Stephen hawking

A brief history of time

STEPHEN W. HAWKIN
 

فصل نخست :

بينش ما از جهان هستي

 دانشمندي شهير (بگفته برخي: برتران راسل Bertrand Russel) روزي در باره ستارگان و ستاره شناسي سخنراني داشت. راسل نحوه گردش زمين را دورخورشيد و همچنين نحوه گردش خورشيد را در مسير خود حول مركز مجموعه اي گسترده از ستارگان كه بنام كهكشان شناخته شده، تشريح ميكرد. در پايان سخنراني، پير زالي از ته سالن از جاي برخاست و گفت: «آنچه را كه شما نقل كرديد، قصه اند. در واقع، جهان مسطح است و بر پشت يك لاك پشت بزرگ پيكر گذاشته شده .» دانشمند سخنران لبخندي عالمانه نشان داد و پرسيد : «ولاك پشت روي چي جاي دارد؟ پيرزن جواب داد شما خيل باهوش هستيد، واقعاً خيلي با هوش .معلومه روي لاكپشتي ديگر، همينطور برو تا پائين!»

بسياري از حضرات ممكن است تصور كنندكه مسخره است قبول كنيم كه جهان هستي همانند برجي لايتناهي از لاك پشت هاي روي هم چسبيده تشكيل شده باشد، ولي از كجا معلوم است آنچه را كه ما ميدانيم درست تر باشد؟ هستي از كجا ميايد و بكجا ميرود؟ آيا آغازي ميداشته، و اگر آري، پيش از آن چه بوده است؟ خصلت (سرشت Caractère) زمان چيست؟ آيا غايتي خواهد داشت؟

دست آورده هاي بس مهم فيزيك جديد كه جزئاً در سايه تكنولوژي سرسام آور عصر حاضر، امكان پذير شده اند، پاسخهائي به برخي ازاين پرسش هاي بنيادي، فراهم آورده اند. روزي فرا خواهد رسيد كه اين پرسش ها بهمان اندازه محقق بنظر خواهند آمد كه زمين بدور خورشيد ميگردد، يا شايد بهمان اندازه مسخره كه برج ساخته شده از روي هم چيني لاكپشتها. تنها، زمان (علي كل حال) آن را بما خواهد آموخت.

ميدانيم كه سيصدو چهل سال قبل از عيسي مسيح، فيلسوف يوناني، ارسطو در كتاب خود «در باره آسمان»، دو دليل براي مسطح نبودن زمين اقامه كرد. ارسطو دريافته بود كه كسوف ماه موقعي پديد مي آيد كه زمين بين خورشيد و ماه قرار گرفته باشد. سايه اي كه روي ماه مي افتد مدوراست و اين دلالت دارد بر اينكه سياره ما كروي(گرد) است. اگر زمين ديسكي(قرصي) مسطح بود اين سايه ميبايستي كشيده و بيضي شكل باشد. مگر اينكه پديده كسوف ماه فقط موقعي واقع شود كه خورشيد دقيقا در وراي مركز ديسك(قرص) قرار گرفته باشد. مضاف اينكه، يونانيها در جريان مهاجرتها و جابجا شدنهاي خود پي برده بودند كه ستاره قطبي وقتي كه ديدگاه در جنوب باشد، نزديكتر به افق قرار دارد تا موقعي كه ازشمال بدان نگاه كنند. (زيرا نظر به اينكه ستاره قطبي در خط مستقيم عمود بر قطب شمال واقع است , ناظر قطب آنرا درست در بالاي سر خود مي بيند، در صورتيكه در استوا، آن را درخشان در بالاي افق خود مشاهده ميكند.)

ارسطو بنا براختلاف مواضع ظاهري ستاره قطبي، درمصر و يونان توانسته بود محيط كره زمين را حساب كند كه چهارصد هزار استاد (يك استاد يا استد شايد در حدود دويست متر باشد) ميشد. البته اندازه گيري ارسطو (Aristote) مقدارش دوبرابر محيط مورد پذيريش ستاره شناسي امروز است. ارسطو استدلال ديگري نيز براي اثبات گردي زمين يافته است : ديده شدن دگل كشتي در افق قبل از تنه كشتي.

ارسطو زمين را ساكن (ايستا) مي پنداشت و بر آن بود كه همه موجودات(اجرام) آسماني : خورشيد، ماه و سيارات و اختران همه به دور زمين ميچرخند. به نگر او زمين در مركز جهان جاي دارد و حركت دوراني كاملترين مسيراست.

بطلميوس با گسترش اين انديشه،‌ منظومه اي(سيستمي) كامل از جهان را تصور كرد كه بنا بر آن، زمين جاي مركزي را گرفته است و هشت كره ديگر بنام ماه، خورشيد، ستارگان و پنج عدد سياره شناخته شده در آن زمان : مركور(عطارد)، زهره، مريخ،‌ مشتري و زحل حول آن قرار دارند. سيارات نيز دوايري كوچك بر كرات (افلاك Sphères) مربوط به خود مي پيمايند. و اين به دليل مسيرهاي خيلي بغرنجي است كه در آسمان مشاهده ميشود.

دورترين فلك (كره)، حامل ستارگان ثابت است كه نسبت بهم مواضع بي تغييري دارند ولي يك پارچه گردش مي كنند.

 آنسوي گروه كرات(افلاك) اخير همچنان ناشناخته و بي تعريف مانده بود زيرا بدون شك، بدانجهت كه براي بشر قابل روئيت نبود.

نمونه (مدل- الگو)بطلميوس (émée‍Pétol) براي پيشگوئي مواضع اجسام سماوي، منظومه اي نسبتا اطمينان بخش را، در آسمان تصوّر ميكرد. بطلميوس براي درستي هرچه بيشتر منظومه خود، اين فرضيه را پيش كشيد كه كره ماه در جريان مسير خود گاه دوبار بيشتر از مواضع خود بزمين نزديك ميشد . نتيجه حاصل از اين نزديكي اين ميشد كه كره ماه بهنگام قرابت دو بار بزرگتر جلوه ميكرد. اين وضعيت لطمه اي به اعتبار منظومه بطلميوس نميزد. كليسا منظومه بطلميوس را با قصص كتاب مقدس ناسازگار نميديد، بويژه بدانجهت كه اين منطومه، در وراي فلك ثابت، جائي براي جهنم و بهشت پيش بيني ميكرد.

در سال 1514 نيكولا كپرنيك (Nicola Copernic) كشيش لهستاني منظومه اي ساده را پيشنهاد نمود.(نيكولا كپرنيك از ترس تكفير بوسيله كليسا و زنده سوخته و كباب شدن،‌ كتاب رابا نام مستعارپخش كرد.)

بنا به نظر كپرنيك، خورشيد ساكن بوده و سيارات حول آن در يك مسير بيضي شكل در حالي كه خورشيد در كانون بيضي جاي دارد، ميگردند. اين فرضيه (Hypothèse) تقريبا يك سده بعد جدي گرفته شد. دونفر ستاره شناس، بنام هاي يوهانس كپلر (Johannes kepler) آلماني و ديگري ايتاليائي بنام گاليله (Galilée)،آشكارا، به دفاع از نظريه كوپرنيك پرداختند، هر چند مسيرهائيكه پيش بيني كرده بود با مشاهده تطابق محض نداشتند.

در سال 1609ضربه اي قاطع بر نظريه ارسطو/بطلميوس فروآمد. در آن سال گاليله با دوربيني كه تازه اختراع شده بود به ترصيد و مشاهده آسمان شبانه و اختران پرداخت.

 از مشاهده سياره مشتري كشف كرد كه اين سياره چند قمر كوچك، در معيت خود، ‌ همراه دارد كه حول آن ميگردند. نتيجه اين كشف آن بود كه اجباراً نمي بايستي اجرام آسماني بنا بر تصور ارسطو و بطلميوس، فقط، حول زمين بگردند.(البته، هنوز امكان داشت تصور شود كه كره زمين در مركز جهان ساكن بوده و اقمار مشتري در پيمايش مسيرهاي بسيار پيچيده خود، حول زمين بگردند و اين توهم را ايجاد كنندكه حول مشتري ميگردند. و حال آنكه، بينش كپرنيك خيلي ساده تر از اين بود.)

در همين زمان يوهانس كپلر نظريه كشيش لهستاني را تغييري داد و متوجه شد كه سيارات حول خورشيد در مسيري مدور نميگردند بلكه، مسيرشان بيضي است (بيضي دايره ايست كشيده) سرانجام پيشگوئيها با مشاهده منطبق در آمدند.

به عقيده كپلر، مسيرهاي بيضي شكل فقط جنبه فرضي (فعلاً) داشتند، و حتي در حدودي ناگوار هم بودند، زيرا اين اشكال (هندسي) بوضوح، با كمال كمتري از دواير كامل بودند. كپلر، با كشف تقريبأ تصادفي كه مسيرهاي بيضي شكل با مشاهده تطابق داشتند، نميتوانست نظر خود را در باره اينكه سيارات حول خورشيد تحت نيروي مغناطيس ميگردند بپذيرد. اين قضيه خيلي دير تر، يعني در سال 1687، موقعي كه نيوتون (Newton) كشفيات رياضي و طبيعي (شايد بتوان گفت مهمترين كاري كه در تاريخ بشري در علم فيزيك بوسيله كاري انفرادي بوجود آمده باشد) خود را انتشار داد،

PhilosophiaeNaturalisPrincipiaMathematica

توضيح يافت.

نيوتون نه تنها نظريه توضيح حركت اجرام سماوي را در زمان و مكان طرح كرد، بلكه رياضيات بغرنج مورد لزوم براي تجزيه و تحليل اين حركات را نيز طراحي و پي ريزي كرد. نيوتون، بعلاوه، قانون ثقل عمومي (جاذبه )را پيشنهاد كرد كه بنا بر آن هر جسم در جهان، بوسيله هر جسمي كه جرمش بيشتر و فاصله اش بدان نزديكتر است جذب ميشود. نيروئي كه موجب سقوط اجسام روي زمين است. نيوتون نشان داد كه بر اساس نظريه اش نيروئي كه موجب گرديدن كره ما حول زمين ميگردد و هم چنين نيروي موجب گردش سيارات روي مسير بيضي شكل خود بدور خورشيد، همان قوه جاذبه است.

پس به اين ترتيب،‌ نمونه كوپرنيك از دست و پا گيري و مزاحمت كرات (افلاك) آسماني بطلميوس نجات يافت و در نتيجه از ايده اي كه بنا بر آن جهان داراي مرزي طبيعي است رهائي يافت. بدانجهت كه در مواضع ستارگان ثابت تغييري بنظر نميامد ـ مگر حركات جمعي آنها در آسمان كه مولودچرخش زمين بدور محور خود است ـ طبيعتاً انگاشته ميشد كه ستارگان اجرامي هستند همانند خورشيد ما، ولي بواقع بفاصله اي بسي دورتر.

