مباني فكري انقلاب ها در فيزيك
نوشته: حسين جوادي
مقدمه
اين مقدمه طولاني را به گفته اي از پوپر آغاز مي كنم
پوپر مي گويد:
راه درس گرفتن از تجربه، انجام مشاهدات مكرر نيست. سهم تكرار مشاهدات در قياس باسهم انديشه هيچ است. بيشتر آنچه كه مي آموزيم با كمك مغز است. چشم و گوش نيز اهميت دارند، ولي اهميتشان بيشتر در انديشه هاي غلطي است كه مغز يا عقل پيش مي نهند.
بر همين اساس، با استقراءگرايان مخالفت ورزيده و استقراء را اسطوره‌اي بي بنياد معرفي كرده است. پوپر با بيان اين مطلب كه نظريات همواره مقدم بر مشاهدات هستند طرح نويني را در عرصة روش شناسي علوم تجربي بنيان نهاد. طبق نظر وي روش صحيح علمي عبارت است از آنكه يك نظريه به نحو مستمر در معرض ابطال قرار داده شود. بنابراين يك نظريه براي آنكه قابل قبول باشد بايد بتواند از بوتة آزمونهايي كه براي ابطال آن طراحي شده‌اند، سر بلند بيرون بيايد. پوپر مصرانه ندا سر مي دهد كه بگذاريد نظريه ها بجاي انسانها بميرند .
پوپر با ارائه ي نظريه ي ابطال پذيري تلاش كرد مرز بين نظريه هاي علمي و غير علمي را مشخص كند. وي چنين بيان مي كند.
علمي بودن هر دستگاه، در گرو اثبات پذيري به تمام معناي آن نيست، بلكه منوط به اين است كه ساختمان منطقيش چنان باشد كه رد آن به كمك آزمونهاي تجربي ميسر باشد.
به عبارت ديگر از ديدگاه پوپر نظريه هاي علمي اثبات پذير نستند، بلكه ابطال پذيرند .
پوپر با اين ديدگاه به مخالفت با تلقي‌هاي رايج از علم پرداخت و بيان كرد كه علم و نظريه‌هاي علمي هيچگاه از سطح حدس فراتر نمي‌روند و آنچه كه منتهي به پيشرفت علم مي‌شود سلسله‌اي از حدسها و ابطالها مي‌باشد. پوپر تاكيد مي كند براي رسيدن به اندشه هاي نو، هيچ دستور منطقي نمي توان تجويز كرد.
انديشمندان بسياري چون برونو و گاليله با مشكلات و مصايب طاقت فرسايي دسته و پنجه نرم كردند تا روش استقرايي در جهان علم نهادينه گردد، اما در قرن بيستم روش استقرايي جاذبه دوران رنسانس خود را از دست داد. هرچند استقرا نفي نشد، اما فيلسوفان علمي قرن بيستم، در تكاپو بودند تا روش هاي بهتري را جايگزين آن كنند. و اين سير منطقي تكامل انديشه در طول تاريخ حيات انسان است. در فلسفه ي علم قرن بيستم، دو ديدگاه از بقيه ديدگاه ها بيشتر مورد توجه واقع شد. يكي ديدگاه ابطال پذيري پوپر بود و ديگري نظزيه انقلاب هاي علمي كوهن. كوهن به يك چرخش تاريخي تكيه مي كند و معتقد مي شود كه علم يك سيستم پوياست و به جاي معرفت شناسي علم به جامعه شناسي علم توجه مي كند. وي نشان داد كه علم تكامل تدريجى به سمت حقيقت ندارد بلكه دستخوش انقلاب هاى دوره اى است كه او آن را تغيير پارادايم مى نامد. پارادايم يكى از مفاهيم كليدى كوهن است او معتقد است پارادايم (نظام) يك علم تا مدت هاى مديد تغيير نمى كند و دانشمندان در چارچوب مفهومى آن سرگرم كار خويش هستند. اما دير يا زود بحرانى پيش مى آيد كه پارادايم را درهم مى شكند و انقلاب علمى به وجود مى آيد كه پس از مدتى، پارادايم جديدى به وجود مى آيد و دوره اى جديد از علم آغاز مى شود. مثال هاى كلاسيك تغيير پارادايم عبارتند از: 1- كار گاليله كه باعث برانداختن فيزيك ارسطويى و ايجاد نسبيت گاليله اى شد 2- كار كپلر كه باعث كشف بيضوى بودن مدار سيارات شد 3- ابداع فيزيك جديد توسط نيوتن 4- نسبيت عام و خاص اينشتين 5- مكانيك جديد كوانتوم كه باعث كنار گذاشتن مكانيك كلاسيك شد.
كوهن در تحلبل خود از مثال جايگزينى تئورى نسبيت اينشتين بجاى تئورى مكانيك نيوتون كه در پى بحران ناشى از آزمابشات مربوط به نور مايكلسون- مورلى بوجود آمده سود جسته است.
اگر نظريه انقلاب هاي علمي كوهن را باور داشته باشيم، از توجه به اين نكته نيز نبايد غافل شد كه زير بناي هر انقلابي را انديشه هاي نو شكل مي دهد> آنگاه بايد با پوپر همصدا شد كه
براي رسيدن به اندشه هاي نو، هيچ دستور منطقي نمي توان تجويز كرد
انقلاب نسبيت در انديشه هاي اينشتين بارور شد و انقلاب مكانيك كوانتوم از انديشه هاي پلانك سر در آورد
انديشه هاي پلانك
تا پايان قرن نوزدهم، فيزيك دان ها بر اين باور استوار بودند كه توانايي فيزيك كلاسيك براي كشف تمام دانستني ها قطعي است و حل مسائل صرفاً محتاج زمان و كوشش كافي خواهد بود. اما علي رغم تلاشهاي پيگير گروه كثيري از دانشمندان برجسته آن زمان، هيچكدام از فرضيات پيشنهادي توفيقي در ارائه يك منحني شدت - فركانس كه منطبق با نتايج آزمايشي باشد به دست نياورد. به طور خلاصه، هيچيك از محاسبات مبتني بر تشعشعات اتمي در امتداد يك محور ممتد فركانس قادر به عرضه منحني صحيح نشد.
