گرانش، از نیوتن تا اینشتین- بخش پنجم

اینشتین با سخت‌کوشی و بردباری کارش را پیگیری کرد و حق را برای دسترسی به موفقیت محفوظ نگه داشت تا این‌که در سال ۱۹۱۵ تئوری نسبیت عام خود را به تکامل رسانید. مانند نیوتون، اینشتین هم سرانجام یک فرمول ریاضی ارائه داد که با آن فرمول، نیروی جاذبه‌ در هر وضعیت قابل درک، می‌توانست اندازه‌گیری شود. اما فرمول اینشتین بسیار بدشوار بود و بر پایه‌ی یک فرضیه‌ی کاملاً متفاوت ابداع شده بود، یعنی بر وجود یک فضای چهاربعدی انعطاف‌پذیر.

نظریه‌ی نیروی جاذبه‌ی نیوتن، برای دو قرن قبل علم فیزیک کافی بود. بنابراین چرا دانشمندان علم فیزیک یک‌باره آن را رها کردند تا نظریه‌ی تازه‌ ابداع شده اینشتین را بپذیرند. نظریه‌ی نیوتن می‌توانست با موفقیت، عمل و رفتار هر چیزی را از قبیل افتادن سیب تا شلیک توپ تا ریزش باران پیش‌گویی نماید. اما تئوری اینشتین چه هدفی را دنبال می‌کرد؟

پاسخ به این سوال در طبیعت پیشرفت علم نهاده شده است. سعی و کوشش دانشمندان، خلق نظریه‌هایی است که بتواند پدیده‌های طبیعی را در حد امکان هرچه‌ دقیق‌تر توضیح داده و پیش‌گویی نماید. یک نظریه می‌تواند به مدت چند سال و یا چند دهه‌ و یا قرن‌ها با موفقیت عمل نماید، اما ممکن است که دانشمندان به تدریج نظریه‌ی بهتری را تکامل بخشیده و یا آن را با شرایط محیطی سازگاری دهند. یعنی آن نظریه‌ که بتواند در شرایط و وضعیت‌های گسترده‌تر کاربرد داشته باشد و یا نظریه‌ای که پدیده‌های ناگفته و ناشناخته را پیش‌گویی نماید. این در حقیقت آن چیزی است که در مورد منجمین نخستین و دریافت آن‌ها از وضعیت زمین در جهان، رخ داد.

اینشتین اطمینان داشت که او برای تجهیزکردن علم فیزیک یا یک نظریه‌ی پیشرفته‌ مانند نظریه‌ی گرانش نیوتنی، در حال فعالیت است. نظریه‌ای که دقیق‌تر و نزدیک‌تر به واقعیت بود. به ویژه‌، اینشتین تردید داشت از این‌که تئوری نیوتن درباره‌ی نیروی جاذبه ممکن است در بعضی از شرایط کارآیی نداشته باشد و در عوض نظریه‌ی خودش در هر وضعیتی موفق باشد. طبق نظریه‌ی اینشتین، تئوری نیوتن در پیش‌گویی پدیده‌ها و وضعیت‌هایی که نیروی جاذبه شدید بود، نتایج غلط در بر داشت. اینشتین برای اثبات درستی نظریه‌اش، مجبور بود یک وضعیت نیروی جاذبه‌ی شدید را بیابد و هر دو نظریه‌ی خود و نیوتن را درباره‌ی نیروی جاذبه در آن بیازماید. هر نظریه‌ای که با دقت بیشتری‌ می‌توانست به واقعیت برسد،‌ در این مقایسه خود را به عنوان نظریه‌ی واقعی نیروی جاذبه نشان می‌داد.

مشکل اینشتین این بود که در هر وضعیتی در زمین، میزان نیروی جاذبه یکسان است و در این شرایط هر دو نظریه‌ی او و نیوتن به طور یکسان موفق بودند. سرانجام وی به این نتیجه رسید که می‌بایست برای یافتن محیطی با نیروی جاذبه‌ی شدید که ممکن است نظریه‌ی نیوتن را نقض کند، به بیرون از زمین یعنی به فضا بنگرد. او به ویژه می‌دانست که خورشید میدان مغناطیسی نیرومندی دارد و این‌که سیاره‌ای در نزدیک‌ترین نقطه‌ به خورشید باشد،  نیروی جاذبه‌ی بسیار بالایی را احساس می‌کند. که این سیاره عطارد است. اینشتین به دنبال این بود که آیا نیروی جاذبه‌ی خورشید به اندازه‌ای قوی است تا سبب شود سیاره‌ی عطارد خلاف تئوری نیروی جاذبه‌ی نیوتون عمل کند و در عوض کاملاً موافق نظریه‌ی خود او باشد؟!

در ۱۸ نوامبر ۱۹۱۵، اینشتین در مقابل آزمایشی که به دنبالش بود،‌قرار گرفت. یک نوعی رفتار ستاره‌ای که منجمین را برای دهه‌ها شگفت‌زده کرده بود. صحنه‌‌ی این بررسی بود که توجه او را به خود جلب کرد.

