نظریه‌های اینشتین چگونه جهان را تغییر دادند؟

آلبرت اینشتین (۱۸۷۹-۱۹۵۵) یکی از مشهورترین دانشمندان کل دوران‌هاست به‌طوری‌که بسیاری نام او را مترادف با کلمه‌ی «نبوغ» می‌دانند. با اینکه اینشتین به دلیل ظاهر عجیب و اظهارنظرهایش در رابطه با فلسفه، سیاست جهانی دیگر مباحث غیر علمی هم معروف است، بخش زیادی از شهرتش را مدیون نظریه‌هایش در زمینه‌ی فیزیک مدرن است که درک کلی انسان از جهان را تغییر دادند و به شکل‌گیری دنیایی که در آن زندگی می‌کنیم کمک کردند. در این مقاله به برخی از نظریه‌های بنیادی و تحول‌بخش جهان اشاره می‌کنیم که تمام آن‌ها را مدیون اینشتین هستیم.

یکی از دستاوردهای اولیه‌ی اینشتین در سن ۲۶ سالگی، نظریه‌ی نسبیت خاص بود. این نظریه یکی از بزرگ‌ترین تحولات علمی در کل تاریخ است و به‌طور کلی نگرش دانشمندان را نسبت به فضا و زمان تغییر داد. در واقع اینشتین فضازمان را به عنوان تعریفی واحد ارائه کرد. یکی از دلایلی که فکر می‌کنیم فضا و زمان مجزا هستند اندازه‌گیری آن‌ها با واحدهای مختلفی مثل کیلومتر و ثانیه است؛ اما اینشتین نشان داد این دو مفهوم از طریق سرعت نور که به سیصد هزار کیلومتر در ثانیه می‌رسد، به یکدیگر ربط دارند.

شاید مشهورترین نتیجه‌ی نظریه‌ی نسبیت این بود که هیچ چیز سریع‌تر از نور حرکت نمی‌کند. این نظریه همچنین نشان داد اشیا با رسیدن به سرعت نور رفتار عجیبی را از خود نشان می‌دهند. برای مثال اگر بتوانید فضاپیمایی را ببینید که با هشتاد درصد سرعت نور حرکت می‌کند، فضاپیما را ۴۰ درصد کوتاه‌تر از حالت عادی می‌بینید و اگر بتوانید داخل فضاپیما را ببینید همه چیز خارج از آن با حرکت آهسته یا اسلوموشن دیده می‌شود و زمان کندتر سپری می‌شود به‌طوری‌که با افزایش سرعت، خدمه‌ی فضاپیما دیرتر به سنین پیری می‌رسند.

یکی از مشتق‌های غیرمنتظره‌ی نسبیت عام معادله‌ی معروف اینشتین یعنی E=mc^2 بود. این معادله تنها فرمول ریاضی است که به جایگاه فرهنگی نمادینی در تاریخ دست پیدا کرد. این معادله هم‌ارزی جرم (m) و انرژی (E)، دو پارامتر فیزیکی را نشان می‌دهد که قبلا به نظر می‌رسید کاملا مجزا هستند. در فیزیک سنتی، جرم به میزان ماده‌ی موجود در یک شیء گفته می‌شد درحالی‌که انرژی خاصیتی است که شیء بر اثر حرکت و نیروهای اعمال‌شده به دست می‌آورد. علاوه بر این انرژی می‌تواند در غیاب ماده وجود داشته باشد مثل نور یا امواج رادیویی.

با این‌حال معادله‌ی اینشتین می‌گوید در صورتی که جرم را در c^2 یا مربع سرعت نور ضرب کنید، جرم و انرژی با یکدیگر یکسان خواهند بود. این یعنی اشیا هرچقدر سریع‌تر حرکت کنند به جرم بالاتری می‌رسند دلیل این مسئله هم افزایش انرژی است. معادله‌ی نسبیت نشان می‌دهد حتی یک شیء ایستا دارای مقادیر زیادی انرژی محبوس است. این معادله علاوه بر مفاهیم تئوری دارای کاربردهای واقعی در دنیای فیزیک ذرات پرانرژی است. به نقل از انجمن اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای (CERN)، اگر ذرات دارای انرژی کافی با یکدیگر برخورد کنند، انرژی حاصل از این برخورد می‌تواند به تولید ماده‌ای جدید با ذرات بیشتر بینجامد.

