فیزیک نیوتنی و انیشتین
آخرين فردي كه انديشه هايش بر نيوتن و فرمول بندي مكانيك كلاسيك ( ستاره های درخشان حوزه مکانیک فیزیک کلاسیک نیوتن و حوزه الکترومغناطیس فیزیک کلاسیک ماکسول) تاثير عميق داشت، دكارت بود. با اين وجود نظرات تمام كارهاي دكارت در زمينه فيزيك حالت توصيفي داشت.
در باب فيزك دكارت و مفهوم حركت از ديدگاه او كمتر سخن گفته اند . گويي فيزيك دكارت با آنهمه اهميت و تاثيرش بر آراء انديشمندان بزرگي , همچون ايزاك نيوتن , در مقابل ديگر افكار او همچون تصورات فطري و دوگانه انگاري ذهن – كمتر مورد توجه بوده است . فيزيك و شالوده هاي آن نزد دكارت نقشي محوري داشتند . هر چند امروزه احتمالاً او را بيشتر با مابعدالطبيعه ذهن و بدن يا برنامه و روش معرفت شناسي اش ميشناسند. در قرن هفدهم ميلادي لااقل به يك اندازه , فيزيك مكانيكي و مكانيك جهان هندسي در حركت كه نقش بسياري در مقبوليت او نزد انديشمندان معاصرش داشت , شاخته شده بود.
دكارت در جريان مخالفت با فلسفه مدرسي به هيچ وجه تنها نبود . آنزمان كه دكارت در مدرسه فيزيك مي آموخت حملات متعددي انديشه هاي مختلف فلسفه طبيعي ارسطو را هدف قرار مي داد . اما مهمترين امر در فهم فيزيك دكارت مسئله احياء اتميسم سنتي بود . در برابر ديدگاه ارسطويي، اتميستهاي سنتي از جمله , دموكريتوس , اپيكور , لوكرسيوس سعي مي كردند تا رفتار ويژه اجسام را نه بر حسب صورتهاي جوهري , بلكه بر حسب اندازه , شكل و حركت اجسام كوچكتري بنام اتم تبيين نمايند. اتمهايي كه در فضاي خالي به حركت واداشته شده اند . در قرن شانزدهم در باب انديشه اتميستي به طور گسترده اي بحث ميشد. بطوريكه در اوايل قرن هفدهم مي توان تعداد قابل توجهي از طرفداران آن از جمله نيكولاس هيل , سباستين باسو , فرانسيس بيكن , و گاليلو گاليله را نام برد . پس از تمام اينها , فيزيك دكارت نقطه پاياني بر اين مباحث گذاشت كه كاملا با جهان اتميستها بيگانه بود . دكارت اعتقاد به وجود شیوه نگاه میکروسکوپیک به ماکروسکوپیک از خلاقیت های ذهن انتزاعی دکارت بود.
فلسفه طبيعي دكارت با مفهوم جسم آغاز مي شود. امتداد صفت اصلي جوهر جسماني است . از نگاه دكارت , همچون ديگر بزرگان , علم ما به جواهر نه بصورت مستقيم بلكه از طريق عوارض , صفات و كيفيات , و . . . آنها ست . به همين دليل در ” اصول ” مي نويسد :
” گرچه هر صفتي براي اينكه شناختي از جوهر به ما بدهد به تنهايي كافي است , اما همين يك صفت در جوهر هست كه طبيعت و ذات جوهر را تشكيل مي¬دهد و همه صفات ديگر تابع آن است . مقصود من امتداد در طول و عرض و عمق است كه تشكيل دهنده طبيعت جوهر جسماني است يا انديشه كه تشكيل دهنده طبيعت جوهر انديشنده است . زيرا همه صفات ديگري كه به جسم نسبت دارد منوط به امتداد و تابعي از آن است . اين ويژگي خاص , امتداد براي جسم و انديشه براي نفس است . همه ديگر تصورات و مفاهيم به اين صفت خاص باز مي گردند .تا آنجا كه بواسطه صور امتداد است كه ما اندازه , شكل و حركت و ديگر صفات جسم را درك مي¬كنيم . و همينطور به واسطه مفهوم انديشه يا فكر است كه قادر به درك انديشه هاي خاص خود هستيم .
