کوانتوم و نسبیت دوست یا دشمن (۱)

مقاله کامل

۱- فیزیک کلاسیک و ظرفیت‌های آن

تا سال ۱۹۰۰ فیزیک کلاسیک به اوج شکوفایی خود رسیده بود از توصیف حرکات سیارات گرفته تا تشریح انتشار نور(پدیده‌های تداخل – پراش –قطبش) و ماهیت آن به عنوان یک موج الکترومغناطیس،قوانین ترمودینامیک و نظریه جنبشی قادر به توصیف دقیق رفتارتمامی پدیده‌های شناخته شده تا آن زمان بود.الکتریسته و مغناطیس با کارهای ماکسول وحدت یافته و معادلات الکترومغناطیس به عنوان عصاره کارهای او در این زمینه شکل گرفت این معادلات به خوبی تمامی معلوماتی که تا آن زمان از الکتریسیته و مغناطیس موجود بود را فرمول بندی می‌کرد چهارده سال بعد از کشف این معادلات هرتز به صورت عملی این امواج را در آزمایشگاه تولید کرد. درحقیقت تا اواخر قرن نوزدهم به نظر می‌رسید که تمامی اصول بنیادی حاکم بررفتار جهان فیزیکی شناخته شده است. همه چیز از مکانیک نیوتنی و الکترومغناطیس ماکسول تبعیت می‌کرد این فرمول بندی نظم حاکم بر جهان، چنان دانشمندان را تحت تاثیر قرار داد که لاپلاس ریاضیدان فرانسوی وقتی کتاب خود یعنی مکانیک آسمانی رانوشت درجواب ناپلئون که از او پرسید چرا اودر کتابش نامی از خدا نبرده است گفت «من نیازی برای مطرح کردن این فرضیه نمی‌بینم»

۲- نواقص فیزیک کلاسیک

همانگونه که گفتیم فیزیک کلاسیک تا اواخر قرن نوزدهم با داشتن قوانین نیوتون و ترمودینامیک و معادلات ماکسول هر ذهنی را متقاعد می‌ساخت که روابط این علم می‌تواند هر پدیده موجود درعالم را از موج گرفته تا حرکات کرات آسمانی توجیه نماید ولی برخی از پدیده‌ها که ذکر خواهد شد همانند سونامی اقیانوس آرام فیزیک کلاسیک را به چنان تلاطمی واداشت که امواج قدرتمند ناشی از آن انسان را از زمین برکره ماه و از چراغ پی سوز به نیروگاه هسته‌ای و از کبوترهای نامه ر‌سان به تلفن همراه و اینترنت و یا به عبارتی از خاک عقب ماندگی به افلاک تکنولوژی و پیشرفت سوق دارد.

از دل این پدیده‌های غیر قابل توضیح توسط مکانیک کلاسیک، دو ابر نظریه بوجود آمد یکی نسبیت و دیگری کوانتوم در این میان نسبیت سئوالهای فلسفی چندین هزار ساله ما را از گذشته و آینده کائنات جواب داد و چشم ما را به دنیای نوینی گشود که درآن همه چیز درحال حرکت است با آغاز و پایانی معلوم، دنیای بیکرانه و محدودی که زمانی شروع به انبساط نمود وزمانی نیز از انبساط بازخواهد ایستاد.

درحالی که دنیائی که کوانتوم، ما را با آن آشنا ساخت درنهایت کوچکی و خردی بود ما اکنون به یمن وجود فیزیک کوانتوم از رویدادهای شکافت هسته‌ای گرفته تا رفتار ذراتی که شعاعشان از یک هزار میلیاردیوم میلی متر هم کوچکتر است آگاهیم.

