نظریه نسبیت انشتین
اورستد در سال 1820دریافت که عبور برق از سیم هم می تواند در اطراف خود ایجاد جاذبه نماید و عقربه قطب نما را منحرف کند.
برعکس این پدیده هم ممکن است و فاراده نشان داد که می توان از نیروی مغناطیس برق گرفت. بدین ترتیب تلفیق دو نیروی الکتریکی و مغناطیسی به پیدایش مفهوم الکترومغناطیس انجامید و مخترعان دنبال ساختن مولدهای برق رفتند.
فاراده متوجه شد که جاذبه ی اطراف الکتریسیته و مغناطیس، دارای خطوط منظمی(خطوط نیرو) است و به این نتیجه رسید قبل از برداه های آهن، این خطوط آنجا هستند.
فاراده متوجه شد که انتقال نیروی مغناطیسی از جسمی به جسم دیگر نیازمند زمان و تدریجی است.
25 سال بعد مکسول این خطوط را میدان الکتریکی و مغناطیسی نامید و یافته های فارادی را به شکل ریاضی فرموله کرد. به علاوه ثابت کرد این میدان ها با سرعت نور و به شکل امواج در فضا منتشر می شوند و این کشف الهام دهنده اختراع رادیو توسط مارکونی شد. یعنی نور هم یک پدیده الکترومغناطیسی است که سرعت معینی دارد، در حالی که نیوتن گمان می کرد انتقال نور آنی است و نیاز به زمان ندارد. بدین ترتیب سه نیروی الکتریکی و مغناطیسی و نورانی در هم ادغام شدند.
اما نور چگونه جابه جا می شود؟ "آلبرت دخل" معتقد بود که محملی به نام اتر(اثیر) حامل نور است. حدود چهل سال فیزیک دانان به وجود چنین حاملی باور داشتند.
در 1887 آزمایشات مورلی و مایکلسون نشان داد حرکت زمین در فضا، نیازی به محملی به نام اتر ندارد. مایکلسن با اختراع یک تداخل سنج، به دنبال ردپای اتر گشت و چیزی نیافت. ما می توانیم غلظت و فشار هوا را اندازه گیری کنیم در حالی که در مورد اتر چنین امکانی وجود نداشت.
انشتین از آزمایش مایکلسون در صورت بندی نظریه اش استفاده نکرد، اما با نبوغ و شهودات خود به عدم وجود اتر رسیده بود و بی آن که آن را ثابت کند بدان و به شهودات خود تکیه کرده بود. چنان که نتایج آزمایش کسوف خورشید در 1919 توسط آرتور ادینگتون نیز نظریه نسبیت عام او را اثبات کرد.
این بدان معنی است که شهود بخشی از علم است که بدان نبوغ می گوییم. نبوغ یعنی دریافتن و دیدن چیزی که دیگران نمی بینند و در نمی یابند ولی بعدها با کمک ماشین حساب و کامپیوتر و اختراعات دیگر بدان پی می برند.
نسبیت خاص:
هر حرکت یکنواختی نسبی است و نسبت به نقطه ای بیرونی محسوس می شود. قایق نسبت به حرکت رود متحرک است. سکون و حرمت نسبی اند. وقتی که می گویم جسمی ساکن است باید بپرسیم نسبت به چه؟
زمین بهترین مثال برای دستگاه های ماندی است ما حرکت زمین به دور خود با سرعت هزار کیلومتر و گردش به در خورشید با سرعت صدهزار کیلومتر را حس نمی کنیم و احساس سکون داریم.
نفی سکون مطلق قبلأ توسط گالیله ثابت شده بود. اصل ماند یا اینرسی می گفت هر جسمی اگر تحت تاثیر نیروی جدیدی قرار نگیرد در وضعیت فعلی خود می ماند. این کشف گالیله، نظریه نیروی ارسطو را زیر سوال می برد که معتقد بود هر حرکتی به محرکی و نیرویی نیاز دارد که باید از خارج بدان وارد شود و یکی از استدلال های ارسطو برای اثبات وجود خدا هم بود.
انشتین تحت تاثیر ارنست ماخ(1838- 1919) منکر فضای مطلق نیوتنی شد و در نتیجه وجود چنین محملی را منتفی دانست.