نيوتون دريافته بود كه، بنا بر نظريه نيروي جاذبه او، ستارگان ميبايستي يكديگر را جذب كنند و، ظاهراً و اساساً، نبايستي ايستا بر جاي بمانند. آيا همه ستارگان در يك نقطه نمي افتند؟ نيوتون در نامه اي كه در سال 1691 به ريچارد بنتلي(Richard Bentley) انديشمند ديگري در سطح عالي معاصر، نوشت، تأييد كرد كه اگر فقط تعدادي معين (محدود) از ستارگان توزيع شده در منطقه اي معين (محدود) در فضا وجود ميداشت، سقوط ستارگان شدني بود.

ولي نيوتون با محاسبه دريافته بود كه اگر برعكس، ستارگان بشماره نامحدود بوده، و در فضائي نامحدود كم و بيش يكسان پخش شده ميبودند، چنان اتفاقي نمي افتاد، زيرا هيچ نقطه اي مركزي وجود نميداشت كه ستارگان بتوانند بسوي آن ساقط شوند. اين، نمونه اي است از آن دامهائي (تله هائي) كه ما در مورد مبحث بينهايت با آن مواجه ميشويم.

در يك جهان بينهايت، هر نقطه ميتواند به عنوان يك مركز ملحوظ گردد؛ زيرا هركدام تعدادي بينهايت ستاره حول خود دارند. تقرب درست ـ كه خيلي هم ديرتر انجام گرفت ـ عبارت از اين است كه موقع بينهايتي را بحساب آوريم، كه در آن ستارگان همگي روي هم مي افتند، و از خود پرسان باشيم كه اگر ستارگان ديگري را بحساب آوريم كه تقريباً در خارج از اين منطقه همسان توزيع شده باشند،‌ آنوقت اوضاع چگونه خواهد بود.

بنا بر نظريه نيوتون، ‌ستارگان تكميلي (اضافي) نمي بايستي، در معدل، موجب بروز كوچكترين اختلاف گردند و همه ستارگان ميباستي بسرعت سقوط كنند. هرچه هم بدلخواه بر تعداد ستارگان بيفزائيم، همه آنها روي هم متلاشي خواهند گرديد. امروزه ميدانيم كه غير ممكن است نمونه اي ساكن از جهاني بينهايت داشته باشيم كه در آن نيروي ثقل نيوتون، هميشه، جاذب باشد.

اين موضوع جالب است كه در محيط و آب و هواي فكري دوران پيش از قرن بيستم، كسي متوجه نشد كه جهان ممكن است در وضع انقباض و يا انبساط باشد. بطور كلي، عقيده رايج چنين بود كه جهان هميشه بدون تغيير بهمين صورت امروزي بوده و يا اينكه در لحظه اي مشخص از تاريخ، كم و بيش، بهمين صورت امروزي، آفريده شده است. شايد اين طرز تفكر بدان دليل باشد كه بشر، اساساً، گرايش به حقيقت ابدي دارد؛ و نيز بدانجهت كه بشر نوعي آرامش احساس ميكند كه بپذيرد با وجود گذشت زمان، خودش مي ميرد، ولي جهان همچنان متشابه با خود و ابديّت پا برجاي ميماند.

حتي آنهائي هم كه نظريه نيوتوني ثقل را، كه ثابت ميكند جهان نميتواند لايتغير باشد، فهميده بودند، بفكر اشاره به اتساع جهان هستي نيفتادند. بجاي آن كوشيدند نظريه نيوتون را كمي تغيير دهند و براي فواصل بزرگ دافعه اي بتراشند،  يا معرفي كنند.

معذالك، امروزه ميدانيم كه چنين تعادلي غير استقراري است: اگر ستارگان منطقه اي مفروض، هر چه هم كم باشد، به هم نزديك شوند، نيروهائي كه آنهارا به هم جذب ميكنند، نمو يافته تا حدي كه بر نيروهاي دافعه غلبه ميكنند، تا آنجا كه ستارگان به سقوط بر روي يكديگر ادامه ميدهند. ازسوي ديگر، اگر ستارگان، حتي در مقياس كوچكي هم كه باشد، از هم متباعد گردند، نيروهاي دافعه مسلط گرديده وآنها را باز بيشر، از هم دور ميكنند.

معمولاً ميگويند فيلسوف آلماني هنريخ اولبرـ Henrich Olbersكه در سال 1829 به بررسي اين نظريه پرداخت ـ ايراد و اشكال ديگري عليه نظريه جهاني ثابت بينهايت، ارائه كرد. در واقع، تعداد زيادي از همدوره هاي نيوتون هم مسئله را مطرح ساخته بودند. مقاله اولبر نخستين اعتراض نبود. معذالك مقاله اولبر خيلي سر و صدا كرد. اشكال قضيه در آنجا بود كه در يك جهان ثابت بينهايت، عملاً كليه خطوط نشانه روي ميبايستي به سطح يك ستاره ختم گردند. و بهمين جهت هم الزاماً، سراسر آسمان مي بايستي حتي در شب، همانند خورشيد درخشان باشد. دليل مخالفت اولبر آن بود كه نور ستارگان دور دست مي بايستي بوسيله مواد بينابين ستاره اي، جذب گردد. ولي بفرض آنكه چنان هم بودي، اين ماده بايستي در طول زمان گرم شود تا آن حد كه خود، همانند ستارگان، بهمان قوه درخشش، شيدگستري و نور افشاني كنند.

تنها راهي كه براي احتراز از اينكه قبول كنيم سراسر آسمان شبانه مي بايستي همسنگ خورشيد درخشان باشد آن است كه بپذيريم اختران جهان در لحظه معيني در ازمنه گذشته روشن شده اند. آنوقت، نورِ ميان واقع، ممكن است بقدر كفايت گرم نشده، يا نور اختران دوردست نتوانسته باشند خود را بما برسانند. و اين فرض مارا در برابر اين پرسش قرار ميدهد كه چه عاملي كبريت نخستين را، براي روشن شدن اختران، زده است؟

بديهيست كه زائيده شدن جهان هستي، البته، موضوع جـّر و بحث هاي پيشين بوده است. بنا بر گروهي از جهان شناسي هاي باستان و بر حسب (عقايد جاريه ساميان) سنت يهودي و نصارا و مسلمان، جهان هستي در لحظه اي مشخص، در گذشته اي نه خيلي دور، پا به عرصه تكوين نهاده است. چنين زايشي، مدتهاست لزوم وجود «علت اوليه» اي را براي توضيح خود، ملزم ساخته است. (در درون جهان هستي، هميشه ميتوان حادثه اي را به عنوان نتيجه حادثه اي پيشين، توضيح داد. ولي وجود خود جهان بدين طريق قابل توضيح نيست، مگر اينكه قبول كنيم كه نقطه شروعي وجود داشته بوده است.) دليل ديگري كه ‌بوسيله سن اگوستن (Saint Augustin) در اثر خود بنام «مدينه خدا»، پيش كشيده شده خاطر نشان ميكند كه تمدن به پيش ميرود و كه ما فلان كسي كه فلان كار مهم را انجام داده و يا فلان تكنيك را به ثمر رسانده است، بخاطر مي آوريم. بنا بر اين، بشر، و شايد جهان هستي، نميتوانستي در خيلي پيش وجود داشته بوده باشد. سن اگوستن، تاريخ خلقت را پنج هزارسال قبل از عيسي درست ميداند، يعني تاريخي كه در سفر پيدايش كتاب مقدس معين گرديده است. ( جالب است توجه كنيم كه اين تاريخ چندان با تاريخ آخرين يخبنداني كه ده هزار سال پيش از عيسي حادث گرديده، يعني تاريخي كه باستان شناسان بعنوان نخستين نقطه واقعي عزيمت تمدن ما پيشنهاد كرده اند، چندان فاصله اي ندارد.)

ارسطو، همانند اكثر حكماي يوناني، ايده خلقت(آفرينش) را نمي پسنديد زيرا زمينه را براي دخالت خالقي فراهم ميكرد. ارسطو معتقد بود كه نژاد بشري، و جهاني كه او را احاطه نموده در ابديت وجود داشته و وجود خواهد داشت.

قدما هرگز پيشرفتهاي نامبرده را كنار نگذاشته بودند : وبدان چنين پاسخ ميدادند كه طوفانها و بلاهاي ديگر متناوباً، هربار نژاد بشري را به نقطه عزيمت عودت ميدادند. و همه چيز از نو شروع ميگردد.

مسئله مربوط به توليد جهان در زمان و در مرز خود در فضا. بعدها وسيله امانوئل كانت فيلسوف آلماني در كتاب عظيم خود بنام سنجش خرد ناب (انتقادي بر عقل محض) چاپ در سال 1781 مورد مداقه و مطالعه قرار گرفت. كانت (Emmanuel Kant) اين مسئله را متناقض (ناموسان پيكاري، آنتي نومي) خرد محض ناميد زيرا چنين ارزيابي ميكرد كه تعداد دلايل قبول و رد نظريه هاي مربوط به تز و آنتي تز (برنهاد و برابر نهاد)، در باره نظريه شروع جهان در لحظه اي تاريخي و نظريه وجود ابدي جهان درگذشته برابرند. كانت بطريق زير استدلال ميكند:

استدلال بر له برنهاد (تز): اگر جهان آغازي نميداشت، بايسته ميبودي كه قبل از هر حادثه، يكدوره ي زماني بينهايت وجود ميداشته بوده باشد، و اين نامعقول (پوچ) است.

استدلال بر له پادنهاد (آنتي تز): و اگر جهان آغازي ميداشته است، ميبايستي يكدوره ي زماني بينهايت، قبل از اين آغاز(حدوث) وجود داشته بوده باشد، بسيار خوب قبول ولي در آنصورت، چرا جهان در چنان لحظه خاص پا بعرصه وجود گذاشته است؟ در واقع نهاد و برنهاد (تز و آنتي تز) يكي ميشوند.

نهاد و برنهاد، هر دو مبتني بر فرضيه «كانتي نامدون» در باره زماني، بينهايت دور، درگذشته اند، چه جهان از ابديت وجود داشته ميبوده باشد يا وجود نميداشته بوده باشد. خواهيم ديد كه مفهوم زمان پيش از آفرينش جهان هيچ معنائي ندارد. اين موضوع نخستين بار بوسيله سنت اگوستن ملاحظه شد. او به پرسش : «خدا قبل از خلقت جهان چه كرد؟ » پاسخ نميداد: « او جهنم را، براي كسانيكه اين گونه پرسشهارا طرح ميكنند آماده ميساخت.» سنت اگوستن برتري ميداد بگويد كه زمان خاصيتي از جهان است كه خدا آفريده بود، وكه زمان پيش از آن وجود نميداشته است.

وقتي كه مردم به جهاني اساساً در حال ايستائي (سكونStatique ) و لا يتغير (دگرگوني ناپذيري) باور داشتند، پرسش آفرينش يا عدم آفرينش جهان تنها براي طرفداران ماوراء الطبيعه و دانشمندان علوم الهي، جالب بود و بس.

