فلسفه و تاریخ علم مقالات

یک قرن پس از نسبیت عام؛ چگونه اینشتین دنیای فیزیک را تکان داد؟

انیشتین و نظریه نسبیت
نوشته شده توسط عرفان کسرایی

دنیایی که هر روز با آن سر و کار داریم؛ دنیای زندگی روزمره؛ دنیایی که در آن در ایستگاه قطار منتظر می مانیم؛ تنیس روی میز بازی می کنیم و یا پیاده روی می کنیم دنیای فیزیک نیوتنی است.
دنیایی که در آن ظاهرا زمان مستقل از فضاست. مختصات سه بعدی فضا  برایمان قابل ادراک است ؛ به انضمام بعد زمان که تنها یک جهت دارد و از فرط ابهام و پیچیدگی؛ ذهن بسیاری از فیزیکدانان و فیلسوفان را به خود مشغول کرده است. هم فضا و هم زمان و درک ماهیت آن از دیرباز علامت سوال بزرگی برای دانشمندان بوده است. ما هنوز نمی دانیم وقتی که زمان می  گذرد در واقع چه چیزی دارد می گذرد؟ باری! در همین دنیای پیچیده گاهی فیزیک نیوتنی از پس تبیین و توضیح رویدادها بر نمی آید. این درست همانجایی است که فیزیک نسبیت پا به میدان می گذارد. پدیده هایی با گرانش بسیار بالا یا سرعت های نزدیک به سرعت نور .
شاید در طول تاریخ علم هیچ معادله ای را نتوان پیدا کرد که به اندازه E = mc² شهرت جهانی پیدا کرده باشد.
حتی افرادی که کمترین اطلاعی از فیزیک ندارند هم ممکن است پوستر ابر قارچی شکل حاصل از انفجار بمب اتمی را دیده باشند که در حاشیه آن معادله نسبیت با دستخط اینشتین نوشته شده است. البته این دیدگاه اشتباه است و در واقع اینکه E = mc² قاعده حاکم بر انفجار بمب اتمی است؛ صحیح نیست. به عبارت دقیق تر این کاهش جرم است که به دلیل آزاد شدن انرژی اتفاق می افتد نه اینکه کاهش جرم منجر به آزاد شدن انرژی شده باشد.
فارغ از همه اینها نسبیت عام یکی از بزرگترین تحولات اخیر علمی بشر در تمامی تاریخ است. نسبیت اینشتین؛ دیدگاه و فهم ما از ماهیت زمان یا فضا را به صورت بنیادینی تغییر داده است.
«کارل پوپر»، فیلسوف علم می‌گوید: «نسبیت عام به اعتقاد من یکی از بزرگ‌ترین انقلاب‌های علمی است که تاکنون به وقوع پیوسته است؛ زیرا با بزرگ‌ترین و بهترین نظریه‌ای که تا آن زمان مورد تأیید تجربی قرار گرفته بود، یعنی نظریه نیوتن درباره جاذبه و منظومه ‌شمسی درگیر شد».
جالب است بدانیم با وجود اینکه عمده شهرت «اینشتین» بابت ارائه نظریه نسبیت است، اما او جایزه نوبل سال ١٩٢١ فیزیک را نه بابت این نظریه، بلکه برای توضیح پدیده فوتوالکتریک دریافت کرد.

