آشنایی با نسبیت - ۶

نسبیت آلمانی

وقتی در قسمت قبل راجع به جمع سرعت‌ها صحبت می‌کردیم، دیدیم که هانس مجبور بود زمان چارچوب قایق را با زمان چارچوب ساحل مقایسه کند. سپس پدرش به او اجازه داد تا طبق نسبیت ایتالیایی عمل کند و آن زمان‌ها را مساوی با یکدیگر قرار دهد. طبعاً چنین «مجوز»ی بدین معناست که پدر هانس استفاده از نسبیت ایتالیایی را همیشه مجاز نمی‌داند. کما اینکه وقتی صحبت از نور شد، پدر هانس آن «مجوز» را باطل دانست! به عبارت دیگر، حرکت جوراب به گونه‌ای بود که در شرایط نسبیت ایتالیایی صدق می‌کرد، ولی حرکت نور در آن شرایط صدق نمی‌کند. یعنی قواعد ایتالیایی همواره بر «ترجمه چارچوب‌های لخت به یکدیگر» حاکم نیستند؛ یا نسبیت ایتالیایی همواره برقرار نیست.

حالا دو امکان وجود دارد:

• ۱) قواعد ترجمه چارچوب‌ها به ازای موجودات مختلف، متفاوت است.
• ۲) قواعد نسبیت ایتالیایی حالت خاصی از قواعدی کلی‌تر هستند.

امکان اول چندان جالب نیست. ما دوست داریم قاعده‌ای کلی برای عالم داشته باشیم، نه اینکه بخواهیم موجودات را مورد به مورد بررسی کنیم. علمِ جهان‌شمول، مطلوب‌تر از علم خاص است. پس احتمالاً امکان دوم صادق است و نسبیت ایتالیایی حالت خاصی از قاعده‌ای کلی‌تر است؛ اما آن حالت کلی‌تر را چطور بیابیم؟

نکته کلیدی در نسبیت ایتالیایی این بود که زمان برای ناظرهای مختلف، به یک صورت می‌گذرد. یعنی همهٔ ناظرهای لخت، بازهٔ زمانی ۵ ثانیه را ۵ ثانیه اندازه می‌گیرند، حتی اگر مبدأ زمانی متفاوتی داشته باشند. در واقع، به همین دلیل بود که در قسمت پنجم توانستیم رابطه‌ای میان سرعت‌ها بیابیم که به‌سادگی می‌گفت سرعت چارچوب را به سرعت جسم اضافه کنید تا سرعت جسم در چارچوب دیگر به‌دست آید. مسلماً اگر بازه‌های زمانی در آن چارچوب‌ها متفاوت بود، نمی‌توانستیم به چنین رابطه ساده‌ای برسیم. پس همان‌قدر که مفهوم «یکسان بودن بازه‌های زمانی» در توصیف نسبیت ایتالیایی اهمیت دارد، مفهوم «قاعده جمع سرعت‌ها» نیز مهم است.

حالا وقت ابتکار است! به جای اینکه به مفهوم زمان فکر کنیم و خودمان را اسیر چیزی کنیم که نمی‌دانیم دقیقاً چیست و چه اجزایی دارد، به سرعت می‌اندیشیم. بحث درباره سرعت به‌مراتب راحت‌تر از بحث درباره زمان است، زیرا زمان آن‌قدر بنیادی است که نمی‌دانیم از کجا شروع کنیم تا بفهمیم چگونه تغییر می‌کند.

لابه‌لای حرف‌هایی که درباره سرعت زده می‌شود، نکته جالبی وجود دارد: آزمایش‌ها نشان می‌دهند سرعت نور در خلأ به سرعت چشمهٔ نور بستگی ندارد و در همه چارچوب‌های لخت ثابت است. این نتیجهٔ تجربی بسیار عجیب و در تناقض آشکار با نسبیت ایتالیایی است. ما طبق نسبیت ایتالیایی انتظار داریم سرعت چارچوب به سرعت نور اضافه شود تا سرعت نور را در چارچوبی دیگر به‌دست آوریم، ولی آزمایش به‌وضوح خلاف آن را نشان می‌دهد. یعنی آلبرت (قسمت پنجم را ببینید) برای رد کردن پاسخ هانس از این مشاهده تجربی کمک گرفت.

البته نمی‌توان با قطعیت ادعا کرد که آن آزمایش‌ها در کل عالم درست‌اند. آزمایش‌ها خطا دارند و به گستره محدودی از عالم مربوط می‌شوند. در اغلب آن آزمایش‌ها فرض می‌شود نوری از ستارگان اطراف به دستگاهی بر روی زمین برسد و اگر چرخش زمین بر سرعت نور اثر نگذاشت، ادعا می‌شود سرعت نور به چارچوب بستگی ندارد. طبعاً «آن اثر» به خواص ذاتی نور وابسته است و هرچه درک ما از نور بیشتر می‌شود، آن «اثر» را به گونه دیگری مشاهده می‌کنیم. بر اساس آنچه آلبرت انشتین و هم‌عصران او از نور می‌دانستند، ثابت بودن سرعت نور در محدوده منظومه شمسی با دقت بسیار خوبی درست است.

باری ... اگر ثابت بودن سرعت نور را ملاک قرار دهیم، به جای نسبیت ایتالیایی نسبیت دیگری خواهیم داشت که آن را نسبیت آلمانی می‌نامیم تا نقش آلبرت آلمانی را در آن پررنگ کنیم!

در نسبیت آلمانی لازم است تا قواعد حرکت به گونه‌ای باشند که سرعت نور در همه چارچوب‌ها ثابت بماند. بنابراین چهارمین موجود مطلق، بر اساس نسبیت آلمانی که طبیعت را بهتر از نسبیت ایتالیایی توصیف می‌کند، سرعت نور است (۱). سه‌تای قبلی اینها بودند: پیشامد، زمان ساعت مچی، فاصله بین دو رویداد.

در قسمت بعد سعی می‌کنیم با استفاده از این موجودات مطلق، قواعد ترجمه چارچوب‌های لخت را بیابیم.

(۱) منظور از ثبات سرعت نور این نیست که نور مثلاً در شیشه و آب و خلأ با یک سرعت پیش می‌رود. اینجا بحث ما فقط درباره چارچوب است، نه تغییر محیط انتشار یا چیزهایی از این قبیل.