درسال 1900، ماكس پلانك فيزيك دان آلماني اعلام كرد كه با فرض يك تشعشع الكترومغناطيسي خفيف (در طول موج يا در فركانس)، منحني فرضي بدست آمده كاملاً با منحني ناشي از آزمايش منطبق خواهد بود. اين رويداد شروع عصر مكانيك كوانتومي را رقم زد. به دليل اينكه پلانك موفق به تعريف انعكاس جسم سياه شد جايزه نوبل فيزيك را درسال 1918 به خود اختصاص داد. قسمتي از توضيحات وي در خطابه اش كه هنگام دريافت جايزه در دوم ژوئن 1920 قرائت كرد، چنين است:
«تلاش من در طول سال ها حل مسئله تقسيم انرژي در طيف معمول تابش حرارت بود. پس از اينكه گوستاو كيرشهوف (1887-1824) نشان داد كه وضعيت تشعشعات حرارتي، در درون يك محفظه كه جداره آن متشكل از ماده اي باشد ساطع كننده و دريافت كننده تشعشعات و واجد دماي يكنواخت، به هيچ وجه وابسته به جنس جداره نيست، وجود يك ارتباط كلي ميان ميزان حرارت با طول موج بدون هيچ دخالتي از نظر جنس ماده ي تشكيل دهنده ي جداره آشكار شد. كشف اين ارتباط شگفت انگيز، اميد فهم عميق تري در مورد رابطه ي انرژي با حرارت، كه در واقع مسئله ي اساسي ترموديناميك را و كلّاً فيزيك مولكولي است، به وجود مي آورد. ...
من در آن زمان، با اميدي، كه امروز قطعاً با تبسمي از جانب شنونده بسيار ساده لوحانه انگاشته خواهد شد، مي انديشيدم كه در صورتي كه قوانين ترموديناميك كلاسيك را به گونه اي كلي طرح كنيم و از فرضيه هاي جزئي پرهيز كنيم، بخش عمده موضوع مورد نظر را در محيط فهم خود در خواهيم آورد و بدين ترتيب به مقصود خود خواهيم رسيد. ...
به موازات اين طرح، طرح هاي ديگري نيز فقدان بخش مهمي كه به گسستي اساسي در زنجيره ي تحليل و فهم كلي پايه هاي مسئله را منجر مي شد، روز به روز آشكارتر مي نمودند.
پس از به دست آوردن فرمول رياضي جديدي براي تعريف تابش، وقت خود را صرف توضيح آن به گونه اي كه با واقعيت فيزيكي تطبيق كند كردم؛ حل اين مشكل طبيعتاً سير فكري مرا تا بررسي ارتباط موجود ميان تئوري بي نظمي يا آنتروپي و تئوري احتمالات پيش برد و نتايجي كه از اين گذر به دست آمد با عقايد بولتزمن هماهنگي كامل داشت. سرانجام پس از چند هفته كه سخت ترين دوره ي كاري زندگيم بود، نور در ظلمت تابيدن گرفت و دورنمايي غير قابل تصور در برابر ديدگانم باز شد. ...
چون [ وجود يك ثابت درقانون تشعشع] نمايانگر حاصل انرژي در زمان است، ... من آنرا به عنوان «كوانتوم اوليه كنش» تعريف كردم. ...
مادامي كه كوانتم مورد نظر بينهايت كوچك در نظر گرفته مي شد ... مشكلي نبود؛ ولي بطور كلي كمبودهاي زيادي در گوشه و كنار تئوري ظاهر مي شد و هر چه ارتعاشات ضعيفتر و سريعتر بودند اين اختلاف بيشتر جلوه مي كرد. طولي نكشيد كه ناكامي هر گونه تلاش آتي براي جبران اين كاستي ها بر من آشكار شد. به نظر مي آمد كه يا كوانتوم كنش يك كمّيت خيالي بيش نيست، و در اين صورت استنتاج قانون تابش در مجموع جز يك برداشت مجازي و يك بازي بي محتوي مبتني بر فرمول هاي بي معني نبوده، و يا قانون تابش بر اساس يك مفهوم فيزيكي واقعي بنا شده، كه در اين صورت كوانتوم كنش بايد نقش مهم و اساسي اي را در فيزيك ايفا كند؛ امري كه كاملا نوين بود و تا كنون از آن آگاهي اي نداشتيم، و به ناچار ما را به مرور مجدد تمامي مفهومات فيزيكي مان كه بر مبناي حساب انفينيتزيمال (بسيار كوچك) لايپنيتز و نيوتن استوار شده بود و حكم به پذيرش زنجيره ي اتصال علل به معلولات مي كرد، وادار مي نمود. آزمايشات رأي به صحت فرض دوم صادر كردند.»
در جايي ديگر، پلانك مي گويد:
«بلافاصله مي كوشيدم تا كوانتم ابتدايي كنش را در قالب تئوري كلاسيك جاي بدهم، اما علي رغم تمام كوشش هايم، ثابتي كه يافته بودم در مقابل تمام كوشش هايم به گونه ي انعطاف ناپذيري مقاومت نشان داد... سعي بر وارد كردن كوانتوم ابتدائي كنش در تئوري كلاسيك، به مدت چند سال كوشش هاي بي حاصل مرا به خود اختصاص داد كه زحمات زيادي را مصروف آن كردم.»
با اينكه منحني فرضي پلانك با منحني اي كه عملا از آزمايشات به دست مي آمد تطبيق كامل داشت، متأسفانه، براي مدّت حداقل 5 سال، فرضيه ي او مبتني بر ماهيت خفيف تابش اتمي، تا سال1905 و چاپ مقاله ي اينشتين و شرح آن بر فرضيه ي تأثيرات فوتوالكتريك، استقبال چنداني نيافت. با اين حال، تئوري پلانك كه وجود دو سطح انرژي اتمي خفيف را براي توضيح تشعشع جرم سياه بيان مي كرد، و همچنين موضوعي كه او در رابطه با قابل شمارش دانستن انرژي متبادل اين اتمها پيشنهاد كرد آغازي بود براي عصر مكانيك كوانتيك.