آیا نظریه نسبیت اینشتین با توضیح هندسی قابل فهم است؟
زمانی که صحبت از نظریه نسبیت می شود، مقصودمان در واقع دو نظریه نسبیت خاص است و همچنین نظریه نسبیت عام. نسبیت خاص که ١٠ سال پیش از نظریه نسبیت عام مطرح شده بود، سینماتیک نیوتنی را به کناری می گذاشت و در واقع به جای تبدیلات گالیله، تبدیلات لورنتس را قرار می داد، اما در نسبیت عام که در حقیقت بر مبنای یک طرح هندسی بنا شده بود، گرانش مانند مفهوم جاذبه در فیزیک نیوتنی، نیرو محسوب نمی شد، بلکه معلول خمیدگی فضازمان بود. ١٠ سال پیش از انتشار نسبیت عام اینشتین یعنی در سال ‌١٩٠۵ ؛ هانری پوانکاره ، در کتاب علم و فرضیات Science and Hypothesis نوشت: فرض کنید فیزیک‌دانان کشف کنند ساختار فضا با هندسه اقلیدسی اختلاف دارد.
دو راه پیش پای فیزیک‌دانان باقی می‌ماند؛ آنها یا باید هندسه نااقلیدسی را بپذیرند و از قوانین جدیدی استفاده کنند یا فضای اقلیدسی را دست‌ نخورده نگاه داشته و نیروهای جدیدی وارد نظریه‌های خود کنند. پوانکاره معتقد بود فیزیکدانان ترجیح می دهند هندسه اقلیدسی را حفظ کنند. از نظر تاریخی ؛ پوانکاره از فضای پیچیده نااقلیدسی که اینشتین چندی پس از آن پیشنهاد کرد اطلاعی نداشته است و آنطوری که رودولف کارناپ فیلسوف علم در فصل ۱۵ کتاب مبانی فلسفی فیزیک می نویسد؛ پوانکاره احتمالا تنها فضاهای نااقلیدسی ساده تر با انحنای ثابت را در نظر داشت و الا او احتمال کمتری می داد که فیزیکدانها هندسه اقلیدسی را کنار بگذارند. درک نظریه پوانکاره بسیار مهم است چون به کمک آن می توان دریافت که نسبیتاینشتین چگونه ساخته شده است. هرمان هلمهولتز Hermann von Helmholtz چند دهه پیش از پوانکاره معتقد بود که حق با گاوس Carl Friedrich Gauß  بوده که می گفته ساختار هندسی فضا؛ تجربی است. هلمهولتز پیشنهاد کرده بود که یک جهان دوبعدی را تصور کنیم که در آن ؛ موجودات دو بعدی به این سو و آن سو در حرکت اند و با اشیاء برخورد می کنند. موجودات و همه اشیاء این جهان کاملا مانند موجودات دوبعدی افسانه  (سرزمین مسطح) اثر ادوین آبوت Edwin Abbot مسطح هستند. این موجودات نه بر روی یک صفحه بلکه بر سطح یک کره زندگی می کنند؛ کره ای که نسبت به جثه آنها غول آسا محسوب می شود. تصور کنید این موجودات به اندازه مورچه باشند و کره آنها به بزرگی زمین . یعنی به قدری بزرگ که آنها نمی توانند آن را دور بزنند. به بیان ساده تر  حرکت این موجودات فرضی محدود به ناحیه کوچکی از سطح کره است. پرسش اصلی این است که آیا این موجودات قادرند ؛ با اندازه گیری داخلی در سطح دو بعدی شان ؛ کشف کنند که روی یک صفحه قرار دارند یا روی یک کره؟ هلمهولتز به این پرسش چنین پاسخ می دهد که آری! این کار کاملا شدنی است. اینها می توانند یک مثلث خیلی بزرگ بسازند و زوایای آن را اندازه گیری کنند و اگر مجموع زوایای داخلی از ۱۸۰ درجه بیشتر شد متوجه خواهند شد که روی سطحی قرار دارند که انحنای آن مثبت است. بنابراین گاوس درست فکر می کرد که می تواند با اندازه گیری تعیین کند که فضای سه بعدی ما دارای انحنای مثبت است یا منفی.