۲-۱- اتر نورسان واقعیتی خیالی

اگر تغییر مکان سیارات در آسمان شب و ایجاد شب و روز وتغییر فصل‌ها نبود شاید کوپرنیک درقرن شانزدهم انگیزه‌ای برای ارائه مدل کیهان شناختی خود که خورشید در مرکز و زمین و سایر سیارات شناخته شده درآن دوران به دور آن درحال چرخشند در او ایجاد نمی‌شد.یا اگر در اواخر قرن هفدهم نیوتن به قصد استراحت درخت سیب را انتخاب نمی‌کرد و سیبی از درخت بر سراو (یا کنار او) نمی‌افتاد شاید حس کنکاش درمورد جاذبه عمومی در وی نیز ایجاد نمی‌شد وقانون جاذبه کشف نمی‌گردید.هرچند که این نظریه‌ها در نوع خود می‌توانند جزء بنیادترین مفاهیم علم فیزیک باشند ولی ظهور و نمودشان را ناشی از وقوع پدیده‌هایی می‌توان دانست که نه در یک لحظه بلکه در طول تمام عمر کاشفان آنها با آن سروکار داشتند یا به آن دائما می‌اندیشیدند. ولی نظریه‌های نسبیت که نه با تجارت روزانه ما سروکار دارند و نه ذهن جستجوگر برای پی بردن به وجود آنها می‌تواند در دور و بر خود سرنخ‌هایی ازآنها بیابد.گرچه نتیجه آزمایش مایکلسون-مورلی که وجود اتر را نقض می‌کرد می‌توانست شاهد راسخی برای اثبات این ادعا که سرعت نور ثابت است باشد و زمینه ساز شکل‌گیری نسبیت خاص (Special relativity)شود ولی به گفته اینشتین او تا قبل از بیان نظریه نسبیت خاص به هیچ عنوان از انجام آزمایش مایکلسون آگاهی نداشت.ایمان به وجود اتر(ether) در بین دانشمندان را به خوبی می‌توان به عنوان نمونه ایی از نقص فکری بشر از نوع مخرب آن دانست که تبعات این نوع از نگرش ها در طول تاریخ ضربات جبران ناپذیری به پیشرفت دانش و تکنولوژی وارد آورده است اتر یک پدیده ساخته ذهن دانشمندان است تنها به صرف اینکه شرط انتشار امواج در روی زمین مانند موج‌های طولی (صدا) وجود ماده است دانشمندان همین شرط را هم برای انشار نور به عنوان یک موج عرضی در نظر گرفتند.

ماکسول می‌گوید:

نور یک موج الکترومغناطیس است که تنها با ایجاد آ‎شفتگی در اتر منتشر می‌گردد.

چون در محیط‌های چگال سرعت امواج افزایش می‌یابد آنها برهمین اساس محیطی که نور در آن انتشار می‌یابد را یک محیط فوق العاده کشسان درنظر گرفتند تا بتوانند به این صورت سرعت حیرت انگیز نور را توجیه کنند وچون افزایش تراکم ماده سبب کاهش شفافیت آن میشود بنابراین خصلت اتر را محیطی شفاف، نامرئی و بدون جرم که هیچگونه مقاومتی در مقابل حرکت اشیاء نمی‌کند، بیان نمودند تا بدین صورت انتشار امواج الکترومغناطیس را در فضا توجیه نمایند.

ما می‌توانیم با خالی کردن هوای درون یک ظرف از انتقال موج صوتی در آن جلوگیری کنیم، چون دیگر ماده‌ای برای انتقال صوت وجود ندارد ، ولی هیچ کس با هیچ پمپ تخلیه‌ای قادر به خارج کردن اتر از دورن یک محیط سربسته نمی‌باشد حال این چه ماده مرموزی است که هم فوق العاده متراکم است هم فوق العاده شفاف، همه جا وجود دارد ولی هیچ کس آن را حس نمی‌کند و اصلا قابل آشکار سازی هم نیست.گرچه هیچ فیزیکدانی قادر به اثبات وجود اتر نبود ولی دانشمندان تا پای جان از وجود این ماده مرموز و غیر قابل تفصیر دفاع می‌کردنند تا جائی که ماکسول می‌گوید:

با تمام سختی‌هائی که برای تجسم اتر وجود دارد ولی بی‌تردید تمام عالم را جسمی بسیار بزرگ و یکدست(اتر) پرکرده است.

