گرانش، از نیوتن تا اینشتین- بخش چهارم

قانون نیروی جاذبه‌ی نیوتن، بیش از دویست سال حاکم بر علم نجوم بود. دانشمندان با استفاده از این قانون، فرض می‌کردند که دیگر مشکل نیروی جاذبه حل شده است. آن‌ها برای توضیح هرچیزی از این فرمول استفاده می‌کردند. اما نیوتون خودش تردید داشت از این‌که دریافت او از جهان کامل باشد. او احساس می‌کرد که درک ناقصی را از جهان اطرافش دارد و چنین می‌گفت:
«« من نمی‌دانم از نظر جهان، چگونه کسی هستم. اما از نظر خودم می‌پندارم که تنها مانند پسر کوچکی هستم که در ساحل به بازی مشغولم و گهگاه خودم را برای یافتن قطعه‌ای سنگ صاف‌تر و یا یک صدف قشنگ‌تر از صدف معمولی به این طرف و آن طرف می‌برم، در حالی‌که اقیانوس بی‌کران از واقعیت‌های ناشناخته در مقابل چشمان من گسترده شده است.»

و این آلبرت اینشتین بود که پیش از همه دریافت چیزی بیش از آن‌چه نیوتن پنداشته بود، در نیروی جاذبه وجود دارد. او پس از نوشته رساله‌ی خود در سال ۱۹۰۵، همه‌ی توجه و تمرکزش را برای توسعه و تکامل نظریه‌ی نسبیت خاص، به نظریه‌ی نسبیت عام به کار گرفت. در این کوشش، او با تغییر اساسی و متفاوتی که بر اساس یک درک و بینش کاملا متفاوت قرار داشت، چگونگی عمل نیروی جاذبه بین سیارات، قمرها و … بیان کرد.

اینشتین پس از نوشته رساله‌ی خود در سال ۱۹۰۵، همه‌ی توجه و تمرکزش را برای توسعه و تکامل نظریه‌ی نسبیت خاص به نظریه‌ی نسبیت عام به کار گرفت. در این کوشش، او با تغییر اساسی و متفاوتی که بر اساس یک درک و بینش کاملا متفاوت قرار داشت، چگونگی عمل نیروی جاذبه بین سیارات، قمرها و … بیان کرد.

موضوع اصلی و مرکزی تجزیه و تحقیق جدید اینشتین، کشف این حقیقت بود که هم فاصله و هم زمان هر دو دگرگون‌پذیر می‌باشند. این کشف نتیجه‌ی تئوری اصل نسبیت خاص بود.

زمان تغییر‌پذیر است، همان‌گونه که سه بعد فضا (طول و عرض و ارتفاع)،‌تغییرپذیرند. تغییرپذیری فضا و زمان در ارتباط با یکدیگرند. این وضعیت، اینشتین را به دریافت یک ماهیت تغییرپذیر واحدی که به عنوان فضای چهاربعدی شناخته می‌شود، هدایت نمود و این گونه ثابت شد که تغییرپذیری فضای چهاربعدی بر اثر وجود نیروی جاذبه است.

ظهور تغییرپذیری فضای چهاربعدی یک خطای ذهنی است. اما در ادامه، روش آسانی برای تصور فلسفه‌ای اینشتین درباره‌ی تأثیر نیروی جاذبه در فضای چهاربعدی فراهم می‌سازد.

فضای چهاربعدی، چهاربعد دارد. سه بعد فضا و یک بعد زمان. برای موجودات ملاحظه‌ی دو بعد فضا معمولاً آسان‌تر است. فضای چهاربعدی تقریباً مانند یک قطعه پارچه‌ی کش‌دار است. یک پارچه‌ی مشبک. اگر جسمی روی این پارچه قرار نگیرد، مسطح و بدون هیچ‌گونه خمیدگی است. این وضعیت نشان‌دهنده‌ی یک فضای دو بعدی است. اما اگر جسمی بر روی این پارچه (یا همان سطوح فضا) قرار گیرد، آشکارا و به‌طور جدی تغییر شکل می‌دهد. می‌توانیم به جای پارچه، یک تور و توپ بولینگ تصور کنیم. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، خمیدگی و فرورفتگی در تور بیشتر می‌شود.