شايد بتوان از نتيجه مشاهداتي كه بكمك نظريه (تئوري) وجود جهاني با ابديت هميشگي و همچنين بكمك نظريه پيدايش و خلقت جهاني كه در لحظه اي مشخص به حركت در آمده،‌ بدان سان كه چنان بنظر آيد كه هميشه وجود داشته است، بجائي رسيد. ولي در سال 1929، ادوين هوبل (Edwin Hubble) به مشاهده اي بسيار عجيب رسيد: بهر كجا نگاه كينم، كهكشان هاي دوردست بسرعت از هم فرار ميكنند، و مي گريزند. بزبان ديگر جهان در حال اتساع و گسترش است. اين بدان معناست كه در زمانهاي قديمتر، اشياء بهمديگر نزديكتر بوده اند. در واقع، چنين بنظر ميايد كه لحظه اي وجود داشته، شايد ده يا بيست مييليارد سال پيش، كه در آن لحظه تمام اشياء در جاي واحدي متراكم بوده وكه در نتيجه، در آن لحظه، غلظت (وزن مخصوص) جهان بينهايت بوده است. اين اكتشاف، سرانجام مسئله تولد (تكوين) جهان را در برابر دانش نهاد.

مشاهدات هابل ضمناً ميرساند كه لحظه اي كه «بيگ بانگ» ناميده شده، وجود ميداشته است كه در آن، جهان بينهايت كوچك و بينهايت هم غليظ بوده است. در چنين شرايطي، تمام قوانين فيزيك، و در نتيجه توانائيشان براي پيش بيني آينده در هم ريخته ميشد. اگر هم حوادثي قبل از اين لحظه وجود ميداشته، آن حوادث نميتوانسته است تأثيري در وقايع عصر ما داشته باشد. حتي وجود آن ها را ميتوان ناديده و ناشناخته گرفت، زيرا هيچگونه اثر و نتيجه مشاهده اي نخواهند داشت. ميتوان گفت كه زمان از لحظه «بيگ بانگ» آغازيده، بدان معنا كه زمان هاي ما قبل آن قابل تعريف و تحديد نيستند. بر اين واقعيت اصرار ورزيم كه اين نقطه آغازي در زمان با اوقاتي كه در گذشته مورد امتحان واقع شده اند، اختلاف فاحش دارند. در جهاني ايستا وبلاتغيير، آغازه در زمان (شروع زماني ) چيزي است كه مي بايستي بوسيله موجودي واقع در خارج از جهان تحميل گردد؛ هيچگونه ايجاب (الزام) فيزيكي براي چنين آغازي وجود ندارد. ميتوان تصور كرد كه خالق،  جهان را در لحظه اي مفروض در گذشته آفريده است. از طرف ديگر، اگر جهان در حال توسعه و گسترش است، ممكن است علل و دلايلي فيزيكي هم در تولد خود داشته باشد. ميتوان همچنين تصور كرد كه خدا جهان را در لحظه «بيگبانگ» آفريده، يا حتي بعد از آن، بنحوي كه شباهت با آن چيزي دارد كه گوئي درپي يك «بيگبانگ» آفريده شده بوده است؛ ولي بيمعناست كه بگوئيم جهان قبل از بيگبانگ آفريده شده است. جهاني در حال گسترش و توسعه مانع امكان وجود يك خالق نيست ولي لحظه اي را (موعدي را) كه خالق كار خود را بانجام ميرساند معين ميكند!

براي اينكه موضوع طبيعت جهان و مسائلي از شمار آغاز و پايان آن را مورد بحث قرار دهيم، بر ماست كه معناي دقيق يك تئوري (نظريه) عملي را دريابيم. بيائيم و عقيده ساده لوحانه اي را كه بنا بر آن تئوري عبارتست از مدلي (الگوئي ) از جهان (يا بخشي محدود از جهان) و مجموعه اي قواعد كه رابطه اي ميان كميات حاصل از مدل و مشاهدات برقرار ميكند در نظر بگيريم. بديهيست كه اين تئوري فقط در فكر ماست و واقعيت ديگري ندارد (هر چه هم معنايش باشد). يك تئوري معتبر است وقتي كه دو شرط صادق باشد:

نخست : با دقت و درستي مقوله اي از مشاهدات وسيع و پرشمار را بر اساس يك مدل كه بجز چند عنصر فرضي در اختيار ندارد توضيح دهد و توصيف كند.

دوم : بتواند در باره نتايج مشاهدات آينده نيز پيش گوئي هاي دقيق ارائه نمايد.

مثال، نظريه ارسطوكه بنا بر آن سراسر هستي از چهار عنصر ساخته شده است (عناصر اربعه يا امهات اربعه)، يعني : زمين، هوا، آتش و آب، براي امكان توضيح و توصيف، خيلي ساده بود، ولي آن نظريه (Théorie) امكان پيشگوئي دقيق را نميداد. نظريه جاذبه عمومي(ثقل) نيوتون، مبتني بود بر نمونه اي(مدلي ـ الگوئي)ساده تر، كه در آن اجرام (اجسام) بنا بر نيروئي مستقيماً متناسب باكميتي موسوم به جرم و معكوساً متناسب با مجذور فاصله ميان آنها، متقابلاً همديگر را جذب ميكنند. معذالك، اين نظريه حركات خورشيد،‌ ماه وسيارات را با دقتي پذيرا، پيش گوئي ميكرد.

هر نظريه فيزيكي هميشه موقتي است بدان معنا كه چيزي بجز يك فرضيه (Hypothèse) نيست: تعداد دفعاتي كه نتايج تجربه اي همخوان با نظريه داده شده است، هر چه هم باشد هرگز نميتوان آن را اثبات كرد؛ شما هرگز نميتوانيد مطمئن باشيد كه دفعه بعد نتيجه حاصل با نظريه همخوان خواهد بود. شما همچنين ميتوانيد نظريه را رد كنيد حتي اگر مشاهده اي منحصر بفرد هم با پيشگوئي هاي نظريه همخوان نباشد. همانطوريكه فيلسوف علوم «كارل پوپرKarl Popper» خاطرنشان ساخته، يك تئوري خوب داراي اين خصلت است كه تعدادي پيشگوئي را عرضه ميدارد كه ممكن است اساساً رد شود يا بوسيله مشاهده غلط در آيد.

هر بار كه تجربه هاي جديد با پيشگوئي نظريه جور در ميايند،‌ تئوري تقويت ميشود، و اعتماد ما بدان افزايش مي يابد؛ ولي اگر نتيجه يك تجربه جديد در كادر آن قرار نگيرد، بر ما لازم است كه آن را رها كنيم ويا آنرا عوض نمائيم؟

در عمل، غالباً اتفاق مي افتد كه نظريه اي جديد، براستي، كشش و دنباله و گسترش نظريه قبلي باشد. مثلاً، مشاهدات خيلي دقيق سياره عطارد اختلافات خفيفي را ميان حركت آن و پيش بيني هاي نيوتوني نظريه جاذبه نشان دادند. نظريه نسبيت عمومي انشتن حركتي را نشان ميدهد كه با حركت نظريه نيوتون تفاوت ناچيزي دارد. اين واقعيت كه پيش گوئي هاي انشتن با نتيجه(برآمد) مشاهده تطابق داشت، در حاليكه با نظريه نيوتون نميخواند، دليلي استوار بر درستي تئوري جديد بود. معذالك، ما در امور عملي روزانه، از تئوري نيوتن استفاده ميكنيم، زيرا اختلاف ميان پيش گوئي هاي آن با پيشگوئي هاي نسبيت انشتن، در اوضاعي كه معمولاً بدان سروكار داريم، ناچيز است.( نظريه نيوتون داراي اين مزيت است كه كار كردن با آن، آسانتر از كار كردن با نظريه انشتن ميباشد!)

هدف نهائي فيزيك عبارتست از تهيه نظريه اي يكتا و يكپارچه كه بتواند جهان را سراسر توضيح دهد. معذالك، گروهي از دانشمندان، در تقرب و نزديك شدن بمسئله، سؤال را دوگانه مطرح ميكنند.

گانه نخست: قانون ها روشن ميكنند كه چگونه جهان با زمان تحول مي يابد.(اگر بدانيم كه جهان در هر لحظه اي مفروض، به چه همانند است، اين قوانين فيزيك بما ميآموزند كه جهان در لحظه بعدي به چه شباهت خواهد داشت.)

گانه دوم: شناخت حالت نخستين جهان ؟

برخي معتقدند كه دانش فقط بايد به گانه نخست مسئله بپردازد و معتقدند كه گانه دوم،‌ يعني حالت ابتدائي جهان،‌ در قلمرو ماوراء الطبيعه يا دين است. بنا براين ميخواهند بگويند كه خدا، قادر متعال، ميتوانسته است كه جهان را به ميل و اراده خود براه انداخته باشد. شايد هم ماجرا چنين باشد، ولي در آنصورت خدا ميبايستي آنرا به نحوي كاملاً ميلي و دلخواهانه تكامل و توسعه ميداد. معذالك، چنين مشاهده ميشود كه خدا چنان برگزيده است كه جهان را به نحوي منظم و بنا بر قوانين خاصي تحول و تكامل دهد. بنا بر اين چنين بنظر ميايد كه معقول است فرض كنيم قوانيني وجود ميداشته است كه حاكم بر حالت آغازين آن بوده است.

بدشواري ميتوان نظريه اي را تصور كرد كه جهان را بتواند يك ضرب تشريح كند. بجاي اين نظريه، اين راه را بر گزيده اند كه مسئله را تكه تكه (تجزيه) كرده و چند نظريه جزئي ديگر اختراع كنند؛ بدانسان كه هركدام از آنها طبقه محدودي از مشاهدات را توضيح كند، و از اثرات كميات ديگر چشم پوشد، يا آنها را بوسيله يك رشته اعداد بنماياند. ممكن است كه اين نحوه نزديكي و تقرب سراسر غلط از آب در آيد. اگر در جهان همه چيز، اساساّ، وابسته به همه چيز باشد، باحتمال، غير ممكن است كه بتوان با بررسي جداگانه اجزاء مسئله به حل عام مسئله رسيد. معذالك با استفاه از همين روش است كه توانسته ايم در گذشته به ترقياتي دست يابيم. بهترين مثال همان نظريه جاذبه نيوتون است كه بما مي آموزد كه نيروي جاذبه ميان دو جسم فقط وابستگي به عددي دارد كه مربوط به هركدام از آنها يعني به جرم آنهاست و مستقل از ماهيتي است كه جسمهاي نامبرده را تشكيل داده است. بهمين جهت براي محاسبه خط سير حركت يا معبر سيارات متعلق به منظومه خورشيدي، نيازي به شناختن ساخت و تشكيل آنها نداريم.

امروزه، دانشمندان، جهان را بكمك دو نظريه جزئي پايه اي :

1 ـ تئوري پايه اي نسبيت عام

و

2 ـ تئوري مكانيك كوانتيك

 توضيح ميدهند.

