علم و نجوم ، پیش و پس از گالیله

تعريف علم بيش و پس از عصر گاليله:

در زبان ما علم به دو معناى متفاوت به كار مى‌رود. تا قبل از دوره رنسانس (قبل از عصر گاليله) منظور از علم، “دانستن” در برابر “ندانستن” بود. پس همه نوع دانستنى را مى توان علم گفت؛ اخلاق، رياضيات، طبيعيات، الهيات، و… در اين معنا، علم در مقابل جهل قرار مى گيرد. كلمه Knowledge در انگليسى معادل اين معناست.

تعريف ديگرى از علم، كه بعد از عصر گاليله متداول شد، عبارت بود از دانستنى هايى كه بر تجربه مستقيم حسى مبتنى بودند. علم در اينجا صرفا در مقابل جهل قرار نمى گيرد، بلكه در مقابل همه دانستنى هايى قرار مى گيرد كه آزمون پذير نيستند. اين تعريف، بسيارى از موارد قبل را شامل نمی‌شود. كلمه Science در انگليسى معادل اين معنا از علم است.

علم و نجوم پيش و پس از گاليله:

 رشد علم به معناى دوم، عمدتا از آغاز دوره رنسانس است. رنسانس هر جاكه رفت، آزادى انديشه و بيان فردى را ترويج داد و به اين ترتيب علاقه مردم را برانگيخت. به تعبيرى، روند تعريف فيزيک نيز شبيه روند تعريف علم است. رشد فيزيک به معناى امروزى نيز عمدتا از دوره رنسانس آغاز شد. فيزیک يعنى طبيعت. ارسطو با نوشتن كتاب هايش درباره طبيعت به نام فيزيک، از دوران علم در يونان باستان، اين عبارت را رايج ساخت. فلسفه طبيعى (يا حكمت طبيعى) مطالعه همه جانبه طبيعت را در بر مى گرفت.
اما فيزيک، همراه با جنبه نظرى آن، علمى تجربى است كه موضوع و هدف آن مطالعه سازنده‌هاى ماده (يعنى ذرات، هسته‌ها، اتم‌ها، مولكول ها و…) و بررسى برهم كنش‌هاى متقابل ميان آن‌هاست.

فيزيک علمى است كه مفاهيم آن كليت و عموميت دارد وفقط به مواد جاندار يا بى‌جان اختصاص ندارد، بلكه شامل حالت هاى گوناكون ماده و شكل هاى انرژى در هر مكان و در هر زمان است. در فيزیک، قانون هاى كلى مانند: قانون پايستگى (بقا) (پايستگى بار الكتريكى، پايستگى ماده وانرژى، پايستگى تكانه خطى وزاويه‌اى، پايستگى باريون ها و…) ونيز نيروهاى بنيادى (گرانش، الكترومغناطيسى، ضعيف و قوى) كه مى توانند سبب شناخت كلى جهان شوند، مورد بحث قرار مى‌گيرند. هر انسان انديشمندى بر اين باور است كه اين پديده‌ها و رويدادها به يكديگر مربوطند، و فيزيكدان مى كوشد كه رابطه ميان آن‌ها را كشف و رويدادهاى آينده را پيش بينى كند.

نجوم و كيهان شناسى پيش از عصر گاليله:

 از روزگار باستان، كنجكاوان ساكن روى زمين مى خواستند به عالمى فراتر از عالم مشهود خود نفوذ كنند و براى ارضاى اين كنجكاوى و يافتن پاسخى به اين يرسش ها كه: عالم از كجا آمده است؟ به كجا مى رود؟ ستاره ها چيستند؟ و… به تلاش فكرى و ذهنى سختى مى پرداختند. مثلا از اسطوره هاى ايرانى چنين نقل شده كه آفرينش سه دوران دارد و هر دوران سه هزار سال است؛ عالم روحانى، كه در آن اهورامزدا در نور و اهريمن در تاريكى مسكن دارند، عالم آفرينش مادى، كه دوران مبارزه و تضاد اهورامزدا و اهريمن است، وعالم روشنايى كه دوران گريز اهريمن و پيروزى نهايى اهورامزدا است.

فيلسوفان قديم نيز سعى داشتند براى پرسش هاى فوق پاسخى منطقى بيابند. افلاطون (4٢٧ – ٣4٧ ق.م) معتقد بود كه آفرينش عالم فرايندى است كه در طى آن، اصول جاودانه رياضى به پيكر مادى درآمده اند و به ماده بى صورت نظم داده اند. براى افلاطون، زمان و توالى آن نقشى در آفرينش ندارد. آن چه براى وى اهميت دارد، خصلت منطقى جهان خلق شده است نه ترتيب زمانى مراحل آن.

