نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر

فضا – زمان – حرکت

قبلا گفتیم که براساس قانون ماکسول ، سرعت منبع نور هر چه باشد، سرعت نور ثابت است و این امر با اندازه گیریهای دقیق تأیید شده است. در نتیجه اگر در نقطه معینی از فضا و در لحظهٔ خاصی از زمان، شعاعی از نور منتشر شود، آنگاه هر چه زمان میگذرد، چونان کره ای نورانی که اندازه و موقعیت آن مستقل از سرعت منبع نور است، درفضا گسترده خواهد گردید. پس از یک میلیونیم، ثانیه انتشار نور کره ای به شعاع ۳۰۰ متر شکل میدهد؛ پس از دو میلیونیم ثانیه، شعاع کره به ٦٠٠ متر خواهد رسید؛ و قس علیهذا، چونان امواجی که براثر پرتاب سنگ در یک آبگیر بوجود می آیند، دایره هایی شکل میگیرند که با گذشت زمان بزرگتر و بزرگتر می شوند. مدل سه بعدی ای را مجسم نمائید که سطح آب آبگیر دو بعد و زمان بعد دیگر این مدل را تشکیل دهند، دایره های مواج گسترش یابنده، مخروطی به وجود می آورند که رأس آن، همان نقطه و زمانی است که سنگ به آب برخورد کرد (شکل ۲-۳).

به همین ترتیب، انتشار نور بر اثر یک رویداد، مخروطی سه بعدی را در دستگاه فضا- زمان چهار بعدی بوجود می آورد که مخروط نوری آینده رویداد نام داد. به روشی مشابه، مخروطی دیگر را میتوان رسم نمود که مخروط نوری گذشته نامیده میشود و مجموعه ای از رویدادهاست که بوسیله آنها، نور قادر است به یک رویداد مفروض برسد (شکل ۴-۲).

مخروط های نوری گذشته و آینده رویداد P مکان- زمان را به سه ناحیه تقسیم میکند ( شکل ۵-۲).

آینده مطلق رویداد درون مخروط نوری آینده P است و مجموعه از همه رویدادهایی است که محتملاً می توانند از آنچه در P روی میدهد، متأثر گردند. علائم گسیل شده از P به رویدادهای خارج مخروط نوری آینده دسترسی ندارند چرا که هیچ چیز سریعتر از نور حرکت نمی کند. بنابراین، آنچه در P میگذرد تأثیری بر این رویدادها ندارد. گذشته مطلق P درون مخروط نوری گذشته، قرار دارد و مجموعه ای از رویدادهاست که علائم آنها با سرعت نور یا کمتر از آن حرکت میکنند و میتوانند به P برسند. ازینرو، این مجموعه همه رویدادهائی است که محتملاً بر آنچه در P میگذرد، تأثیر داشته اند. اگر کسی خبر داشته باشد که در زمان معین، در همه نقاط ناحیه ای از فضا که درون مخروط نوری گذشته P واقع شده است، چه چیزهائی رویداده است، میتواند پیش بینی کند که در P چه چیز رخ خواهد داد. همه نقاط دیگر، ناحیه ای از فضا -زمان را تشکیل میدهند که در مخروط نوری آینده یا گذشته P قرار ندارند. آنها نه بر رویدادهای P تأثیر میگذارند و نه از آن تأثیر می پذیرند. مثلاً اگر قرار باشد خورشید در همین لحظه از درخشش باز بماند، این حادثه بلافاصله چیزی را روی زمین تحت تأثیر قرار نخواهد داد چرا که اگر P حادثه خاموشی خورشید در لحظه ای معین باشد، زمین و موجودات روی آن، در هنگام خاموشی خورشید، خارج از مخروط نوری P قرار دارند (شکل ۶-۲). تنها هشت دقیقه بعد، ما ازین حادثه مطلع خواهیم شد چرا که هشت دقیقه طول میکشد تا نور از خورشید به زمین برسد. آنگاه رویدادهای روی زمین درون مخروط نوری آینده خاموشی خورشید قرار میگیرند. ازینروست که ما از آنچه در حال حاضر در دوردستهای جهان رخ میدهد اگاه نیستیم!!. نوری که از کهکشانهای دوردست به ما می رسد، میلیونها سال قبل از آنها گسیل شده است، و نور دورترین شی که بوسیله بشر رؤیت شده است، هشت هزار میلیون سال قبل براه افتاده است بنابراین، وقتی که به عالم نظر میکنیم نظاره گر جهانی متعلق به گذشته می باشیم.