یک جوان آمریکایی به نام آلبرت آبراهام مایکلسون(Albert Abraham Michelson) در سال ۱۸۸۱ میلادی با ابداع یک آزمایش جالب و مشهوری قصد به اندازه گیری سرعت حرکت زمین در درون اتر نمود تا قبل از انجام آزمایش مایکلسون

آلبرت آبراهام مایکلسون (December 19, 1852 – May 9, 1931 )

دانشمندان وضعیت اتر را از دوحالت خارج ندانستند

۱-اتر مانند جو زمین همراه با زمین درحال حرکت است و زمین آنرا به دنبال خود می‌کشاند.

۲- زمین در ضمن گردشش بدور خورشید در میان اتر حرکت می‌کند.

درصورت اول باید سرعت نوری که از ستارگان دور دست به زمین می‌آید با سرعت نوری که در تمام جهات در روی زمین محاسبه می‌شود متفاوت باشد ولی این فرض بکلی مردود است زیرا جیمز برادلی درسال ۱۷۲۵ ثابت کرد که تغییر موضع ستارگان نسبت به راستای حرکت مداری زمین به موقعیت زمین بستگی ندارد(ابیراهی ستارگان)

درصورت دوم با اندازه‌گیری سرعت نور درجهت های مختلف حرکت زمین بدورخورشیدمی توانستیم وجود اتر را ثابت کنیم چرا که سرعت نور در اتر ثابت است و زمین نسبت به اتر حرکت میکند بنابراین باید سرعت اندازه‌گیری شده نور نسبت به زمین تحت تاثیر حرکت این سیاره قرار گیرد و تغییر نماید از اینرو ما می‌توانستیم باارائه دلیل محکم وجود اتر را تایید یارد کنیم.مایکلسون با انجام آزمایشی در دفعات متوالی در زوایای مختلف در مراحل گوناگون(به تناوب هر سه ماه یکبار) که زمین در وضعیت‌های مختلف نسبت به اتر قرار می‌گرفت نشان داد که درهمه حالات سرعت نور هیچ تغییری نسبت به سایر اندازه‌گیری‌ها نمی‌کند بنابراین مایکلسون نتوانست وجود اتر را با این آزمایش ثابت کند.

ولی مایکلسون به جای تردید دروجود اتر نتیجه آزمایش خود را این گونه ارزیابی کرد « فکر می‌کنم باید این را بپذیریم که هر چند این آزمایش جواب منفی داده است ولی اختراع تداخل سنج این نتیجه منفی را جبران میکند»

سایردانشمندان به جای تامل در نتیجه آزمایش مایکلسون تنها به صرف جوان بودن وی (مایکلسون در هنگامی که اقدام به انجام آزمایش نمود تنها ۲۶ سال داشت ) وتعصب در باورهای غلط خود، بدون تفکر از وجود اتر دفاع می کردند یکی از این دانشمندان لورنتس بود او نظرخود را در مورد آزمایش مایکلسون این گونه ابراز داشت که :

درمحاسبات انجام شده در آزمایش (مایکلسون ) حتما اشکالی وجود دارد که مایکلسون از آن بی خبر است.

اوعدم تفاوت در اندازه گیری سرعت نور در جهات مختلف را ناشی از ایده ی انقباض اشیاء و کند شدن ساعت ها حین حرکت در درون اتر دانست .بار دیگر مایکلسون مجبور شد آزمایش خود را با دقت بیشتر انجام دهد او این بار از همکاری مورلی برای انجام آزمایش خوداستفاده نمود (۱۸۸۷ میلادی) ولی دوباره به همان نتیجه ی شش سال پیش رسید، مایکلسون از سر استیصال چنین گفت:

به نظر می آید که چنانچه هرگونه حرکت نسبی بین زمین و اتر نوررسان وجود داشته باشد این حرکت باید بسیار ناچیز باشد.

