بخش نخست/

نظریۀ نسبیت انشتین، یکی از مهم‌ترین و جهان‌شمول‌ترین نظریه‌ها‌ی تاریخ علم است؛ نظریه‌یی که دید ما را نسبت به فضا و زمان به‌کلی تغییر داد.
زمانی که از جهان صحبت می‌کنیم، تمام اشیا، انسـان‌ها و حیواناتی که می‌شناسیم، به ذهن‌مان می‌رسند و تصویری که از جهان در ذهن‌مان می‌سازیم، به تصویر یک شهر شبیه است.
بیایید لحظه‌یی تصور کنیم که تمام اشیا، انسان‌ها، حیوانات، ستاره‌ها، زمین و حتا اتم‌ها‌ی گاز غیر قابل دیدن را از صحنه حذف کنیم. در این صورت چه باقی می‌ماند؟ جوابی که اکثرمان به این سؤال خواهیم داد: هیچ چیز است. اما این جواب، درست نیست؛ زیرا چیزی که باقی می‌ماند، فضای خالی است و فضای خالی با هیچ چیز، تفاوت بسیار دارد.
بیش‌تر مردم زمانی که از فضا صحبت می‌شود، فضای میان‌ستاره‌یی دوردست را تصور می‌کنند؛ درحالی‌که فضا همه جا حضور دارد و تمام اتفاقات روزانۀ زنده‌گی ما در همین فضا شکل می‌گیرد. در واقع ساختار بدن تمامی موجودات و تمامی اشیا بیش‌تر از فضای خالی تشکیل شده است. طبق مدل کلاسیک رادرفورد و مدل‌ها‌ی کوانتومی، بیش‌تر ساختار اتم‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد.
ساختمانی مانند برج میـلاد را تصور کنید. اگر تمام فضا‌ی خالیِ تشکیل‌دهندۀ اتم‌ها‌ی آن را حذف کنیم، حجمی که باقی می‌ماند، به اندازۀ یک دانۀ برنج خواهد بود که میلیون‌ها کیلو‌گرم جرم دارد. می‌توانید هر ساختمان یا مکانِ دیگری را نیز در نظر بگیرید؛ ولی در واقع بیش‌تر آنچه جهـانِ ما را می‌سازد، فضا‌ی خالی است. اما فضا‌ی خالی، دقیقاً چیست؟
از نظر نیوتون، پدر علم جدید، فضا چیزی شبیه به صحنۀ نمایش است که حرکات بازیگران در این صحنه انجام می‌شود و وسایل مورد نیاز نمایش در آن قرار می‌گیرد. این صحنه، تحت تأثیر حرکات و اتفاقات قرار نمی‌گیرد و کاملاً ثابت است.
این تصویر از فضا امکان شرح چگونه‌گی افتادن سیب از درخت و گردش زمین به دور خورشید را به نیوتون داد و این قوانین در مورد اکثر پدیده‌ها‌ی آشنا، به‌خوبی جواب می‌دهند. با این‌که نمی‌توانیم فضا را لمس کنیم یا ببینیم، فضا یک واقعیت فیزیکی است که تمامی حرکت‌ها نسبت به آن سنجیده می‌شوند.

نـور
از زمان نیوتون تا ۲۰۰ سال بعد، قوانین نیوتون تنها قوانین طبیعت بودند؛ تا این‌که شخصی به‌نام آلبرت اینشتین همه چیز را تغییر داد. آلبرت اینشتین در ۱۴ مارچ ۱۸۷۹ در آلمان به دنیا آمد. در این زمان نیروی الکتریکی شهر‌ها را روشن کرده و باعث به‌ وجود آمدن تکنولوژی‌ها‌یی شده بود که نیوتون حتا آن‌ها را تصور نمی‌کرد. اواسط دهۀ ۱۸۰۰، جیمز کلارک ماکسول، با نوشتن معادلات مشهورِ خود و ادغام الکتریسیته و مغناطیس، راه را برای انشتین و ابداع تیوری نسبیتِ خاص باز کرد. در این زمان مفهوم نور، ذهن انشتین را به خود مشغول کرده بود و چیزی که اهمیت بیش‌تری داشت، سرعت نور بود. نور، بازیگر اصلی تیوری انشتین بود که اوایل قرن بیستم بیان شد. ویژه‌گی منحصر به فرد نور، ثابت بودن سرعت آن در خلأ است. اگر دو نفر با سرعت به سمت یکدیگر حرکت کنند، سرعت‌ها‌ی آن‌ها با هم جمع می‌شود؛ یعنی سرعت نسبی آن‌ها از سرعت تک‌تکِ آن‌ها بیش‌تر است. اما این قضیه در مورد نور صادق نیست و سرعت نور در خلأ همیشه ۶۷۱ میلیون مایل بر ساعت یا ۳۰۰ میلیون متر بر ثانیه است.