توپ بولینگ را خورشید و توپ تنیس را زمین فرض کنید.

فرض می‌کنیم یک توپ بولینگ را روی تور قرار می‌دهیم. توپ در تور فرورفتگی ایجاد می‌کند. حال اگر از دور یک توپ تنیس را به سمت این فرورفتگی بفرستیم، به نظر می‌رسد که توپ تنیس به دور آن به حرکت در می‌آید. توپ تنیس نیز در واقع فرورفتگی کوچک خود را در سطح تور ایجاد می‌کند و این فرورفتگی را به خود به اطراف تور می برد. اگر ما می‌خواستیم که مثلاً‌ کره‌ی ماه را مدل قرار دهیم، در این حال می‌توانستیم یک گلوله‌ی صاف مرمری را به درون فرورفتگی حاصل از توپ تنیس در تور، به سرعت به حرکت درآوریم و آن را در حالی‌که توپ تنیس و فرورفتگی حاصل از آن در اطراف حفره‌ای که توسط توپ بولینگ ایجاد شده با سرعت به دور توپ تنیس به دوران درآوریم.

اما در عمل هر کوششی برای نمونه‌ قراردادن یک فرضیه‌ی پیچیده بر روی تور خیلی زود به شکست می‌انجامد. زیرا تور پارچه‌ای، اصطکاک طبیعی اشیا‌ء را تحت تأثیر قرار می‌دهد. با این وجود اینشتین می‌گفت که دقیقاً همین انواع از تأثیرات تور در واقع در سطح فضای چهاربعدی اتفاق می‌افتد.

طبق نظریه‌ی او، هرگاه دانشمندان علم فیزیک و منجمین شاهد پدیده‌هایی بودند که درگیر نیروی جاذبه است، آن‌ها در حقیقت، اجسامی را مشاهده می‌کردند که نسبت به خمیدگی فضای چهاربعدی عکس‌العمل نشان می‌دادند. برای مثال نیوتون گفته بود که افتادن سیب به طرف زمین به دلیل نیروی جاذبه است. اما اینشتین اکنون احساس می‌کرد که درک عمیق‌تری از آن‌چه توجه‌اش را جلب می‌کرد، دارد. به نظر او سیب به این دلیل به سوی زمین می‌افتاد که به داخل یک فرورفتگی عمیق در فضای چهاربعدی که توسط جرم زمین حاصل شده است،‌ فرو می‌افتاد.

حضور اجسام در فضای چهاربعدی، وجود یک ارتباط درونی دوطرفه را ثابت می‌‌کند. شکل فضای چهاربعدی حرکت اشیاء را تحت تأثیر قرار می‌دهد و در همین حال، آن اجسام خودشان شکل فضای چهاربعدی را تعیین می‌نمایند. به بیان دیگر، حفره‌های درون فضای چهاربعدی که خورشید و دیگر سیارات را در مسیرهای خود هدایت می‌کنند، توسط همان خورشید و همان سیارات پدید آمده‌اند.

جان ویلر (John Wheeler) یکی از دانشمندان مشهور فرضیه‌ی نسبیت قرن بیستم، این نظریه‌ را به این بیان خلاصه نمود:

«« ماده به فضا می‌گوید که چگونه خم شود. فضا به ماده می‌گوید که چگونه حرکت کند.»

