروهای الکتریسیته و مغناطیس مطرح شده بود در نظریه ای جامع یکپارچه گرداند. معادله ماکسول پیش بینی میکرد که آشفتگیهای موجی شکلی در میدان الکترومغناطیسی وجود دارد که مثل امواج آب با سرعتی ثابت در فضا منتشر میشوند. اگر طول موج این امواج یعنی فاصله بین دو تاج متوالی (موج) یک متر یا بیشتر باشد، آنگاه با پدیده ای سروکار داریم که امروزه امواج رادیوئی نامیده می شود. طول موجهای پائینتر میکروموج (چند سانتیمتر) یا فروسرخ (کمتر از یک ده هزارم سانتیمتر) نام دارند طول موج نور مرئی بین چهل تا هشتاد میلیونیم سانتیمتر است امواج با طول موجهای بازهم کوچکتر عبارتند از فرابنفش، اشعه X و اشعه گاما.

نظریه ماکسول میگفت امواج رادیوئی یا نور با سرعت ثابت معینی منتشر میشوند. اما نظریه نیوتون از شر مفهوم سكون مطلق خلاصی یافت چرا که اگر قرار بودنور با سرعت ثابتی منتشر شود این سرعت ثابت را نسبت به چه چیزی باید اندازه گرفت؟ بنابر این گفته شد جهان سراسر آکنده از ماده ای بنام «اتر» است. اتر حتی در فضای تهی نیز وجود دارد. امواج نور همانند عبور امواج صوتی از درون هوا از درون اتر گذر میکند و سرعت نور نیز نسبت به اتر باید محاسبه گردد. ناظرهای متفاوت که با سرعت های مختلف نسبت به اتر در حرکتند مشاهده میکنند که نور با سرعت های متفاوتی بسویشان در حرکت است اما سرعت نور نسبت به اتر همواره ثابت است. بطور مشخص، از آنجا که زمین درون اتر و در مدار خود گرد خورشید حرکت میکند، حاصل اندازه گیری سرعت پرتوی از نور در جهت حرکت زمین درون اتر (وقتی که ما به سوی منبع نور در حرکتیم باید بیشتر از سرعت نور در راستای قائم بر حرکت زمین (وقتی که ما به سوی منبع نور حرکت نمیکنیم)، باشد. در سال ۱۸۸۷ آلبرت مایکلسون که بعدها نخستین آمریکائی برنده جایزه نوبل در رشته فیزیک گردید و ادوارد مورلی, آزمایش بسیار دقـیـقـی در مدرسه علوم کاربردی کیس در کلیولند انجام دادند آنها سرعت نور را وقتی در جهت حرکت زمین سیر میکرد با سرعت نور در راستای قائم بر حرکت زمین مقایسه کردند و با کمال تعجب دیدند که دقیقاً با یکدیگر برابرند!

بین سال ۱۸۸۷ و ۱۹۰۵ تلاش های متعددی به عمل آمد تا نتایج آزمایش مایکلسون مورلی را توجیه نمایند و مهمتر از همه آنها نظریات فیزیکدان هلندی هندریک لورنتس بود که پدیده فوق را با ایده انقباض اشیاء و کند شدن ساعت ها حین حرکت درون اتر توجیه نمود با این همه یک کارمند اداره ثبت اختراعات سوئیس که تا آن زمان شهرتی نداشت، یعنی آلبرت انشتین در سال ۱۹۰۵ در مقاله ای معروف خاطرنشان کرد که چنانچه مفهوم زمان مطلق را کنار بگذاریم فرض وجود اتر اساساً ضرورتی ندارد. چند هفته پس از آن یک ریاضیدان برجسته فرانسوی هانری پوانکاره، نظری مشابه را مطرح ساخت. برهان های انشتین از براهین پوانکاره که این مسئله را بیشتر از دیدگاه ریاضی بررسی مینمود فیزیکی تر بودند. معمولاً این نظریه نوین را به انشتین نسبت میدهند اما نام پوانکاره بعنوان کسی که سهم بزرگی در آن دارد، بیاد خواهد ماند.

فرض بنیادین نظریـه نـوین که نسبیت نام گرفت، این بود که برای همه ناظرانی که حرکت آزاد دارند، سرعتشان هر چه باشد، قوانین علم یکسان است. این اصل در مورد قوانین حرکت نیوتن صادق بود، اما اینک دامنه آن گسترش می یافت و شامل نظریه ماکسول و سرعت نور نیز میگردید: برای همه ناظران، سرعتشان هر چه باشد، سرعت نور ثابت است. این مفهوم ساده نتایج مهمی را به ارمغان آورد. شاید معروفترین آنها هم ارز بودن انرژی و جرم است که در قالب فرمول معروف انشتین بیان گردید:

E=mc2 ( E بیانگر انرژی است و m جرم را نشان میدهد و c سرعت نور است)، یا آنکه هیچ چیزی نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند. طبق اصل هم ارزی انرژی و جرم، انرژی حرکتی یک جسم بر جرمش می افزاید. به دیگر سخن، افزایش سرعت جسم دشوارتر میگردد. این پدیده تنها برای اشیائی که نزدیک به سرعت نور حرکت میکنند، اهمیت می یابد. برای مثال، در سرعتی معادل ده درصد سرعت نور تنها نیم درصد بر جرم طبیعی جسم افزوده میشود در حالی که در سرعتی معادل ۹۰ درصد سرعت نور جرم جسم بیش از دو برابر خواهد شد. وقتی سرعت شی به سرعت نور نزدیک میشود جرم آن بیشتر و بیشتر افزایش می یابد، بنابراین انرژی بیشتر و بیشتری لازم است تا باز هم بر سرعت جسم افزود. در واقع هیچگاه نمی توان به سرعت نور دست یافت چرا که آنگاه، جرم شئ بی نهایت میشود و نظر به هم ارزی انرژی و جرم بینهایت انرژی مورد نیاز است تا ما را به سرمنزل مقصود برساند ازینرو نسبیت هر شی معمولی را برای همیشه محکوم به حرکت با سرعتی کمتر از سرعت نور کرده است. تنها نور یا دیگر امواج که ذاتاً از جرم بی بهره اند می توانند ازین موهبت برخوردار باشند.

پیآمد قابل توجه دیگر نسبیت ایجاد انقلاب در برداشت ما از زمان و مکان است. بنابر نظریه نیوتن اگر اشعه ای از نقطه ای به نقطه ای دیگر گسیل شود، ناظران متفاوت در مورد مدت زمان سیر نور هم داستانند چرا که زمان مطلق است اما لزوماً بر فاصله ای که نور پیموده، متفق القول نیستند (چرا که مكان مطلق نیست ).از آنجا که سرعت نور برابر با مسافت طی شده بخش بر مدت زمان است، برای ناظران، مختلف سرعت نور یکسان نخواهد بود. از سوی دیگر بنابر نظریه نسبیت همۀ ناظران باید سرعت نور را مقداری ثابت اندازه گیری کنند. اما هنوز در مورد مسافتی که نور پیموده است هم داستان نیستند، بنابراین باید روی زمانی هم که طول کشیده است تا نور این مسافت را بپیماید هم داستان نباشند. (زمان مورد نظر مساوی است با مسافتی که نور پیموده که ناظران در این مورد توافقی ندارند تقسیم بر سرعت نور که ناظران در این مورد توافق دارند.) به دیگر سخن، نظریه نسبیت فاتحه مفهوم زمان مطلق را خواند. بنظر میرسید که هر ناظر خود باید معیاری برای زمان داشته باشد و ساعت های مشابه و یکسان که همراه ناظران متفاوت باشد، لزوماً زمان واحدی را نشان نخواهند داد.

هر ناظر میتواند با استفاده از رادار و ارسال امواج رادیوئی یا اشعه نور بگوید کی و کجا فلان حادثه اتفاق افتاد، بخشی از امواج در برخورد با رویداد بازتاب کرده و ناظر زمان دریافت بازتاب را ثبت مینماید.

آنگاه زمان رویداد عبارت است از نصف فاصله زمانی میان ارسال موج و دریافت بازتاب: مکان رویداد عبارت است از نصف زمان رفت و برگشت ضربدر سرعت نور .(بدین معنا یک رویداد، واقعه ایست که در نقطه واحدی از فضا و در لحظه معینی از زمان رخ میدهد.) این مفهوم در شکل ۲-۱ نمایش داده شده است و نمونه ایست از نمودار فضا – زمان. ناظران مختلفی که نسبت به یکدیگر در حال حرکتند با کاربست روش فوق، زمان و مکان متفاوتی را به یک رویداد واحد نسبت خواهند داد. اندازه گیری هیچ یک از ناظران بر دیگری مزیت و برتری خاصی ندارد اما همه اندازه گیریها بیکدیگر مربوط هستند. هر ناظری قادر است بطور دقیق محاسبه کند که ناظر دیگر چه زمان و مکانی را به یک رویداد نسبت میدهد به شرط آنکه سرعت نسبی او را داشته باشد.

امروزه ما برای اندازه گیری دقیق مسافات ازین روش سود می جوئیم، چرا که زمان را با دقت بیشتری نسبت به مکان میتوانیم اندازه گیری کنیم در واقع تعریف متر عبارت است از فاصله ای که نور در ۰۰۰۰۰۰۰۰۳۳۳۵۶۴۰۹۵۲/۰   ثانیه می پیماید. این اندازه گیـری بـه کـمک ساعت سزیوم باید انجام شود. (دلیل انتخاب این عدد غریب آنست که با تعریف تاریخی مترسازگار است. متر تاریخی فاصله دو علامت روی یک میله پلاتینی است که در پاریس نگهداری میشود.) به همین سان می توان واحد طول نو و راحت تری بنام ثانیه نوری را بکار برد این واحد عبارت است از فاصله ای که نور در یک ثانیه می پیماید. اینک براساس نظریه نسبیت، مسافت را برحسب زمان و سرعت نور تعریف میکنیم، لذا بی درنگ نتیجه می گیریم که سرعت نور برای هر ناظری یکسان است (بنابر تعریف، یک متر در هر ۰۰۰۰۰۰۰۰۳۳۳۵۶۴۰۹۵۲/۰   ثانیه) و نیازی به معرفی مفهوم اتر نیست. همانطور که آزمایش مایکلسون مورلی نشان داد به هیچ طریق نمی توان حضور اثر را نمایان و پدیدار ساخت .نظریه نسبیت، اما ناگزیر وادارمان میکند تا در عقاید خود در مورد زمان و مکان تجدید نظری بنیادین به عمل آوریم. باید بپذیریم که زمان به کلی جدا و مستقل از مکان نیست بلکه پیوسته با آن چیز جدیدی را بنام فضا–زمان شکل میدهد.