لیزرها از بخش‌های مهم فناوری مدرن هستند و در همه چیز از جمله قرائت‌گرهای بارکد تا اشاره‌گرهای لیزری و هولوگرام‌ها و ارتباطات فیبر نوری کاربرد دارند. گرچه لیزر رابطه‌ی مستقیمی با اینشتین ندارد، پروژه‌های اینشتین بودند که زمینه را برای رشد این فناوری ممکن ساختند. کلمه‌ی لیزر که در سال ۱۹۵۹ ابداع شد به معنی «تقویت نوری از طریق انتشار پرتوهای برانگیخته» است و انتشار برانگیخته مفهومی است که اینشتین ۴۰ سال پیش‌تر از ابداع لیزر مطرح کرد. اینشتین در سال ۱۹۱۷ مقاله‌ای را درباره‌ی نظریه‌ی کوانتومی تشعشعات منتشر کرد که نشان می‌داد یک فوتون نوری چگونه با گذر از ماده می‌تواند باعث برانگیختگی و انتشار فوتون‌های بیشتر شود.

اینشتین متوجه شد فوتون‌های جدید در همان مسیر و با فرکانس و فاز مشابه فوتون‌ اصلی حرکت می‌کنند. با تولید فوتون‌های یکسان بیشتر، این فرایند به اثری آبشاری انجامید. اینشتین این نظریه را بیشتر از این توسعه نداد درحالی‌که دانشمندان دیگر بعدها متوجه پتانسیل کاربردی عظیم انتشار برانگیخته شدند. امروزه هنوز هم کاربردهای جدیدی برای لیزر توسعه می‌یابند: از سلاح‌های ضدپهپادی گرفته تا کامپیوترهای فوق سریع.

نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین نشان داد فضازمان در غیاب‌ میدان‌های گرانشی می‌تواند رفتار بسیار عجیبی را از خود نشان دهد؛ اما این تازه شروع کار بود. اینشتین بعدها گرانش را به نظریه‌ی نسبیت عام خود افزود. او به این نتیجه رسید که اجرام سنگین مثل سیاره‌ها و ستاره‌ها می‌توانند بافت فضا زمان را خم کنند و این خمیدگی باعث ایجاد اثری به نام گرانش می‌شود.

اینشتین نسبیت عام را از طریق مجموعه‌ی پیچیده‌ای از معادله‌ها توصیف کرد که دارای مجموعه‌ی وسیعی از کاربردها هستند. شاید معروف‌ترین راه‌حل معادله‌های اینشتین را بتوان راه‌حل کارل شوارتزشیلد در سال ۱۹۱۶ دانست: سیاه چاله. حتی عجیب‌تر از آن راه‌حلی است که خود اینشتین در سال ۱۹۳۵ در همکاری با ناتان روزن توسعه داد. در این راه حل میانبرهایی از یک نقطه از فضا زمان به نقطه‌ای دیگر توصیف شده بود. این پدیده‌ها که در ابتدا پل‌های اینشتین روزن نامیده شدند امروزه کرمچاله نام‌گذاری شدند و توجه بسیاری از هواداران علمی تخیلی را به خود جلب کردند.

یکی از اولین کارهایی که اینشتین با معادلات نسبیت عام در سال ۱۹۱۵ انجام داد، پیاده‌سازی این معادله‌ها روی کل جهان هستی بود؛ اما اینشتین به پاسخی رسید که به نظر او اشتباه بود. بر اساس این پاسخ بافت فضا در وضعیت انبساط پیوسته قرار دارد و کهکشان‌ها هم همراه با این انبساط کشیده می‌شوند و از یکدیگر دور خواهند شد. حس ششم اینشتین به او می‌گفت این نظریه نمی‌تواند صحیح باشد به همین دلیل ثابتی کیهانی را به معادلات خود اضافه کرد تا به جهانی با رفتار صحیح و ایستا برسد.