ارسطو (٣٨4 – ٣٢٢ ق.م) كه مدت بيست سال از شاگردان مدرسه (آكادمى) افلاطون بود، درباره عالم ، نظرى متفاوت با استاد خود داشت. او معتقد بود كه تمام موجودات عالم از چهار عنصر بسيط يعنى آب، آتش، هوا و خاک تشكيل شده اند. ارسطو بر خلاف افلاطون در پى يافتن واحدهاى بنيادى هستى نبود بلكه بيشتر در پى آن مى گشت كه خصوصيات عناصر اصلى را دريابد.

اين عناصر چهارگانه از ديدگاه ارسطو تغييرناپذير نبوده و قابل تبديل به يكديگرند. وى جهان را به دو بخش زير كره ماه (تحت القمر) و وراى آن (فوق القمر) كه بقيه جهان بوده تقسيم كرده است. او معتقد است كه عناصر چهار گانه به ترتيب ثقل خويش، خاك، آب، هوا و آتش، اطراف زمين را فرا گرفته اند و مانند كراتى آن را احاطه كرده اند. به نظر وى، اجرام سماوى واقع در وراى كره ماه (منطقه فوق القمرى) از موادى غير از عناصر چهارگانه ساخته شده اند و در تركيب آنها ماده اسرار آميز “اِتِر” دخالت داشته است.

وى در مورد شكل و ساختار عالم از افكار پيشينيان به ويره فيثاغورسيان تاثير فراوانى گرفته و شكل هندسى كره و مسير هاى حركت دايره اى را به عناصر عالم و اجرام سماوى وابسته كرده بود.

در نظام كيهان شناسى ارسطويى، ستارگان بر روى كرات بلورين متحدالمركزى قرار دارند. كره زمين درونى ترين اين كرات را تشكيل مى دهد و مركز زمين مركز عالم است. ستارگان بر روى فلك هاى هفت گانه بر روى مسير هاى مستدير حركت مى كنند و ستارگان ثابتى، نيز هستند كه برروى كره هشتم واقعند، و بر فراز و در وراى همه اين افلاک ، فلک الافلاک قرار دارد كه نهايت عالم “محدود” و “متناهى” است. اين كره نهُم از نظر ارسطو محرک اول است و حركت اولين را در جهان و در كرات زيرين به گونه اى مرتبه اى ايجاد مى كند.

به نظر ارسطو، زمين كه مركز عالم است خود حركتى ندارد و ساكن است و حركت سيارات به دور آن انجام مى گيرد. وى معتقد بود كه نظم طبيعت جاودانى است و بلاتغيير مى ماند، نه آغاز زمانى در گذشته دارد ونه نابودى در آينده براى آن قابل تصور است. به نظر وى، مفهوم زمان نامحدود است وبا تصور خلقت در تناقض است. وى براى موجودات زنده و حتى رويدادهاى سياسى دورانى در نظر مى گرفت هماهنگ با دوره هاى منظم حركت اجرام آسمانى.

اپيكوريان در كيهان شناسى، ديدى طبيعى تر داشتند و به ديدگاه كيهان شناسى امروزي كمى نزديكتر بودند. در كيهان شناسى آنها، همه چيز در گير يك چرخه كيهانى بين مرگ و تولد مجدد است. عالم مادى همگن است و گسترش آن “نامتناهى” است. آنها معتقد بودند كه تعدادى نامتناهى جهان در عالم نامتناهى وجود دارد، كه در میان آنها فضای خالی یا خلا است ، در حالی که ارسطو به خلا اعتقاد نداشت و معتقد بود که فضای بین اجرام آسمانی را ماده اثیری پر کرده است.

نجوم و اخترشناسى در دوران شكوفايى علم ميان دانشمندان اسلامى:

دوران شكوفايى علم ميان دانشمندان اسلامى، عمدتا بعد از دوران علم يونان باستان و مقارن با دوران قرون وسطی است كه معروف به دوران تاريک انديشى اروپاست.

در اين دوران كه تقريبا بين قرن سوم تا قرن هشتم هجرى قمرى و مقارن باقرن نهم تا قرن چهاردهم ميلادى است، علم در شرق اسلامى دراوج شكوفايى خود و اروپا در حضيضى بود كه كتاب هاى علمى عربى دانشمندان اسلامى به اروپا مى رفت و به لاتين ترجمه مى شد تا معدود دانشمندان و متفكران آن عصر اروپا از اين كتاب ها كسب فيض كنند. شمار منجمان و فيلسوفان اسلامى كه در اين دوره تاريخى و شكوفايى علم درباره نجوم و كيهان شناسى اظهار نظر كرده اند، بسيار قابل توجه است.

