در ستایش مردی که زیاد می‌دانست

احسان سنایی

«اینشتین یک غول بود؛ سرش میان ابرها، و پاهایش بر زمین. ما که تا بدین اندازه بلند نیستیم، باید یکی را انتخاب کنیم». این را پروفسور «ریچارد فاینمن»؛ از بزرگ‌ترین فیزیکدانان قرن بیست، و برنده‌ی نوبل فیزیک ۱۹۶۵ می‌گوید.

این‌ روزها دست‌نوشته‌های اینشتین طی تدوین نهایی فرضیه‌ی نسبیت عام، به نمایش عمومی درآمده تا در آستانه‌ی اعلام موفقیت جدیدترین و دقیق‌ترین آزمایش صورت‌پذیرفته برای اثبات آن، نگاهی به مفاهیم بنیادین جهان نسبی این دانشمند سرشناس داشته باشیم؛ غولی که در مواجهه‌ با سؤالات بی‌پایان مردم خیابان از فرضیه‌ی معروفش، همیشه می‌گفت: «من را ببخشید؛ همیشه با پروفسور اینشتین اشتباه گرفته می‌شوم!»

بخشی از دست‌نوشته‌های به‌نمایش‌درآمده‌ی اینشتین در حین تدوین نظریه‌ی نسبیت عمومی / عکس از دیوید سیلورمن

تفسیر ۴۶‌صفحه‌ای و دست‌نویس اینشتین از فرضیه‌ی نسبیت عمومی، که رفتار جهان بزرگ‌مقیاس‌مان را به دقیق‌ترین شکل ممکن پیش‌بینی و توصیف نموده، این روزها در دانشگاه «هبرو» شهر اورشلیم (بیت‌المقدّس) به نمایش عمومی درآمده است. این مقاله‌، شرحی است آسان و فراگیر بر تاریخچه‌ی پیدایش اندیشه‌ی جهان نسبی و مفاهیم بنیادین آن.

اساسی‌ترین اصل فرض نسبی بودن جهان را بایستی در مفهوم پراکنش «نور» و ماهیت این عنصر ناشناخته جست. از «ارسطو» تا «دکارت»، پراکندگی نور، آنی و فاقد سرعتی مشخص قلمداد می‌شد؛ اما چنین گفته‌ای همانند دیگر ادعاهای بی‌اساس علم باستان، با گام‌های بلند ریاضیدان و ستاره‌شناس نامدار ایتالیایی؛ «گالیلئو گالیله» در نیمه‌ی اول قرن هفدهم میلادی، منسوخ شد.

او در صفحه‌ی ۴۲ کتاب جنجال‌برانگیز «گفت‌وگویی بر دو منظومه‌ی بزرگ جهانی»، از زبان «سیمپلیسیو» (جانب‌دار منطق ارسطویی) آورده است:

«تجربیات روزمره نشان می‌دهد که انتشار نور، لحظه‌ای است؛ زمانی‌که شلیک توپی را از دور می‌بینیم، نورش بی‌معطلی به چشمانمان می‌رسد، اما صدایش پس از بازه‌ی قابل توجهی به گوش‌مان می‌رسد».

البته در اینجا جز انتشار سریع‌تر نور نسبت به صوت، گالیله نتیجه‌گیری قابل ملاحضه‌ای را در خصوص سرعت نور نکرده؛ اما در ادامه راهی را برای محاسبه‌ی احتمالی این سرعت پیشنهاد می‌دهد. او دو شخص فانوس‌به‌دستی که در فاصله‌ی دوری از هم قرار گرفته‌اند را تصور می‌کند.

فانوس‌ها پوشیده‌اند و اولی موظف است این پوشش را بردارد. به محض اینکه شخص اول از دریچه‌ی تلسکوپش نور فانوس دورتر را دید، او نیز می‌باید این عمل را تکرار کند تا هرگونه تأخیری بواسطه‌ی سیر نور – در صورت وجود – اثبات شود. آن‌ها می‌باید همین کار را برای فواصل دورتر و دورتر نیز امتحان کرده و بفهمند آیا چنین تأخیری افزایش یافته یا خیر. گالیله، خود مدعی است این آزمایش را برای فاصله‌‌ای کمتر از حتی یک مایل انجام داده و به نتیجه‌ای نرسیده است؛ اما مسلماً انگیزه‌ی پیگیری چنین ایده‌ای را برای فیزیکدانان بعدی فراهم آورده است.

نیم‌قرن بعد، ستاره‌شناس دانمارکی «اوله رومر» اولین تلاش موفق برای تعیین سرعت نور را در رصدخانه‌ی پاریس به ثمر رساند. او مداوماً به بررسی سیستماتیک گردش مداری «یو» (Io)؛ از چهار قمر برجسته‌ی مشتری، به گرد این سیاره می‌پرداخت و زمان دقیق اختفای گاه‌به‌گاهی آن را در پشت قرص مشتری به ثبت می‌رساند.