انديشه هاي اينشتين
در اواخر قرن نوزدهم دانشمندان تصور مي كردند به توصيـف كامل گيتي نزديك شده اند. آنان مي پنداشتند كه فضا در همه جا با واسطه اي پيوسته به نام اتر پر شده است. پرتوهاي نور و علائم راديويي، امواجي در اتر بودند، درست همان گونه كه صوت، امواج فشار در هواست. تنها چيزي كه براي تكميل نظريه لازم بود، اندازه گيري دقيق ويژگي هاي كشساني اتر بود؛ پس از تعيين اين ويژگي ها، همه چيز در جاي خود قرار مي گرفت.اما به زودي و به تدريج، مغايرت هايي با انديشه اتر كه تصور مي شد همه جا هست، پديدار شد. انتظار مي رفت نور در اتر با سرعت ثابتي حركت نمــــايد. مثلاً، اگر در جهت نور حركت مي كرديد، انتظار داشتيد سرعت آن كم تر به نظر برسد، و اگر در خلاف جهت نور حركت مي كرديد، انتظار داشتيد سرعت آن بيشتر به نظر آيد. اما به رغم آزمايش هاي متعدد، تلاش به منظور يافتن مدركي براي تغيير سرعت نور در اثر حركت در اتر، ناكام ماند.
دقيق ترين آزمايش ها توسط آلبرت مايكلسون و ادوارد مورلي در سال 1887 در مؤسسه كيس كليولند در اوهايو انجام گرديد. آن ها سرعت نور را در دو باريكه كه نسبت به يكديگر داراي زاويه قائمه بودند، مقايسه نمودند. آن ها چنيـــن استدلال مي كردند كه زمين با چرخش به دور محور خود و گردش به گرد خورشيد، از ميان اتر مي گذرد و سرعت نور در اين دو باريكه بايد متفاوت باشد. اما مايكلسون و مورلي اختلاف روزانه يا سالانه اي ميان دو باريكه نور نيافتند. گويي نور، در هر جهتي كه حركت كني، نسبت به تو با سرعتي ثابت حركت مي كند.
جرج فيتزجرالد و ديويد لورنتز، نخستين كساني بودند كه گفتند اجسامي كه در ميان اتر حركت مي كنند، منقبض مي شوند و ساعت ها كُند مي گردند. اين انقباض و كندشدگي (اتساع) چنان است كه هركسي به هر نحو كه نسبت به اتر، كه فيتزجرالد و لورنتز آن را ماده اي واقعي مي پنداشتند، حركت كند، سرعت ثابتي را براي نور اندازه گيري خواهد نمود.
اما، اين آلبرت اينشتاين بود كه اتر را كناري نهاد و مسئله سرعت نور را يك بار براي هميشه حل كرد. او، در ژوئن 1905، يكي از سه مقاله اي را نوشت كه وي را به عنوان يكي از دانشمندان برجسته جهان معرفي كرد- و در اين راستا دو انقلاب مفهومي را آغاز نمود كه فهم ما را از زمان، فضا و واقعيت تغيير دادند.
در مقاله 1905، اينشتاين نوشت حال كه نمي توان آشكار ساخت كه آيا در اتر حركت مي كنيم يا خير، اصلاً مفهوم اتر زيادي است. در مقابل، اينشتاين از اين اصل آغاز كرد كه قوانين علم بايد به ديده همه ناظراني كه آزادانه حركت مي كنند، يكسان بنمايند. به ويژه، ناظران به هر شيوه اي كه حركت كنند، بايد همه يك سرعت را براي نور اندازه گيري نمايند.
اين، مستلزم رها كردن اين انديشه بود كه كميتي عام موسوم به زمان وجود دارد كه همه ساعت ها اندازه مي گيرند. هر كس، زمان شخصي خود را داشت. ساعت هاي دو نفر در صورتي با هم هماهنگ بودند كه آن دو نسبت به يكديگر در حال سكون باشند و نه اين كه حركت نمايند. اين نكته با چند آزمايش تأييد شد، از جمله آزمايش با ساعت بسيار دقيقي كه دور جهان گردانده شد و سپس با ساعتي كه در محل ساكن مانده بود، مقايسه گرديد. اگر مي خواستيد بيشتر زندگي كنيد، مي توانستيد به سوي شرق پرواز كنيد تا سرعت هواپيما به سرعت چرخش زمين افزوده شود. اما خوردن غذاي هواپيما همان و از ميان رفتن آن كسر بسيار كوچكي از ثانيه كه به عمرتان افزوده مي شد، همان.
اصل موضوعه اينشتاين كه قوانين طبيعت بايد به ديده تمام ناظراني كه در حركت آزاد هستند، يكسان بنمايد، مبناي نظريه نسبيت بود كه از آن رو چنيــــن ناميده مي شود كه حكايت از آن دارد كه فقط حركت نسبي مهم است. زيبايي و سادگي آن براي بسياري از دانشمندان و فيلسوفان متقاعدكننده بود. اما مخالفت هاي بسياري هم به جاي مانده بود. اينشتاين دو مطلق علم قرن نوزدهم را واژگون كرده بود: سكون مطلق كه با اتر نمايش داده مي شد و زمان مطلق يا عامي كه تمام ساعت ها اندازه گيري مي نمودند. مردم مي پرسيدند آيا اين بدان معناست كه معيار اخلاقي مطلقي وجود ندارد، كه همه چيز نسبي است؟
اين ناراحتي در دهه 1920 و 1930 ادامه يافت. هنگامي كه در سال 1921 جايزه نوبل به اينشتاين داده شد، اين امر به دليل كار مهم- اما با معيارهاي اينشتاين، جزئيِ- ديگري بود كه در سال 1905 انجام داده بود. به نسبيت، كه تصور مي رفت بسيار بحث برانگيز است، اشاره اي نشد. هنوز هم عده اي اعتقاد دارند كه اينشتاين اشتباه كرده است. با اين همه، اكنون، جامعه علمي نظريه نسبيت را به طور كامل پذيرفته است و پيش بيني هاي آن در كاربردهاي بيشمار تصديق شده اند.