نظر ابن سينا (4٢٨ – ٣٧٠ ه.ق) در مورد چگونگى بيدايش كوه‌ها روى زمين، در دوران طلايى اسلام، نظرى است كه به نظريه هاى علمى حداقل تا قرن نوزدهم ميلادى بسيار نزديک است. توجه شود كه اين نظريه در حدود يازده قرن بيش ارائه شده است.

ابن سينا معتقد بود كه بيدايش كوه‌ها ممكن است به دو علت باشد: يكى براثر برآمدگى پوسته زمين به گونه اى كه در زمين لرزه هاى شديد بيش مى آيد؛ ديگرى بر اثر آب كه در جست وجوى مسيرهاى جديد، دره ها را صاف مى كند و چينه هاى متفاوت پديد مى آورد، گاهى نرم و گاهى سخت. باد و آب يكى را از ميان مى برد، ديگرى را پابرجا نگاه مى دارد. منشا بيشتر بلندى هاى زمين، اين علت دوم است. اين تغييرها مستلزم زمان بسيار طولانى است كه درطى آن ممكن است از اندازه كوه‌ها قدرى كاسته شود. وجود سنگواره هاى حيوانات آبزى و ديگر حيوانات روى بسيارى كوه‌ها نشان مى دهد كه آب علت اصلى اين اثرها است.
اين بينش ابن سينا، در طبيعيات قديم، بى نظير است و از عمق بينش علمى دانشمندان و فيلسوفان اسلامى آن عصر طلايى حكايت مى كند.

در حدود يک هزار سال پيش، منجم ايرانى، عبد الرحمن صوفى رازى، دقيق ترين فهرست ستاره اى دوران خود را به صورت كتابى تحت عنوان صور الكواكب ارائه كرد. حدود ٨٠٠ سال پيش، در دوران سخت حكومت مغول در ايران، خواجه نصير الدين طوسى، منجم با كياست عصر حاكمان مغول، رصدخانه مراغه را برپا ساخت كه بزرگ ترين مركز نجوم آن دوران بود. در اين رصدخانه، صدها منجم تعليم ديدند و ابزار دقيق نجومى ساختند و رصدهايى را انجام دادند كه مبناى بيشرفت هاى چشمگيرى در دوران بعد شد.

علم و نجوم پس از عصر گاليله:

شايد در این سال های اخیر برای خیلی ها این سوال به ذهن متبادر شده كه چرا سال 2009 یا 1388 شمسی ، سال جهانی نجوم نامگذاری شد؟!
در سال 1609، يعنى درست چهارصد سال پيش از آن ، گاليله با تلسكوپ كوچك دست ساز خويش آغازگر انقلابى در علم نجوم و اخترشناسى شد كه تا امروز با ساخت تلسكوپ هاى غول پيكر زمينى و فضايى پيش رفته است. گاليله با این تلسكوپ كوچك، بينش ارسطو را از عالم وديدگاه منظومه هاى “تحت القمرى” و “فوق القمرى” و به طور كلى آموزه هاى او را به چالش كشيده بود! گاليله با اين تلسكوپ، بنيان گذار انقلاب علمى در عصر رنسانس شد. علم و بينش علمى در اين چهارصد سال تحول شگرفى يافت.

علم درسال هاى آغازين قرن ٢١ نسبت به چهارصد سال و حتى نسبت به سال هاى آغازين قرن ٢٠ نيزكه انسان شاهد انقلاب علمى در فيزيک و تولد فيزيک نوين شد، جايگاه ويژه و متفاوتى يافته است. تحول در فيزيک ضمن آن كه نگرش انسان را نسبت به طبيعت تغيير داد، علوم ديگر را نيز دستخوش تحول ساخت.
نجوم واخترشناسى نيز در سايه همين انقلاب فيزيک و بهره گيرى از مفاهيم مكانيک كوانتومى و نسبيت خاص و عام اينشتين، مسير تازه و كاملا متفاوتى نسبت به گذشته يافته است.