اگر تصور کنیم فضای ما در جهانی با ابعاد بالاتر قرار دارد؛ آنگاه می توان از خم یا انحنای واقعی فضا سخن گفت چون این فضا از دید موجودات چهاربعدی منحنی به نظر می رسد. فرض کنید در آن جهان ؛ دو فیزیکدان P1 و  p2 وجود دارند که فیزیکدان P1 به نظریه T1 معتقد است و می گوید ناحیه ای که آن موجودات در آن زندگی می کنند بخشی از یک سطح کروی S1  است. در مقابل؛ فیزیکدان p2 به نظریه T2 معتقد است و می گوید که آنها روی یک سطح صاف S2 زندگی می کنند. فیزیکدان p2 می گوید که این جهان یک صفحه است ؛ اما مساله بر سر این است که اجسام در چنین جهانی به نحوی کاملا قابل پیش بینی در حین حرکت منبسط و منقبض می شوند؛ مثلا وقتی به نواحی مرکزی S2  سفر می کنند طولانی تر و وقتی از این ناحیه مرکزی دور شدند کوتاه تر می شوند. این دو فیزیکدان چطور می توانند تصمیم بگیرند که کدام درست می گوید؟ پاسخ این است که شیوه ای برای این تصمیم وجود ندارد هر دو فیزیکدان در جهان خود محبوسند ؛ آنها اصلا نمی توانند تصمیم بگیرند که کدام نظریه درست است. به همین دلیل پوانکاره می گوید این سوال را که چه کسی درست می گوید نباید مطرح کرد. این دو نظریه چیزی نیست به جز دو روش مختلف در توصیف یک جهان.
شاید بتوان گفت که درک آنچه پوانکاره از معادل بودن مشاهداتی نظریه های اقلیدسی و نااقلیدسی فضا گفته پیش شرط درک ساختار فضا در نظریه نسبیت اینشتین است.  طبق نظریه نسبیت اینشتین ؛ فضا دارای ساختاری است که در میدان های جاذبه از هندسه اقلیدسی خارج می شود.
کتابهای عامیانه بسیاری در باره نظریه نسبیت اینشتین نوشته شده است و رودولف کارناپ فیلسوف علم معتقد است که گاهی این کتاب ها گزاره های گمراه کننده ای دارند. در جایی ممکن است بگویند که : نظریه اینشتین بیان می دارد که ساختار فضا  در میدان جاذبه نااقلیدسی است و در جایی دیگر بگویند طبق نظریه اینشتین میله ها در میدان جاذبه کوتاه می شوند (انقباض لورنتس) . اما این دو گزاره با هم سازگار نیستند و در عین حال نمی توان گفت که یکی اشتباه است. در واقع هر دو بیان درست است اما این دو اظهار به دو زبان مختلف تعلق دارد. به عبارت دیگر باید روشن ساخت که با کدامیک از این دو زبان  در توضیح نظریه نسبیت طرفیم. اگر می خواهیم به زبان اقلیدسی صحبت کنیم این سخن که یک میله در میدان جاذبه منقبض می شود صحیح است . از طرفی می توان یک بیان نااقلیدسی به کار برد ؛ اما دیگر در این صورت مجاز نیستیم که از انقباض سخن بگوییم. هر یک از این دو بیان شیوه متفاوتی برای سخن گفتن درباره میدان های جاذبه دارد و در هم آمیختن این دو بیان می توان به مغشوش شدن توضیح و گیج شدن ذهن مخاطب بیانجامد.

LISA Pathfinder - رهیاب لیسا
یکصد سال پس از نسبیت عام؛
رهیاب لیسا راه را برای ردیابی امواج گرانشی هموار می‌کند…

درباره نویسنده

عرفان کسرایی

کسرایی، عضو انجمن فلسفه علم آلمان و پژوهشگر مطالعات علم و فناوری در دانشگاه کاسل است
زمینه های پژوهشی او عبارتند از:
-فلسفه فیزیک؛ منطق مدلسازی در ریاضیات مهندسی
-ارتباطات علم و جامعه شناسی شبه علم در ایران
-تاریخ فیزیک مدرن در قرن بیستم

دیدگاه شما چیست