چندی نگذشت که او در بلندمدت به بروز تأخیرات منظمی در زمان اختفای یو پی برد و نشان داد این روند تا شش ماه ادامه یافته و از آن پس، سیر عقب‌گردی دارد که نهایتاً ۸ دقیقه زودتر از زمان پیش‌بینی‌شده اختفا رخ می‌دهد و بار دیگر این چرخه سر گرفته می‌شود.

رومر دریافت چنین تناوباتی را نمی‌توان به حرکت ذاتی یو نسبت داد؛ چراکه تغییرات دیده‌شده، در تناسب مستقیم با دوره‌ی زمانی دوری و نزدیکی زمین از مشتری بود؛ آنگونه که بیش‌ترین تأخیر، هنگام دورترین فاصله‌ی زمین از مشتری رخ می‌داد.

طرحی از الگوهای تداخلی امواج مکانیکی شامل صوت و نور (آنگونه که در قرن نوزده پذیرفته شده بود) به قلم توماس یانگ

رومر از محاسباتش دریافت که نور از زمان آغاز سفرش تا قطع مدار زمین، ۲۲ دقیقه را پیموده، که یقیناً این برآوردی فراتر از حقیقت بود؛ آنگونه که چندین سال بعد «ایزاک نیوتن» در فصل چهاردهم از جلد اول کتب معروفش، «پرینسپیا» آورده است:

«امروزه از رفتارهای اقمار مشتری که با رصدهای ستاره‌شناسان متفاوت به تأیید رسیده، ثابت شده که نور، متوالیاً - با سرعتی متناهی – پخش می‌شود و به هفت و یا هشت دقیقه زمان برای حرکت از خورشید به سوی زمین نیازمند است».

حال، مفهوم نور از پدیده‌ای ماورائی و غیرقابل‌ تحلیل، به جولانگاهی برای نظریه‌پردازی فیزیکدانان صاحب‌نام اواخر قرن ۱۷ اعم از نیوتن و «رابرت هوک» انگلیسی و «کریستین هویگنس» هلندی بدل شده بود. از سویی نیوتن ماهیت نور را به ذرات ریز و فوق‌سریع نسبت ‌داد و از سوی دیگر رابرت هوک و هویگنس، هر کدام مستقلاً ایده‌ی «ماهیت موجی نور» را ارائه دادند. اما هیچ‌کدام از این سه عملاً موفق به اثبات فرضیه‌ی خود نشدند.

بسط و تحلیل ایده‌ی نیوتن، با توجه به دانسته‌ها و ابزارآلات علمی موجود آن زمان، طبعاً امکان‌پذیر نبود؛ اما از آنجاکه شناخت متفکران هم‌عصر وی از صوت و طبیعت موجی‌اش نسبتاً پیشرفته‌ بود، دست‌کم می‌شد از گذرگاه صوت، ماهیت حقیقی نور را درک کرد. پس اگرچنانچه نور، آفریده‌ی افت‌وخیزهای محیط ناشناخته‌ای در فضاست، می‌توان انتظار تشخیص رخدادهای خاصی همچون «تداخل» را برای نور نیز داشت.

هنگامی‌که دو انگشت خود را همزمان به سطح آرام آب می‌زنید، امواج مدور و هم‌مرکزی از انتهای هر دو انگشت به بیرون انتشار می‌یابد. تداخل، اثر متقابل افت و خیزهای خروجی است که به ایجاد الگوهای خاصی بر سطح آب می‌انجامد؛ بطوریکه با برخورد دو قله‌ یا دو شکم، الگوی مربوطه تقویت می‌شود و در صورت برخورد یک شکم و یک قله، این دو همدیگر را خنثی نموده و هیچ‌گونه افت و خیزی در آن محل دیده نمی‌شود. در ۱۸۰۳ میلادی، دانشمند صاحب‌نام انگلیسی «توماس یانگ»، با بهره‌گیری از یک منبع نور و صفحه‌ای با دو روزنه موفق شد الگوهای تداخلی نور را عملاً به نمایش گذارده و اینچنین نظریه‌ی موجی بودن نور را به اثبات برساند.

اگر نور موجی مکانیکی است، پس طبعاً به محیط انتشاری نیز نیازمند است، همان‌گونه که انتشار صوت، وابسته به هواست. کریستین هویگنس برای نخستین بار این محیط ناشناخته را «اتر تابناک» (Luminiferous aether) نامید. اتر بایستی سرتاسر فضا را پر کرده باشد و نه‌تنها چگالی بسیار اندکی داشته باشد – چراکه در غیراینصورت سیارات بر اثر اصطکاک با آن تاکنون متوقف شده بودند – بلکه سختی آن برای تحمل امواج نوری با چنین سرعت سرسام‌آوری نیز باید اصولاً میلیون‌ها برابر فولاد باشد.