يكي از نتايج مهم نسبيت، رابطه ميان جرم و انرژي است. اين اصل اينشتاين كه سرعت نور بايد به ديد همه يكسان باشد، نشان مي داد كه هيچ چيز نمي تواند از نور سريع تر حركت نمايد. آن چه روي مي دهد اين است كه با مصرف انرژي براي شتاب دادن به ذره يا سفينه، جرم شيء افزايش مي يابد و شتاب بيشتر دادن به آن را دشوارتر مي سازد. شتاب دادن به ذره تا سرعت نور ناممكن است زيرا به مقداري نامتناهي انرژي نياز دارد. هم ارزي جرم و انرژي به اختصار در معادله مشهور اينشتاين، E=mc2 نشان داده مي شود، كه شايد تنها معادله فيزيك باشد كه حتي مردم كوچه و خيابان هم آن را مي دانند. از جمله نتايج اين قانون آن است كه با شكافت هسته اتم ارانيوم به دو هسته با مجموعِ جرمي كه اندكي كمتر است، مقدار زيادي انرژي رها مي شود.
هرچند نظريه نسبيت به خوبي در چارچوبِ قوانين حاكم بر الكتريسيته و مغناطيس قرار مي گرفت، اما با قانون گرانش نيوتن سازگار نبود. اين قانون مي گفت اگر توزيع ماده را در يك منطقه از فضا تغيير دهيد، تغيير در ميدان گرانشي در هرجاي ديگري در گيتي بلافاصله احساس خواهد شد. اين نه تنها بدان معنا بود كه مي توانيد علائمي با سرعتي بيش از سرعت نور ارسال كنيد (امري كه نسبيت منع مي كرد)، بلكه نيازمند زمان مطلق يا عامي نيز بود كه نسبيت آن را به نفع زمان شخصي يا نسبيتي كنار گذاشته بود.
اينشتاين، در سال 1907 كه هنوز در اداره ثبت اختراعات برن بود، از اين دشواري آگاهي داشت، اما تا سال 1911 كه به دانشگاه آلماني پراگ آمد، تفكر جدي در باره اين مسئله را آغاز نكرده بود. او دريافت كه ميان شتاب و ميدان گرانشي رابطه نزديكي وجود دارد. كسي كه در اتاقكي بسته نشسته است، نمي تواند بگويد آيا در ميدان گرانشي زمين در حال ســـكون است، يا موشكي در فضاي آزاد به او شتاب مي دهد. اگر زمين تخت بود هم مي توانستيد بگوييد سيب به دليل گرانش روي سر نيوتن افتاد و هم مي توانستيد بگوييد سر نيوتن به سيب برخورد كرد، زيرا او و سطح زمين به سوي بالا شتاب مي گرفتند. اما، به نظر نمي رسد كه اين هم ارزي ميان شتاب و گرانش براي زمين كروي چندان مفيد باشد؛ مردم طرف ديگر جهان مي بايست در جهت مخالف شتاب بگيرند، اما در فاصله ثابتي نسبت به ما باقي بمانند.
اينشتاين با بازگشت به زوريخ در سال 1912، با توفاني مغزي روبرو گرديد. او دريافت اگر در هندسة واقعيت انعطافي وجود داشته باشد، ممكن است هم ارزي شتاب و گرانش مفيد باشد. اگر جا-گاه -- (فضا-زمان) چيزي كه اينشتاين ابداع نموده بود تا سه بُعد آشناي زمان را با بُعد چهارم يعني زمان، در هم آميزد-- خميده بود و نه آن گونه كه تصور مي شد، تخت، چه؟ تصور وي اين بود كه جرم و انرژي جا-گاه را به شيوه اي كه هنوز مي بايست آن را تعيين نمايد، خميده مي سازند. اشيائي مانند سيب و سياره تلاش مي كنند در جا-گاه در مسير مستقيم حركت نمايند، اما چنين مي نمايد كه ميدان گرانشي مسير آن ها را خميده مي سازد، زيرا جا-گاه خميده است.
اينشتاين با كمك دوست خود. مارسل گروسمان، نظريه فضاها و رويه هاي خميده را مطالعه كرد كه برنارد ريمان چونان بخشي از رياضيات انتزاعي و بدون تصور اين كه به جهان واقعي ربطي داشته باشد، پديد آورده بود. در 1913، اينشتاين و گروسمان مقاله اي نوشتند و در آن اين انديشه را مطرح ساختند كه ما نيروهاي گرانشي را چونان نِمود اين حقيقت مي دانيم كه جا-گاه خميده است. اما به دليل اشتباه اينشتاين (كه انسان بود و جايزالخطا) نتوانستند معادلاتي را بيابند كه انحناي جا-گاه را به جرم و انرژي درون آن مرتبط سازد.
اينشتاين در برلين، به دور از مسائل داخلي و عمدتاً فارغ از جنگ، به كار ادامه داد تا سرانجام در نوامبر 1915، معادلات صحيح را يافت. اينشتاين در بازديد از دانشگاه گوتينگن در تابستان 1915 در باره انديشه هاي خود با ديويد هيلبرت رياضيدان بحث كرده بود و هيلبرت، مستقل از اينشتاين و چند روز پيش از وي، همين معادلات را يافته بود. با اين همه، همان گونه كه هيلبرت اذعان نموده است، افتخار نظريه جديد از آن اينشتاين بود. انديشه وي، مرتبط ساختن گرانش با خميدگي جا-گاه بود.
نظريه جديد جا-گاه خميده را نسبيت عام ناميدند تا آن را از نظريه اوليه بدون گرانش، كه اكنون نظريه نسبيت خاص خوانده مي شد، متمايز سازند. در سال 1919 كه هيئت اعزامي انگليسي به آفريقاي غربي، در حين خورشيدگرفتگي (كسوف)، جابجايي اندكي را در موضع ستارگان نزديك خورشيد رصد كردند، اين نظريه به طرزي شگفت تأييد شد. همان گونه كه اينشتاين پيشبيني نموده بود، نور اين ستارگان با عبور از كنار خورشيد، خميده مي شد. اين شاهدي است مستقيم بر آن كه فضا و زمان خميده اند، يعني بزرگترين تغييري كه از زماني كه اقليدس در حدود 300 پيش از ميلاد مباني خود را نوشت، در درك ما از عرصه اي كه در آن زندگي مي كنيم، پديد آمده است.
