۷ زمینه‌ای که اینشتین از طریق آن‌ها دنیا را تغییر داد

امروز سالگرد درگذشت آلبرت اینشتین است که در ۱۸ آوریل سال ۱۹۵۵ (۲۸ فروردین ۱۳۳۴) میلادی با رفتنش جهان و به‌ویژه جامعه‌ی علمی را اندوهگین کرد. «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) که یکی از مشهورترین دانشمندان تمام تاریخ به‌شمار می‌رود و نام او تقریبا با واژه‌ی «نابغه» هم‌معنی شده است، از راه‌های زیادی دنیا را تغییر داد و بر زندگی بشر اثر گذاشت.

در حالی که بخشی از شهرت او مدیون ظاهر متفاوت و اظهارات گاه‌وبی‌گاه او درباره‌ی فلسفه، سیاست جهانی و دیگر موضوعات خارج از علم است، شهرت اصلی او برای مشارکت در فیزیک مدرن است که کل درک ما را از کیهان تغییر داده و به فهم جهانی که امروز در آن زندگی می‌کنیم کمک کرده است. بنابراین در اینجا نگاهی داریم به برخی از مفاهیم در حال تغییر جهان که دستیابی به آن‌ها را مدیون اینشتین هستیم.

۱. فضا-زمان

طرحی گرافیکی از سفر با کسری از سرعت نور
Credit: NASA

یکی از نخستین دستاورد‌های اینشتین در سن ۲۶ سالگی، نظریه‌ی «نسبیت خاص» (Special Relativity) او بود. این نام‌گذاری به این دلیل است که به حرکت نسبی در مورد خاصی که نیروهای گرانشی ناچیز درنظر گرفته می‌شوند، اشاره دارد. این ممکن است بدون عواقب به‌نظر برسد اما یکی از بزرگ‌ترین انقلاب‌های علمی در تاریخ بود که طرز فکر فیزیکدانان را درباره‌ی فضا و زمان تغییر داد.

در واقع، اینشتین این‌ها را در یک پیوستار فضا-زمان ادغام کرد. یکی از دلایلی که فکر می‌کنیم فضا و زمان کاملا از هم جدا هستند، این است که آن‌ها را به ترتیب در واحدهای گوناگونی مانند متر و ثانیه اندازه می‌گیریم اما اینشتین نشان داد که آن‌ها واقعا چگونه قابل تبدیل و از طریق سرعت نور، تقریبا ۳۰۰ هزار کیلومتر بر ثانیه، به یکدیگر مرتبط هستند.

شاید مشهورترین پیامد نسبیت خاص این باشد که هیچ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند. اما این همچنین به این معنی است که با نزدیک شدن به سرعت نور، همه چیز شروع به نشان دادن رفتار بسیار عجیبی می‌کنند.

اگر می‌توانستید فضاپیمایی را ببینید که با ۸۰ درصد سرعت نور حرکت می‌کند، ۴۰ درصد کوتاه‌تر از زمانی که در حالت ایستایی دیده می‌شد، به‌نظر می‌رسید. و اگر می‌توانستید داخل را ببینید، به‌نظر می‌رسید که همه چیز آهسته حرکت می‌کنند و طبق گفته‌ی دانشگاه ایالتی جورجیا در این حالت یک دقیقه، ۱۰۰ ثانیه طول می‌کشد. این یعنی هرچقدر یک فضاپیما سریع‌تر حرکت کند، سرنشینان آن دیرتر پیر می‌شوند.

۲. معادله‌ی اینشتین E=mc^۲

معادله‌ی اینشتین
Credit: Victor Habbick Visions/Science Photo Library/Getty Images

یک پیامد غیرمنتظره از نسبیت خاص، معادله‌ی مشهور اینشتین E=mc^۲ بود که احتمالا تنها فرمول ریاضی است که به یک نماد فرهنگی تبدیل شده است. این معادله هم‌ارزی جرم (m) و انرژی (E) را بیان می‌کند، دو پارامتر فیزیکی که قبلا تصور می‌شد کاملا جدا از هم هستند.

در فیزیک کلاسیک، جرم مقدار ماده‌ی موجود در یک جسم را اندازه‌گیری می‌کند، در حالی که انرژی خاصیتی است که جسم به واسطه‌ی حرکت و نیروهای وارد بر آن داراست. علاوه بر این، انرژی می‌تواند در غیاب کامل ماده وجود داشته باشد؛ برای نمونه در نور یا امواج رادیویی.

با این حال، معادله‌ی اینشتین می‌گوید که جرم و انرژی اساسا یک چیز هستند. جرم را در مجذور سرعت نور (c^2) که عدد بسیار بزرگی است ضرب کنید، تا ببینید که یکاها یکسان می‌شوند.

این یعنی یک جسم که سریع‌تر حرکت می‌کند، فقط به این دلیل که در حال به‌دست آوردن انرژی است، جرمش افزایش می‌یابد. همچنین به این معنی است که حتی یک جسم بی‌حرکت و ساکن مقدار زیادی انرژی محبوس شده درون خود دارد.