به این ترتیب انشتین به ثابت نور رسید و آن را پیش فرض خود قرار داد. نور برخلاف صوت نیاز به حامل و محیط انتشار ندارد و همچنین سرعتش بستگی به سرعت ناظر و سکون یا تحرک او ندارد. اگر یک لامپ روشن و یک زنگ الکتریکی در زیر یک سرپوش قرار گیرند و سپس هوای این سرپوش تخلیه شود، به تدریج صدای زنگ خاموش می شود ولی نور لامپ کم نمی شود و این نشان می دهد انتشار نور نیازی به حامل ندارد.
سرعت نور و صوت در اجسام کاهش می یابد ولی بعد از خروج با همان سرعت ادامه می یابد.
اگر سرعت نور ثابت باشد، دیگر مفهوم زمان مطلق که نیوتون مطرح کرده بود، صحیح نخواهد بود. در عوض، زمان برای ناظران مختلف که نسبت به هم حرکت میکنند، متفاوت خواهد بود. این مفهوم به اتساع زمان time dilation منجر شد. همچنین، ابعاد اجسام نیز برای ناظران مختلف، بسته به سرعت نسبی آنها، تغییر میکند. این مفهوم به انقباض طول length contraction معروف است.
این نظریه بعدها توسط آزمایشهای متعددی مورد تأیید قرار گرفت.
پسوند "خاص" برای این نظریه از آن جهت است که این نظریه فقط در مورد حرکت مستقیم و موازی سخن می گوید و نه حرکات پیچ و تابدار یا مدور. در نسبیت عام این نوع حرکات هم تحت شمول قرار می گیرند.
تصور کنید یک چراغ قوه در دست دارید و در حال دویدن هستید. طبق تجربه روزمره (فیزیک نیوتنی)، انتظار داریم نوری که از چراغ قوه شما ساطع میشود، سرعتی برابر با سرعت نور به اضافه سرعت دویدن شما داشته باشد. اما انیشتین گفت اینطور نیست. او گفت سرعت نور همیشه یکسان است، چه شما بدوید، چه ایستاده باشید، چه کسی دیگری با سرعت زیاد به سمت شما بیاید.
چون سرعت نور باید برای همه یکسان باشد، پس باید مفاهیمی که فکر میکردیم مطلق هستند، مثل زمان و طول، دیگر مطلق نباشند. یعنی اگر شما با سرعت خیلی زیادی حرکت کنید، زمان برای شما کندتر میگذرد و اجسام کشیدهتر به نظر میرسند، تا سرعت نور برای شما همچنان همان مقدار ثابت باقی بماند. این اصل ثبات سرعت نور، پایه و اساس نظریه نسبیت خاص او شد.
اگر سرعت نور ثابت نباشد، آن وقت قوانینی که فیزیک بر اساس آنها کار میکند، برای آدمهایی که با سرعتهای مختلف حرکت میکنند، متفاوت خواهد بود. اما مشاهدات و آزمایشها نشان میدادند که این قوانین برای همه یکسان هستند.
بنابراین، برای اینکه هم "سرعت نور ثابت بماند" و هم "قوانین فیزیک برای همه یکسان باشند"، تنها راه این بود که درک ما از فضا و زمان تغییر کند. یعنی زمان و مکان دیگر مطلق نباشند، بلکه بسته به سرعت ناظر، تغییر کنند. این همان چیزی است که نظریه نسبیت خاص میگوید.
زمان و مکان و علیت اختراع ذهن مایند.
منظور ما از زمان، چیزی بیشتر از همزمانی یک حادثه با ساعت هایمان نیست. وقتی می گوییم قطار ساعت هفت به ایستگاه می رسد یعنی همزمان با رفتن عقربه ساعت شمار روی عدد هفت. اما اگر سرعت نور متناهی باشد، قطار به مقدار کسر ناچیزی از ثانیه زودتر به ایستگاه و سپس به چشم ما و ساعت ما رسیده است. این تاخیر را زمانی حس می کنیم که موضوع در مورد رسیدن نور ماه یا خورشید به چشم ما مطرح شود. پس همزمانی در کار نیست. نور ماه 2 ثانیه و نور خورشید 8 دقیقه با تاخیر به ما می رسد.