نظريه نسبيت عام اينشتاين، فضا و زمان را از زمينه منفعلي كه رويدادها در آن روي مي دهند به شركت كنندگان فعالي در ديناميك كيهان تبديل نمود. اين، به مشكل بزرگي منتهي شد كه در انتهاي قرن بيستم، هنوز در پيشاني فيزيك قرار دارد. جهان سرشار از ماده است و ماده جا-گاه را چنان خميده مي سازد كه اجسام به سوي يكديگر سقوط مي كنند. اينشتاين دريافت كه معادلات وي براي توصيف جهاني كه در طول زمان تغيير نمي كند، جوابي ندارند. به جاي رها كردن جهان ايستا و جاويد، كه در آن زمان وي و اغلب مردم ديگر بدان باور داشتنـــد، معادلات را با افزودن جمله اي به نام ثابت كيهاني تغيير داد كه فضا را در جهت ديگر چنـــــان خميده مي ساخت كه اجسام از هم دور شوند. اثر رانشي ثابت كيهاني، اثر كششي ماده را خنثي مي نمود و جهاني را ممكن مي ساخت كه تا ابد به جاي خود باقي است.
معلوم شد كه اين يكي از بزرگترين فرصت هاي از دست رفته فيزيك نظري بوده است. اگر اينشتاين به همان معادلات اصلي خود وفادار مانده بود، مي توانست پيش بيني نمايد كه جهان بايد يا در حال انقباض باشد يا در حال انبساط. تا دهه 1920، كه رصدهايي با تلسكوپ 100 اينچي مونت ويلسون انجام گرفت، امكان جهان وابسته به زمان جدي گرفته نشد. اين رصدها نشان دادند هرچه كهكشان ها از ما دورتر باشند، سريعتر دور مي شوند. به عبارت ديگر، جهان در حال انبساط است و فاصله ميان دو كهكشان با گذشت زمان به طرز يكنواخت افزايش مي يابد. اينشتاين، بعدها، ثابت كيهاني را بزرگترين اشتباه عمر خود خواند.
پس از جنگ جهاني دوم به متفقين اصرار كرد براي مهار بمب اتمي، حكومتي جهاني برقرار سازند. در سال 1952 رياست جمهوري دولت جديد اسراييل به وي پيشنهاد شد، اما آن را نپذيرفت. زماني نوشته بود سياست امري است لحظه اي در حالي كه معادله به ابديت تعلق دارد. بهترين گورنوشت و يادمان براي او، معادلات نسبيت عام است.
جهان در طول 100 سال گذشته بسيار بيش از هر قرن ديگري در طول تاريخ تغيير كرده است. دليل اين امر نه سياسي است و نه اقتصادي، بلكه فناورانه است- فناوري هايي كه مستقيماً از پيشرفت هاي علوم پايه سرچشمه گرفته اند. بديهي است كه براي اين پيشرفت ها، نماينده اي بهتر از اينشتاين، مرد قرن مجله تايم، وجود ندارد.
نوشته: حسين جوادي
مقدمه
اين مقدمه طولاني را به گفته اي از پوپر آغاز مي كنم
پوپر مي گويد:
راه درس گرفتن از تجربه، انجام مشاهدات مكرر نيست. سهم تكرار مشاهدات در قياس باسهم انديشه هيچ است. بيشتر آنچه كه مي آموزيم با كمك مغز است. چشم و گوش نيز اهميت دارند، ولي اهميتشان بيشتر در انديشه هاي غلطي است كه مغز يا عقل پيش مي نهند.
بر همين اساس، با استقراءگرايان مخالفت ورزيده و استقراء را اسطوره‌اي بي بنياد معرفي كرده است. پوپر با بيان اين مطلب كه نظريات همواره مقدم بر مشاهدات هستند طرح نويني را در عرصة روش شناسي علوم تجربي بنيان نهاد. طبق نظر وي روش صحيح علمي عبارت است از آنكه يك نظريه به نحو مستمر در معرض ابطال قرار داده شود. بنابراين يك نظريه براي آنكه قابل قبول باشد بايد بتواند از بوتة آزمونهايي كه براي ابطال آن طراحي شده‌اند، سر بلند بيرون بيايد. پوپر مصرانه ندا سر مي دهد كه بگذاريد نظريه ها بجاي انسانها بميرند .
پوپر با ارائه ي نظريه ي ابطال پذيري تلاش كرد مرز بين نظريه هاي علمي و غير علمي را مشخص كند. وي چنين بيان مي كند.
علمي بودن هر دستگاه، در گرو اثبات پذيري به تمام معناي آن نيست، بلكه منوط به اين است كه ساختمان منطقيش چنان باشد كه رد آن به كمك آزمونهاي تجربي ميسر باشد.
به عبارت ديگر از ديدگاه پوپر نظريه هاي علمي اثبات پذير نستند، بلكه ابطال پذيرند .
پوپر با اين ديدگاه به مخالفت با تلقي‌هاي رايج از علم پرداخت و بيان كرد كه علم و نظريه‌هاي علمي هيچگاه از سطح حدس فراتر نمي‌روند و آنچه كه منتهي به پيشرفت علم مي‌شود سلسله‌اي از حدسها و ابطالها مي‌باشد. پوپر تاكيد مي كند براي رسيدن به اندشه هاي نو، هيچ دستور منطقي نمي توان تجويز كرد.