باز با این آزمایش دقیق مایکلسون نمی توانست با باورهای چند دهه به مبارزه برخیزد و وجود اترنوررسان را به کلی رد کند. آغاز قرن بیستم که حقیقتا قرن انقلاب در اندیشه های بشری بود را می توان برای علم فیزیک یک عصر شکوفایی و بالندگی به حساب آورد در این قرن بود که دو ابر نظریه ی نسبیت و کوانتوم متولد شده و به تکامل رسیدند.

فیزیک، هسته ی اتم را شکافت و انرژی آن را مهار نمود ، ترانزیستورها پا به دنیای تکنولوژی نهادند و فضا به تسخیر بشردر آمد در این قرن بود که انسان به ماه سفر کرد و رویای دیرین او به تحقق پیوست، شاید حال وهوای این قرن بود که روح عصیان را در هانری پوانکاره دمید آن هنگام که او وجود اتر نوررسان را به کلی توهم قلمداد نمود و گفت:

آیا این اتر نور رسان واقعا وجود دارد ؟ اعتقاد من این است که ما چیزی فراتر از یک جا به جایی نسبی نمی توانیم اثبات کنیم

آیا دانشمندان بهمین سادگی دست از سر اتر بر می دارند؟ نه آزمایش مایکلسون –مورلی درسال ۱۸۸۷ و نه دلایل هانری پرانکاره در نفی اتر هیچکدام به اندازه نسبیت خاص اینشتین نتوانست ذهن فیزیکدانان را از بند اتر نوررسان رهائی بخشد.

۳- نظرﻳﮥ نسبیت خاص (special theory of relativity)

تنها یک ایده انقلابی می‌توانست نام یک کارمند ساده اداره ثبت اختراعات برن سوئیس را جهانی سازداینشتین بعد از اخذ درجه ی دکترا از مدرسه پلی تکنیک زوریخ و عدم دستیابی به شغل مورد علاقه‌اش که همانا تدریس در دانشگاه بود بطور مداوم درذهن خلاق خود بدنبال راهی میانبر برای نشان دادن توانائی های خود به جامعه علمی بود او در سال ۱۹۰۵با ارائه ۴ مقاله به مقصود خود رسید.شاید او هرگز به اهمیت بی نظیر مقاله “درباره الکترودینامیک اجسام متحرک”

(On the Electrodynamics of Moving Bodies) نسبت به سایر مقالات پی نبرده بود بهرحال جایزه گران بها و با ارزش نوبل سال ۱۹۲۱ نیز نه به خاطر این مقاله بلکه بخاطر مقاله دیگر وی که در مورد اثرفوتو الکتریک با نام نقطه نظر ذهنی درمورد تولید و تغیر شکل نور(“On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”)

نگاشته شده بود به وی اعطا شد.

۴- اینشتین با انگیزه

اینشتین مانند سایر فیزیکدانان در قوانین طبیعت تامل می‌نمود تا از اینرو شاید بتواند به رموز پنهان آ‎ن همانند نیوتن و ماکسول دست یابد ولی طبیعت بسیار مرموزتر از این پندارهاست که اسرار خود را به راحتی هویدا سازد با این حال زیر و رو کردن یافته های دانشمندان پیشین به نوبه خود می‌توانست او را در رسیدن به هدفش یاری نماید در این میان موضوع اتر نوررسان این موجود پررمز و راز می‌توانست بهترین گزینه باشد.گرچه اینشتین موضوع اتر نوررسان و نتایج حاصل از آزمایش مایکلسون را به عنوان انگیزه‌ای جهت نوشتن مقاله خود (درباره الکترودینامیک اجسام متحرک) بی تاثیر قلمدادکرد ولی دیگر نمی‌توان تاثیرمعادلات ماکسول را در نوشتن این مقاله نادیده گرفت چنانچه اینیشتن در این باره گفت:

نظریه نسبیت شروع خود را مدیون معادلات ماکسول در زمینه میدان الکترومغناطیس می‌داند.