 اين دو تئوري، دست آوردهاي عقلاني نيمه ي نخست قرن حاضرند. تئوري نسبيت عام نيروي جاذبه و ساختار جهان را در مقياس بزرگ توضيح ميدهد، يعني ساختار جهان در مقياس واقع ميان چند كيلومتر تا يك ميليارد از ميلياردها از ميلياردها كيلومتر (عدد يك كه بدنبال آن بيست وچهار صفر گذاشته شده است)، يعني بعد (دورامون) جهان قابل رؤيت فعلي را توضيح ميدهد.

مكانيك كوانتيك، اين مكانيك، به پديده هائي در مقياس بسيار كوچك شده (ريز) ميپردازد، مثلاً يك مليونيوم از يك مليونيوم سانتي متر. متأسفانه، اين دو نظريه ناهمسازند و نميتوانند در آنِ واحد درست در آيند. يكي از بزرگترين تلاشهاي امروزي فيزيك مدرن (و مبحث اعظم بررسي حاضر) عبارت از اين است كه تئوري جديدي پيدا شود كه هر دو تئوري فوق را در برگيرد:

يعني تئوري كوانتيك جاذبه

در باره اين نظر چه دانيم

جز هيچ و ره وصال تاريك

 ولي ما، هم اكنون، تعدادي چند از خواصي را كه بايد داشته باشد ميشناسيم.

در بررسي بعدي اين مبحث، با همه آنچه را كه اين نظريه ميبايستي پيشگوئي كند آشنا خواهيم شد.

اگر خيال ميكنيد كه جهان هردمبيل نيست بلكه تحت قانونهاي دقيقي اداره ميشود، مي بايستي بالاخره تئوريهاي جزئي پراكنده را بصورت يك نظريه سراسر منسجم و عجين، كه بتواند همه چيز را در جهان توضيح دهد متكامل و مدوّن سازيد. در راه جستجوي يك چنين تئوري، فقط، يك ناسازگاري (ناهمريشگي و تناقضي) اساسي براي نيل به اتحاد كامل، وجود دارد.

مفاهيم مربوط به نظريه هاي علمي كه در بالا گشوده شد، مستلزم اين است كه ما مردماني معقول و منطقي باشيم، آزاد براي مشاهده جهان بدانسان كه خواستاريم و استنتاج نتايج منطقي بر مبناي آنچه كه مشاهده ميكنيم. در آنوقت در چنان شرايطي، معقولانه است فرض كنيم كه بيش از بيش به قوانيني كه جهان ما را اداره ميكنند تقرب يافته ايم. مع الوصف، اگر يك نطريه كامل و متحد، واقعاً، وجود دارد، ميبايستي كه ظاهراً فعاليت هاي ما را معين كند. وخود نظريه، نيز، ميبايستي انجام و به نتيجه رساندن تحقيقات ما را در باره خودش، معين و مشخص كند. و نيز معين كند چرا ما بر اساس استدلالات به نتايج خوب ميرسيم؟ آيا ممكن نيست كه معين كند كه ما نتيجه بدي بدست آوريم،؟ يا اساساً به هيچ نتيجه اي نرسيم.

تنها پاسخي كه من بتوانم به اين سؤالات بدهم بر نظريه انتخاب طبيعي داروين (Darwin) متكي است. اين ايده چنين است: در هر جمعيتي از ارگانيسم هاي قادر به خود توليدي، نمونه هاي دگرگون شده اي در مصالح ژنتيكي و تربيت هر فرد وجود خواهد داشت. اين تفاوتها بدان معناست كه برخي از اين افراد براي استنتاجات خوب از محيط و دورامون خود (حول و حوش خود)، بمنظور رفتار بجا، لايق تر از ديگران هستند (آمادگي بيشتري دارند.) اين افراد براي ادامه حيات و توليد مثل، اقبال بيشتري دارند، و بدين ترتيب نوع رفتار و تفكرشان تسلط حاصل ميكنند.

مسلماً، در گذشته صادق بوده است كه آنچه را ما هوش (ذكاوت) و كشفيات علمي ميناميم، براي كمك به ادامه حيات، مزيتي را تشكيل ميداده اند. مسلّم نيست كه امروز اين مسئله درست باشد: كشفيات علمي ما قادرند ما را نابود كنند حتي اگر چنين اتفاقي هم نيفتد، يك نظريه كاملاً متحده در سرنوشت بقا و ادامه زندگي ما، نقشي مهم بازي نخواهد كرد. با وجود اين، بشرط اينكه جهان به نحوي منظم تكامل يابد، ما بايد منتظر باشيم كه قدرتهاي استدلال، كه نظريه انتخاب طبيعي براي ما ارزاني داشته، همچنان در تحقيقات ما براي يافتن يك تئوري (نظريه) كاملاً متحده، معتبر باشد و كه ما را بسوي نتايج غلط نكشاند.

نظر باينكه نظريات جزئي در اختيار ما براي پيشگوئي هاي درست در تمام اوضاع، بجز در موقعيت هاي خيلي بعيد و حد، كافي هستند، توجيه تجسس تئوري بنيادي جهان از نظر پراتيكي دشوار بنظر ميرسد.

(معذالك به زحمتش مي ارزد خاطر نشان سازيم كه استدلالات همانندي ميتوانست مورد استفاده هم عليه نسبيت و هم عليه مكانيك كوانتيك ارائه گردد، و نيز بايد اذعان داشت كه اين تئوري ها بما هم انرژي هسته اي را داده اند و هم انقلات ميكروالكترونيكي را!)

پس كشف يك تئوري كاملاً متحد ممكن است نتواند در ادامه زندگي نوع بشر كمك كند. حتي ممكن است نتواند، بهيچوجه، در نحوه زندگي ما تأثيري داشته باشد.

ولي انسانها، در طول تاريخ تمدن، هرگز نتوانسته اند خود را در برابر حوادث غير عادي و غير قابل توضيح سازگار نمايند. انسانها تشنه درك نظم موجود در جهان بوده اند.

امروزه، ما همچنان ميل داريم بدانيم براي چه اينجا هستيم و از كجا آمده ايم؟ اين گرايش به دانستن كه بشريت را مشغول ساخته، خود دليلي قاطع و كافي براي توجيه تحقيقات ماست. نگرگاه و هدف نهائي ما عبارت از توضيح كامل جهاني است كه در آن زندگي ميكنيم.

فصل دوم :

فضا و زمان

عقايد فعلي ما در باره حركت اجسام از زمان گاليله و نيوتون آغازيده است. پيش از آنها، مردم به ارسطو اعتقاد داشتند، كه ميگفت حالت طبيعي يك جسم سكون آن است و جا بجا نميشود مگر تحت عمل يك نيرو يا يك هل

( ضربه). از آن چنين نتيجه ميشد كه يك جسم سنگين بايستي زود تر(سريعتر) از يك جسم سقوط ميكنند. زيرا كشش بزر گتري بسوي زمين تحمل ميكرد.

سنّت ارسطوئي نيز معتقد بود كه ميتوان همه قوانين حاكم بر جهان را بوسيله تأمل در يافت : تحقيق بوسيله مشاهده ضرور نبود. بدين جهت تا گاليله هيچكس زحمت اين را نداده بود كه به بيند آيا اجسام نا هم وزن واقعاًبا سرعت هاي نا برابر سقوط ميكنند. ميگويند گاليله با اسقاط(رها كردن) اوزاني از بالاي برج خميده « پيزPise  »نشان داد كه آنچه كه ارسطو خيال ميكرد غلط بود. به احتمال زياد و حتم اين داستان نادرست است ولي ممكن است كه گاليله بوسيله اي ديگر مثلاً به غلطش در آوردن گلوله هائي با اوزان مختلف،  بر روي يك شيب ملايم، اين كار را انجام داده باشد. اوضاع همانند همان اجسام سنگيني است كه بطور قائم ساقط گردند، ولي اين كار براي مشاهده آسانتراست زيرا سرعت ها خفيف تر ميباشند. اندازه گيري هاي گاليله نشان دادند كه هر جسم ، وزن آن هر چه هم كه باشد، سرعتش به يك نسبت افزايش مي يابد(شتاب ميگيرد). مثلاً اگر شما گلوله اي را روي شيبي بغلطانيد كه در هر ده متر،  با يكمتر افتِ ارتفاع پائين آيد، گلوله باسرعت يك متر در ثانيه پس ازيك ثانيه ، دو متر در ثانيه پس از دو ثانيه غلطش خواهد كرد، و قس عليهذا، باِزاءِ هر وزن گلوله. البته، يك وزنه سيگينتر زودتر از يك وزنه سبكتر سقوط ميكند، ولي اين فقط بدليل اينست كه حركت وزنه سبك،  بوسيله مقاومت هوا كند ميشود. اگر ما دو جسم نا هم وزن را، كه در برابر هوا مقاومت نشان نميدهند،  اسقاط دهيم ، سرعت سقوط آنها همانند خواهد بود.

اندازه گيري هاي هاي گاليله ، بعنوان پايه قوانين حركت، مورد استفاده نيوتون قرارگرفت . در تجربه هاي گاليله، جسمي كه روي يك شيب بغلطد تحت نيروئي واحد قرار خواهد داشت(وزن آن) كه اثرش موجب ازدياد سرعت آن خواهد بود.

اين نشان ميدهد كه اثر واقعي يك نيرو هميشه بجاي اينكه،  همانطور كه قبلاً تصور ميشد،  فقط جسم را به حركت درمياورد، عبارت ا ست از تغيير دادن سرعت يك جسم. يعني هنگامي كه جسمي تحت هيچ نيروئي واقع نيست، همچنان به حركت خود روي خط مستقيم باسرعت خود ادامه ميدهد.

اين مفهوم براي نخستين باردر كتاب اصول رياضييات نيوتون ، چاپ سال 1687 توضيح داده شد، و كه بنام «قانون نخست نيوتون» شناخته شده است. وقتي كه بر جسمي نيروئي وارد ميشود آنچه كه در اثر نيرو بر سرش ميايد «قانون دوم نيوتون» نام دارد: جسم متناسب با شدت نيرو شتاب ميگيرد (سرعتش مداوم تغيير ميكند). (مثال : به ازاء نيروئي دوبرابر، شتاب دو برابر خواهد شد.) شتاب هم چنين خفيف تر ميشود اگر جرم جسم (كميت ماده) بزرگتر شود.(اگر همان نيرو بر جسمي كه جرمش دو برابر باشد عمل كند، شتابي نيم برابر توليد خواهد كرد)

بهترين مثال همان مثال اتومبيل است : هرچه موتور پر توان تر باشد، شتاب بز رگتر است، ولي هرچه اتومبيل سنگين تر باشد، شتاب براي موتورخفيف تر خواهد بود. علاوه برقوانين حركت، نيوتون قانون نيروي جاذبه را كشف كرد: هر جسم هر جسم ديگري را بر حسب قوه اي متناسب با جرم هر كدام از جسم ها بخود مي كشد (جذب ميكند.) بدين ترتيب، قوه جاذبه عامل ميان دو جسم A و Bميبايستي دو برابر قوي تر باشد اگر يكي از دو جسم« مثلاً جسم A»جرمي دو برابر داشته باشد. البته شما منتظر چنين نتيجه اي هم بوديد، زيرا ميتوان فكر كرد كه جسم جديد  A در واقع از دو جسم تشكيل شده كه هركدامشان وزن اصلي را داشته وكه هر كدام جسم  Bرا برحسب قوه اصلي جذب كنند. پس قوه كل ميان Aو Bبايستي مضاعف قوه اصلي باشد. و بهمين ترتيب اگر يكي از اجسام جرمي مضاعف اصلي داشته باشد و ديگري جرم سه برابر جرم اصلي داشته باشد ، در آنصورت قوه جاذبه ميان آنها شش برابر قوي تر خواهد بود. حالا معلوم ميشود كه چرا همه اجسام با سرعت واحد مي افتند : جسمي كه وزنش دو برابر وزن مفروضي باشد متحمل نيروي ثقلي است كه آنرا دو برابر بسمت پائين هل ميدهد، ولي داراي جرمي هم مضاعف خواهد بود. طبق قانون دوم نيوتون، اين دو اثر همديگر را دقيقاً خنثي ميكنند، بقمسمي كه شتاب در تمام حالات همسان خواهد بود.