انديشمندان بسياري چون برونو و گاليله با مشكلات و مصايب طاقت فرسايي دسته و پنجه نرم كردند تا روش استقرايي در جهان علم نهادينه گردد، اما در قرن بيستم روش استقرايي جاذبه دوران رنسانس خود را از دست داد. هرچند استقرا نفي نشد، اما فيلسوفان علمي قرن بيستم، در تكاپو بودند تا روش هاي بهتري را جايگزين آن كنند. و اين سير منطقي تكامل انديشه در طول تاريخ حيات انسان است. در فلسفه ي علم قرن بيستم، دو ديدگاه از بقيه ديدگاه ها بيشتر مورد توجه واقع شد. يكي ديدگاه ابطال پذيري پوپر بود و ديگري نظزيه انقلاب هاي علمي كوهن. كوهن به يك چرخش تاريخي تكيه مي كند و معتقد مي شود كه علم يك سيستم پوياست و به جاي معرفت شناسي علم به جامعه شناسي علم توجه مي كند. وي نشان داد كه علم تكامل تدريجى به سمت حقيقت ندارد بلكه دستخوش انقلاب هاى دوره اى است كه او آن را تغيير پارادايم مى نامد. پارادايم يكى از مفاهيم كليدى كوهن است او معتقد است پارادايم (نظام) يك علم تا مدت هاى مديد تغيير نمى كند و دانشمندان در چارچوب مفهومى آن سرگرم كار خويش هستند. اما دير يا زود بحرانى پيش مى آيد كه پارادايم را درهم مى شكند و انقلاب علمى به وجود مى آيد كه پس از مدتى، پارادايم جديدى به وجود مى آيد و دوره اى جديد از علم آغاز مى شود. مثال هاى كلاسيك تغيير پارادايم عبارتند از: 1- كار گاليله كه باعث برانداختن فيزيك ارسطويى و ايجاد نسبيت گاليله اى شد 2- كار كپلر كه باعث كشف بيضوى بودن مدار سيارات شد 3- ابداع فيزيك جديد توسط نيوتن 4- نسبيت عام و خاص اينشتين 5- مكانيك جديد كوانتوم كه باعث كنار گذاشتن مكانيك كلاسيك شد.
كوهن در تحلبل خود از مثال جايگزينى تئورى نسبيت اينشتين بجاى تئورى مكانيك نيوتون كه در پى بحران ناشى از آزمابشات مربوط به نور مايكلسون- مورلى بوجود آمده سود جسته است.
اگر نظريه انقلاب هاي علمي كوهن را باور داشته باشيم، از توجه به اين نكته نيز نبايد غافل شد كه زير بناي هر انقلابي را انديشه هاي نو شكل مي دهد> آنگاه بايد با پوپر همصدا شد كه
براي رسيدن به اندشه هاي نو، هيچ دستور منطقي نمي توان تجويز كرد
انقلاب نسبيت در انديشه هاي اينشتين بارور شد و انقلاب مكانيك كوانتوم از انديشه هاي پلانك سر در آورد
انديشه هاي پلانك
تا پايان قرن نوزدهم، فيزيك دان ها بر اين باور استوار بودند كه توانايي فيزيك كلاسيك براي كشف تمام دانستني ها قطعي است و حل مسائل صرفاً محتاج زمان و كوشش كافي خواهد بود. اما علي رغم تلاشهاي پيگير گروه كثيري از دانشمندان برجسته آن زمان، هيچكدام از فرضيات پيشنهادي توفيقي در ارائه يك منحني شدت - فركانس كه منطبق با نتايج آزمايشي باشد به دست نياورد. به طور خلاصه، هيچيك از محاسبات مبتني بر تشعشعات اتمي در امتداد يك محور ممتد فركانس قادر به عرضه منحني صحيح نشد.
درسال 1900، ماكس پلانك فيزيك دان آلماني اعلام كرد كه با فرض يك تشعشع الكترومغناطيسي خفيف (در طول موج يا در فركانس)، منحني فرضي بدست آمده كاملاً با منحني ناشي از آزمايش منطبق خواهد بود. اين رويداد شروع عصر مكانيك كوانتومي را رقم زد. به دليل اينكه پلانك موفق به تعريف انعكاس جسم سياه شد جايزه نوبل فيزيك را درسال 1918 به خود اختصاص داد. قسمتي از توضيحات وي در خطابه اش كه هنگام دريافت جايزه در دوم ژوئن 1920 قرائت كرد، چنين است:
«تلاش من در طول سال ها حل مسئله تقسيم انرژي در طيف معمول تابش حرارت بود. پس از اينكه گوستاو كيرشهوف (1887-1824) نشان داد كه وضعيت تشعشعات حرارتي، در درون يك محفظه كه جداره آن متشكل از ماده اي باشد ساطع كننده و دريافت كننده تشعشعات و واجد دماي يكنواخت، به هيچ وجه وابسته به جنس جداره نيست، وجود يك ارتباط كلي ميان ميزان حرارت با طول موج بدون هيچ دخالتي از نظر جنس ماده ي تشكيل دهنده ي جداره آشكار شد. كشف اين ارتباط شگفت انگيز، اميد فهم عميق تري در مورد رابطه ي انرژي با حرارت، كه در واقع مسئله ي اساسي ترموديناميك را و كلّاً فيزيك مولكولي است، به وجود مي آورد. ...
من در آن زمان، با اميدي، كه امروز قطعاً با تبسمي از جانب شنونده بسيار ساده لوحانه انگاشته خواهد شد، مي انديشيدم كه در صورتي كه قوانين ترموديناميك كلاسيك را به گونه اي كلي طرح كنيم و از فرضيه هاي جزئي پرهيز كنيم، بخش عمده موضوع مورد نظر را در محيط فهم خود در خواهيم آورد و بدين ترتيب به مقصود خود خواهيم رسيد. ...
به موازات اين طرح، طرح هاي ديگري نيز فقدان بخش مهمي كه به گسستي اساسي در زنجيره ي تحليل و فهم كلي پايه هاي مسئله را منجر مي شد، روز به روز آشكارتر مي نمودند.
پس از به دست آوردن فرمول رياضي جديدي براي تعريف تابش، وقت خود را صرف توضيح آن به گونه اي كه با واقعيت فيزيكي تطبيق كند كردم؛ حل اين مشكل طبيعتاً سير فكري مرا تا بررسي ارتباط موجود ميان تئوري بي نظمي يا آنتروپي و تئوري احتمالات پيش برد و نتايجي كه از اين گذر به دست آمد با عقايد بولتزمن هماهنگي كامل داشت. سرانجام پس از چند هفته كه سخت ترين دوره ي كاري زندگيم بود، نور در ظلمت تابيدن گرفت و دورنمايي غير قابل تصور در برابر ديدگانم باز شد. ...