تصور امتداد بسيار نزديك به تصور جوهر جسماني است , بطوريكه دكارت اذعان ميدارد كه ما قادر به درك مفهوم اين جوهر فارغ از صفت اصلي آن نيستيم . دكارت در” اصول ” اينگونه مينويسد :
” تصور جوهر جسماني بصورتي متمايز از كميت خويش , تصوري مبهم از يك چيز غير جسماني است . گرچه بعضي اين موضوع را به نحو ديگري بيان مي كنند , اما من در هر حال فكر مي كنم كه نحوه تلقي آنها غير از آن چيزي باشد كه هم اكنون گفتم . زيرا وقتي جوهر را از امتداد و كميت انتزاع مي كنند , يا مقصودشان از جوهر لفظي است كه دلالت بر چيزي ندارد يا تقريباً تصور مبهمي از جوهري غيرجسماني در ذهن خود دارند كه آن را به غلط به جسم نسبت مي دهند و تصور حقيقي خود را از آن جوهر جسماني به امتداد معطوف مي كنند كه در عين حال از نظر آنان عرض ناميده مي¬شود . بنابراين مي توان بسهولت دريافت كه الفاظ آنها با افكارشان مطابقت ندارد . “
نزد دكارت تمام عوارض يك جوهر جسماني بايد بوسيله ذاتشان كه همان امتداد است فهميده شوند . هيچ چيز در جسم وجود ندارد كه توسط ويژگي ذاتي امتداد قابل درك نباشد . بدين ترتيب اجسام دكارتي , اجسامي هندسي هستند كه در خارج از ذهني كه آنها را ادراك مي كند وجود دارند .
حركت در فيزيك دكارت امري كاملاً تعيين كننده است . همه آنچه درجسم وجود دارد امتداد است , و تنها طريق براي اينكه جسمي از جسم دگر قابل تفكيك جلوه كند , حركت است . بدين ترتيب , آنچه باعث تعيّن اندازه و شكل اجسام منفرد مي گردد حركت است و بدينسان حركت , محوري ترين اصل تبييني در فيزيك دكارت است
در عرف عام , حركت ” عملي است كه با آن جسمي ازمكاني به مكاني ديگر عبور مي كند ” و در مورد يك جسم مفروض مي توانيم بگوييم كه اين جسم , بر حسب نقاط مرجعي كه اختيار ميكنيم , در عين حال هم متحرك است و هم غير متحرك . كسي كه كشتي متحركي سوار است نسبت به ساحلي كه آن را ترك گفته است متحرك است , ولي در عين حال نسبت به اجزاء كشتي در حالت سكون است .”
نيوتن در سال 1687 میلادی، “اصول رياضي فلسفه‌ي طبيعي” را به نگارش درآورد. در اين كتاب او مفهوم گرانش عمومي را مطرح ساخت و با تشريح قوانين حركت اجسام، علم مكانيك كلاسيك را پايه گذاشت.
در سال 1684 میلادی، نيوتن كه مطالعات خود را درباره‌ي گرانش و چگونگي حركت سيارات كامل كرده بود، رساله اي در اين مورد نوشت كه بسيار مورد توجه ادموند هالي منجم معروف انگليسي قرار گرفت. با تشويق و پيگيري او سرانجام كتابش را تكميل و با سرمايه هالي منتشر كرد. كتاب (Philosophiae Naturalis Principia Mathematica) اصول رياضي فلسفه‌ي طبيعي بر جهان علم بويژه فيزيك تأثيري عظيم گذاشت و بعضي آن را بزرگترين كتاب علمي تاريخ دانستهاند.
نيوتن با بهره‌گيري از پژوهشهاي گاليله به اين پندار درست رسيد كه اگر جسمي با سرعت يكنواخت به حركت درآيد و نيرويي بيروني به آن وارد نشود تا ابد با شتاب صفر به حركت خود ادامه خواهد داد. اين ويژگي را نيوتن در نخستين قانون حركت خود چنين بيان مي‌كند.
قانون يكم
هر جسم كه در حال سكون يا حركت يكنواخت در راستاي خط مستقيم باشد، به همان حالت مي‌ماند مگر آنكه در اثر نيروهاي بيروني ناچار به تغيير آن حالت شود.