اگر شخصی در وسط فاصله ما با ماه همزمان به دو آینه در زمین و ماه علامت دهد، برگشت شعاع به خودش از هر دو آینه مساوی خواهد بود. اما اگر شخصی در حال حرکت به سوی ماه این علامت ها را مخابره کند، مدت رسیدن او به شعاع بازگشتی از ماه کمتر خواهد بود. چرا؟ زیرا سرعت او به سرعت نور افزوده می شود. در مقابل سرعت بازگشت شعاع ارسالی به زمین کمتر و مدت آن بیشتر می شود. هر چه سرعت حرکت ناظر بیشتر باشد، تفاوت بیشتر خواهد شد. یعنی زمان و مدت زمان نسبت به ظاهر متحرک و ساکن یکسان نیست و این مستلزم آن است که سرعت نور بی نهایت نباشد. اگر سرعت نور بی نهایت بود این تفاوت به وجود نمی آمد.
زمانمکان:
زمین در حرکت وضعی خود با سرعت هزار کیلومتر در ساعت و در چرخش انتقالی با سرعت یکصدهزار کیلومتر در ساعت و در حرکت با منظومه شمسی هشتصدهزار کیلومتر در ساعت حرکت می کند. با این اوصاف نمی توان از زمان و مکان به تنهایی سخن گفت. زمان و مکان دو حقیقت مجزا نیستند بلکه یک حقیقت در هم تنیده اند. سرعت بیشتر مساوی است با گذشت زمان کمتر و طول بیشتر. (اتساع زمان و انقباض مکان)
این حقیقت در مدت رسیدن نور ستاره ها به ما هم صادق است. یعنی نور ستارگانی که ما می بینیم مربوط به گذشته های بسیار دور است که اکنون به چشم ما رسیده است. یعنی مکانشان دیگر مکان قبلی نیست.
سخن انشتین این است که سرعت نور مستقل از اینکه حامل آن ساکن یا متحرک باشد یکسان و ثابت است. سرعت نور همیشه یکسان است، چه شما بدوید، چه ایستاده باشید، چه کس دیگری با سرعت زیاد به سمت شما بیاید. هر سرعتی به سرعت نور اضافه شود باز سرعت نور است.
در این صورت فاصله زمانی یا مکانی بین دو رویداد از دید دو ناظر مختلف چگونه است؟
شخصی در وسط یک واگن در حال حرکت، به طور همزمان شعاع نوری را به در جلویی و عقبی واگن می تاباند که هر دو را همزمان باز می کند. اما از چشم شخصی که در خارج از قطار و در کنار ریل ایستاده (یعنی مرجع مختصات متفاوتی از درون واگن دارد) درب عقب زودتر باز می شود. چرا؟ چون در عقب به سمت منبع نور نزدیک می شود و در جلو از آن دور می شود. همچنین فاصله ناظر درون قطار با درب ها عقب و جلو مساوی است، اما برای ناظر بیرونی، به همان دلیل، نیمه عقبی کوتاه تر از نیمه جلویی است. یعنی ساعت در حال حرکت کندتر حرکت می کند و ساعت ساکن، تندتر.
اگر قطاری با سرعت بالا حرکت کند، مسافری که پیاده می شود، باید ساعتش را دوباره تنظیم کند یعنی آن را به جلو ببرد. در واقع زمان در ایستگاه سریع تر گذشته است.
اگر در همان قطار مسافری نور چراغ قوه اش را به آینه ای بالای سرش بتاباند که نور را برمی گرداند، مسیری که نور در رفت و برگشت طی می کند، قائم است. اما از نگاه ناظر خارج از قطار، این مسیر زاویه ای را می سازد که جمع آن ها بیشتر از مسیری است که به تجربه مسافر قطار در می آید؟ نور واقعی کدام مسیر را طی می کند؟ جواب علم این است که هر دو.
اگر دو نفر دوقلو باشند که یکی بر روی زمین با سرعت معمولی زندگی می کند و دیگری با سرعت نور به فضا سفر می کند و وقتی باز می گردد می بیند برادرش از او پیرتر شده است. البته امکان مسافرت با چنین سرعتی با ارگانیسم فعلی انسان ناسازگار است و جسم بشر نمی تواند شتابی بالاتر از شتاب جاذبه زمین را تحمل کند.