يافته هاى هابل نشان داد كه عالم ما با ميلياردها كهكشان، بسيار بزرگتر از آن است كه پيش از اين تصور مى شد؛ و بر مبناى نظريه هاى مكانيك كوانتومى درباره برهم كنش هاى هسته‌اى، مبناى انرژى خورشيدى و ستاره‌ها توضيح داده شد براساس نظريه هاى جديد كيهان شناسى، حدود ١٣ ميليارد سال پيش كيهان با انفجار عظيمى به نام “مهبانگ” متولد شد. با انبساط سريع عالم، فضا خلق مى شود و ذرات اوليه از انرژى به وجود مى‌آيند و روند تكامل تا پيدايش ميلياردها كهكشان ريز و درشت، هر كدام حاوى ميلياردها ستاره، بيش مى‌رود. كهكشان ها فقط از ستاره‌ها و گاز و غبار به جامانده تشكيل نشده‌اند، بلكه ماده اى كه از آن پديد آمده است، عمدتا (يعنى بيش از ٩٠ درصد) “ماده‌اى تاريک” است كه به هيچ وسيله‌اى جز آثار گرانشى اش، آن را نمى‌توان ديد. ولى اين آثار گرانشى چنان در حركات آن‌ها موثر است كه از قبول اين ماده تاريك گريزى نداريم. منظومه شمسى ما، كه ما در يكى از سياره هاى آن زندگى مى كنيم، با سياره‌ها و دنباله دارها و سيارك هايش، در عالم يگانه نيست و جزئى از كهكشان راه شيرى است. اين دانش ها را انسان از راه رصد آسمان يافته است.
خورشيد ما، كه در يكى از كانون هاى منظومه شمسى قرار گرفته، در لبه يكى از بازوهاى مارپيچى كهكشان ما (كهكشان راه شيرى) جاى دارد. كهكشان ما، به صورت يك عدسى، قطرى در حدود يكصد هزار سال نورى و ضخامت پانزده هزار سال نورى دارد و تقريبا شامل يكصد ميليارد 100000000000 ستاره است. اين يافته هاى رصد انسان از آسمان است كه نشان مى دهد عالم مرئى، يعنى تا آن جاكه مى توانيم ببينيم، از هزاران ميليارد كهكشان آكنده است. و اين انسان زمينى است كه در اين گوشه بسيار ناچيز از عالم، به اين يافته ها دسترسى پيدا كرده است.

علم در قرن ٢١ ديگر مرزى نمى شناسد. يافته هاى علمى متعلق به تمام جوامع بشرى است. علم در اين قرن جنبه اجتماعى ترى بيدا كرده است، به همين دليل ترويج علم در ميان مردم توجه بيشتر دولت‌ها را به خود جلب كرده است. امروزه علم به منزله جزئى از فرهنگ بشرى درآمده است و بيش از پيش ماهيتى جهانى يافته است. بنابراين پيشبرد علم، با اين گستردگى دانش فعلى ما در تمامى عرصه هاى علم و نجوم، و وجود پرسش هاى بى شمار، مشاركتى جهانى مى طلبد. در اينجا نقل فرازى از بيام خانم دكتر “كاترين كزارسكى” رئيس سابق اتحاديه بين المللى نجوم به مناسبت سال جهانی نجوم ، روشنگر ماهيت جهانى شدن علم است:”… تمام فرهنگ‌هاى روى زمين زيبایی واهميت ماه، خورشيد و ستاره ها را ستوده اند. بشر از آغاز آفرينش بر اين سياره از آسمان در شگفت بوده است.

هدف ما در سال جهانى نجوم، بازآفرينى اين شگفتى با دانسته هاى نوين است. “

گاليله و آغاز انقلاب علمى:

ويژگى هاى اصلى رنسانس در گسترش بى سابقه يک جهان بينى و گسترش دانش دنيوى بود، دانشى كه نه در انحصار كشيشان ونه در انحصار مواد مصوب كليسا بود. از لوناردو داوينجى (١٥١٩ – ١4٥٢) با عنوان هنرمند ياد مى كنند، اما او مهندس، فيزيكدان، كالبدشناس و رياضى دان مهمى نيز بود. از كوپرنيک با عنوان اخترشناس نام مى برند، او علاوه بر تسلط بر6 زبان، در رشته هاى رياضيات، فيزيك، پزشكى، جغرافيا، فلسفه، ادبيات، تاريخ و مهندسى تبحر داشت. کليسا ديگر نتوانست گسترش دانش دنيوى را مهار كند. رنسانس هر جاكه رفت، آزادى انديشه و بيان فردى را ترويج داد، و به اين ترتيب علاقه مردم را به علم برانگيخت.

گسترش علم (Science) دراين دوره با كوپرنيک آغاز شد و به نيوتن انجاميد، يعنى از نيمه قرن 16 تا پايان قرن ١٧. اين دوره را دوره انقلاب علمى ناميده اند.

دراين دوره، پيشرفت اخترشناسى دو مرحله را پشت سر نهاد. هندسى و مكانيكى.
مرحله هندسى با كوپرنيك (١٥4٣ – ١4٧٣)، تيكو براهه ( 1601 – 1456) وكپلر (1630 – ١٥٧١) به پايان رسيد.
كوپرنيك لهستانى توانست حركت هاى اصلى سياره ها و يديده هاى خورشيدى را به سادگى توجيه كند ونظام خورشيد مركزى را جايگزين نظام زمين مركزى بطلميوس نمايد. البته كوپرنيك اين پيش فرض يونانى راكه دايره و كره بايد شكل هاى رايج هندسه آسمانى باشند، بى چون و چرا پذيرفته بود.
كتاب “گردش افلاک آسمانى” او در سال ١٥٣٣ انتشار يافت كه همان سال نيز كوپرنيك درگذشت.