قانون ثقل مگويد كه هر چه اجسام از هم دورتر باشند، بهمان نسبت قوه ثقل ضعيف تر است. اين قانون همچنين ميگويد كه قوه جاذبه ثقل يك ستاره بر جسمي مفروض دقيقاً يك چهارم جاذبه ستاره همانندي است كه فاصله ا ش با جسم، نصف فاصله ستاره قبلي با جسم باشد. اين قانون مسير هاي زمين ، ماه و سيارات را با دقت زياد پيش گوئي ميكند. اگر اين قانون گفته بود كه جاذبه ثقل يك ستاره با فاصله زودتر كاهش مييابد، در آنصورت مسير هاي سيارات بيضي شكل نميبود، بلكه مارپيچهائي بود كه به خورشيد مختوم ميشد. اگر اين قوه كند تر كاهش يافته ميبود، قوه هاي ثقل ستاره هاي دور دست بر قوه ثقل زمين تسلط مي يافت.

اختلاف بزرگ ميان ايده هاي ارسطو و ايده هاي گاليله و نيوتون اين است كه ارسطو تصور ميكرد كه اگرجسمي تحت تأثيرهيچگونه هل و نيروئي واقع نباشد، گرايش به حالت سكون دارد. بويژه، او باور داشت كه زمين در حالت سكون است. ولي از قانونهاي نيوتون استنتاج ميشود كه براي حالت سكون وجه و نمونه اي يكتا وجود ندارد. بهمين ترتيب ميتوان گفت كه جسم A در حال سكون است و كه جسم B نسبت به جسم A با سرعت ثابت در حركت است، و يا جسم B در حال سكون است و كه جسم، A جابجا ميشود. مثلاً اگر لحظه اي چرخش زمين و مسير آنرا حول خورشيد بحساب نياوريم، ميتوان گفت كه يا زمين در حال سكون است و ترني كه بر روي زمين است بطرف شمال باسرعت صدو پنجاه كيلومتر در ساعت جابجا ميشود ، و يا ترن در حال سكون است و كه زمين با سرعت صدوپنجاه كيلومتر بسوي جنوب حركت ميكند. اگر در اين ترن تجاربي در باره سقوط اجسام ميكرديم، همه قوانين نيوتون صدق ميكرد. مثلاً اگر در ترن پينگ پونگ بازي كنيم ، ملاحظه خواهد شد كه گوي بازي دقيقاً از همه قوانين نيوتون همانند وقتي كه ميز پينگ پونگ روي خط ريل قرار گرفته باشد پيروي ميكند. يعني به هيچ وسيله اي نميتوان گفت كه از ترن يا زمين كدامشان در حركت است.

نبودن (نمونه)معياري مطلق براي سكون بدان معناست كه نميتوان تعيين كرد كه اگر دو حادثه در دو لحظه مختلف در فضا حادث شده باشند، در وضع مشابهي بوده اند يا نه؟.، مثلاً، بينگاريم كه توپ پينگ پونگ ما بطور عمودي، در ترن جست و خيز نمايد، و در يك نقطه مشخص از ميز بفاصله يك ثانيه اصابت كند. براي كسيكه روي خط واقع است، دو ورجستن(خيز) توپ روي ميز بنظر ميايد كه بفاصله صد متر (خيز اول و خيز دوم)صورت ميگيرد زيرا ترن در اين فاصله زماني روي خط ريل جلو رفته است. عدم وجود سكون مطلق بدان معناست كه نميتوان به يك حادثه در فضا، بدان سان كه ارسطو پنداشته بود، موضعي مطلق داد. پس قرارگاه يا اقامتگاه دو حادثه و فاصله بين آنها براي ناظري كه در ترن جاي دارد غير از احساس و در يافت ناظر مستقر روي خط آهن است، و هيچ دليلي وجود ندارد كه بنا بر آن بتوانيم بگوئيم موضع يكي بر موضع ديگر برتري دارد.

اين غيبت مكان مطلق، يا عدم فضاي مطلق، موجب آزار روحي نيوتون ميشد، زيرا با مفهومي كه وي از يك خداي مطلق داشت جور در نميامد. در عمل با وجودي كه از قوانيني كه خود كشف كرده بود غير مستقيم حاصل ميشود، زير بار پذيرش آن نرفت.

نيوتون، بدليل اين باور غير عقلي موجب انتقاد بسياري از اشخاص،  مخصوصاً اسقف بركلي ، فيلسوفي كه معتقد بود همه اشياء مادي، فضا و زمان همه در قلمرو اوهام هستند، قرار گرفت. وقتي كه دكتر جونسون بر عقيده نيوتون اطلاع يافت فرياد زد : « پس من آنرا طرد ميكنم! » و پايش به يك قطعه سنگ تصادف كرد.

ارسطو و نيوتون هر دو به يك زمان مطلق اعتقاد داشتند. آنها معتقد بودند كه ميتوان بدون شك فاصله زماني بين دو حادثه را اندازه گيري كرد و كه نتيجه اين اندازه گيري بوسيله هر كس كه بدست آمده باشد يكي خواهد بود، البته مشروط بر آنكه ساعت خوب و درستي براي آن اندازه گيري بكار رود. در آن زمان هنوز زمان كاملاً از فضا جدا بود(مستلق از مكان بود)همين امروز نيز بسياري از مردم اين عقيده را معقول ميدانند. معذالك ما، عقيده خود را در باره زمان و فضا تغيير داده ايم. هر چند كه اين مفهوم هاكه بنظر ما درست مي آيند موقعي درست اندكه با سيب يا سيارات كه نسبتاًكند حركت ميكنند، سرو كار داشته باشيم؛ اين عقيده ها بهيچوجه در مورد اشيائي كه با سرعت سير نور، يا تقريباً، حركت ميكنند اعتبار ندارند.

نور با سرعتي معين حركت ميكند، ولي سرعتي كه خيلي بزرگ است ؛ اين كشف در سال 1676 بوسيله منجم دانماركي اول كريستنسن رومر(Ole Christensen Roemer) انجام گرفت.

اين ستاره شناس مشاهده كرد كه غيبت هاي اقمار ژوپيتر(مشتري)در ماوراي اين سياره در فواصل زماني مساوي پديد نميايند، آنچنان كه اگر اين اقمار باسرعت ثابت مسير خود را طي ميكردند، انتظار ميرفت . چون سياره مشتري و كره زمين دور خورشيد ميگردند فاصله بين اين دو سياره تغيير ميكند. رومر ملاحظه كرد كه كسوفهاي ماه هاي مشتري هر چه فاصله ما از سياره عظيم الجثه مشتري دورتر باشد، ازنظر زماني دير تر اتفاق مي افتند ؛ و بدين طريق ثابت كرد كه زيرا نور اقمار مشتري ، وقتي كه ما از آن دور تر هستيم، زمان بيشتري براي رسيدن به ما صرف ميكنند. چون مقادير اندازه گيري تغييرات فاصله ميان زمين و مشتري موجود در آنزمان دقيق نبودند، او براي سرعت سير نور دويست هزار كيلومتر در ثانيه را تخمين كرد، حال آنكه امروزه اين سرعت سيصد هزار كيلومتر اندازه گيري شده است. بديهيست كشف رومر- كه نه تنها ثابت ميكرد نور با سرعتي معين حركت ميكند، بلكه اين سرعت را حساب هم كرده بود- داراي اين ارزش تاريخي است كه يازده سال قبل از اشاعه كتاب اصول رياضيات نيوتون، وقوع يافته است.

تئوري واقعي انتشار نور در سال 1865 وقتي كه دانشمند فيزيك دان بريتانيائي جمس كلرك ماكزوئل(James Clerk Maxwel)، با هم آوري و تجمع تئوريهاي جزئي كه تا آنزمان كه براي توضيح نيروهاي الكتريسيته و مغناطيس بكار ميرفت، توانست موفق به تدوين تئوري اتنشار نور گردد، پا به عرصه وجود گذاشت. معادلات ماكزوئل پيش بيني ميكرد كه ممكن است اغتشاشاتي، در شكل موج، در ميدان تركيبي الكترومغناطيس پديد آيد و كه اين امواج، با سرعتي مفروض، همانند چين يا چروكهاي سطح مرداب پخش گردند. اگر طول موج اين امواج (فاصله ميان قله يك موج با قله موج بعدي) يكمتر يا بيش ا زيك مترباشد، ميگوئيم با امواج راديوئي سرو كارداريم.

طول امواج كوتاهتر را امواج سانتي متري (چند سانتيمتر)مينامند يا امواج زير قرمز(بيش ا زيك ده هزارم ساتيمتر). نور مرئي داراي طول موجي واقع ميان چهل هزارم و هشتاد هزارم سانتي متر است. طول موج هاي ازاين هم كوچكتر را امواج ماوراي بنفش ، امواج ايكس و امواج گاما نام داده اند.تئوري ماكزوئل پيش گوئي ميكرد كه موجهاي راديوئي يا نوراني با سرعتي معين انتشار مييابند. ولي تئوري نيوتون از مفهوم سكون مطلق خود را رها ساخته بود؛ پس، اگر بنا بر اين بود كه نور با سرعتي معين انتشار يابد، لازم بود كه تدقيق شو دكه اين سرعت معين با چه مقياسي اندازه گيري ميشود. در اينجا بود كه جوهري را فرض كردند بنام « اتر » كه همه جا هست حتي در فضاي « خالي ». بدين ترتيب امواج نوراني از خلال اتر منتشر ميشوند همانطوريكه امواج صوتي از خلال هوا انتشار مي يابند، و بنا بر اين سرعت سير آنها با اين محيط وابستگي دارند. ناظر هاي مختلف، كه نسبت به اتر در حركت اند، مشاهده ميكنند كه نوري كه بسوي آنها مي آيد باسرعت هاي گوناگون اند، ولي سرعت سير نور نسبت به اتر ثابت ميماند. بويژه، نظر به اينكه زمين در مسير خود حول خورشيد در اترحركت ميكند، سرعت نور اندازه گيري شده در جهت حركت زمين دراتر(وقتي كه ما بسوي منبع نورجابجا شويم)مي بايستي بزرگتر از سرعت سير نور عمود بر اين حركت (وقتي كه ما بسوي منبع نور جابجا نميشويم)باشد. در سال 1887، آلبرت ميكلسون، Albert Michelson، (كه بعدها نخستين امريكائي برنده جايزه نوبل در فيزيك گرديد) و ادوارد مورلي آزمايش بسيار دقيق را در مدرسه فيزيك عملي كليولاند انجام دادند. آنها سرعت سير نور را در جهت حركت زمين و عمود بر حركت مقايسه كردند. با تعجب دو رقم دقيقاً متشابه بدست آوردند.