اگر کسی از تأثیرات گرانش صرفنظر کند، یعنی همان کاری که انشتین و پوانکاره در سال ۱۹۰۵ کردند، به نظریه نسبیت خاص دست خواهد یافت. برای هر حادثه ای در فضا -زمان میتوان مخروطی نوری ساخت (مجموعه همه مسیرهای ممکن نور در فضا-زمان که از آن رویداد منتشرمیشوند)، و از آنجا که سرعت نور در هر جهت و برای هر رویداد ثابت است، همه مخروطهای نوری یکسان بوده و همگی همسو و هم جهت میباشند. نظریه همچنین میگوید که هیچ چیز سریعتر از نور حرکت نمیکند، یعنی مسیر هرشی را درون فضا و زمان باید بوسیله خطی که در مخروط نوری هر رویداد مربوط به آن واقع است، نمایش داد (شکل ۲-۷).

نظریه نسبیت خاص در توضیح این پدیده که سرعت نور برای همه ناظران ثابت است( همچنانکه آزمایش مایکلسون – مورلی نشان داد) بسیار موفق بود و بخوبی توانست آنچه را که در اثر سرعتهای نزدیک به سرعت نور برای یک شئ اتفاق میافتد، توضیح دهد اما با اینهمه با نظریه گرانش نیوتن همساز نبود. نیوتن میگفت که اجسام یکدیگر را با نیروئی که بفاصله میان آنان بستگی دارد، جذب میکنند. یعنی اگر یکی از آنان را جابجا کنیم، نیروی وارد بر دیگری همزمان با این جابجائی دستخوش تغییر می گردد. یا به دیگر سخن تأثیرهای گرانشی بجای آنکه مطابق با نظریه نسبیت خاص، با سرعت نور یا کمتر از آن، سیر کنند با سرعت بی نهایت اثر میکنند. بین سالهای ۱۹۰۸ تا ۱۹۱۴ انشتین چندین بار کوشید نظریه گرانشی تدوین کند که با نسبیت خاص همساز باشد اما موفق نشد. سرانجام در سال ۱۹۱۵، نظریه ای را مطرح ساخت که امروز بنام نسبیت عام معروف است. انشتین این ایده انقلابی را عرضه کرد که گرانش نیروئی همانند سایر نیروها نیست، بلکه نتیجه این واقعیت است که فضا -زمان آنطور که تا آن روزگار تصور می رفت، مسطح نمیباشد!! فضا -زمین به سبب توزیع جرم و انرژی، خمیده و یا دارای_ پیچ و تاب _است. حرکت اجسامی چون زمین بر مدارهایی خمیده بخاطر اعمال نیروی جاذبه نیست، بلکه آنها در فضائی خمیده و پر پیچ و تاب مسیری را که کاملاً مشابه خط راست است و ژئودزیک نام دارد، می پیمایند. ژئودزیک، کوتاهترین (یا طولانی ترین) مسیر بین دو نقطه مجاور است. مثلاً سطح زمین، فضای خمیده و دو بعدی است. یک ژئودزیک روی سطح زمین، دایره ای کبیره است و نشانگر کوتاهترین راه میان دو نقطه است (شکل ۲-۸).

از آنجا که ژئودزیک کوتاهترین مسیر بین دو فرودگاه است، جهت یاب خودکار هواپیما نیز همین راه را به خلبان نشان میدهد. در نسبیت عام، اجسام همواره در فضای چهار بعدی خطوط مستقیم را می پیمایند، اما با این وجود، ما میپنداریم که آنها در فضای سه بعدی در راستای مسیری خمیده حرکت میکنند.( این موضوع تا حدودی مانند مشاهده پرواز هواپیمائی بر فراز تپه هاست. اگر چه هواپیما خود در فضای سه بعدی مسیری مستقیم را طی میکند، اما سایه اش، مسیری خمیده را بر سطح زمین دو بعدی می پیماید).