تيكوبراهه دانماركى نظريه كوپرنيك را به طور كامل نپذيرفت و نظريه اى التقاطى از بطلميوس و كوپرنيك ارائه داد. بنا به نظريه تيكوبراهه، زمين ثابت در مركز افلاك قرار داشت، و خورشيد و ماه به دور آن مى چرخيدند و مدار ساير سياره ها نه به گرد زمین ثابت، بلكه به دور خورشيد در گردش بودند.

البته نظام تيكویى با استقبال روبه رو نشد و معروفيت او نتيجه مهارت و شكيبايى او در رصدهاى آسمانى است. محاسبه هايى كه تيكوبراهه از زاويه هاى ستارگان به عمل آورد، موثق ترين محاسبه هايى بود كه تا آن زمان انجام گرفته بود. شايد كار ماندگار تيكو را بتوان انتخاب يوهانس كپلر آلمانى (1630 – 1571) به عنوان دستيار برشمرد، چون كپلر، كه بر خلاف تيكو، از خانواده تهيدستى بود، نياز به چنين حمايتى داشت.
كپلر نظريه پردازى نوآور و رياضى دانى تراز اول بود و مانند فيثاغورثيان، به سادگى رياضى طبيعت باور داشت. سه قانون ساده ولى عالى و شگفت آور او، سرانجام اخترشناسى را از شر افلاک تدوير دست و پاگير پيشينيان نجات داد.

كارهاى كوپرنيک، تيكو براهه و یوهانس كپلر تنها آغاز دوره علم نوين بود. هنگامى كه كپلر به اصلاح رياضى اخترشناسى نوين سرگرم بود، گاليله (1564-1642)به اصلاحاتى ديگر، اما از راه هاى ديگر، اشتغال داشت.

گاليله پيشگام اصلى مكانيک نوينى شد كه بعدها به مكانيک نيوتنى شهرت يافت.

گاليله درسال های 1609 و 1610، همان سالى كه قانون اول و دوم كپلر اعلام شد، (قانون سوم كپلر ١٠ سال بعد يعنى در سال 1619 ارائه شد)، با تلسكوپى كه ساخته بود به كشفيات شورانگيزى دست يافت و فصل تازه اى را در اخترشناسى متكى بر مشاهده آغاز كرد. كشفيات گاليله درباره منظر ماه، لكه هاى سياه روى سطح خورشيد، اقمار مشترى و زهره و حلقه زحل، سبب شد كه دستگاه تفتيش عقايد (انكيزيسيون)، گاليله را مانند “جوردانو برونو” مورد تعقيب و آزار قرار دهد.

برونو را به اتهام بدعت هاى بى شمار دينى و فلسفى در شهر رم زنده در آتش سوزاندند. اما گاليله را البته زبان او را ! وا داشتند كه ديدگاه هاى خود را انكار كند وپس از نجات از آتش محاكمه حاكمان كليسا، در سال 1642 وفات يافت. 395 سال بعد، يعنى در سال ١٩٩٢، بالاخره واتيكان پذيرفت كه عقيده اش درباره اين كه زمين در مركز عالم قرار دارد، “اشتباه”!! بوده است. جرم واقعى گاليله، كافر كيشى او نبود، بلكه مسئله بسيار معمولى تر و دنيوى تر از اين حرف ها بود. او آموزه هاى ديرينه ارسطو را به چالش فراخوانده بود. در قرن چهارم پيش از ميلاد، ارسطو تقريبا تمام جنبه هاى علم را بررسى كرده بود و هر يك از آنها را به بهترين شكلى كه مى توانست جمع بندى نموده بود، اما ١٩٠٠ سال بعد، گاليله، عمر خود را صرف به چالش كشيدن آموزه‌ها و تعليمات ارسطو و پيروان متعصب او نمود.

از جمله آموزه هاى ارسطو اين بود كه “اجسام” براى اين كه بتوانند به حركت ادامه دهند نياز به نيرو دارند، و در غير اين صورت (عدم وجود نيرو) متوقف خواهند شد. اما گاليله نشان داد كه نقش نيروها آن است كه به حركت اجسام سرعت ببخشند، و در صورت حذف نيروها، اجسام متوقف نخواهند شد، بلكه با سرعت ثابت به حركت خود ادامه خواهند داد.

مشاهدات گاليله با تلسكوپ در سال 1609  اظهارات ارسطو درباره عالم را به كلى از اعتبار ساقط کرد! تلسكوپ گاليله، كوه هايى را بر ماه و لكه هايى را بر خورشيد آشكار ساخت. قمرهاى كوچكى را در حال گردش به دور مشترى نشان داد (كه هنوز هم به نام اقمار گاليله‌ای معروفند)، و اين‌كه زهره نيز همچون ماه ” اهلّه قمر” دارد و به صورت اشكالى هلالى در مى آيد. اين مشاهدات، نادرستى گفته هاى ارسطو را درباره كمال تغييرناپذير آسمان، و اينكه زمين مركز عالم است، به اثبات رساند!!