این مفهوم علاوه بر اینکه ایده‌ای شگفت‌انگیز است، کاربردهای عملی هم در دنیای فیزیک ذرات پرانرژی دارد. به گفته‌ی «سازمان اروپایی پژوهش‌های هسته‌ای» (European Council for Nuclear Research) یا «سرن» (CERN) اگر ذراتِ به اندازه‌ی کافی پرانرژی، با هم برخورد شدیدی داشته باشند، انرژی حاصل از برخورد می‌تواند ماده‌ی تازه‌ای را به شکل ذرات اضافی ایجاد کند.

۳. لیزرها

مراحل ایجاد تابش القایی در لیزر
Credit: Encyclopaedia Britannica/UIG/Getty Images

لیزرها از ضروری‌ترین بخش‌های فناوری مدرن هستند و در همه چیز از بارکدخوان و نشانگر لیزری گرفته تا هولوگرام و ارتباطات فیبر نوری استفاده می‌شوند. هرچند لیزرها معمولا با اینشتین ارتباط داده نمی‌شوند، اما در نهایت این کار او بود که تولید آن‌ها را ممکن کرد.

واژه‌ی «لیزر» (LASER) در سال ۱۹۵۹ ابداع شد که کوتاه شده‌ی عبارت «تقویت نور به روش گسیل القایی تابش» (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) است و طبق گزارش انجمن فیزیک آمریکا، تابش القا شده، مفهومی است که بیش از ۴۰ سال پیش از آن توسط اینشتین توسعه داده شده است.

در سال ۱۹۱۷ میلادی، اینشتین مقاله‌ای درباره‌ی نظریه‌ی کوانتومی تابش نوشت که در آن، در میان چیزهای دیگر توضیح داد که چگونه یک فوتون نور که از یک ماده می‌گذرد، می‌تواند گسیل فوتون‌های بیشتری را تحریک کند.

او دریافت که فوتون‌های جدید در همان جهت و با فرکانس و فاز مشابه فوتون‌های اصلی حرکت می‌کنند. این منجر به یک اثر آبشاری می‌شود و فوتون‌های تقریبا مشابه بیشتر و بیشتری تولید می‌شوند. در حالی که دانشمندان دیگر در تشخیص پتانسیل علمی عظیم تابش القا شده، کند بودند، اینشتین به‌عنوان یک نظریه‌پرداز، این ایده را بیش از این جلو نبرد.

اما در نهایت جهان به نتایج آن رسید و امروزه هنوز هم افراد در حال یافتن کاربردهای تازه برای لیزر هستند؛ از سلاح‌های ضد پهپاد گرفته تا رایانه‌های فوق سریع.

۴. سیاهچاله‌ها و کرم‌چاله‌ها

طرحی گرافیکی از یک کرم‌چاله
Credit: Shutterstock

نظریه‌ی نسبیت خاص اینشتین نشان داد که فضا-زمان می‌تواند کارهای بسیار عجیبی را حتی در نبود میدان‌های گرانشی انجام دهد. اما این تنها نوک کوه یخ است و بر همین اساس هم اینشتین در نهایت موفق شد در نظریه‌ی «نسبیت عام» (Public Relativity) خود گرانش را به این مجموعه اضافه کند. او دریافت که اجرام عظیمی مانند سیاره‌ها و ستارگان در واقع ساختار فضا-زمان را خم می‌کنند و این اعوجاج اثراتی را ایجاد می‌کند که ما به‌عنوان گرانش درک می‌کنیم.

اینشتین نسبیت عام را توسط مجموعه‌ی پیچیده‌ای از معادلات توضیح داد که کاربردهای متنوعی دارند. شاید معروف‌ترین پاسخ معادلات اینشتین از راه حل «کارل شوارتزشیلد» (Karl Schwarzschild) در سال ۱۹۱۶ میلادی به‌دست آمد؛ یک سیاهچاله.

حتی عجیب‌تر از این، راه حلی است که خود اینشتین در سال ۱۹۳۵ با همکاری «ناتان روزن» (Nathan Rosen) ابداع کرد و امکان وجود میان‌برها را از یک نقطه در فضا-زمان به نقطه‌ی دیگر توصیف کرد. این پل‌ها که ابتدا پل‌های اینشتین-روزن نامیده می‌شدند، اکنون برای همه‌ی طرفداران داستان‌های علمی-تخیلی با نام آشناتر «کرم‌چاله‌ها» (Wormholes) شناخته می‌شوند.

۵. انبساط کیهان

طرحی گرافیکی از انبساط کیهان
Credit: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images

یکی از نخستین کارهایی که اینشتین با معادلات نسبیت عام خود در سال ۱۹۱۵ انجام داد، این بود که آن‌ها را به کل کیهان تعمیم داد. اما پاسخی که گرفت به‌نظر او اشتباه بود. کار او نشان داد که خود بافت فضا در حالت انبساط مداوم قرار دارد و کهکشان‌ها را به همراه خود می‌کشد، بنابراین فاصله‌ی میان آن‌ها دائما افزایش می‌یابد. عقل سلیم به اینشتین حکم می‌کرد که این موضوع نمی‌تواند درست باشد، بنابراین او چیزی به نام ثابت کیهانی را به معادلات خود افزود تا یک جهان ایستا و با رفتار خوب تولید کند.