در مشاهدات روزمره نیز این نسبیت سرعت مشاهده می شود. مثلاً ما اغلب در شکار مگس ها به علت واکنش سریع شان ناموفقیم. در واقع مگس در دنیای خود و در چارچوب مرجعی که زندگی می کند، حرکات ما را به صورت اسلوموشن یعنی کند می بیند و ما حرکات مگس را بسیار سریع احساس می کنیم. و این بدان معناست که حتی نمی توان گفت عمر ما از عمر مگس بیشتر است. در دنیای مگس گذر عمر کندتر از آنی است که در دنیای ما احساس می شود. و در تحلیل نهایی معنای نسبیت همین احساس عمر است که نه با یک ساعت واحد، بلکه با ساعت های مختلف سنجیده می شود.
فیزیکدان ها جمله معروفی دارند و می گویند شما از یک نظریه جدید سردر نمی آورید، فقط بدان عادت می کنید. اما این حقیقت عجیب، به خوبی در سفر اشخاص با هواپیما در حد نانومتر اندازه گیری شده و به اثبات رسیده است.
در واقع نسبیت عقل سلیم ما به هم می ریزد ولی این عقل سلیم نیز وابسته به کانتکست و عادت است. در گذشته ها تصور کروی بودن زمین برای عقل و حس عمومی نپذیرفتنی و دشوار بود و پذیرش عمومی آن نیاز به گذشت زمان داشت.
از منظر ساکنان زمین، دو ستاره نزدیک همند ولی از منظر ساکن مریخ این فاصله بیشتر می شود. کدام فاصله به واقعیت نزدیک تر است؟ هر دو، ولی از دو منظر مختلف. این نسبیت مکان، در مورد زمان هم صادق است. سرعت جسم در زمان گذشته بر آن موثر است. در واقع برخلاف تصور عقل سلیم و عمومی، همگان در یک زمان و یک مکان به سر نمی بریم. کلمه همزمان به اندازه کلمه همانجا بی معنی است.
در واقع در فیزیک نیوتنی مسافت و زمان برای همه ناظرها یکسانند و سرعت نور نسبی است. به عبارتی زمان و مکان مطلق اند.
در فیزیک انشتینی مسافت و زمان به سرعت ناظر بستگی دارد و سرعت نور ثابت و مطلق است.
علاوه بر اتساع زمان، مسئله انقباض مکان را هم داریم. از چشم مسافر قطار، طول واگن یا قطار بیشتر از دید ناظر بیرونی است.
اگر مسافر بر سقف قطار نشسته باشد، سکوی ایستگاه کوتاه تر و برای ناظر روی سکو، سکو طولانی تر از قطار است و هیچیک از این مناظر خطای باصره نیست و هر دو حقیقت دارند.
تجربه عقل سلیم ما محدود به سرعت های معمولی و اجرام معمولی است. لذا درک قواعد حاکم بر کوانتوم و اجرام آسمانی برایمان دشوار است. در شتاب دهنده های ذرات، ما با سرعت های نزدیک به سرعت نور سر و کار داریم.
نسبیت عام:
ارنست ماخ نابغه اطریشی معتقد بود در این جهان شیء مجزا وجود ندارد و همه اجرام بر یکدیگر تاثیر می گذارند. او در تبیین نیروی گریز از مرکز و جاذبه به همین کشش بین اجرام آسمانی تاکید داشت که به اصل ماخ معروف شد. ماخ میگوید هر جسم در فضا نهتنها توسط اجسام مجاور خود بلکه از سوی تمام اجسام موجود در جهان تحت تأثیر قرار میگیرد. انشتین تحت تاثر ارنست ماخ نیروی جاذبه را با تاثیر جاذبه اجرام آسمانی بر انحراف مسیر نور مرتبط کرد. مقاله او در این باره در سال 1911 منتشر شد که مقدمه ای بود بر نسبیت عام که در 1916 نشر یافت. انشتین خودش پیش بینی می کرد که برای اثبات این تئوری، باید نور ستارگان مماس با خورشید را در زمان کسوف کامل رصد کرد که انحرافشان ثابت شود و این کاری بود که ادینگتون در 1919 انجام داد. جابه جایی نور این ستارگان و مقایسه اش با محاسبات مکانی همان اجرام نظر انشتین را تایید می کرد. این مشاهده به علت شدت تابش نور خورشید قابل رصد نبود مگر در زمان کسوف کامل.