۴- ۱- تضاد در قوانین

قوانین حرکت در تمام چهارچوب‌های بدون شتاب یکسان هستد و تغییر نمی‌کنند

از مطلب فوق می‌توان این نتیجه راگرفت که اگر ناظر ساکنی به کمک قوانین مکانیک، سرعت یک جسم را بدست بیاورد یک ناظر متحرک به شرط آنکه با سرعت ثابت حرکت کند(شتاب نداشته باشد) نیز می‌تواند با استفاده از همان روابط سرعت آن جسم را محاسبه کند البته هر چند که نتایج حاصل باهم متفاوت خواهند بود ولی برای هر ناظر مقدار بدست آمده در چارچوب متعلق به خود کاملا درست و بی‌نقص می‌باشد.

ولی برای معادلات میدان الکترومغناطیس این ناوردایی و بلا تغییری برای چارچوب‌های لخت دیگر وجود ندارد، دوبار الکتریکی ساکن را در یک چارچوب مرجع در نظر بگیرید نیرویی که این دو بار الکتریکی بر هم وارد می کنند را می توان در چارچوب مذکور به کمک قانون کولن اندازه گرفت حال اگر ناظر دیگری واقع در یک چارچوبی که سرعت ثابت دارد بخواهد به کمک قانون کولن نیروئی که این دوبار برهم وارد می‌کنند را اندازه بگیرد همانند قوانین حرکت به جواب مورد نظر خود نمی‌رسد چرا که این دوبار دیگر ساکن نبوده و ازدید ناظر متحرک درجهت خلاف حرکت او با همان سرعت که ناظر مورد نظر حرکت می‌کند جابجا می‌شوند به همین خاطر نیروی بین آنها به خاطر برهم کنش مغناطیسی حاصل از بارهای متحرک دیگر از قانون کولن بدست نمی‌آید. این نقص بزرگ در قوانین طبیعت از چشم تیز بین اندیشمندی که ساعت‌ها درمکانی تقریبا آرام(اداره ثبت اختراعات برن) به تامل و تفکر در پدیده‌های عالم می‌پرداخت.و برقانونمند بودن ارکان کائنات ایمان راسخی داشت نباید مخفی مانده باشد، تا اینکه این نقص علم فیزیک(بی نظمی حاکم برقوانین کشف شده تا آنزمان) در سال ۱۹۰۵ با ارائه نسخه جادویی نسبیت خاص علاج گردید.

اینشتین با بیان دو اصل برای همیشه هم دانشمندان را از بند اتر نوررسان و هم زمان را از اسارت مطلق بودن رهانید همانگونه که نیوتن قرن‌ها پیش خط بطلان برمطلق بودن مکان کشید

الف) قوانین فیزیک درهمه چهارچوب‌های مرجع که از سرعت ثابت برخوردارند یکسان هستند

ب)برای همه چارچوب‌هایی که با سرعت ثابت حرکت می‌کنند(صرفنظر از سرعتشان )سرعت نور مقداری ثابت است

۶- انفجار نسبیت

قوانین مکانیک تنها درصورتی به جواب‌های صحیح منتج می‌شوند که سرعت اشیاء از یک حد خاصی فراتر نرود(سرعت‌های محدود)حال اگر بخواهیم سرعت‌ذره‌ای که در یک شتابدهنده با سرعتی فوق‌ العاده زیاد (نزدیک به سرعت نور) را به دست بیاوریم مطلقا از قوانین مکانیک به جواب نخواهیم رسید چرا که این نظریه برای سرعت‌های بالا ناکار آمد است ولی نسبیت خاص(خاص بودن نسبیت به این دلیل است که این نظریه تنها مخصوص حرکت با سرعت ثابت است) این امکان را به مامیدهد که به دقت بتوانیم تمام خصوصیات مربوط به حرکت را برای این دسته از ذرات که با سرعت‌های فوق‌العاده زیاد حرکت می کنند را بدست آوریم در ضمن نسبیت خاص این قابلیت را نیز دارد که سرعت اجسام را در صورتی که قابل مقایسه با سرعت نور نباشد (سرعتهای کم) محاسبه نماید و به جوابهائی برسد که با جواب‌های که از قوانین حرکت کلاسیک بدست می‌آید منطبق باشد.