با وجود اين مشاهدات بديع و شگفت آور، كه تاوان سختى را هم به پاى آنها داد، عجيب آن كه كشفيات گاليله در زمينه حركت و نيروها را اغلب به عنوان مهم ترين دستاورد گاليله در علم به شمار مى آورند. شايد به اين خاطر كه آنها، شالوده انقلابى عظيم در دانسته هاى ما درباره عالم را پايه ريزى كردند:  انقلابى علمى براساس رياضيات!

در ٨ ژانويه 1642 ، در سن ٧٧ سالگی، گاليله، كور و رنجور، ديده از جهان فروبست. در همان سال، پسرى در لينكلن شاير انگلستان به دنيا آمد كه قرار بود روى شالوده هاى استقرار يافته توسط گاليله، عمارتى باشكوه و سربه فلك كشيده را بنا كند. نام اين پسر، ايزاک نيوتون بود، و مقدر چنين بود.

نسبيت گاليله:

نسبيتى راكه امروز به نام نسبيت خاص اينشتين مى شناسيم، در حقيقت گسترش يافته نسبيت كلاسيک گاليله است.

“رنه دكارت” (1650 – 1596) كه از معاصران جوان گاليله به شمار مى رفت، از چهره هاى بسيار با اهميت انقلاب علمى است كه شهرت او در زمينه رياضيات و فلسفه است. در مختصات دكارتى، فضا سه بعد دارد و براى تعيين و تثبيت موقعيت يك نقطه در فضا، سه كميت لازم است. ولى در مورد محاسبه زمان فكر مى شدكه موضوع كاملا متفاوت است، تنها عوامل اختيارى در محاسبه زمان، واحد مقياس و مبدا زمان بودند. اين مطلب متكى به اين اعتقاد بود كه به زمان و مكان مانند دو چيز كاملا مستقل و مجزا از هم مى نگريستند. اين نوعى مطلق نگرى به مسئله مكان و زمان بود. نظريه نسبيت (خاص) اينشتين حدود سه قرن بعد اين نوع نگرش را تغير داد و پيوندى بنيادى ميان مكان و زمان برقرار كرد.

درنسبيت كلاسيك گاليله، كه مكان مستقل از زمان است، يك حركت يكنواخت روى خط مستقيم براى ناظرى كه در اين حركت سهيم است، هيج گونه آثار قابل كشفى ندارد. اظهار اين مطلب در زمان گاليله، كه خشم و نفرت عظيم بيروان مكتب ارسطو رابه دنبال داشت، به همان اندازه كه نسبيت خاص اينشتين در آغاز قرن بيستم حيرت انگيز جلوه مى كرد، در زمان گاليله يك نوع “نسبيت” عجيب بود.

در ژوئن ١٩٠٨، اينشتين (١٩٨٥ – ١٨٧٩) مقاله اى با عنوان “الكتروديناميک اجسام در حال حركت” چاپ رساند. در اين مقاله، اساس انديشه اى مطرح شده بود كه ميان الكترومغناطيس ماكسول و مكانيک گاليله اى سازوكارى نمى ديد . اين ناهمگونى نظرى، كه بنيان هاى نظرى بسيار اساسى نظريه گاليله را رد مى كرد، به مذاق اينشتين خوش نيامد. عبارتى كه خود اينشتين بيان كرده، نقل به مضمون، چنين است:

 ” اگر اصل نسبيت گاليله كاربرد عام يافته ، هيچ دليل وجود ندارد كه اين حالت خاص در آن نگنجد” بنابراين ، اينشتين نظريه نسبيت خود را بر دو اصل موضوعه (Postulate) استوار ساخت:

١) قوانين فيزيك (و نه فقط مكانيك) در تمام دستگاه هايى كه نسبت به هم با سرعت ثابت روى خط راست حركت مى كنند، يكسانند.

اينشتين با بيان اين اصل، چيز تازه اى به نسبيت گاليله اضافه نكرد، فقط قوانين فيزيك را تعميم داد.

٢) اصل دوم” ثابت بودن سرعت نور در خلا ” را نسبت به همه چارچوب هاى مرجع در حركت انتقالى يكنواخت تاييد مى كرد. اين اصل با نسبيت گاليله در تضاد است. به طور شهودى همه مى دانند كه اگر دو سرعت را درچارچوب مرجع ديگرى مشاهده كنند، با همديگر جمع يا از همديگر كم مى شوند و اين در توافق با اصل نسبيت گاليله است. اينشتين گفت كه اين امر در مورد نور صادق نيست، به همين دليل در موارد ديگر نيز نبايد صادق باشد.