هماهنگ با پیشرفت شناخت دانشمندان از ماهیت نور، آزمایشات گوناگون نیز برآوردهای دقیق‌تری از سرعت نور می‌دادند. دقیق‌ترین عدد به دست آمده از محاسبات عملی سرعت نور، توسط فیزیکدان جوان آمریکایی؛ «آلبرت آبراهام مایکلسون» به دست آمد. اما چندی نپایید که با شناخت دقیق مؤلفه‌های ساختاری امواج نوری توسط فیزیکدان اسکاتلندی «جیمز کلرک ماکسول»، دقیق‌ترین تخمین از سرعت نور، به‌طور تئوری صورت پذیرفت.

طرحی شماتیک از آزمایش مایکلسون-مورلی

ماکسول، نور را حاصل ادغام دو موج الکتریکی و مغناطیسی دانست و با اتحاد اصول فیزیکی حاکم بر این دو شاخه از فیزیک، معادلات چهارگانه‌اش را برای توصیف رفتار نور ارائه داد. از آن پس نیازی به ارتقای آینه‌ها و تجهیزات اپتیکی دقیق برای محاسبات عملی بهتر از سرعت نور نبود؛ چراکه معادلات، خود این سؤال را پاسخ می‌گفتند. ماکسول نشان داد تمامی امواج الکترومغناطیسی – از جمله نور – سرعت ثابتی دارند؛ حال آنکه طبق مکانیک نیوتونی می‌بایست مشخص نمود این ثبات نسبت به چه مرجعی تعیین می‌شود. از این‌رو وی اتر را به‌عنوان چارچوب مرجعی جهانی و مطلق برای پراکنش امواج الکترومغناطیسی معرفی نمود.

مفهوم اتر اما هنوز در حد حدس گمان بود و صحت دانسته‌هایمان به اثبات وجود این چارچوب جهانی و یکپارچه بستگی داشت. چگونه می‌شد وجود اتر را به اثبات رساند؟

آلبرت مایکلسون آزمایشی هوشمندانه را برای تشخیص ردپای اتر ارائه داد. او فرض کرد اگر اتر همچون هوای درون یک اتاق باشد، آنگاه زمین در حین حرکتش به گرد خورشید، نوعی «باد اتری» را پیرامون خود ایجاد می‌کند. جهت این باد، طبعاً یکسویه است و از این رو اگرچنانچه آینه‌ای نیمه‌اندود-نیمه‌شفاف را با زاویه‌ی ۴۵ درجه نسبت به جهت حرکت زمین داشته باشیم و پرتو نوری را عمود بر جهت حرکت زمین به آن بتابانیم، آنگاه پرتو با گذر از آینه به دو پرتوی مجزا، یکی در جهت و دیگری عمود بر جهت حرکت باد اتری تقسیم می‌شود.

مایکلسون و مورلی، تأسیسات‌شان را آنچنان به آینه‌های گوناگون تجهیز نمودند که بدون کوچکترین تغییری در مسافت، هر دوی این پرتوها، بار دیگر به هم پیوسته و از دریچه‌ی یک روزنه که در جهت حرکت زمین قرار داشت، خارج شوند. طبیعتاً هیچ موضوع ویژه‌ای به‌جز انجام یک بازی پیچیده با نور در این آزمایش دیده نمی‌شود؛ اما در عمل انتظار می‌رود پرتویی که هم‌جهت با باد اتری بوده، دیرتر از پرتو دیگر به روزنه‌ی خروجی برسد، چراکه حین خروج پرتو از منبع، انعکاس چندباره‌ی آن میان آینه‌ها و نهایتاً ورودش به روزنه‌ی چشمی خروجی، اتر اندکی جابجا شده است. پس اصولاً با نگاه در چشمی باید این تأخیر را هر چند اندک تشخیص داد.

تجهیزات مایکلسون و مورلی با در نظرگرفتن سرعت چرخش زمین به دور خورشید طراحی شده بود و از این‌رو در صورت وجود باد اتری می‌بایست آن را بشود تشخیص داد؛ اما نتیجه منفی بود. آن‌ها احتمال دادند که اتر ممکن است همانند هوای محبوس درون یک واگن قطار، به همراه زمین کشیده ‌شود؛ پس ابزارآلات خود را به کوه‌های مرتفع انتقال داده و آزمایش را مجدداً انجام دادند، اما نتیجه بار دیگر منفی بود.

آزمایش مایکلسون- مورلی، با توجه به تأثیر ژرفی که بر دانسته‌های ما از مفاهیم بنیادین فیزیک داشت، معروف‌ترین آزمایش مردود تاریخ لقب گرفت.

در نهایت اما فیزیکدان جوانی به نام آلبرت اینشتین بود که به این تناقضات پاسخ گفت.

ادامه دارد ...