اما مشاهدات ادوین هابل از کهکشان‌های دیگر در سال ۱۹۲۹ ثابت کرد همان‌طور که اینشتین پیش‌بینی کرده بود جهان واقعا در حال انبساط است. این اثبات خط پایانی برای ثابت کیهانی بود که اینشتین بعدها آن را به‌عنوان بزرگ‌ترین اشتباه خود عنوان کرد؛ اما این هم پایان داستان نبود بر اساس اندازه‌گیری‌های تصحیح‌شده‌ی بیشتری از انبساط جهان، میدانیم سرعت انبساط جهان رو به افزایش است و دلیل آن نبود ثابت کیهانی است. در نتیجه به نظر می‌رسد خطای اینشتین چندان هم خطا نبوده است.

گاهی اعتبار ابداع سلاح‌های هسته‌ای به اینشتین و معادله‌اش E=mc^2 داده می‌شود اما بر اساس وب‌سایت Einstein Online متعلق به مؤسسه‌ی فیزیک گرانشی ماکس پلانک، ارتباط بین سلاح هسته‌ای و اینشتین در بهترین حالت بسیار اندک است. ماده‌ی کلیدی، فیزیک شکافت هسته‌ای است که اینشتین هیچ مشارکت مستقیمی در آن نداشت. با این حال او نقشی حیاتی در توسعه‌ی کاربردی اولین بمب‌های اتمی داشت.

در سال ۱۹۳۹، تعدادی از همکاران اینشتین به او درباره‌ی پیامدهای شکافت هسته‌ای و احتمال دستیابی حزب نازی به چنین سلاح‌هایی هشدار دادند. به نقل از بنیاد میراث اتمی اینشتین تصمیم گرفت این نگرانی‌ها را در نامه‌ای به رئیس جمهور وقت ایالات متحده، فرانکلین دی رزولت ابلاغ کند. خروجی نهایی نامه‌ی اینشتین تأسیس پروژه‌ی منهتن بود که به ساخت اولین بمب‌های اتمی علیه ژاپن در پایان جنگ جهانی دوم اختصاص یافت.

اگر از قبل می‌دانستم آلمان‌ها در توسعه‌ی بمب اتم شکست می‌خورند، هرگز اقدامی در این زمینه نمی‌کردم.

اینشتین در سال ۱۹۵۵ درگذشت اما میراث علمی عظیم او حتی در قرن بیست و یک هم همچنان در صدر اخبار قرار دارند. برای مثال در فوریه‌ی ۲۰۱۶ دانشمندان از کشف امواج گرانشی خبر دادند که یکی از نتایج دیگر نسبیت عام بود. امواج گرانشی نوسان‌های کوچکی هستند که در بافت فضا زمان منتشر می‌شوند و اغلب گفته می‌شود که اینشتین وجود این امواج را پیش‌بینی کرده بود؛ اما حقیقت به این شفافیت نیست.

اینشتین هرگز اشاره‌ی کاملی به امواج گرانشی نکرد. بلکه ده‌ها سال طول کشید تا ستاره‌شناسان راهی برای کشف این امواج پیدا کنند در نهایت آن‌ها با تأسیسات غول‌آسایی مثل رصدخانه‌های موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) در هانفورد وانشگتن و لیوینگستون لوییزیانا موفق شدند. کشف امواج گرانشی به عنوان پیروزی دیگری برای نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین تبدیل شد (گرچه او خود زیاد در این باره مطمئن نبود) و ابزاری جدید را برای رصد جهان و رویدادهایی مثل سیاهچاله‌های در حال ادغام در اختیار ستاره‌شناسان قرار داد.