در سالهاي 1887 و 1905، تلاشهاي متعددي ، بويژه كوشش فيزيكدان هلندي هندريك مورنس Hendrick Lorentz، براي بيان نبايج تجربه ميكلسون ـ مورلي، بعنوان اشياء متراكم و ساعت هاي (زمان سنجهاي)مبطئه در مسافرت از خلال اتر بعمل آوردند.

معذالك، در مقاله اي مشهور كه در سال 1905انتشار يافت ، يكي ازكارمندهاي دفتر ثبت ابداعات سويس كه تا آنوقت ناشناخته بود، بنام آلبرت انشتنAlbert Einsteinخاطر نشان كرد كه سراسر ايده اتر بيهوده است بشرط آنكه بتوانيم از ايده زمان مطلق صرف نظر كنيم. تذكري همانند چند هفته بعد بوسيله رياضي داني بزرگ فرانسوي هانري پوانكاره، داده شد. چون استدلالات انشتن خصلت فيزيكي بيشتري از استدلالات هانري پوانكاره داشت ـ كه مسئله را بعنوان رياضي دان بررسي كرده بودـ عادتاً كشف اين تئوري بنام انشتن شناخته شد، ولي بايد بخاطر داشت كه قسمت مهمي ازاين اكتشاف ، حصه پوانكاره است.،

پوستولاي(اصل موضوع ـ اصل موضوعه ـ اصل گزاره )بنيادي تئوري نسبيت ، چنانكه آنرا بدين نام ناميده اند، اين است كه قوانين فيزيك ميبايستي براي همه مشاهده گران متحركي كه آزادانه با هر سرعتي كه باشد حركت كنند، يكسان بماند. اين اصل براي قوانين نيوتوني صادق بود، ولي اكنون، اين ايده تا الحاق تئوري ماكزوئل و سرعت سير نور گسترده شده : همه رصدگران(مشاهده كنندگان)بايستي براي نور بازاء همه سرعتهاي ممكنه حركت، يك سرعت بدست آورند. اين مفهوم ساده داراي نتايجي پر ارزش است. شايد مشهور ترين اين نتايج همسنگي جرم و انرژي است، كه در همچندي(معادله) مشهور انشتن يعني    [E=mc2]     كه در آن  Eانرژي بوده، m جرم است وcسرعت سير نور ميباشد، و خواست قانون اين است كه هيچ متحركي نميتواند با سرعتي بيش از سرعت نور حركت كند. بدليل همسنگي ميان انرژي و جرم، آان انرژي كه يك جسم بدليل حركت خود داردموجب ازدياد جرم آن ميشود و، در نتيجه، براي آن دشوارتر ميشود كه بر سرعتش بيفزايد. اين تأثير فقط براي اجسامي معناي واقعي داردكه سرعت حركتشان نزديك سرعت نور باشد.مثلاً، اگر در سرعت برابر ده در صد سرعت نور، جرم شئ پنج دهم در صدبيش از جرم معمول است، در صورتيكه در سرعت نود درصد سرعت نور، شئ داراي جرمي دو برابر خواهد بود.اگر سرعت شئ به سرعت نور نزديك شود، جرم آن همچنان سريعتر افزايش خواهد يافت، بقسمي كه بيش از بيش تقاضاي انرژي خواهدكرد تا بتواند همچنان تند تر برود. در هرحال جسم هرگز نخواهد توانست به سرعت نور برسد، زيرا در آنصورت جرمش بينهايت خواهد بود، وكه بدليل همسنگي ميان جرم و انرژي آن، مطالبه مقداري انرژي بينهايت خواهد شد تا بدان برسد. بدين جهت است كه هر شئ معمولي(نرمال)براي هميشه محكوم است كه به علت نسبيت با سرعتي كمتر از سرعت نور حركت كند. فقط نور، يا پديده هاي ديگري كه عاري از جرم ذاتي باشند، ميتوانند بدان سرعت واصل گردند. نتايج ديگر نسبيت :

انقلابي كه در باره فضا و زمان در ايده هاي ما كاشته است. در تئوري نيوتون، اگر يك پرتو(نور) از محلي به محل ديگر ارسال شود ناظران مختلف در باره زمانيكه(وقتيكه) مسافرت طول كشيده است توافق دارند(زيرا زمان مطلق نيست). از آنجائيكه سرعت سير نور عبارت ا ست از خارج قسمت فاصله اي كه نور پيموده تقسيم بر زماني كه براي انجام آن صرف كرده است، پس ناظران مختلف بايستي به اندازه گيري سرعت هاي مختلفي رسيده باشند. در تئوري نسبيت همه ناظران باسرعت نور توافق دارند. معذالك اين ناظران در باره مسافت مطويه توافق ندارند، بهمين جهت هم نبايستي در باره زمان مصروف براي مسافت طي شده توافق داشته باشند. (اين مدت، بالاخره چيزي بجز خارج قسمت مسافت مطويه بوسله نور ـ كه در باره آن ناظران توافق ندارند ـ تقسيم بر سرعت نور ـ كه ناظران با آن توافق دارند، نيست. بزبان ديگر، تئوري نسبيت فاتحه زمان مطلق را خوانده است. سپس لازم شده است كه هر ناظر ميبايستي زمان خود را اندازه بگيرد، كه اين سنجش بوسيله ساعتي(وسيله سنجش زمان) كه با خود حمل كرده است انجام گيرد، و كه ساعت هاي متشابه بدست ناظران مختلف نبايستي الزاماً زمان متشابهي را نشان دهند.

هر ناظر يا راصد براي خبر دادن محل و زمان وقوع يك حادثه ، بايستي براي فرستادن يك پرتو نوراني يا يك موج رادئوئي دستگاه فرستنده اي در اختيار داشته باشد. جزئي از تشعشع پرتو به محل وقوع حادثه عودت كرده و ناظر زمان لازم براي ارسال و در يافت انعكاس نور را اندازه گيري ميكند. پس زمان حادثه ميشود نصف زمان زماني رفت و برگشت نور ميان نقطه اقامت ناظر و نقطه وقوع حادثه است؛ فاصله حادثه ميشود نصف زمان اين رفت و برگشت ضرب در سرعت سير نور.(يك حادثه، بدين مفهوم، عبارت از چيزي است كه در نقطه منحصر بفرد و در لحظه دقيقي از زمان در فضا اتفاق افتاده است.)اين ايده در شكل شماره 2.1 مثال زمان ـ فضا، نموده شده است. با بكار بردن اين روش، ناظراني كه نسبت بهم جابجا ميشوند زمان ها و مواضع متفاوت براي حادثه اي واحد معين ميكنند. هيچ يك از اندازه هاي حاصله از اندازه اي ديگردرست تر نيست، ولي همه اندازه گيري ها نسبي خواهند بود. هر ناظر ميتواند دقيقاً زمان و موضعي را كه ناظر ديگر معين ميكند بيابد، مشروط به آنكه سرعت نسبي او را بداند.

امروز، ما اين روش را براي اندازه گيري فاصله ها بكار ميبريم، زيرا ميتوانيم زمان رابا دقتي بيشتر از طول اندازه گيري كنيم. در واقع، متر عبارت ا ست از فاصله مطويه بوسيله نوردر

«0,000000003335640952  ثانيه »

كه بوسيله ساعت سزيوم ، اندازه گيري شده است. (دليل اين عدد ويژه آن است كه متناظر و برابر است با تعريف تاريخي متر، دو نشان بر روي يك شمش از جنس پلاتين كه در پاريس ضبط و نگهداري شده است.)با همين ترتيب ميتوانيم واحد ديگري را براي طول انتخاب كنيم كه خيلي عملي تر است و آنرا ثانيه ـ نور ناميده اند. تعريف آن واحد عبار تست از مسافت مطويه بوسيله نور در يك ثانيه. در نظريه نسبيت، ما فواصل را بر حسب زمان و سرعت سير نور اندازه گيري ميكنيم ، كه بديهيست معناي آن اين است كه هر ناظر(راصد) اندازه سرعت را همان سرعت بر حسب تعريف را يعني

«  0,000000003335640952  ثانيه»

اندازه گيري خواهد كرد.

ديگر نيازي هم به اتر، كه وجودش، چنانچه آزمايش تجربي ميكلسون ـ مورلي ثابت كرده بهر حال اثبات و معلوم نشده است، نداريم. معذالك، تئوري(نظريه نسبيت)، ما را مجبور ميكند كه اعتقادات اساسي خود را در باره فضا و زمان عوض كنيم. ما بايد قبول كنيم كه زمان از فضا كاملاً جدا نبوده و مستقل از آن هم نيست، ولي بايد قبول كنيم كه زمان با فضا تركيب ميشود و چيزي  را ميسازد كه «فضا ـ زمان » نام دارد.

ميدانيم كه ميتوان موضع يك نقطه را در فضا بوسيله سه عدد، كه مختصات ناميده ميشوند، معين كرد. مثلاً، ميتوان گفت كه يك نقطه در يك اطاق در دومتري يك ديوار، ويك متري ديوار ديگر و يك و نيم متري بالاي كف اطاق قرار دارد. بهمين ترتيب ميتوان معين كرد كه يك نقطه در طولي مفروض، عرضي مفروض و ارتفاعي از تراز دريا قرار گرفته است. ميتوان ،با وجودكاربرد محدود، هر سيستم مختصات مناسب را بر گزيد : البته نميتوان مثلاً موضع(موقعيت) كره ماه(ماه زمين) را با مشخصات كيلومتر(واحد) در شمال و شرق « پيكادلي سيركوس » و ارتفاع بر حسب پا(واحد) بالاي تراز دريا معين كرد.

از طرف ديگر، خيلي آسان تر است كه موضع بر حسب فاصله با خورشيد، فاصله با سطح مسير سيارات(منطقه البروج) و زاويه واصل خورشيد و ستاره اي نزديك از قبيل «آلفا سانتور»مشخص گردد. اين مختصات نيز خود براي توضيح و ترسيم موضع خورشيد در كهكشان ما يا موضع كهكشان ما در مجموعه گروه كهكشانهاي محلي، اعتبار استعمال ندارد. در حقيقت، ميتوان تمام كيهان هستي را بر حسب مجموعه اي از مختصات رفرانس بهم ملصق ترسيم و توضيح نمود. بر روي هر يك از آنها، ميتوان مجموعه اي مختلف از سه مختصات براي تعين موضع يك نقطه بكار برد.