نیوتن رابطه مستقیمی بین جرم و گرانش برقرار کرد.
انشتین در سال 1916 تئوری عام خود را انتشار داد. او می کوشید معنای جاذبه مبتنی بر جرم را با جاذبه مبتنی بر شتاب جایگزین کند و جاذبه یا گرانش را نیز با مفاهیم الکترومغناطیسی متحد کند.
در نسبیت خاص گفته می شد سرعت، زمان را کند می کند. در نسبیت عام گفته می شود، جرم زیاد هم زمان را کند می کند و به این ترتیب، جاذبه هم به نیروهای دیگر قابل تبدیل می شود.
انشتین مفهوم شتاب را برای توضیح جاذبه به کار می گیرد و بین شتاب و جاذبه تساوی ایجاد می کند. (اصل تساوی)
در یک آسانسور به هنگام فرود آمدن پایمان بیشتر به زمین می چسبد و احساس سنگینی بیشتری می کنیم اما به هنگام صعود احساس سبکی می کنیم. در یک قطار به هنگام ترمز به جلو پرتاب می شویم و به هنگام سرعت گرفتن به عقب. ساکنان فضاپیما احساس تعلیق در خلأ دارند، مگر اینکه شتاب فضاپیما تغییر کند.
جرم، فضا را فرومی برد. اگر جرم خیلی زیاد باشد، اجرام سبک را یا کاملاً به خود جذب می کند یا در مداری معین در تعادل با آن قرار می گیرد. همینطور در نزدیک اجرام سنگین، سرعت گذشت زمان کندتر است تا فواصل بیشتر و دورتر از آن ها. ساعت روی پشت بام یک ساختمان (دورتر از مرکز زمین) کمی تندتر از ساعت زیرزمین کار میکند. حتی سر، در قیاس با پا، زودتر پیر می شود. انشتین می گوید یک ساعت در استوا نسبت به قطب هم کندتر حرکت می کند.
بر اساس نسبیت عام انشتین گرانش یک نیروی اسرارآمیز نیست، بلکه انحنای فضا-زمان است.
فضا-زمان مثل یک تشک یا ورق لاستیکی بزرگ و کشسان است. اجسام سنگین (خورشید، زمین، سیاهچاله) مثل یک توپ بولینگ روی این ورق قرار میگیرند و آن را خم میکند و انحنا ایجاد میکند.
یک تیله کوچک را روی این ورق لاستیکی خمیده رها کنید. تیله به دنبال کوتاهترین مسیر ممکن روی سطح خمیده حرکت میکند. این مسیر را ژئودزیک مینامند. یا تصور کنید روی یک ترامپولین ایستادهاید. یک توپ تنیس را از لبه ترامپولین به سمت خودتان هل میدهید. توپ به سمت شما میآید، اما نه چون نیرویی آن را میکشد، بلکه چون زیر پای شما ترامپولین فرورفته و توپ در این شیب غلت میخورد. شما همان خورشید هستید، ترامپولین فضا-زمان است و توپ تنیس همان زمین است.
اشتباه رایج: ما فکر میکنیم گرانش یک "نیروی نادیدنی" است که تیله را به سمت توپ بولینگ میکشد.
نظر اینشتین: اصلاً نیرویی در کار نیست! تیله فقط دارد در یک خط راست (در هندسه خودش) حرکت میکند، اما چون خودِ فضا-زمان خمیده است، مسیرش خمیده به نظر میرسد.
مثال معروف: مدار سیارات به دور خورشید
خورشید مثل یک توپ بولینگ عظیم، فضا-زمان اطرافش را بشدت خم کرده است.
زمین دارد در یک خط مستقیم در این فضا-زمان خمیده حرکت میکند. اما چون فضا خمیده، این "خط مستقیم" به شکل یک بیضی (دایرهگونه) دور خورشید درمیآید.
نتیجه: زمین به دور خورشید نمیگردد چون نیرویی آن را میکشد، بلکه چون در یک "دره گرانشی" گیر افتاده و دارد کوتاهترین مسیر ممکن را میرود.