اما در سال ۱۹۲۹ مشاهدات «ادوین هابل» (Edwin Hubble) از کهکشان‌های دیگر نشان داد که جهان واقعا در حال انبساط است. ظاهرا دقیقا همان‌طور که معادلات اولیه‌ی اینشتین پیش‌بینی کرده بودند. به‌نظر می‌رسید که این پایان کار ثابت کیهانی بود که اینشتین بعدها آن را بزرگ‌ترین اشتباه خود توصیف کرد.

اما در حقیقت این پایان داستان نبود. بر اساس اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر از انبساط کیهان، اکنون می‌دانیم که انبساط کیهان در غیاب یک ثابت کیهان‌شناختی، به جای کاهش سرعت، افزایش می‌یابد. بنابراین به‌نظر می‌رسد که اشتباه اینشتین در نهایت خیلی هم خطا نبود!

۶. بمب اتم

Credit: Universal History Archive/Universal Images Group/Getty Images

گاهی اوقات اینشتین را با معادله‌ی E=mc^۲ به اختراع سلاح‌های هسته‌ای نسبت می‌دهند، اما به گفته‌ی وب‌سایت اینشتین-آنلاین «مؤسسه‌ی فیزیک گرانشی ماکس پلانک» (Max Planck Institute for Gravitational Physics) پیوند بین این دو در بهترین حالت بسیار ضعیف است.

عنصر اصلی در اینجا شکافت هسته‌ای است که اینشتین هیچ دخالت مستقیمی در آن نداشت. با این وجود او نقش مهمی در توسعه‌ی نخستین بمب اتمی ایفا کرد. در سال ۱۹۳۹ شماری از همکارانش، او را درباره‌ی احتمال شکافت هسته‌ای و پیامدهای ناگواری که در صورت دستیابی آلمان نازی به این تسلیحات رخ می‌داد، آگاه کردند.

در نهایت طبق گفته‌ی بنیاد میراث اتمی، او متقاعد شد که این نگرانی‌ها را در نامه‌ای به رئیس جمهور وقت آمریکا، «فرانکلین دی. روزولت» (Franklin D. Roosevelt) منتقل کند. نتیجه‌ی نهایی نامه‌ی اینشتین، تأسیس پروژه‌ی منهتن بود که در نهایت بمب‌های اتمی علیه ژاپن را در پایان جنگ جهانی دوم ساخت.

اگرچه بسیاری از فیزیکدانان مشهور روی پروژه‌ی منهتن کار کردند، اما اینشتین در میان آن‌ها نبود. به گفته‌ی موزه‌ی تاریخ طبیعی آمریکا (AMNH) او به دلیل دیدگاه‌های سیاسی چپ‌گرایانه، از مجوز امنیتی لازم محروم شد. اما برای اینشتین این ضرر بزرگی نبود، تنها نگرانی او پیشگیری از انحصار فناوری برای نازی‌ها بود.

در سال ۱۹۴۷ میلادی، اینشتین در مصاحبه با نیوزویک تأکید کرد: «اگر می‌دانستم آلمانی‌ها در ساخت بمب اتمی موفق نمی‌شوند، هرگز در این زمینه تلاشی نمی‌کردم.»

۷. امواج گرانشی

طرحی گرافیکی از ایجاد امواج گرانشی
Credit: R. Hurt/Caltech-JPL

اینشتین در سال ۱۹۵۵ میلادی درگذشت، اما میراث عظیم علمی او حتی در قرن بیست‌ویکم همچنان سرفصل خبرهاست. چنین چیزی در فوریه‌ی ۲۰۱۶ و با اعلام کشف «امواج گرانشی» (Gravitational Waves) که یکی دیگر از پیامدهای نسبیت عام است، به‌طرز شگفت‌انگیزی روی داد.

امواج گرانشی، تکان‌های کوچکی هستند که در تار و پود فضا-زمان منتشر می‌شوند و هرچند اغلب به صراحت گفته می‌شود که اینشتین وجود آن‌ها را پیش‌بینی کرده است اما در حقیقت این معادلات او بودند که پیش‌بینی آن‌ها را ممکن کردند.

اینشتین هرگز به‌طور کامل روی این موضوع کار نکرد که آیا امواج گرانشی توسط نظریه‌ی او پیش‌بینی یا رد می‌شوند و دهه‌ها جست‌وجو طول کشید تا این موضوع توسط اخترشناسان به هر طریقی روشن شود.

در نهایت پژوهشگران با استفاده از امکانات غول‌پیکری مانند «رصدخانه‌ی موج گرانشی با تداخل‌سنج لیزری» (LIGO) در هانفورد واشنگتن و لیوینگستن لوئیزیانا موفق به شناسایی آن شدند. کشف امواج گرانشی علاوه بر پیروزی دیگری برای نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، ابزار تازه‌ای برای رصد جهان ازجمله رویدادهای نادر مانند ادغام سیاهچاله‌ها به ستاره‌شناسان داده است.

عکس کاور: آلبرت اینشتین
Credit: HUJI

منبع: Live Science