يك حادثه عبارت ا ز چيزي است كه در نقطه اي خاص درفضا در لحظه اي خاص بوقوع مي پيوندد. بدين جهت ميتوانيم آنرا با چهار عدد يا مختصات تعين كنيم. باز هم، گزينش مختصات اختياري است؛ ميتوان هر مختصات فضائي كاملاً مشخص و هرنوع واحد اندازه گيري زمان را انتخاب كرد. در نسبيت، تمايزي حقيقي ميان فضا و مختصات زماني، و همچنين اختلافي حقيقي ميان دو مختصات فضائي وجود ندارد. ميتوان مجموعه ي مختصات جديدي را چنان انتخاب كرد كه در آن نخستين مختضات فضائي ، قبول كنيم ، تركيبي از نخستين و دومين مختصات قديمي باشد. مثلاً، بجاي اندازه گيري موضع يك نقطه در روي زمين بر حسب كيلومتر در شمال و بر حسب كيلومتر در مشرق پيكادلي باشد، ميتوان كيلومتر در شمال شرقي پيكادلي و و برحسب كيلومتر در شمال غربي پيكادلي را بكار برد. بهمين ترتيب، در نسبيت، ميتوان مختصات جديدي از زمان كه همان زمان قديمي (بر حسب كيلومتر)باضافه فاصله (بر حسب ثانيه نور) در شمال پيكادلي را بكاربرد. بي دردسر تر آن است كه انسان به فكر چهار مختصات يك حادثه براي مشخص كردن موضع در يك فضاي چهار بعدي بنام « فضا ـ زمان » بيفتد. تصور يك فضاي چهار بعدي غير ممكن است. براي من تصور يك فضاي سه بعدي هم دشوار است. ترسيم دياگرامهاي دو بعدي، بسان سطح زمين، آسان است. (ميگوئيم كه سطح زمين دو بْعدي است زيرا موضع يك نقطه در روي آن ممكن استب ا دو مختصات يعني عرص و طول مشخص گردد.)من معمولاً دياگرامهائيرا بكارميب رم كه در آنها زمان عموداً نمو ميكندو در آن يكي از ابعاد افقي مشخص شده است. دو بعد ديگر كنار گذاشته ميشوند، يا بعضي اوقات، يكي از آنها با طرح منظري( Perspective ) نموده ميشود. ( آنهارا دياگرام هاي فضا ـ زمان مينامند. مانند شكل 2.1) مثلاً ، روي شكل 2.2 زمان بطور عمودي برحسب سال نموده شده و فاصله در طول خطي كه از خورشيد به آلفا ي سانتورميرود افقي بر حسب كيلومتر نموده شده است. مسير خورشيد و آلفاي سانتور از معبر« فضا ـ زمان » با خطوط عمودي در سمت راست و چپ دياگرام ، نموده شده است. يك شعاع نوري از خورشيد در طول وتر حركت ميكند و پس از چهار سال طي راه به آلفاي سانتور ميرسد.

همانطوريكه ديديم، معادلات ماكزوئل نشان دادند كه سرعت سير نور ميبايستي، به ازاء همه سرعتهاي منبع، مقداري ثابت باشد و اين قضيه، بوسيله اندازه گيريهاي دقيق محقق گرديد. نتيجه آنكه اگر برقي نوراني در لحظه اي خاص در نقطه اي خاص از فضا صادر شده باشد، با گذشت زمان، اين برق همانند كره اي از نوركه بزرگي و موقع(موضع) آن مستقل از سرعت منبع نور است، بزرگ خواهد گرديد. پس ا زيك ميلي يوني يوم ثانيه، گسترش نور تا كره اي به شعاع سيصد متر خواهد رسيد؛ پس از دو ميلي يوني يوم ثانيه، اين شعاع ششصد متر خواهد بود؛ و بهمين ترتيب ادامه مييابند؛ همانند چين هائيكه بر سطح يك مرداب در اثر پرتاب يك سنگريره تشكيل ميگردد. چين هاب صورت يكدايره، كه با گذشت زمان وسيع ميگردند گسترش مي يابند. اگر نمونه(مدل) اي را در نظر بگيريم كه از سه بعدْ حاصل از سطح دوبْعدي مرداب و بعد زمان تشكيل شده باشد، دايره مورد بحث مخروطي را تشكيل خواهد داد كه رأس آن محل برخورد سنگ با آب خواهد بود( ش. 2.3) .

 بهمين ترتيب، نور حاصل از يك حادثه در يك « فضا ـ زمان » چهار بعدي، مخروطي سه بعدي تشكيل خواهد داد. اين مخروط را « مخروط نور مضارع » حادثه مينامند. باهمين روش، ميتوانيم مخروط ديگري را ترسيم كنيم، موسوم به « مخروط نورماضي »، كه عبارت است از مجموعه حوادثي كه از آن برقي(پرتوي) نوراني ميتواند به حادثه مورد بحث برسد.(ش 2.4)

مخروط هاي نور ماضي و مضارع مربوط به حادثه  P«فضا ـ زمان» را به سه منطقه تقسيم ميكنند(ش. 2.5).

« مضارع مطلق » حادثه منطقه داخلي مخروط نور مضارع  Pميباشد. اين مجموعه همه حوادثي است كه ميتوانند تحت تأثير حوادث وارده بر  Pقرار گيرند. حوادث خارج از مخروط نور،   Pنميتوانند مورد اصابت علائمي كه از ميايند قرار گيرند زيرا هيچ چيز نميتواند سريع تر از نورمسافرت كند. بدينجهت تحت تأثير آن چيزي واقع شوندكه به P ميرسد.

 « ماضي مطلق » P عبارت ا ز منطقه درون مخروط نور ماضي است. اين مجموعه تمام حوادثي است كه از آنجا علائمي كه با سرعت سير نور يا تقريباً، مسافرت ميكنند ميتوانند برسند. پس اين مجموعه همه حوادثي است كه ميتوانند آنچه را كه به P ميرسند متأثر كنند.

اگر آنچه را كه در هر لحظه خاص همه جا در منطقه فضائي كه در داخل مخروط نور ماضي P گسترده ميشود بدانيم، ميتوان آنچه را كه به P ميرسد پيشگوئي كرد.

« ناكجا » عبارت ا ز منطقه فضا ـ زمان است كه در هيچكدام از مخروط هاي نور ـ ماضي يا مضارع Pگسترده نميشود.

حوادث واقع در « ناكجا » نميتوانند حوادث را در P نه متأثر كنند و نه متأثر شوند. مثلاً ، اگرخورشيد قرار باشد در رژلحظه اي دقيق از تشعشع باز ماند، اين حادثه اشياء روي زمين را در همان لحظه متأثر نخواهد كرد زيرا زمين در ناكجاي حادثه « خورشيد ـ در حال خاموش شدن» است.(ش 2.6)

 ما بعد از هشت دقيقه واقف خواهيم شد، زماني كه نور خورشيد بما ميرسد.از اين لحظه است كه حوادث روي زمين در مخروط نور مضارع حادثه كه ناظر خاموش شدن خورشيد بوده است، گسترش مي يابند؛ بهمين سان ما نميدانيم آنچه كه در اين لحظه در نقاط دور جهان پيش ميايد: نوري كه از كهكشانهاي دور دست بما ميرسد و كه ما آنرا دريافت ميكنيم هشت ميليارد سال گذشته فرستاده شده است. به اين طريق آنچه را ما در منطقه اي از جهان مي نگريم ، بدانسان كه در گذشته بوده است مي بينيم.

اگر از تأثيرات جاذبه اي اغماض كنيم، همانطور كه انشتن و پوانكاره در سال 1905صرف نظر نمودند، تئوري نسبيت محدود را در اختيار داريم. براي هر حادثه در« فضا ـ زمان»، ميتوانيم يك مخروط از نور بسازيم (مجموعه همه اشعه نوراني در فضا ـ زمان قابل صدورتشعشع در لحظه حاضر)؛ و بدان دليل كه سرعت سير نور در هر حادثه و در همه سمت ها همانند است، همه مخروطات نوري همانند بوده و داراي سمت واحدي ميباشند. البته اين تئوري را ميدانيم كه هيچ جنبنده اي قادر نيست سريعتر از نور جابجا شود. اين بدان معناست كه ميتوان مسير هر « شئ مسافر » ازخلال فضا و زمان را بوسيله خط مستقيمي كه در اندرون مخروط نورگسترده شده، بازاء هر حادثه كه روي اين خط راست قرار دارد، نشان داد (ش 2.7).

تئوري نسبيت محدود به نحوي بسيار مؤثراين واقعيت راكه سرعت نور براي همه رصد گران(بنا به اثبات ميكل سان مورلي) يكي است و اين وضع هنگامي واقع ميشود كه اشياء متحرك با سرعتي نزديك به سرعت سير نورحركت كنند، توضيح داد. مع الوصف ، اين تئوري با تئوري جاذبه نيوتون، كه ميگفت اجسام (اشياء) همديگر را بر حسب نيروئي كه تابع و متناسب با فاصله بين آنهاست جذب ميكنند(بخود مي كِشند)، ناسازگار بود. اين بدان معنا بود كه اگرجاي يكي از اشياء را عوض كنيم، نيروي وارده برديگري آناً تغيير ميكند. يا بزبان ديگر، كه اثرات جاذبه ميبايستي با سرعتي بينهايت مسافرت كنند، و نه با سرعتي برابر يا كمتر از نور، بدانسان كه تئوري نسبيت محدودالزام ميكرد؛ انشتن آزمايش هاي متعددي را در بين سالهاي 1918ـ 1914 ، براي پيدا كردن يك تئوري جاذبه كه با تئوري نسبيت محدود سازگار باشد انجام داد. سرانجام، در سال 1915، تئوري مطلوب را كه ما امروزه به نام : تئوري نسبيت عمومي مي شناسيم پيشنهاد و ارائه داشت.

انشتن اين نظرانقلابي را كه جاذبه نيروئي همانند نيروهاي ديگر نيست، بلكه جاذبه عبارت ا ست از نتيجه ي واقعيتي است كه «فضا ـ زمان»، بر حلاف آنچه كه در نظر گرفته شده، مسطح نبوده بلكه منحني، يا در اثر توزيع جرم و انرژي محتواي خود«كج و معوج » ميباشد. اجرامي از قبيل زمين مجبور نيستند به علت نيروئي بنام نيروي جاذبه روي مسيرهاي منحني جابجا شوند. اين اجرام (اجسام)، در واقع روي مسيري حركت ميكنند كه بيشتر نزديك به مسيري خطي در يك فضاي منحني ميباشد، يعني يك« ژئودزيك». ژئودزيك كوتاه ترين(يا دراز ترين) مسير ميان دو نقطه همسايه (مجاور) است. مثلاً ، سطح زمين يك فضاي منحني دو بعدي است. يك ژئودزيك بر روي زمين به دايره عظيمه موسوم است كه كوتاه ترين راه ميان دو نقطه است(ش2.8).