نسبیت عام چند پیشبینی معروف دارد که همگی درست از آب درآمدند:
1. انحنای نور در نزدیکی اجسام سنگین: اگر نور ستارهای از کنار خورشید بگذرد، به دلیل انحنای فضا-زمان، مسیرش خم میشود. در سال ۱۹۱۹، در طی یک خورشیدگرفتگی، این خمیدگی دقیقاً اندازهای که اینشتین گفته بود مشاهده شد. این خبر تیتر یک روزنامههای جهان شد. شعاع نور نیز با وجود جرم اندک نور، در نزدیک اجرام سنگین متاثر از جاذبه این اجرام، منحرف می شود و همین موضوع، مبنای راستی آزمایی نسبیت عام در کسوف 1919 شد. مشاهده شد که در زمان خورشید گرفتگی، نور ستارگان مجاور به خورشید نزدیک تر به چشم ما می رسد و نور همان ستارگان در زمان غیر کسوف، از خورشید فاصله بیشتری دارد.
2. تغییر مدار عطارد: مدار سیاره عطارد کمی غیرعادی بود و فیزیک نیوتنی نمیتوانست آن را توضیح دهد. نسبیت عام دقیقاً آن را محاسبه کرد. نکته دیگری که موید نسبیت بود موضوع مدار سیاراتی مثل عطارد بود که برخلاف تصور گذشته، یک منحنی بسته نبود بلکه در کل تصویری از گلی با گلبرگ های فراوان را می ساخت. نظریه نسبیت نشان می داد که این تغییر مدار نیز نتیجه جاذبه اجرام مختلفی است که در اطراف سیاره قرار دارند.
3. گسترش زمان در گرانش شدید (کُندی زمان): هر چه به یک جرم سنگین (مثل سیاهچاله) نزدیکتر باشید، زمان برای شما کندتر میگذرد. این یعنی:
اگر فضانوردی نزدیک یک سیاهچاله برود و برگردد، وقتی به زمین بازمیگردد، از خواهر دوقلوی خود جوانتر خواهد بود (این همان "دوقلوی نسبیتی" است).
4. جاذبه هندسه زمانمکان را تغییر می دهد. وقتی اتمها در میدان جاذبه سیارات قرار می گیرند، از مداری به مدار دیگر می جهند و نوری با فرکانس های مختلف ساطع می کنند. در میدان جاذبه سیارات سرعت این اتمها کند می سود و نور ساطع شده میل به سرخی می کند. اگر اتم از جرم کم به سوی جرم بیشتر حرکت کند، انرژی از دست می دهد و به سرخی میل می کند و اگر از جرم کمتر به سوی جرم بیشتر حرکت کند، انرژی به دست می آورد و به سوی آبی می رود. این تغییر مکان رنگی نیز از مویدات نظریه نسبیت بود.
5. همچنین موضوع انبساط جهان که با نظریه نسبیت مرتبط است، تصور نیوتنی از توزیع یکنواخت اجرام در آسمان را به چالش گرفت. مشخص شد اجرامی که از ما دور می شوند، نورشان به سرخی میل می کند و این نشانه انبساط جهان است. طبق فرضیه بیگ بنگ که توسط کشیش بلژیکی، ژرژ لومتر در 1927 پیشنهاد شد، جهان از انفجار یک چگالی بی نهایت به وجود آمده و از آن زمان تا کنون در حال انبساطی دائمی است. هابل در 1929 انبساط جهان را ثابت کرد.
همچنین کل کائنات حالت کروی دارد. به این معنا که پرتو نور از هر جا ساطع شود به عزیمت گاه خود برمی گردد.
اینشتین می گوید:
"از دید یک کرم روی توپ بولینگ، سطح آن صاف و مسطح به نظر میرسد. ما هم مثل آن کرم هستیم. از دید ما، فضا-زمان به نظر صاف میآید، اما در مقیاس کیهانی کاملاً خمیده است."
نسبیت خاص: سرعت نور حداکثر است، زمان و فضا برای ناظرهای مختلف نسبی است.
نسبیت عام: گرانش = انحنای فضا-زمان.
کوانتوم:
مفهوم کوانتوم در سال 1900 توسط ماکس پلانک وارد فیزیک شد. پلانک هموطن و دوست صمیمی انشتین بود. هر دو به موسیقی علاقه عمیق داشتند. انشتین ویولن می زد و پلانک پیانو. اما انشتین جهان وطن بود و پلانک ملی گرایی که در عین حال دشمن نازیسم هم بود.