جرم خورشید فضا -زمان را چنان دچار انحنا میسازد که گرچه زمین راهی مستقیم را در فضا -زمان چهار بعدی در می نوردد، در فضای سه بعدی بنظر میرسد مداری دایره شکل را می پیماید. در حقیقت مدار سیارات بر اساس نسبیت عام درست برابر پیش بینی نظریه نیوتونی گرانش است. اما در مورد عطارد قضیه قدری متفاوت است. این سیاره نزدیکترین سیارات به خورشید است و بیشترین تأثیر گرانشی بر آن وارد میشود و مداری نسبتاً کشیده دارد. نسبیت عام میگوید که محور اطول بیضی، هر دو هزار سال یکدرجه بدور خورشید می چرخد. اگر چه این چرخش بسیار ناچیز است، اما پیش از سال ۱۹۱۵ از آن آگاهی داشتند و از نخستین شواهدی بود که نظریه انشتین را تأیید می کرد.

شعاع های نور نیز باید مسیرهای ژئودزیک را در فضا -زمان بپیمایند. این حقیقت که فضا خمیده است باز به این معناست که نور دیگر خطوط راست را طی نمیکند. لذا نظریه نسبیت عام پیش بینی میکند که نور باید در میدانهای گرانشی خمیده شود. برای مثال، نظریه میگوید مخروطهای نوری نقاط نزدیک خورشید باید بخاطر جرم خورشید، کمی بطرف داخل خم شوند. بنابراین نوری که از ستاره ای دور دست گسیل شده و تصادفاً از نزدیکی خورشید می گذرد با زاویه کوچکی از مسیر خود منحرف می شود و ستاره بدیده ناظر زمینی، در گوشه دیگری از آسمان پدیدار میگردد (شکل ۲-۹).

البته اگر نور این ستاره همواره از نزدیکی خورشید میگذشت ما نمی توانستیم بگوئیم که آیا شعاع نور منحرف گردیده است یا آنکه ستاره براستی سرجای واقعی خود قرار دارد. اما زمین بگرد خورشید در حرکت است و ستارگان مختلف بظاهر از پس خورشید می گذرند و نورشان دچار انحراف میشود. بنابراین موقعیت ظاهری آنها نسبت به دیگر ستارگان دستخوش تغییر می گردد.

معمولاً مشاهده این پدیده بسیار دشوار است زیرا نور خورشید مانع از رؤیت ستارگانی میشود که در آسمان در نزدیکی خورشید قرار میگیرند. با اینهمه به هنگام کسوف خورشید، وقتی ماه از عبور نور خورشید جلوگیری جهانی میکند، این امر امکان پذیر میشود. در سال ۱۹۱۵ و در هنگامه جنگ اول، امکان نداشت پیش بینی انشتین درباره انحراف نور به محک تجربه سنجیده شود. تا آنکه در سال ۱۹۱۹ یک گروه تحقیقاتی انگلیسی، دست به رصد کسوف خورشید از غرب افریقا زد و معلوم شد که مطابق پیش بینی های نظریه، خورشید براستی نور را منحرف میسازد. اثبات نظریه آلمانی توسط دانشمندان انگلیسی بعنوان آشتی دو کشور پس از جنگ، بگرمی مورد استقبال قرار گرفت. نکته طعنه آمیز اینجاست که بررسی ها و آزمایش های بعدی که روی عکسهای هیئت انگلیسی انجام شد، نشان داد که میزان خطاهای آزمایش به اندازه میزان انحرافی بود که آنها در پی سنجیدنش بودند. اندازه گیری گروه انگلیسی، چه حاصل تصادف صرف باشد و چه ناشی از آگاهی از نتیجه آزمایش، پدیده ای نادر در علم نیست. با اینهمه انحراف نور بطور دقیق توسط آزمایشهای بعدی مورد تأیید قرار گرفته است.

ادامه دارد…