 چون ژئودزيك عبارت ا ز كوتاهترين مسير ميان دو فرودگاه مفروض است ، راهي است كه هوا نورد براي خلبان هواپيما تعيين ميكند. در نسبيت عام (عمومي)، اجسام (اجرام)، هميشه خطوطي مستقيم در يك« فضا ـ زمان» چهار بعدي طي ميكنند، ولي اين اجسام بنظر ما چنين مي آيند كه در طول مسير هاي منحني در «فضا ـ زمان» سه بعدي ما درحركتند. (تقريباً مثل اين است كه هواپيمائي بر فراز زميني ذوعارضه پرواز ميكند. با وجوديكه هواپيما روي خطي مستقيم در فضاي «سه بعدي» مي پرد، سايه آن مسيري منحني در روي زمين «دو بعدي» ترسيم ميكند.)

جرم خورشيد«فضا ـ زمان » را چنان خم ميكند كه ، باوجوديكه زمين در يك « فضا ـ زمان » چهار بْعدي مسير مستقيم را طم ميكند، در نظر ما چنان جلوه ميكند كه در مسيري واقع در ، فضاي سه بعدي ، جا بجا ميشود. در عمل ، پيش گوئي تئوري هاي نسبيت عمومي و تئوري جاذبه نيوتون در باره مسير هاي سيارات دقيقاً، همانند است. معذالك، در مورد سياره عطارد،نزديكترين سياره منظومه شمسي به خورشيد، كه تحت تأثير حد اكثر نيروي جاذبه (ثقل) آن بوده و مسير حركت آن كمي مطول است، بنا به نظريه نسبيت، محور اطول بيضي مسير مي بايستي حول خورشيد هر ده هزار سال، تقريباً، يك درجه چرخش داشته باشد. اين اثر هرچه هم خفيف باشد، قبل از سال 1915كشف شده بود واز نخستين دلايل استحكام تئوري نسبيت بشمار مي آيد. در جريان سالهاي اخير، انحراف هاي(زاويه اي) خفيف تري از ساير سيارات نسبت به تئوري نيوتون، از بركت رادار، اندازه گيري شده است كه با تئوري نسبيت عمومي همخواني دارد.

اشعه نوراني نيز ميبايستي مسير هاي ژئودزيك « فضا ـ زمان » را به پيمايند. يعني، باز اين واقعيت كه فضا منحني است بدان معناست كه ديگر نميتوان گفت كه نور در فضا روي يك خط مسقيم جابجاميشود( مسافرت ميكند).بدين ترتيب، نسبيت عمومي پيش گوئي ميكند كه نور ميبايستي بوسيله يك ميدان جاذبه منحرف گردد. مثلاً بنا بر اين تئوري مخروط هاي نورِ نقاط نرديك به خورشيد بدليل جرم خودشيد كمي خميده اند . اين بران معناست كه نور ستاره اي دور دستي كه از مجاورت خورشيد عبور كندكمي منحرف ميشود و بدين جهت ستاره براي راصدي كه روي زمين قرار دارد در جاي درست خود ديده نميشود. (ش 2.9)

 البته، اگر نور رسيده از ستاره هميشه از كنار خورشيد ميگذشت، ما قادر نبوديم كه بگوئيم آيا نور منحرف شده و يا اينكه ستاره واقعاً آنجائي است كه ما روئيت ميكنيم. معذالك، چون زمين حول خورشيد ميگردد، پيش ميايد كه ستارگان مختلف از وراي آن بگذرند و نور آنها منحرف گردد. بنا بر اين، موضع ظاهري آنها نسبت به ستارگان ديگر عوض ميشود.

معمولاً خيلي دشوار است كه بتوان اين اثر را مشاهده كرد. زيرا، نوري كه از جانب خورشيد مي آيد مشاهده ستاره هاي نزديك آن را غير ممكن ميسازد. مع الوصف، امكان داردكه بهنگام كسوف خورشيد(گرفتن خورشيد)، هنگامي كه نور خورشيد بوسيله ماه متوقف شده است ، آنرا رصد كرد.پيشگوئي انشتن در باره انحراف نور در سال 1915 بعلت جنگ اول جهاني تأييد نشد؛ تا اينكه در سال 1919 هيأت اعزامي بريتانيائي به آفريقاي ـ غربي براي ترصيد كسوف، دليل درسيتي آن را اثبات كرد. اين تأييد تئوري آلماني بوسيله دانشمندان انگليسي، بمنزله يك رفتار آشتيگرانه ميان دو كشور متخاصم تلقي شد. جالب است كه آزمايشي كه بعد از عكسبرداري هاي اين هيأت اعزامي انجام گرديد اشتباهاتي را به اهميت اثري كه مي بايستي اندازه گيري شود نشان دهد. اندازه گيري هاي آن زمان همه نتيجه تصادف و شانس محض بود، و اين ماجري از نمونه هاي خاصي است كه نتايج مطلوب از  قبل براي مامعلوم است. ؛ اين قبيل پيش آمدها در دانش كم نيستند. معذالك، انحراف نور، با دقت و درستي از طريق مشاهدات و ترصيدات آينده بعدي تأييد گرديد.

پيش گوئي جالب ديگري از نسبيت عمومي را يادآور شويم :

معمولاً زمان مي بايستي با سرعتي كمتر هنگام عبور از جوار جسمي بز رگ چون كره زمين جاري جريان داشته باشد. و اين بدليل نسبت بين انرژيِ نورو بسامد(فركانس، يعني تعداد امواج نوري در يك ثانيه) آن است : هر چه انرژي زياد تر باشد بسامد آن بزرگتر است. چون نور در ميدان جاذبه زمين بسوي بالا حركت ميكند، انرژي از دست ميدهد و در نتيجه بسامدش كاهش مي يابد.(اين بدان معناست كه طول فاصله زماني بين اوج يك موج و اوج موج بعدي افزايش مي يابد.) درنظر كسيكه در خيلي در بالا واقع است، چنين بنظر مي آيد كه هر چيزي كه پائين تر قرار گرفته باشد، زمان بيشتري براي رسيدن نياز دارد. اين پيشگوئي در سال 1962 بكمك دو ساعت بسيار دقيق كه در رأس و پاي برجي قرار داده شدند، مورد آزمايش قرار گرفت. نتيجه آن شد كه ساعت واقع در پاي برج كه فاصله اش از زمين كمتر از ساعت واقع در رأس بود كند تر كار ميكرد، و اين با ئوري نسبيت عمومي توافق دارد. مسئله اختلاف سرعت ساعتها در ارتفاعات مختلف بالاي سطح زمين ، امروزه، با سيستم هاي هواپيمائي، بسيار دقيق مبتني بر علائم ماهواره ها (ساتليت)براي ما داراي اهميت بسيار قابل ملاحظه ايست . اگر مسئله پيشگوئي هاي نسبيت عمومي بحساب نيامده بود، مواضع حاصل از محاسبه چندين كيلومتر غلط داشت.

قانون حركت نيوتون به ايده موضع مطلق در فضا پايان داد. نظريه نسبيت از دست زمان مطلق نجات يافت.

اكنوني ك زوج دوقلو را در نظر بگيريم. فرض كنيم كه يكي از اين دوقلو ها برود در قله يك كوهستان زندگي كند و ديگري در تراز سطح دريا. دوقلوي اولي بايستي زود تر از دومي پير شود. پس ، موقعيكه اين دوقلو ها باز با هم تلاقي كنند،‌يكيشان بايد پير تر از ديگري باشد. در حالت اين دوقلو ها اختلاف سن خيلي ناچيز است؛ ولي اگر يكي از آنها در يك كشتي فضائي نشسته و با سرعتي نزديك به سرعت سير نور فضا نوردي كند اختلاف سن آنها خيلي بيشتر خواهد بود. بهنگام مراجعت مسافر فضائي خيلي از برادرش كه در سطح زمين مانده بود جوانتر خواهد بود. اين ماوقع را( تناقض ـ مفارق)(دوقلو ها) « پارادوكس دوقلوها »مينامند. ولي، براي كسي ميتواند پارادوكس باشد كه هنوز ايده زمان مطلق را در مغز خود نگهداشته باشد.

در نسبيت، زمان مطلق (منحصر بفرد) وجود ندارد، هر فرد براي خود اندازه زمان مربوط به خود رادارد، زماني كه تابع محل وهم نحوه حركت و جا بجا شدن اوست.

قبل از 1915 ، فضا و زمان به عنوان ميدان ثابتي بود كه در آن حوادث پيش مي آمدند ، و خود آن ميدان بهيچوجه تحت تأثير حادثه قرار نميگرفت. اين موضوع در باره تئوري نسبيت محدود(خاص) هم صادق بود.اجسام جابجاميشدند(حركت ميكردند)، نيروها جذب ودفع ميكردند، ولي زمان و فضا، بي غل و عش، بدون تغيير تداوم داشتند. طبيعي بود كه انسان فكر كند فضا و زمان براي هميشه جاري باشند.

معذالك، اوضاع در تئوري نسبيت عمومي، كاملاً مغايراست. اكنون فضا و زمان كميت هاي دينادميك اند : وقتي كه جسمي حركت ميكند، يا وقتي كه نيروئي عمل ميكند، اين حركت يا نيرو بر انحناي فضا و زمان ـ و در عوض،، ساختار(تركيب) فضا ـ زمان، بر نحوه حركت اجسام و نحوه اعمال عمل نيروهاي عامل اثر ميگذارند. فضا و زمان نه تنها بر هرچه كه به سر جهان هستي ميايد اثر ميگذارند بلكه، آنها خود نيز تحت تأثير واقع ميشوند. همانطوريكه در باره حوادث جهان هستي نميتوان بدون مفاهيم زمان و فضا حرف زد ، در نسبيت عمومي دور از عقل و معناست كه بتوان خارج از حدود و محدوديت هاي جهان سخن گفت.

در جريان چند دهساله گذشته، اين درك جديد از فضا و زمان در  بينش ما از جهان  هستي انقلابي وارد كرده است. مفهوم قديمي جهاني بدون تغيير، كه هميشه وجود داشته و به وجود خود نيز هميشه ادامه خواهد داد، جاي خود را به مفهومي از جهاني ديناميك ، در حال اتساع(گسترش)، كه بنظر مي آيد كه در زماني مشخص وغير ابدي،  آغازيده و كه در زماني معين متناهي در آينده پايان يابد. اين انقلاب موضوع بحث فصل بعدي اين تحقيق است. و چند سال بعد، اين تحقيق نقطه شروع مطالعات من در فيزيك(نظري) تئو ريكي خواهد بود. « روژه پِنر’ز»[Roger Penrose] و حقير ، ثابت كرديم كه نظريه نسبيت عمومي انشتن خاطر نشان ميكرد كه جهان آغاز ي دارد و، شايد آنرا پاياني هم باشد.

« استفن هاوكينگ : تاريخچه اي مختصر از زمان »