دومين قانون به اين پرسش پاسخ مي‌دهد كه اگر بر يك جسم نيروي خارجي وارد شود، حركت آن چگونه خواهد بود.
قانون دوم
آهنگ تغيير اندازه‌ي حركت يك جسم، متناسب با نيروي برآيندِ وارد بر آن جسم است و در جهت نيرو قرار دارد. فرمولي كه از اين قانون برمي‌آيد (F=ma) به معادله بنيادين مكانيك كلاسيك معروف است كه مطابق آن، شتاب يك جسم برابر است با نيروهاي خالص وارده تقسيم بر جرم جسم.
سومين قانون مي‌گويد كه هرگاه جسمي به جسم ديگري نيرو وارد كند، جسم دوم نيز نيرويي به همان بزرگي ولي در سوي مخالف بر جسم اول وارد مي‌كند و برآيند كنش همزمان اين دو نيرو باعث حركت شتابدار مي‌شود.
قانون سوم
براي هر كنشي همواره يك واكنش برابر ناهمسو وجود دارد.
نيوتن در كتاب اصول فلسفه ي طبيعي نوشت: زمان مطلق ، حقيقي و رياضي، خود بخود و به علت ماهيت ويژه خود، بطور يكنواخت و بدون ارتباط با هيچ چيز خارجي جريان دارد. بنابراين از ديدگاه نيوتن زمان يك مقياس جهاني بود كه مستقل از همه اجسام و پديده هاي فيزيكي وجود داشت. زمان به دليل ماهيت خود جريان داشت و اين جريان وابسته به هيچ چيز ديگري نبود. همچنين در مورد فضا چنين مي گويد فضا در ذات خود مطلق و بدون احتياج به يك چيز خارجي همه جا يكسان و ساكن است. اينگونه نگرش به مطلق در قوانين نيوتن راهگشاي بسياري از ابهامات مكانيك نيوتني بود. زمان مطلق، فضا مطلق و حركت مطلق مواردي بودند كه مكانيك نيوتني بر اساس آنها شكل گرفته بود. اما قانون گرانش نیوتن دارای مصائب و مشکلاتی بود که با ساختار هستی در تناقض بود.
مهمترين مشكل قوانين نيوتن در قانون جهاني گرانش وي بود و خود نيوتن نيز متوجه آن شده بود. نيوتن دريافت كه بر اثر قانون گرانش او، ستارگان بايد يكديگر را جذب كنند. نيوتن در سال 1692 طي نامه اي به ريچارد بنتلي نوشت “كه اگر تعداد ستارگان جهان بينهايت نباشد، و اين ستارگان در ناحيه اي از فضا پراكنده باشند، همگي به يكديگر برخورد خواهند كرد. اما اگر تعداد نامحدودي ستاره در فضاي بيكران يكسان پراكنده باشند، نقطه مركزي در كار نخواهد بود تا همه بسوي آن كشيده شوند و بنابراين جهان در هم نخواهد ريخت.” اين برداشت نيز با يك اشكال اساسي مواجه شد. بنظر سيليجر طبق نظريه نيوتن تعداد خطوط نيرو كه از بينهايت آمده و به يك جسم مي رسد با جرم آن جسم متناسب است.
حال اگر جهان نامتناهي باشد و همه ي اجسام با جسم مزبور در كنش متقابل باشند، شدت جاذبه وارد بر آن بينهايت خواهد شد . مشكل بعدي قانون گرانش نيوتن اين است كه طبق اين قانون يك جسم به طور نامحدود مي تواند ساير اجسام را جذب كرده و رشد كند، يعني جرم يك جسم مي تواند تا بينهايت افزايش يابد. اين نيز با تجربه تطبيق نمي كند، زيرا وجود جسمي با جرم بينهايت مشاهده نشده است مشكل بعدي قوانين نيوتن در مورد دستگاه مرجع مطلق بود. همچنان كه مي دانيم حركت يك جسم نسبي است، وقتي سخن از جسم در حال حركت است، نخست بايد ديد نسبت به چه جسمي يا در واقع در كدام چارچوب در حركت است. دستگاه هاي مقايسه اي در فيزيك داراي اهميت بسياري هستند.