گرچه ویلر دقت را قرانی خلاصه‌گویی کرد، اما در عین حال گفته‌ی او هنوز خلاصه‌ای جامع از کل نظریه‌ی اینشتین است. ممکن است که نظریه‌ی فضای چهاربعدی، انعطاف‌پذیر و نظریه‌ای بی‌دوام به نظر برسد. اما اینشتین بر این باور بود که این نظریه درست است. با توجه به عقاید زیباگرایانه‌ی خود اینشتین، رابطه‌ای میان فضای چهاربعدی انعطاف‌پذیر و نیروی جاذبه، می‌بایست که رابطه‌ای درست بوده باشد. او می‌گفت:

«« وقتی من درباره‌ی یک نظریه قضاوت می‌کنم، از خودم می‌پرسم اگر من خدا بودم آیا جهان را با همین نظم و ترتیب می‌آفریدم؟»

به هرحال اینشتین مجبور بود تا بقیه‌ی جهان را قانع کند که نظریه‌اش درست است. او می‌بایست فرمولی را ارائه می‌داد که بتواند نظریه‌ی او را در خود جای دهد. بزرگترین چالش و خواسته‌ی او، تبدیل نظریه‌ی نسبتاً گنگ و نامفهوم فضای چهاربعدی و نیروی جاذبه به یک نظریه‌ی رسمی، اصل نسبیت عام بود که بتواند در یک قالب ریاضی دقیق قرار گیرد.

یک دوره‌ی هشت‌ ساله‌ی تحقیق نظری لازم بود تا اینشتین بتواند با استدلال ریاضی و توضیح جزء به جزء،‌ تجربه‌ی ذهنی‌اش را قوت و استحکام بخشد که در طی این دوره، او عقب‌ماندگی‌هایی را نیز تحمل نموده و مجبور می‌شد تا شاهد مواقعی باشد که به نظر می‌رسید محاسباتش از هم پاشیده می‌گشت و او مجبور می‌شد هر بار با دقت بیش‌تر محاسبات خود را از سر بگیرد. تلاش و کوشش هوشیارانه و فراوان، اینشتین را به شدت عصبی می‌کرد. وضعیت روحی و فکری او در آن هنگام و اندازه‌ی یأس و نا امیدی‌اش،‌در اظهارنظرهای کوتاهی که در این سال‌ها در نامه‌هایی که به دوستانش می‌نوشت، معلوم و آشکار است. زمانی او، در نامه‌ای، به مارسل گروسمن (Marcel Grossman) چنین نوشت:

«« باید به من کمک کنی، در غیر این صورت دیوانه می‌شوم.»»

او به دوست دیگری به نامه پل‌ ارنفست (Paul Ehrenfest) چنین گفت:

«« کارکردن درباره‌ی اصل نسبیت مانند تحمل بارانی از آتش و شعله است.»»

در نامه‌ای دیگر او نگرانی‌اش را چنین بازگو کرده بود که فعالیتش در مورد نیروی جاذبه او را در معرض خطر دیوانگی و بستری شدن قرار داده است.

جرأت لازم خطرکردن برای ورود به حیطه‌ی روشن‌فکری نامحدود، نمی‌تواند دست کم گرفته شود و بی‌ارزش به شمار آید. در سال ۱۹۱۳، ماکس‌ پلانک، اینشتین را در مورد کار بر روی تئوری نسبیت عام هشدار داد و به او چنین نوشت:

«« به عنوان یک دوست قدیمی، باید تو را در این مورد هشدار دهم. زیرا اولاً تو در این کار موفق نخواهی شد و حتی اگر هم موفق شوی، کسی تو را باور نخواهد کرد.»»

نفل از Physics -Bigbangpages

گرانش، از نیوتن تا اینشتین: بخش اول، بخش دوم، بخش سوم، بخش چهارم، بخش پنجم، بخش ششم، بخش هفتم، بخش هشتم، بخش نهم، بخش دهم

عطف به عتف - نگاهی به پژوهش و ISI در ایران

امید عمومی - نامه به ریاست جمهوری

مرز بین ایمان و تجربه  

نامه سرگشاده به حضرت آیت الله هاشمی رفسنجانی

آخرین مقالات