مسئله مهمى كه اينشتين در ١٩٠٥ در مورد آن جسارت ورزيد، حذف عامل مزاحمى به نام “اتر” بود. همه فيزيكدانان اين امر را پذيرفته بودند كه امواج براى گسيل و انتشار نياز به يک محيط مادى دارند. خوب، امواج الكترومغناطيسى نيز جدا از اين امر نبود. نور هم كه امواج الكترومغناطيسى تلقى مى شد براى انتشار نياز به محيطى به نام “اتر” دارد. سالها تلاش “مايكلسون” و “مورلى” با آن آزمايش هاى دقيق، براى اثبات اين امر بود. فيزيكدانان بزرگ آن عصر هيچ كدام جرات تامل در اين امر نداشتند. ولى اينشتين با جسارت و قاطعيت اين مزاحم (اتر) را از پيش رو برداشت و نشان داد كه هيج اشكالى هم پيش نمى آيد.

قوانين تبديل “لورنتس” و “فيتزجرالد” بيان كننده اتساع زمان و انقباض طول جديد نبودند. در واقع، اينشتين براى فرمول هاى معروف لورنتس وفيتزجرالد بيان جديدى ارائه كرد، بدين معنا كه اگر رابطه رياضى شان شناخته شده بود، تعبير فيزيكى شان چندان روشن نبود. اينشتين اولين كسى بود كه گفت ما در اينجا با زمان سر و كار داريم، يک زمان واقعى فيزيک كه عامل ديد در آن موثر است، زيرا بر حسب نقطه ديد ناظر تغيير مى كند. مى دانيم كه اين نقطه ديد متفاوت وابسته به حركتى است كه انجام مى شود. توجه كنيد كه بيشتر نتايج نظريه نسبيت خاص، پيش از اين كه اينشتين آنها را فرمول بندى كند، شناخته شده بودند. از اين نظر آن را مى توان شاهكار خود اينشتين به شمار آورد. اينشتين يك ديد كلى نو، با ساده ترين وجه نظرى، ارائه كرد و نظريه اش توانست سرآغازى براى يک برنامه پژوهشى بسيار گسترده در آينده باشد.

مقاله اينشتين نظر ماكس پلانک، بزرگ ترين فيزيكدان آن عصر آلمان را به شدت به خود جلب كرد. اين استقبال، اينشتين را تشويق كرد تا دنباله كارى راكه شروع كرده بود، رها نكند. چند ماه بعد، در سپتامبر ١٩٠٥، از خود پرسيد، آيا مقدار لختى (اينرسى) هر جسمى به مقدار انرژى نهفته در آن جسم بستگى ندارد؟

با نوشتن فرمول:

$E=mc^2$

به اين پرسش پاسخ مثبت داد. به عبارت دیگر ، جرم و انرژى، با ضريب ثابتى، هم ارزند. اينشتين در دوره دانشجويى اش در كلاس هاى درس”هرمان مينكوفسكى”(1909-1864) ، استاد رياضى مدرسه پلى تكنيك زوريخ، شركت و اين درس، وى را به شدت كسل مى كرد. اما استادش به او سخت نمى گرفت. مينكوفسكى در ٢١ سپتامبر ١٩٠٨ با ارائه مقاله اى درباره ساختار فضا – زمان، راه را براى پذیرش بى چون و چراى نظريه نسبيت شاگردش اينشتين هموار كرد. مينكوفسكى در اين سخنرانى درباره “فضا – زمان ” چنين گفت: “مكاشفه هاى فضا وزمان كه مى خواهم درباره آنها براى شما صحبت كنم، از خاك برگ فيزيک تجربى جوشيده اند و از همان نيز نيرو مى گيرند. آنها ريشه اند. فضا به عنوان فضا و زمان به عنوان زمان سرنوشتى جز از ميان رفتن ندارند و فقط در سايه خواهند زيست، وتنها گونه اى يگانگی آن دو مى تواند به عنوان يك واقعيت مستقل در امان نگه داشته شود.”

از اين به بعد، ديگر نمى توان يک پديده فيزيكى را در فضاى كلاسيك سه بعدى توصيف كرد؛ بلكه در جهان درست شده ازسه بعد فضا و يک بعد زمان توصيف پذير است. هر عنصرى از اين فضا – زمان يك يديده است، كه با آگاهى از مكانش و زمانش شناسايى مى شود. برترى اين ساختار در اين است كه به شيوه اى بسيار ساده، يک كميت جديد، “بازه فضا – زمان” را معرفى مى كند، كه همان نقش فاصله در فضا و زمان كلاسيك اقليدسى را بازى مى كند. نقاط در دستگاه فضا – زمان “رويداد” (event) خوانده می‌شوند، و يك جهان‌خط (world line) مسيرى است كه رويدادهاى نماينده تاريخچه يك ذره خاص يا پرتو نور مى پيمايد.

