انشتین که بود و چرا انسان مهمی در فیزیک بود؟

کودکی و تحصیلات ابتدایی (۱۸۷۹–۱۸۹۶)

آلبرت انشتین در ۱۴ مارس ۱۸۷۹ در شهر اولم (Ulm) در پادشاهی وورتمبرگ آلمان متولد شد.  پدرش هرمان اینشتین (تاجر) و مادرش پائولین کوچ بود. خانواده‌اش یهودی بودند، اما چندان مذهبی نبودند. در کودکی دیرتر از بچه‌های دیگر صحبت کرد و برخی گمان می‌کردند که مشکل یادگیری دارد، اما او کنجکاو و باهوش بود.  در ۵ سالگی، وقتی پدرش به او یک قطب‌نما نشان داد، شیفتهٔ نیروهای نامرئی طبیعت شد. در مدرسه ابتدایی در مونیخ درس خواند، اما از نظام آموزشی سخت‌گیرانه آلمان خوشش نمی‌آمد.

۲. جوانی و تحصیلات دانشگاهی (۱۸۹۶–۱۹۰۰)

در ۱۵ سالگی به دلیل نارضایتی از سیستم آموزشی، مدرسه را رها کرد و به خانواده‌اش در میلان (ایتالیا) پیوست. در ۱۸۹۵ در آزمون ورودی ETH رد شد، اما پس از یک سال تحصیل در یک مدرسه سوئیس، در ۱۸۹۶ پذیرفته شد. در ETH در رشته فیزیک و ریاضی تحصیل کرد، اما رابطه خوبی با برخی اساتید نداشت و بیشتر به مطالعه مستقل می‌پرداخت.  در ۱۹۰۰ فارغ‌التحصیل شد، اما نتوانست شغل دانشگاهی پیدا کند.

پس از فارغ‌التحصیلی، مدتی بیکار بود و به تدریس خصوصی پرداخت.  در ۱۹۰۲ با کمک دوستش، مارسل گروسمان، در اداره ثبت اختراع سوئیس مشغول به کار شد. این شغل به او فرصت فکر کردن درباره ایده‌های علمی را می‌داد. در ۱۹۰۳ با میلوا ماریچ (همکلاسی‌اش در ETH) ازدواج کرد. آنها دو پسر داشتند، اما بعدها از هم جدا شدند.

انشتین در سال ۱۹۰۵، چهار مقاله انقلابی منتشر کرد که دنیای فیزیک را تغییر داد:

1. 1. اثر فوتوالکتریک (مبنی بر ذره‌ای بودن نور و پایه‌های مکانیک کوانتوم – جایزه نوبل ۱۹۲۱).
   2. حرکت براونی (اثبات وجود اتم‌ها).
   3. نسبیت خاص (E=mc² و تغییر درک فضا و زمان).
   4. هم ارزی جرم و انرژی (معادله مشهور E=mc²).

انشتین و مقالات مشهورش،  پس از سال ۱۹۰۸، در دانشگاه‌های برن، زوریخ و پراگ تدریس کرد.

از دیگر اتفاقات مهم زندگی او میتوان به موارد زیر اشاره کرد.

• نظریه نسبیت عام (۱۹۱۵): این نظریه، گرانش را به‌عنوان خمش فضا-زمان توصیف کرد و پیش‌بینی‌هایی مانند خمش نور توسط گرانش داشت که در سال ۱۹۱۹ در یک کسوف تأیید شد و اینشتین را مشهور کرد.
• جایزه نوبل (۱۹۲۱): به‌خاطر توضیح اثر فوتوالکتریک (نه نسبیت!) جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.
• سفرهای بین‌المللی: به کشورهای مختلف از جمله ژاپن، فلسطین و آمریکا سفر کرد.

نظریه نسبیت

این نظریه به دو نظریه نسبیت عام و نسبیت خاص تقسیم میشود.

نظریه نسبیت خاص

انشتین با دو فرض اساسی این نظریه را بنا نهاد:

1. اصل نسبیت: قوانین فیزیک در تمام چارچوب‌های مرجع لَخت (بدون شتاب) یکسان هستند.
2. ثابت بودن سرعت نور: سرعت نور در خلأ (≈۳۰۰,۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه) برای همه ناظران، صرف‌نظر از حرکت منبع نور یا ناظر، ثابت است.

پیامدهای شگفت‌انگیز این نظریه به موارد زیر اطلاق میشود.