ارتباط میان فضا و زمان
می‌دانیم که سرعت یک جسم از مسافت پیموده شدۀ جسم در یک بازۀ زمانی مشخص به‌دست می‌آید. پس سرعت در واقع یک ارتباط میان فضا و زمان است. ثابت بودن سرعتِ نور نشان می‌دهد که با تغییر بازۀ زمانی، فضا نیز تغییر می‌کند و برعکس و انشتین از همین سرعت ثابت نور نتیجه گرفت که فضا و زمان از یکدیگر تأثیر می‌پذیرند. دلیل مشاهده نکردن این تأثیرات و تغییرات در زنده‌گی این است ما هیچ‌گاه با سرعت بالا در حد نور حرکت نمی‌کنیم.
زمانی که انشتین جوان بود، سؤالی ذهن او را به خود مشغول کرده بود: آیا اگر بتوانیم با سرعت نور حرکت کنیم، نور نسبت به ما ساکن خواهد بود یا به عبارت دیگر ما نور را ساکن خواهیم دید؟ این در حالی است که معادلات ماکسول نشان می‌دهند که نور نمی‌تواند ساکن باشد و مسلماً کسی تا به حال، تجمعی از پرتو‌ها‌ی نور ساکن را ندیده است. پس سؤال این بود که این پارادوکس ظاهری چگونه قابل حل است؟
۱۰ سال بعد، انشـتین با بیان نظریۀ نسبیت خاص، جواب این سؤال را به جهان عرضه کرد. قبل از این تاریخ، آزمایش‌ها‌یی برای اثبات وجود اتر در پهنۀ کیهان انجام شده بود که تمامی آن‌ها نشان می‌دادند که چیزی به نام اتر وجود ندارد و نور بر‌خلاف دیگر امواج، برای انتشار به محیط مادی نیازی ندارد. به‌ زبان دیگر، چارچوبی برای سنجش سرعت نور نسبت به آن وجود ندارد. پاسخ سادۀ انشتین برای این مورد، ثابت بودن سرعت نور یعنی ۱۰۷۰ میلیون کیلومتر بر ‌ساعت، نسبت به همه چیز و هیچ چیز است. نظریۀ انشتین به‌ساده‌گی بیان می‌کند که با هر سرعتی، چه به نور نزدیک شوید یا از آن دور شوید، سرعت آن را به‌طور ثابت اندازه‌گیری خواهید کرد و معادلات ماکسول نشان می‌دهند که نور نمی‌تواند ساکن باشد. طبیعتاً این سؤال پیش می‌آید که منشای این رفتار عجیب نور چیست؟
همان‌گونه که گفته شد، سرعت، معیاری از اندازه‌گیری فضا بر زمان است و طبق نظر نیوتون، این اندازه‌گیری به ناظر وابسته نیست و برای همۀ ناظر‌ها‌یی که آن را اندازه می‌گیرند ثابت است. چرا که نیوتون فضا و زمان را مطلق در نظر می‌گیرد و این دیدگاه در زنده‌گی روزانه و معمول درست است. اما در نظریۀ نسبیت خاص انشتین، فضا و زمان دیگر همان فضا و زمان معمول قبلی نیستند.
فرض کنید در یک تکسی نشسته‌اید و این تکسی می‌تواند با سرعتی نزدیک به سرعت نور حرکت کند. در این حرکت، شما فضا‌ی بیرون و خیابان پیش روی‌تان را طولانی‌تر می‌بینید اما زمان روی ساعت مچی‌تان به‌صورت نرمال جلو می‌رود. ولی فردی که در خیابان ایستاده و حرکت شما را تماشا می‌کند، می‌بیند که زمان برای شما به‌کندی جلو می‌رود. همۀ این وقایع عجیب برای ثابت نگه‌داشتن سرعت نور است. پس در نظریۀ نسبیت خاص، فضا و زمان دیگر جدا از هم نیستند و با‌هم کار می‌کنند.
بنابراین امروزه می‌دانیم که زمان و مکان لزوماً در همۀ شرایط، مطلق نیستند و کاملاً به ناظر اندازه‌گیرنده و مشاهده‌کننده‌ بستگی دارند. ریاضیات نظریۀ انشتین بسیار ساده است. هنر انشتین ریاضیات و معادلات پیچیده نبوده است، بلکه او دید فیزیکی ما نسبت به فضا و زمان را تغییر داده و نشان داده است که چگونه امکان دارد که اندازه‌گیری دو شخص مختلف از یک رویداد، متفاوت باشد.
برای درک بهتر یافته‌ها‌ی انشتین، اسکیت‌سواری را تصور کنید که با سرعت ۲۰ متر بر ثانیه به طرف شمال حرکت می‌کند. در یک لحظه به راهی برخورد می‌کند که جهت‌ آن به سمت شمال شرقی است و این راه را انتخاب می‌کند. زمانی که او در این راه حرکت می‌کند، مؤلفۀ شمال سرعت او دیگر همان ۲۰ متر بر ثانیۀ قبلی نخواهد بود و کمتر از قبل خواهد بود. چرا که به دلیل تغییر جهت از شمال به شمال شرقی، میزانی از سرعت قبلی به سرعت در جهت شرق تبدیل شده است. این مثال بسیار ساده، چگونگی کارکرد نظریۀ انشتین را به‌صورت زیر نشان می‌دهد:
همۀ ما می‌دانیم که اشیا می‌توانند در فضا حرکت کنند. اما نوع دیگری از حرکت نیز وجود دارد و آن حرکت اشیا در زمان است؛ منظور از این نوع حرکت، رفتن از یک ثانیه به ثانیۀ بعدی و بعدی است. به عقیدۀ نیوتون، حرکت در فضا و حرکت در زمان کاملاً از هم جدا هستند و ربطی به هم ندارند؛ اما انشتین نشان داد که این دو حرکت، کاملاً به‌ هم مرتبط هستند. برای مثال: زمانی که به یک ماشین پارک‌شده نگاه می‌کنید که نسبت به شما ساکن است و حرکتی در فضا ندارد، کل حرکت این ماشین، به حرکت در زمان اختصاص داده می‌شود و زمان برای ماشین و سرنشینانِ آن به‌صورت معمول می‌گذرد. اگر این اتوموبیل با سرعت مشخصی به حرکت در‌آید، کسری از سرعت آن به سرعت حرکت در فضا تبدیل می‌شود و سرعت گذر زمان برای اتوموبیل کُند‌تر از گذر زمان برای شما و اشیای‌ ساکن نسبت به شما خواهد بود.