دوماهیتی و دو شخصیتی بودن نور از همان آغاز دانشمندان را دچار دو دستگی کرده بود. نور در جایی ماهیت ذره ای از خود نشان می داد و در جایی ماهیت موجی.
نکته دیگر این بود که در جهان ساب اتمیک، رفتار الکترون و موقعیت آن قابل پیش بینی نبود و به گفته هایزنبرگ فقط با احتمال می شد از آن سخن گفت و این چیزی نبود که انشتین بتواند با آن کنار بیاید. انشتین به قاعده مندی عالم باور داشت و این جمله معروف را تکرار می کرد که خدا طاس نمی ریزد.
مکاتبات و مناظرات سی ساله انشتین با بور و فیزیکدانان دیگر منجر به توافق در این مورد نشد و البته اکتشافات بعدی موید باورهای انشتین نبود.
نظریه فتوالکتریک انشتین که برایش جایزه نوبل 1921 را به ارمغان آورد می گفت نور از بسته های فتون تشکیل شده که الکترون ها را از مدارشان خارج می کند و رنگی متناسب با فرکانس ایجاد شده، تولید می شود. نظریه انشتین موید ذره ای بودن نور در قالب بسته های کوانتومی بود. البته اینشتین مخالف موجی بودن نور نبود. او به ما یادآوری کرد که موجی بودن و ذرهای بودن هر دو جنبههای مکمل یک حقیقت واحد هستند.
تظریه کوانتوم می گفت نور به صورت بسته های کوانتومی منتشر می شود. تابش نور باعث رفتن الکترون به مداری بالاتر می شد و این انتقال برحسی فرکانس یا بسامد نور، رنگ مشخصی داشت. انرژی حاصله از این جابه جایی با فرکانس حاصله متناسب بود و البه ضریبی به نام ثابت پلانک در آن ضرب می شد. ثابت پلانک عدد بسیار کوچکی با توان منهای 27 بود. بسته کوانتومی به الکترون برخورد می کند و انرژی خود را بدان می دهد. درست مثل ضربه ای که به توپ بیلیارد می زنیم. الکترون هم مانند فوتون دوشخصیتی است و خاصیت دوگانه ذره ای و موجی دارد و انرژی ساطع شده از جابه جایی آن از مشاهده و اندازه گیری بشر هم متاثر می شود و به همین دلیل پیش بینی وضعیت بعدی آن تابع احتمال می شود.
جالب است که بدانیم الهام دهنده انشتین در طبیعت دو شخصیتی نور، باغ تیمارستانی مشرف به دفتر کارش بود که صبح ها مردان و عصرها زنان در محوطه آن گردش می کردند و این تفکیک مایه تعجب او شده بود تا وقتی دانست همسایه دیوانگان بی آزار است. خودش گفته بود دیوانگان خود را به فکر کردن در باره کوانتوم مشغول نمی کنند ولی مثل آن عمل می کنند.
اینشتین مخالف فیزیک کوانتوم نبود، او یکی از بنیانگذاران آن بود (همان اثر فوتوالکتریک). مشکل او با تفسیر غالب (تفسیر کپنهاگی) از فیزیک کوانتوم بود. تفسیر کپنهاگی (بور، هایزنبرگ، بورن) میگوید طبیعت ذاتاً تصادفی است. شما نمیتوانید پیشبینی کنید یک الکترون دقیقاً کجا فرود میآید. فقط میتوانید احتمال فرود آمدنش را محاسبه کنید. این تصادف در ذات طبیعت است، نه به خاطر کمبود دانش ما.اما اینشتین میگفت این احتمالات فقط به این معناست که نظریه ما ناقص است. اینشتین اشتباه میکرد. تفسیر کپنهاگی درست از آب درآمد. در یکی از آخرین مناظرهها، اینشتین ناراحت گفت: "خدا تاس نمیاندازد." بور پاسخ داد: "به خدا نگو که چه کار باید بکند!"
منبع:
آینشتاین، جرمی برنشتاین، احمد بیرشک، انتشارات خوارزمی، 1361
2 اردیبهشت 1405