در ۱۸ نوامبر ۱۹۱۵، اینشتین در مقابل آزمایشی که به دنبالش بود،‌قرار گرفت. یک نوعی رفتار ستاره‌ای که منجمین را برای دهه‌ها شگفت‌زده کرده بود. صحنه‌‌ی این بررسی بود که توجه او را به خود جلب کرد.

اگر به سال ۱۸۹۵ برگردیم، در می‌یابیم که منجم فرانسوی به نام اوربین لووریر یک فاصله‌ی شکسته را در مدار سیاره‌ی عطارد مورد تجزیه و تحلیل قرار داده بود. این سیاره دارای یک مدار بیضی شکل است، اما به جای اینکه این مدار بیضی‌شکل ثابت باشد، خود آن بیضی به دور خورشید می‌پیچید. (به شکل توجه کنید).

مدار بیضی‌ شکل که به دور خورشید پیچ می‌خورد، شکل و الگویی که به اسپیروگراف‌های قدیمی، (تنفس‌سنج) شبیه است، به دنبال خود بر جای می‌گذارد. پیچش به دور خورشید بسیار کم و در حدود ۷۵۴ آرک در ثانیه در هر صد سال می‌باشد و یک میلیون مدار و بیش از دویست‌ هزار سال طول می‌کشد تا سیاره‌ی عطارد مسیر دایره‌ای خود را به دور خورشید کامل نماید و به مسیر اصلی مداری شکل خود برگردد.

منجمین چنین فرض کرده بودند که رفتار مخصوص سیاره عطارد در نتیجه‌ی کشش نیروی جاذبه‌ی سیارات دیگر منظومه‌ی شمسی که به مدار آن وارد می‌آید، اما وقتی‌که لووری‌یر (Urbain Le Verrier) از فرمول نیوتن برای جاذبه استفاده نمود، او دریافت که ترکیبی از تأثیرات سیارات دیگر می‌تواند فقط برای ۵۳۱ آرک ثانیه از ۵۷۴ آرک ثانیه که در هر صد سال پدید می‌آمد، به حساب آید، به این معنی که مقدار ۴۳ آرک ثانیه از پیچش سیاره‌ی عطارد به دور خورشید نادیده گرفته شده و به حساب نیامده بود.

طبق نظریه‌ی برخی از دانشمندان،‌ می‌بایست اثر یک نیروی اضافی و رویت‌نشده اصلی بر روی مدار سیاره‌ی عطارد وجود داشته باشد که سبب نادیده گرفتن آن ۴۳ آرک ثانیه چرخش بوده باشد. مثلاً می‌توان تأثیر حاصل از یک خرده سیاره و یا تأثیر حاصل از یک قمر شناخته نشده سیاره عطارد را در این مورد در نظر گرفت. بعضی از دانشمندان حتی چنین بیان می‌داشتند که وجود یک سیاره‌ی تاکنون شناخته نشده‌‌ای که به والکان (Vulcan) مشهور است و در محدوده‌ی مدار سیاره‌ی عطارد قرار دارد، سبب این مقدار ۴۳ آرک ثانیه چرخش بوده باشد. منجمین فرض می‌کردند که فرمول نیروی جاذبه‌ی زمین درست است و این مشکل باید به دلیل ناتوانی خودشان برای قرار دادن تمامی عوامل لازم در آن فرمول بوده باشد. هنگامی که آن‌ها،  آن خرده سیاره‌های  جدید بین مریخ و مشتری را کشف نمودند که شکل یک ماه و یا یک سیاره را داشت، آن‌ها انتظار داشتند که با اندازه‌گیری دوباره، همان پاسخ درست ۵۷۴ آرک ثانیه را به دست آورند.

اینشتین به هر حال مطمئن بود که هیچ خرده سیاره‌ی کشف نشده‌ای یا هیچ قمر و یا هیچ سیاره‌ای دیگر وجود نداشت و مطمئن بود که مشکل در فرمول نیروی جاذبه‌ی نیوتن نهفته است.

نظریه‌ی نیوتن در توصیف این که در وضعیت نیروی کمتر جاذبه‌ی زمین، چه چیزی رخ می‌دهد، خوب عمل می‌کرد. اما اینشتین مطمئن بود که نیروی جاذبه‌ی شدیدی که در نزدیکی خورشید یافت می‌شود، خارج از درک نیوتن بود. این مورد، زمینه‌ای کامل برای مقایسه آن دو نظریه‌ی نیوتن و اینشتین در مورد نیروی جاذبه بود و اینشتین کاملاً مطمئن بود که نظریه‌ی خود او پیچ‌خوردگی‌ سیاره‌ی عطارد را به روشنی به حساب می‌آورد.

او محاسبات لازم را با استفاده از فرمول خودش انجام داد و نتیجه‌ی آن اندازه‌ی همان ۵۷۴ آرک ثانیه بود که دقیقاً با مشاهداتش یکسان بود. اینشتین آنگاه چنین گفته بود:

«  پس از این موفقیت، چند روزی را به تنهایی با هیجانات شادی‌آور خودم به سر می‌بردم».

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