بطور معمول هر نقطه از فضا را با سه عدد یا مختصات نشان داد. مثلاً میتوان گفت: یک نقطه از یک اتاق به فاصله ۷ فوت از یک دیوار، ۳ فوت از دیوار دیگر و ۵ فوت بالای کف اتاق قرار دارد. یا آنکه نقطه ای در عرض جغرافیائی و طول جغرافیائی معین و در ارتفاع معینی از سطح دریا می باشد. دست ما برای انتخاب هر مختصات مناسب سه گانه باز است، اگر چه دامنه اعتبار آنها نامحدود نیست. نمیتوان موقعیت ماه را برحسب اینکه چند مایل شمال و چند مایل غرب میدان فردوسی و چند فوت برفراز سطح دریاست، تعیین نمود. در عوض میتوان موقعیت ماه را بر حسب فاصله اش از خورشید، از صفحه مدار سیارات و زاویه میان خطی که خورشید را به ستاره همسایه اش مثلاً آلفا سنتوری، متصل میسازد مشخص ساخت. حتی این مختصات هم در توصیف موقعیت خورشید در کهکشان ما یا موقعیت کهکشان ما در گروه محلی کهکشانها چندان کارساز نیست. در واقع میتوان تمامی عالم را چونان مجموعه ای از تکه های همپوش و روی هم افتاده تصور نمود. در هر تکه می توان مجموعه متفاوتی از مختصات سه گانه را مورد استفاده قرار داد و موقعیت نقطه ای را تعیین نمود.

یک رویداد، در نقطه ای معین از فضا و در زمانی مشخص اتفاق می افتد. بنابراین هر رویداد را میتوان با چهار عدد یا مختصات مشخص نمود. باز، انتخاب مختصات دلخواه است؛ مختاریم که هر مختصات سه گانه مکانی تعریف شده و هر واحد زمانی را برگزینیم. در نظریه نسبیت، تمایز اساسی بین مختصات فضا و زمان وجود ندارد همانطور که دو دستگاه مختصات نیز تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند.

می توان دستگاه مختصات جدیدی را برگزید که در آن نخستین مؤلفه، ترکیبی از مؤلفه های اول و دوم دستگاه قبلی باشند. مثلاً بجای تعیین مختصات نقطه ای برحسب آنکه چند مایل در شمال و چند مایل در غرب میدان فردوسی واقع شده است، میتوان دید آن نقطه چند مایل در شمال شرق و چند مایل در شمال غرب میدان فردوسی قرار دارد. بطور مشابه در نسبیت میتوان از یک مختصات زمانی – که همان زمان متعارف باشد( برحسب ثانيه )به اضافه فاصله (برحسب ثانیه نوری) از میدان فردوسی، سود جست.

تصور یک رویداد با چهار مؤلفه در یک دستگاه مختصات چهار بعدی بنام فضا– زمان، غالباً روشنگر و چاره ساز است. البته تصور یک فضای چهار بعدی محال است.شخصاً، گاه حس میکنم تصور فضای سه بعدی هم برایم دشوار است ! اما رسم نمودارهای دو بعدی مثل سطح زمین ، آسان است. (سطح زمین دو بعدی است زیرا هر نقطۀ آن را میتوان با دو مؤلفه مشخص کرد: عرض و طول جغرافیائی .) معمولاً نمودارهایی را بکار خواهم برد که در آنها زمان روی محور عمودی نمایش داده می شود و یکی از بعدهای مکانی روی محور افقی مشخص میگردد. از دو بعد دیگر مکانی صرف نظر میکنم و یا گهگاه یکی از آن ها را در نمودار سه بعدی نشان خواهم داد( اینها نمودارهای مکانی– زمانی میباشند مثل شکل ۲-۱٫) مثلاً در شکل۲-۲، زمان بر محور عمودی بر حسب سال و فاصله برحسب مایل در امتداد خطی که خورشید را به آلفا سنتوری وصل میکند، بطور افقی نمایش داده شده اند. مسیرهای خورشید و آلفا سنتوری در دستگاه مکان زمان با خطوط عمودی سمت چپ و راست نمودار نشان داده شده اند. پرتو خورشید، نقطه چین را می پیماید و چهار سال طول میکشد تا از خورشید به آلفا سنتوری برسد.

ادامه دارد…