الف) اتساع زمان (Time Dilation):

• زمان برای جسمی که با سرعت بالا حرکت می‌کند، کندتر می‌گذرد.
• مثال: اگر یک فضانورد با سرعت نزدیک به نور سفر کند، وقتی به زمین بازگردد، می‌بیند که برادر دوقلویش روی زمین پیرتر از او شده است! (پارادوکس دوقلوها).

ب) انقباض طول (Length Contraction):

• اجسام در جهت حرکتشان کوتاه‌تر به نظر می‌رسند.
• مثال: اگر یک مترسک با سرعت نزدیک به نور پرواز کند، ناظر ساکن آن را کوتاه‌تر از ۱ متر اندازه می‌گیرد.

ج) هم ارزی جرم و انرژی (E=mc²):

• جرم و انرژی قابل تبدیل به یکدیگرند:E=mc2
  • E: انرژی، m: جرم، c: سرعت نور.
• این معادله پایهٔ انرژی هسته‌ای است (همان چیزی که در بمب اتم و نیروگاه‌های هسته‌ای استفاده می‌شود).

د) همزمانی نسبی (Relativity of Simultaneity):

• دو رویداد که برای یک ناظر همزمان هستند، ممکن است برای ناظر دیگری که نسبت به او حرکت می‌کند، غیرهمزمان باشند.یکی از عجیب‌ترین و مهم‌ترین نتایج نسبیت خاص اینشتین است که نشان می‌دهد همزمانی دو رویداد مطلق نیست، بلکه به چارچوب مرجع ناظر بستگی دارد. در مکانیک نیوتنی، اگر دو رویداد در یک زمان رخ دهند، برای همه ناظران همزمان هستند. اما در نسبیت خاص، چون سرعت نور برای همه ناظران ثابت است، دو رویداد که برای یک ناظر همزمان هستند، ممکن است برای ناظر دیگری که نسبت به او حرکت می‌کند، غیرهمزمان باشند.

نسبیت عام انشتین (General Relativity) – ۱۹۱۵

انشتین در این نظریه، گرانش را نه به‌عنوان یک نیرو، بلکه به‌عنوان خمش فضا-زمان توسط جرم توصیف کرد.

الف) فضا-زمان (Spacetime):

انشتین فضا و زمان را به یک ساختار چهاربعدی به نام فضا-زمان ترکیب کرد. جرم‌های بزرگ (مثل ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها) این فضا-زمان را خمیده می‌کنند.

یکی از انقلابی‌ترین ایده‌های اینشتین این بود که فضا و زمان را نه به عنوان دو مفهوم جدا، بلکه به عنوان یک ساختار یکپارچه‌ی چهاربعدی به نام «فضا-زمان» در نظر گرفت. این چهار بعد(طول،عرض،ارتفاع و زمان)  با هم فضا-زمان را تشکیل می‌دهند. هر رویداد در جهان (مثل تولد شما یا انفجار یک ستاره) یک «نقطه» در این فضای چهاربعدی است. گرانش = خمش فضا-زمان: جسام مسیرهای ژئودزیک (کوتاه‌ترین مسیر در فضا-زمان خمیده) را دنبال می‌کنند. برای مثال  زمین به‌دلیل خمش فضا-زمان توسط خورشید، در مدارش حرکت می‌کند .

پیامدهای جالب فضا-زمان چهاربعدی

1. گذشته و آینده ثابت هستند: در فضا-زمان، همه رویدادها (گذشته، حال، آینده) به طور همزمان وجود دارند! این ما هستیم که با حرکت در بعد زمان، آن‌ها را تجربه می‌کنیم.
2. سفر در زمان: از نظر ریاضی، برخی راه‌حل‌های نسبیت عام (مثل کرم‌چاله‌ها) اجازه سفر به گذشته را می‌دهند، اما انرژی مورد نیاز غیرممکن است!
3. انبساط جهان: فضا-زمان خود در حال گسترش است و کهکشان‌ها مانند نقطه‌هایی روی یک بادکنک بادشونده از هم دور می‌شوند

ج) پیش‌بینی‌های جالب انشتین :

1. خمش نور توسط گرانش (عدسی گرانشی):
   • نور ستاره‌ها هنگام عبور از نزدیک خورشید خم می‌شود. این در کسوف ۱۹۱۹ توسط ادینگتون تأیید شد و اینشتین را مشهور کرد.
2. تغییر مدار عطارد: نسبیت عام انحراف کوچک مدار عطارد را که مکانیک نیوتونی توضیح نمی‌داد، پیش‌بینی کرد.
3. اتساع زمان گرانشی: زمان نزدیک اجسام پرجرم (مثل زمین) کندتر می‌گذرد. این با ساعت‌های اتمی روی زمین و ماهواره‌ها تأیید شده است.
4. امواج گرانشی: در ۲۰۱۶، LIGO امواج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاه‌چاله را آشکار کرد (پیش‌بینی اینشتین در ۱۹۱۶).