چون [ وجود يك ثابت درقانون تشعشع] نمايانگر حاصل انرژي در زمان است، ... من آنرا به عنوان «كوانتوم اوليه كنش» تعريف كردم. ...
مادامي كه كوانتم مورد نظر بينهايت كوچك در نظر گرفته مي شد ... مشكلي نبود؛ ولي بطور كلي كمبودهاي زيادي در گوشه و كنار تئوري ظاهر مي شد و هر چه ارتعاشات ضعيفتر و سريعتر بودند اين اختلاف بيشتر جلوه مي كرد. طولي نكشيد كه ناكامي هر گونه تلاش آتي براي جبران اين كاستي ها بر من آشكار شد. به نظر مي آمد كه يا كوانتوم كنش يك كمّيت خيالي بيش نيست، و در اين صورت استنتاج قانون تابش در مجموع جز يك برداشت مجازي و يك بازي بي محتوي مبتني بر فرمول هاي بي معني نبوده، و يا قانون تابش بر اساس يك مفهوم فيزيكي واقعي بنا شده، كه در اين صورت كوانتوم كنش بايد نقش مهم و اساسي اي را در فيزيك ايفا كند؛ امري كه كاملا نوين بود و تا كنون از آن آگاهي اي نداشتيم، و به ناچار ما را به مرور مجدد تمامي مفهومات فيزيكي مان كه بر مبناي حساب انفينيتزيمال (بسيار كوچك) لايپنيتز و نيوتن استوار شده بود و حكم به پذيرش زنجيره ي اتصال علل به معلولات مي كرد، وادار مي نمود. آزمايشات رأي به صحت فرض دوم صادر كردند.»
در جايي ديگر، پلانك مي گويد:
«بلافاصله مي كوشيدم تا كوانتم ابتدايي كنش را در قالب تئوري كلاسيك جاي بدهم، اما علي رغم تمام كوشش هايم، ثابتي كه يافته بودم در مقابل تمام كوشش هايم به گونه ي انعطاف ناپذيري مقاومت نشان داد... سعي بر وارد كردن كوانتوم ابتدائي كنش در تئوري كلاسيك، به مدت چند سال كوشش هاي بي حاصل مرا به خود اختصاص داد كه زحمات زيادي را مصروف آن كردم.»
با اينكه منحني فرضي پلانك با منحني اي كه عملا از آزمايشات به دست مي آمد تطبيق كامل داشت، متأسفانه، براي مدّت حداقل 5 سال، فرضيه ي او مبتني بر ماهيت خفيف تابش اتمي، تا سال1905 و چاپ مقاله ي اينشتين و شرح آن بر فرضيه ي تأثيرات فوتوالكتريك، استقبال چنداني نيافت. با اين حال، تئوري پلانك كه وجود دو سطح انرژي اتمي خفيف را براي توضيح تشعشع جرم سياه بيان مي كرد، و همچنين موضوعي كه او در رابطه با قابل شمارش دانستن انرژي متبادل اين اتمها پيشنهاد كرد آغازي بود براي عصر مكانيك كوانتيك.
انديشه هاي اينشتين
در اواخر قرن نوزدهم دانشمندان تصور مي كردند به توصيـف كامل گيتي نزديك شده اند. آنان مي پنداشتند كه فضا در همه جا با واسطه اي پيوسته به نام اتر پر شده است. پرتوهاي نور و علائم راديويي، امواجي در اتر بودند، درست همان گونه كه صوت، امواج فشار در هواست. تنها چيزي كه براي تكميل نظريه لازم بود، اندازه گيري دقيق ويژگي هاي كشساني اتر بود؛ پس از تعيين اين ويژگي ها، همه چيز در جاي خود قرار مي گرفت.اما به زودي و به تدريج، مغايرت هايي با انديشه اتر كه تصور مي شد همه جا هست، پديدار شد. انتظار مي رفت نور در اتر با سرعت ثابتي حركت نمــــايد. مثلاً، اگر در جهت نور حركت مي كرديد، انتظار داشتيد سرعت آن كم تر به نظر برسد، و اگر در خلاف جهت نور حركت مي كرديد، انتظار داشتيد سرعت آن بيشتر به نظر آيد. اما به رغم آزمايش هاي متعدد، تلاش به منظور يافتن مدركي براي تغيير سرعت نور در اثر حركت در اتر، ناكام ماند.
دقيق ترين آزمايش ها توسط آلبرت مايكلسون و ادوارد مورلي در سال 1887 در مؤسسه كيس كليولند در اوهايو انجام گرديد. آن ها سرعت نور را در دو باريكه كه نسبت به يكديگر داراي زاويه قائمه بودند، مقايسه نمودند. آن ها چنيـــن استدلال مي كردند كه زمين با چرخش به دور محور خود و گردش به گرد خورشيد، از ميان اتر مي گذرد و سرعت نور در اين دو باريكه بايد متفاوت باشد. اما مايكلسون و مورلي اختلاف روزانه يا سالانه اي ميان دو باريكه نور نيافتند. گويي نور، در هر جهتي كه حركت كني، نسبت به تو با سرعتي ثابت حركت مي كند.
جرج فيتزجرالد و ديويد لورنتز، نخستين كساني بودند كه گفتند اجسامي كه در ميان اتر حركت مي كنند، منقبض مي شوند و ساعت ها كُند مي گردند. اين انقباض و كندشدگي (اتساع) چنان است كه هركسي به هر نحو كه نسبت به اتر، كه فيتزجرالد و لورنتز آن را ماده اي واقعي مي پنداشتند، حركت كند، سرعت ثابتي را براي نور اندازه گيري خواهد نمود.
اما، اين آلبرت اينشتاين بود كه اتر را كناري نهاد و مسئله سرعت نور را يك بار براي هميشه حل كرد. او، در ژوئن 1905، يكي از سه مقاله اي را نوشت كه وي را به عنوان يكي از دانشمندان برجسته جهان معرفي كرد- و در اين راستا دو انقلاب مفهومي را آغاز نمود كه فهم ما را از زمان، فضا و واقعيت تغيير دادند.