قوانين نيوتن نسبت به دستگاه مرجع مطلق مطرح شده بود. يعني در جهان يك چارچوب مرجع مطلق وجود داشت كه حركت همه اجسام نسبت به آن قابل سنجش بود. در واقع همه ي اجسام در اين چارچوب مطلق كه آن را “اتر” مي ناميدند در حركت بودند. يعني ناظر مي توانست از حركت نسبي دو جسم صحبت كند يا مي توانست حركت مطلق آن را مورد توجه قرار دهد. برای مطالعه موارد بیشتر به مقاله آقای ح. جوادی در سایت www.hupaa.com می توانید مراجعه کنید.
در این مقاله نظریات انیشتین در فیزیک نوین را نیز مورد واکاوی مختصری قرار خواهیم داد.
اگر تا بدینجا مقاله را خوانده اید باید بدین مطلب رسیده باشید که تغییر فلسفه و نوع نگرش به پیرامون و هر چه بیرون از سوژه قرار دارد تکان های هولناکی را بر پیکره هرگونه علمی انداخته است که لرزش ان نیز دور از انتظار بوده است. نقطه عطف دیگری نیز در گستره فیزیک وجود دارد که همه آن را با انیشتین می شناسیم. تکان هولناکی بر فیزیک مستدل و مستحکم کلاسیک که فروغ نیوتن بر ان می تابید. انیشتین دو نظریه کمابیش تایید شده دارد که به نظریات نسبیت عام و خاص مشهور است. همانگونه که از اولین کلمات این نظریه به نظر می رسد نوع نگاه را به ذهن متبادر می کند.
نسبیت عام
نسبیتِ عام نظریه نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتن را تعمیم می‌دهد و توصیفی یکتا از گرانش به عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان و یا فضازمان ارائه می‌کند. به خصوص در این نظریه، انحنای فضای زمان،به‌طور مستقیم به انرژی و تکانه هر ماده و تابشی مربوط است که موجود باشد. این رابطه توسط معادلات میدان اینشتین مشخص می‌گردد که یک دستگاه PDE(Partial Differential Equation System) می باشد.
در اینجا از پرداختن به جزئیات خودداری می کنیم. برخی از پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام، به خصوص موارد مرتبط با گذشت زمان، هندسه فضا، حرکت اجسام هنگام سقوط آزاد و انتشار نور، با پیش‌بینی‌های نظریه‌های فیزیک کلاسیک تفاوت بسیاری دارند. برای نمونه، از چنین تفاوت‌هایی می‌توان به اتساع گرانشی زمان (تفاوت گذر زمان برای دو جسم با سرعت های متفاوت)، همگرایی گرانشی (نور با عبور از اطراف اجسام پر جرم مایل می شود. پیش‌بینی‌های نظریه نسبیت عام در همه آزمون‌ها تا به امروز تأیید شده‌اند.
هرچند نسبیت عام تنها نظریه نسبیتی نور نیست، ساده‌ترین نظریه‌ای است که با آزمایش‌ها مطابقت دارد، البته پرسش‌هایی بدون پاسخی باقی مانده‌اند، که بنیادی‌ترین آنها چگونگی آشتی دادن نسبیت عام با فیزیک کوانتومی برای ایجاد یک نظریه خود-سازگار و کامل از گرانش کوانتومی است. ین نظریه، گرانش را به‌عنوان یک عامل هندسی و نه یک نیرو بررسی می‌کند. در این نظریه فضا–زمان توسط هندسه ریمانی بررسی می‌شود. خمش فضازمان مستقیماً با انرژی و تکانه کل ماده و تابش موجود متناسب است.