۶-۱- نسبیت زمان

نیوتن در اواخر قرن هفدهم با ارائه قوانین حرکت وجود مکان مطلق یعنی نقطه‌ای درعالم که فاقد حرکت و جابه‌جایی باشد را بکلی رد نمود ولی به وجود زمان مطلق باور قلبی داشت از دید نیوتن چه شخصی که برمرکبی سریع السیر درحرکت باشد ، چه شخصی که نسبت به سایرین ساکن و بی‌حرکت باشد، چه در کره زمین چه در کرات دیگر و یاهرجای عالم، زمان برای همه یکسان سپری می‌شود(مفهوم زمان مطلق) ولی اینشتین با ثابت فرض کردن سرعت نور برای تمام ناظران، مفهوم این ایده کهن را بکلی منقلب نمود.اینشتین با نسبیت خاص ثابت کرد که اگر به زمان مطلق باور داشته باشیم ناظران مختلف باید سرعت‌های متفاوتی را برای نور اندازه بگیرند( با توجه به نتایج نسبیت خاص اگر مفهوم نسبی بودن زمان را بپذیریم ثابت بودن سرعت نور که از معادلات ماکسول نتیجه می‌شود به راحتی اثبات می‌شود)نسبی بودن زمان چون در سرعت‌های بالا(نزدیک به سرعت نور) یا درمیدان‌های گرانشی فوق‌العاده قوی رخ میدهدو درتجارب روزانه با آن سروکار نداریم بنابراین درک آن برای ما مشکل و باور نکردنی است چگونه می‌توان تصور کرد که اگر با وسیله‌ای که نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند بخواهیم سرعت نور را اندازه بگیریم و درحالی که ساکن و بدون حرکت هستیم نیز بخواهیم همین کار را انجام دهیم در هر دو صورت سرعت نور را برابر با سیصد هزار کیلومتر برثانیه اندازه بگیریم؟ چرا که در امور عادی و سرعت‌های کم هنگامی که ماشینی درحال دور شدن از ماشین ماست عقل سلیم سرعت فاصله گرفتن ماشین جلوئی را نسبت به ماشین ما برابر با اختلاف سرعت ماشین ما با ماشین جلویی اندازه می‌گیرد و این نتیجه نیز از نظر فیزیکی کاملا صحیح است.حال اگر یک ایدﺓ جدید به ما بگوید که تو با هر سرعتی که حرکت کنی سرعت فاصله گرفتن یا نزدیک شدن نور نسبت به تو تغییرنمی‌کند. و درهمه حال ثابت است این موضوع باورکردنش برای ما بسیار مشکل و بغرنج خواهد بود.