به عنوان مثال، يک خم مارپیچى شكل در فضا – زمان (space -time) مى تواند جهانخط سياره‌اى باشد كه به دور خورشيد حركت مى كند. نمودار فضا – زمان نشان مى دهد كه سرعت هر ذره مادى مى تواند به سرعت نور خيلى نزديک شود، ولى هرگز نه مى تواند به آن برسد و نه مى تواند از آن بيشتر شود. سرعت  C نمایش حد مطلق سرعت هاى ممكن يك دستگاه مادى است. به طور كلى، فضا – زمان نماينده تاريخچه اشيا در فضاست.

اكر فضا در دو بعد (x و y) نشان داده شود، فضا – زمان سه بعدى است. در اين صورت، سه مختصه براى مشخص كردن همه رويدادها لازم است، اگر دو مختصه فضايى X و y نشان داده شود كه وضعيت فضايى رويداد را ترسيم مى كنند، و مختصه زمان، t، نماينده زمان رويداد است. فضا – زمان كاملى كه براى نمايش تمام رويدادها در دنياى فيزيكى واقعى لازم داريم چهار بعدى است، سه مختصه فضايى X و Y و Z و مختصه زمانى t.

سه نتيجه مهم حاصل از نسبيت خاص اينشتين:

١) همزمانى امرى نسبى است و براى ناظر هاى مختلف يكسان نيست. اگر دو رويداد در چارچوب لختى براى شخصی همزمان باشند، براى شخص دیگر در چارچوب لخت ديگرى همزمان نيستند.

٢) اتساع زمان، به اين معنا كه بازه زمانى بين دو رويدادى كه از ديد ناظر يک چارچوب در يك مكان رخ مى دهند، در مقايسه با بازه زمانى همان دو رويداد از ديد ناظر هر چارچوبى كه نسبت به چارچوب اول در حركت باشد طولانى تر است.
3) انقباض طول، به اين معنا كه طول يك جسم در چارچوبى كه جسم نسبت به آن در حركت است، بامشاهده همزمان دو سر آن جسم (دو رويداد) در آن چارچوب تعيين مى شود. اين طول كوچكتر از طول همان جسم در چارچوب ساكن نسبت به آن جسم است.

نتايج نظريه نسبيت خاص، صرف نظر از اهميت آنها، موجب تغيير ديدگاه انسان انديشمند در آغاز قرن بيستم شد. به عنوان مثال، فرمول معروف اينشتين $E=mc^2$ در واقع به ما مى فهماند كه درون هر ماده مقدار زيادى انرژى نهفته است، زيرا $c^2$ بسیار بزرگ است. پيشرفت هايى كه اين آگاهى نصيب ما كرده است بر همگان معلوم است. انرژى آزاد شده همان است كه در انفجار بمب اتمى آشكار شد يا یک نيروگاه هسته اى تامين مى كند. براى مثال، انرژى نهفته در يك گرم ماده برابر 90 هزار میلیارد ژول است !!!

سال ١٩٠٥، زمانى كه اينشتين اين قانون را فرمول بندى كرد، كسى – حتى خود اينشتين – به نتيجه كاربرد آن آگاه نبود. تغيير ديدگاهى كه در آغاز قرن بيستم پديدار شد، تنها مربوط به فيزيك نظرى نبود، بلكه ديد انسانها را نسبت به جهان نيز دگرگون ساخت. ناگهان، جهان از آنچه بزرگ جلوه گر بود، بسيار بزرگتر جلوه گر شد. ضربه روحى كوپرنيک ابتدا مردم را واداشته بود كه بپذيرند كه زمين مركز عالم نيست، زيرا باور زمين مركزى جايش را به خورشيد مركزى داده بود. گاليله در سال 1609 با تلسكوپ كوچكش اين باور را به طور عينى تقويت كرد. مردم متقاعد شده بودند كه خورشيد مركز عالم است، و زمين جزو يكى از سياره هاى منظومه خورشيدى است. اما مردم در آغاز قرن بيستم آگاهى يافتند كه ما در كهكشانى برون مركز زندگى مى كنيم. پس از آن، اخترشناسان پى درپى به كشفياتى نائل شدند كه سبب شد مردم پى ببرند كه ستاره‌ها و كهكشان‌هايى در عالم وجود دارد كه صدها هزار سال نورى با ما فاصله دارند. شايد اين گفته اينشتين بى مورد نباشد كه: “چيزى كه كمتر مى توان از آن سر در آورد اين است كه مى شود از جهان سردر آورد!!!”

مقاله ای از مجله دانشمند ؛ ماهنامه فروردین 1388