تفاوت‌های اصلی بین نظریه نسبیت (خاص و عام) اینشتین و دیدگاه نیوتنی (مکانیک کلاسیک) را می‌توان در چند محور اساسی بررسی کرد:

۱. مفهوم فضا و زمان:

• نیوتن:
  • فضا و زمان مطلق و مستقل از یکدیگر هستند.
  • زمان در تمام دستگاه‌های مرجع به یک شکل می‌گذرد.
• نسبیت (خاص):
  • فضا و زمان به هم مرتبط هستند و یک ساختار چهاربعدی به نام فضازمان تشکیل می‌دهند.
  • زمان نسبی است و بسته به سرعت ناظر می‌تواند تغییر کند (اتساع زمان).

۲. سرعت نور و محدودیت سرعت:

• نیوتن:
  • سرعت نور مانند دیگر سرعت‌ها می‌تواند نسبت به حرکت ناظر تغییر کند.
  • هیچ محدودیت نظری برای سرعت وجود ندارد.
• نسبیت:
  • سرعت نور در خلأ (c ≈ ۳۰۰,۰۰۰ km/s) ثابت است و مستقل از حرکت منبع یا ناظر.
  • هیچ جسمی نمی‌تواند به سرعت نور برسد (انرژی بی‌نهایت لازم است).

۳. قوانین حرکت و جرم:

• نیوتن:
  • قانون دوم نیوتن: F = ma (نیرو برابر جرم ضربدر شتاب).
  • جرم ذره ثابت است و به سرعت آن بستگی ندارد.
• نسبیت:
  • در سرعت‌های نزدیک به نور، جرم موثر افزایش می‌یابد (m = γm₀، که γ ضریب لورنتس است).
  • رابطه نیرو و پیچیده‌تر می‌شود و به صورت F = dp/dt تعریف می‌شود (تغییرات تکانه نسبیتی).

۴. گرانش (نسبیت عام vs قانون نیوتن):

• نیوتن:
  • گرانش یک نیروی جذب‌کننده بین دو جرم است (F = Gm₁m₂/r²).
  • تأثیر گرانش آنی است (سرعت بی‌نهایت).
• نسبیت عام (اینشتین):
  • گرانش نتیجه انحنای فضازمان توسط جرم و انرژی است.
  • اجسام مسیرهای منحنی (ژئودزیک) را در فضازمان خمیده دنبال می‌کنند.
  • امواج گرانشی و تأثیرات گرانشی با سرعت نور منتشر می‌شوند.

۵. پیش‌بینی‌های متفاوت انشتین:

• خمش نور: نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند نور در میدان گرانشی خم می‌شود (تأیید در کسوف ۱۹۱۹).
• حرکت حضیض عطارد: نسبیت عام انحراف مدار عطارد را دقیق‌تر از نیوتن توضیح می‌دهد.
• اتساع زمان گرانشی: ساعت‌ها در میدان گرانشی قوی‌تر کندتر کار می‌کنند (مثلاً در GPS لحاظ می‌شود).

نتیجه‌گیری:

• مکانیک نیوتنی در سرعت‌های پایین و میدان‌های گرانشی ضعیف تقریباً دقیق است (مثلاً زندگی روزمره).
• نظریه نسبیت در شرایط极端 (سرعت‌های نزدیک به نور یا گرانش شدید) ضروری است و پیش‌بینی‌های دقیق‌تری ارائه می‌دهد

 خروج از آلمان و مهاجرت به آمریکا (۱۹۳۳)

رژیم نازی و خطر برای انشتین: با قدرت‌گیری هیتلر در ۱۹۳۳، انشتین که یهودی و مخالف نازی‌ها بود، مورد تهدید قرار گرفت. در ۱۹۳۳، هنگام بازگشت از یک سفر به آمریکا، تصمیم گرفت به آلمان بازنگردد و از سمت خود در آکادمی علوم پروس استعفا داد. در پرینستون (نیوجرسی) ساکن شد و در مؤسسه مطالعات پیشرفته (IAS) مشغول به کار شد.  در ۱۹۴۰ تابعیت آمریکایی گرفت و تا پایان عمر (۱۹۵۵) در آنجا ماند.