E=mc ² ۶-۲- اصل هم ارزی جرم و انرژی

علاوه بر نسبی شدن زمان و نفی اتر و یگانه کردن فضا – زمان ارمغان دیگر نظریه نسبیت هم ارز کردن انرژی و جرم است البته اینشتین این موضوع را نه در مقاله‌ای که نسبیت خاص را مطرح نمودبلکه درچهارمین مقاله‌ی خود تحت عنوان” آیا لختی جسم به محتوای انرژی آن بستگی دارد؟”Does the Inertia of a Body Depend Upon Its Energy Content?) ) به آن اشاره کرد. اصل هم ارزی جرم و انرژی مانند سدی در مقابل جسم برای رسیدن به سرعت‌های نزدیک به سرعت نور خودنمایی میکند براساس این اصل هرچه سرعت یک جسم افزایش یابد به علت افزایش انرژی حرکتی آن، جرم آن جسم نیز زیاد می‌شود.همچنین این اصل به خوبی واکنش‌های صورت گرفته در مقیاس هسته‌ای را توجیه میکند که درآن براثر واپاشی هسته‌ای وگسیل پرتوهای پرقدرت گاما از جرم هسته باقیمانده به میزانc² E/ کاهش می‌یابد شاید منشاء انرژی خورشیدی همواره برای بشر یک سئوال بدون جواب بوده است. ما اکنون به راحتی به کمک اصل اهم ارزی جرم و انرژی می‌توانیم چگونگی تولید این مقدار عظیم انرژی را تشریح کنیم.نسبیت خاص کاهش طول جسم هنگامی که با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت میکند را نیز پیش‌بینی میکند، اینشتین به خوبی به کمک نسبیت خاص توانست توصیفی انقلابی از ماهیت فضا-زمان ارائه دهد سرعت اجسام متحرک را تامرز سرعت نور محدود کند وجرم و انرژی را با هم ارز ویگانه نماید بنابراین با این دیدگاه می‌توانستیم تمام خصوصیات فیزیکی جسم متحرک را در سرعت‌های فوق العاده زیاد (نزدیک به سرعت نور) توصیف کنیم و تمام قوانین فیزیکی را دراین قالب اصلاح نمائیم که هم برای سرعت‌های زیاد و هم برای سرعت‌های پائین بدون تغییر مورد استفاده قرار گیرند.ولی این نظریه از یک نقص بزرگ رنج می‌برد و آن نامعلوم بودن وضعیت قانون عمومی گرانش نیوتن بود، طبق این قانون زمین به این خاطر حول خورشید در حرکت است که نیروی گرانش خورشید زمین را وادار می‌کند که در یک مسیری دایره‌ای حول خورشید دوران کند حال سئوالی که مطرح می‌شود اینست که اگر خورشید به یک باره از صحنه محو شود سیارات چه سرنوشتی را تجریه خواهند کرد؟ قانون گرانش عمومی نیوتون می‌گوید به محض محو شدن خورشید زمین و سایر سیارات متوجه این پدیده شد و با خروج از مدارهای خود، مسیری تقسیم در اعماق فضا رابه جلو می‌پیمایند. بنابراین باید خبرناپدید شدن خورشید با سرعتی فراتر از سرعت نور به زمین و سایر سیارات رسیده باشد این موضوع به شدت هم نسبیت خاص و هم خالق این نظریه را آزار می‌داد.

۶-۳- نظرﻳﮥ نسبیت عامgeneral relativity theory (GRT)

اینشتین تاقبل از سال ۱۹۱۵ میلادی تلاش‌های زیادی برای ارائه یک نظریه‌ای که بتواند گرانش را با نسبیت خاص همنوا سازد انجام داد ولی در این راه ناکام ماند، تا اینکه مقاله او درسال ۱۹۱۵ درخصوص نسبیت عام منتشر گردید این نظریه نسبت به نسبیت خاص از ریاضیات پیشرفته‌تری برخوردار بود بهمین خاطر تنها افراد معدودی قادر به درک آن بودنند درتاریخچه زمان هاوکینگ آمده است آتور ادینگتون(فیزیکدان مشهور)در جواب خبرنگاری که از او پرسید شنیده‌ام درجهان تنها ۳ نفر نسبیت عام را درک می‌کنندآیا این گفته درست است؟ ادینگتون بعد از لحظه‌ای درنگ گفت دارم فکر می‌کنم ببینیم سومین نفر کیست.نظریه نسیت عام چنانچه از معادلات آن استنتاج میشود نظریه‌ایست درباره هندسه، اینشتین درنسبیت خاص به خوبی توانست فضا و زمان رایگانه کند و در نسبیت عام نیز تفاوت بین حرکت شتابدار و گرانش را از بین ببرد.

چنانچه طبق اصل هم ارزی هیچ آ‎زمایش محلی( محدود از نظر فضا مثلا یک اتاقک) وجود ندارد که با انجام آن بتوان یک میدان گرانشی یکنواخت(درچارچوب مرجع بدون شتاب) را از آثار یک چارچوب مرجع شتابدار تشخیص داد، بنابراین، اصل هم ارزی به خوبی بین گرانش و مختصات فضا و زمان رابطه ایجاد می‌نماید گرانش کلاسیک به ما می‌گوید که صرف وجود ماده، میدان گرانشی ایجاد میکند و این میدان گرانشی است که برای سایر اجسامی که درمحدودﺓ آن قراردارند تعیین تکلیف می‌کند که باچه سرعتی و چگونه حرکت نمایند ولی نسبیت عام می‌گوید تراکم ماده ویا انرژی در یک نقطه باعث انحنای فضا و زمان می شودو این انحنای فضا – زمان است که برای سایر اجسامی که دراین انحنا قرار دارند نحوﺓ حرکت کردن شان را تعیین میکند.