نظریه اینشتین جنبه‌های اخترفیزیکی مهمی دارد. مثلاً این نظریه وجود سیاهچاله‌ها را به‌عنوان وضعیت پایانی ستاره‌های بزرگ پیش‌بینی می‌کند. شواهد گسترده‌ای موجود است که تابش بسیار شدید منتشرشده از برخی انواع اجسام اخترفیزیکی ناشی از وجود سیاهچاله‌ها است. نسبیت عام همچنین وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی می‌کند که مشاهده آنها برای نخستین بار در سال ۲۰۱۶ و پس از گذشت صد سال از پیش‌بینی اینشتین در مورد وجود این امواج، به کمک تأسیسات لایگو (LIGO) صورت پذیرفت، هرچند قبلاً وجود این امواج به‌طور غیرمستقیم تأیید شده‌بود. پروژه‌هایی همچون لایگو و پروژه لیسایِ ناسا با هدف مشاهده مستقیم این امواج گرانشی راه‌اندازی شده‌اند. افزون بر این، نسبیت عام پایه مدل‌های رایج کنونی کیهان‌شناسی، که برمبنای جهانِ در حال انبساط هستند، را تشکیل می‌دهد. همچنین تعریف جرم در نسبیت عام به سادگی فیزیک کلاسیک و حتی نسبیت خاص نیست، در واقع در نسبیت عام نمی‌توان تعریفی کلی برای جرم یک سامانه ارائه داد و تعریف‌های گوناگونی همچون جرم اِی‌دی‌اِم، جرم کُمار و جرم بوندی پدید آمده‌اند. محدودیت سرعت اجسام مادی به سرعت نور در نسبیت عام، پیامدهایی در مورد ساختار سببی فضازمان دربردارد، زیرا تأثیر رویدادها و در نتیجه علّیت نیز محدود به سرعت نور می‌باشند. این محدودیت در نسبیت عام به تعریف افق‌ها می‌انجامد که مرزبندی‌هایی درفضازمان هستند. از جمله افق‌ها می‌توان به افق ذره و افق رویداد اشاره کرد که به ترتیب برخی نواحی از گذشته و آینده را غیرقابل دسترسی می‌نمایند.
پیش‌بینی‌های نسبیت عام در تمام مشاهدات و آزمایش‌هایی که تا به امروز انجام گرفته‌است، تأیید شده‌اند. نسبیت عام تنها نظریه نسبیتی موجود برای گرانش نیست، بلکه ساده‌ترین نظریه‌ای است که با داده‌های تجربی همخوانی دارد. هرچند که پرسش‌هایی هستند که هنوز بی‌پاسخ مانده‌اند و شاید پایه‌ای‌ترین آنها این باشد که چگونه می‌توان نسبیت عام را با قوانین فیزیک کوانتومی آشتی داد تا بتوان به نظریه‌ای کامل و خودسازگار برای گرانش کوانتومی دست یافت.
نسبیت خاص:
برای طولانی نشدن مقاله از شرح جزییات مشکل این نظریه عبور می کنیم و به تعاریف مختصر بشنده خواهیم کرد. طبق این نظریه تنها چیزی که در جهان ثابت است سرعت نور در خلا بوده و تمام چیزهای دیگر مانند سرعت، طول، جرم و گذشت زمان مطابق با چهارچوب مرجع(دیدگاه خاص) شخص، تغییر می کنند.
E=MC2 یکی از خروجی های این نظریه است. یکی دیگر از توزیعات این نظریه بدینصورت است که فردی که حرکت می کند، جرمش افزایش می یابد در واقع وزن فرد متحرک از فرد بدون حرکت بیشتر است. جسمی که حرکت می کند هر یک ثانیه ای را که می گذراند عملا بیشتر از یک جسم ثابت طول می کشد. به عبارت دیگر، فردی که ثابت است زمان فردی را که در حال حرکت است را کندتر محاسبه می کند. در سرعت های خیلی نزدیک به نور ممکن است هر ثانیه فرد در حال حرکت معادل سالها زندگی فرد بدون حرکت باشد. جرم همراه با سرعت افزایش می یابد؛ لذا نوعی محدودیت سرعت بر سرعت حرکت اجسام در جهان اعمال می شود.
همانطور که مشاهده می کنید نظریات انیشتین هم فیزیک نیوتنی و هم الکترومغناطیس ماکسول را با تناقضات سنگینی مواجه کرده است و شاید بتوان گفت که از اینرو انیشتین به تنهایی مقابل بزرگترین غولهای فیزیک کلاسیک ایستاده است.
فرزاد شیبانی