بنابراین چون حضور ماده یا انرژی انحنای فضا- زمان را باعث می‌شود مسیر هرشی یا تابشی که در این محدوده قرار گرفته باشد تغییر یافته و براساس این انحنا شکل دیگری به خود می‌گیرد بنابراین پرتو نور ستاره ای که باید از کنار یک جسم فوق‌العاده چگال بگذرد تا به چشم ما برسد بعلت وجود جرم، ساختار فضا- زمان اطراف آن جسم بسیار چگال تغییر یافته ونور ستاره دیگر یک بستر تخت را برای گذر در اختیار ندارد و مجبور است در انحنایی که جرم جسم چگال درمختصات فضا – زمان ایجاد کرده دچار انحراف شده و نسبت به زمانی که آن جسم وجود ندارد در موقعیتی دیگر دیده شود.

همانطوریکه قوانین نیوتن درمورد حرکت در سرعت‌های پائین به نتایج کاملا رضایت بخشی می‌رسد در مورد گرانش او نیز هنگامیکه میدان‌های گرانشی ضعیف باشند مثلا قرار گرفتن یک ماهواره درمدار زمین یا حرکت سیارات منظومه خورشیدی حول خورشید بخوبی گرانش کلاسیک عمل می‌کند ولی درصورتیکه میدان‌های گرانشی فوق العاده قوی باشد مثلا در نزدیکی سیاهچاله‌ها یا ستارگان سنگین همانند خورشید یا بزرگ تر از آن دیگر نظریه گرانش کلاسیک به نتایج قابل قبولی نمی‌رسد و اینجاست که اهمیت موتور پرقدرت نسبیت عام روشن میشود، تنها این نظریه است که قادر به پیش بینی و محاسبه تاثیرات حاصل از این میدان‌های گرانشی فوق العاده خواهد بود.بنابراین نسبیت عام تراکم جرم و یا انرژی را در یک نقطه از فضا عامل ایجاد خمیدگی درآن میداند، براساس نسبیت عام دیگر نمی‌توان حرکت زمین به دورخورشید راناشی ازتاثیر نیروی گرانش خورشید بر زمین دانست که به محض ناپدید شدن خورشید نیروی گرانش آن بر زمین با همان سرعت محو شود و زمین نیز بلافاصله متوجه این رخداد شده و مسیرش را درهمان زمان تغییر ‌دهد بلکه حرکت زمین بدور خورشید ناشی از قرار گرفتن زمین در یک فضای پیچ و تابداری است که جرم فوق العاده زیاد خورشید عامل ایجاد آن می باشد و این پیچ و تاب است که به زمین می‌گوید چگونه حرکت کن نه نیروی گرانش خورشید.در نسبت عام اجسام همواره در یک فضای چهار بعدی حرکت می کنند(سه بعد فضا و یک بعد زمان).براساس این نظریه اگر خورشید به یکباره ناپدید شود زمانی که زمین از این واقعه خبردار می‌شود نمی‌تواند کمتر از هشت دقیقه و بیست ثانیه( زمانی که طول می‌کشد نور خورشید فاصله یکصد و پنجاه میلیون کیلومتری از خورشیدتا زمین را طی کند) طول بکشد چرا که تغییراتی که بعلت نبود خورشید درفضا – زمان ایجاد می‌شود با سرعتی مساوی یا کمتر از سرعت نور حرکت می‌کند. و تا خبر این تغییرات به زمین برسد حداقل به زمان هشت دقیقه و بیست ثانیه نیاز است بدین صورت اینشتین توانست گرانش کلاسیک را با اصول نسبیت خاص مطابقت دهد و تضاد بین آنها را با بهره‌گیری از نسبیت عام از میان بردارد.