در مقاله 1905، اينشتاين نوشت حال كه نمي توان آشكار ساخت كه آيا در اتر حركت مي كنيم يا خير، اصلاً مفهوم اتر زيادي است. در مقابل، اينشتاين از اين اصل آغاز كرد كه قوانين علم بايد به ديده همه ناظراني كه آزادانه حركت مي كنند، يكسان بنمايند. به ويژه، ناظران به هر شيوه اي كه حركت كنند، بايد همه يك سرعت را براي نور اندازه گيري نمايند.
اين، مستلزم رها كردن اين انديشه بود كه كميتي عام موسوم به زمان وجود دارد كه همه ساعت ها اندازه مي گيرند. هر كس، زمان شخصي خود را داشت. ساعت هاي دو نفر در صورتي با هم هماهنگ بودند كه آن دو نسبت به يكديگر در حال سكون باشند و نه اين كه حركت نمايند. اين نكته با چند آزمايش تأييد شد، از جمله آزمايش با ساعت بسيار دقيقي كه دور جهان گردانده شد و سپس با ساعتي كه در محل ساكن مانده بود، مقايسه گرديد. اگر مي خواستيد بيشتر زندگي كنيد، مي توانستيد به سوي شرق پرواز كنيد تا سرعت هواپيما به سرعت چرخش زمين افزوده شود. اما خوردن غذاي هواپيما همان و از ميان رفتن آن كسر بسيار كوچكي از ثانيه كه به عمرتان افزوده مي شد، همان.
اصل موضوعه اينشتاين كه قوانين طبيعت بايد به ديده تمام ناظراني كه در حركت آزاد هستند، يكسان بنمايد، مبناي نظريه نسبيت بود كه از آن رو چنيــــن ناميده مي شود كه حكايت از آن دارد كه فقط حركت نسبي مهم است. زيبايي و سادگي آن براي بسياري از دانشمندان و فيلسوفان متقاعدكننده بود. اما مخالفت هاي بسياري هم به جاي مانده بود. اينشتاين دو مطلق علم قرن نوزدهم را واژگون كرده بود: سكون مطلق كه با اتر نمايش داده مي شد و زمان مطلق يا عامي كه تمام ساعت ها اندازه گيري مي نمودند. مردم مي پرسيدند آيا اين بدان معناست كه معيار اخلاقي مطلقي وجود ندارد، كه همه چيز نسبي است؟
اين ناراحتي در دهه 1920 و 1930 ادامه يافت. هنگامي كه در سال 1921 جايزه نوبل به اينشتاين داده شد، اين امر به دليل كار مهم- اما با معيارهاي اينشتاين، جزئيِ- ديگري بود كه در سال 1905 انجام داده بود. به نسبيت، كه تصور مي رفت بسيار بحث برانگيز است، اشاره اي نشد. هنوز هم عده اي اعتقاد دارند كه اينشتاين اشتباه كرده است. با اين همه، اكنون، جامعه علمي نظريه نسبيت را به طور كامل پذيرفته است و پيش بيني هاي آن در كاربردهاي بيشمار تصديق شده اند.
يكي از نتايج مهم نسبيت، رابطه ميان جرم و انرژي است. اين اصل اينشتاين كه سرعت نور بايد به ديد همه يكسان باشد، نشان مي داد كه هيچ چيز نمي تواند از نور سريع تر حركت نمايد. آن چه روي مي دهد اين است كه با مصرف انرژي براي شتاب دادن به ذره يا سفينه، جرم شيء افزايش مي يابد و شتاب بيشتر دادن به آن را دشوارتر مي سازد. شتاب دادن به ذره تا سرعت نور ناممكن است زيرا به مقداري نامتناهي انرژي نياز دارد. هم ارزي جرم و انرژي به اختصار در معادله مشهور اينشتاين، E=mc2 نشان داده مي شود، كه شايد تنها معادله فيزيك باشد كه حتي مردم كوچه و خيابان هم آن را مي دانند. از جمله نتايج اين قانون آن است كه با شكافت هسته اتم ارانيوم به دو هسته با مجموعِ جرمي كه اندكي كمتر است، مقدار زيادي انرژي رها مي شود.
هرچند نظريه نسبيت به خوبي در چارچوبِ قوانين حاكم بر الكتريسيته و مغناطيس قرار مي گرفت، اما با قانون گرانش نيوتن سازگار نبود. اين قانون مي گفت اگر توزيع ماده را در يك منطقه از فضا تغيير دهيد، تغيير در ميدان گرانشي در هرجاي ديگري در گيتي بلافاصله احساس خواهد شد. اين نه تنها بدان معنا بود كه مي توانيد علائمي با سرعتي بيش از سرعت نور ارسال كنيد (امري كه نسبيت منع مي كرد)، بلكه نيازمند زمان مطلق يا عامي نيز بود كه نسبيت آن را به نفع زمان شخصي يا نسبيتي كنار گذاشته بود.
اينشتاين، در سال 1907 كه هنوز در اداره ثبت اختراعات برن بود، از اين دشواري آگاهي داشت، اما تا سال 1911 كه به دانشگاه آلماني پراگ آمد، تفكر جدي در باره اين مسئله را آغاز نكرده بود. او دريافت كه ميان شتاب و ميدان گرانشي رابطه نزديكي وجود دارد. كسي كه در اتاقكي بسته نشسته است، نمي تواند بگويد آيا در ميدان گرانشي زمين در حال ســـكون است، يا موشكي در فضاي آزاد به او شتاب مي دهد. اگر زمين تخت بود هم مي توانستيد بگوييد سيب به دليل گرانش روي سر نيوتن افتاد و هم مي توانستيد بگوييد سر نيوتن به سيب برخورد كرد، زيرا او و سطح زمين به سوي بالا شتاب مي گرفتند. اما، به نظر نمي رسد كه اين هم ارزي ميان شتاب و گرانش براي زمين كروي چندان مفيد باشد؛ مردم طرف ديگر جهان مي بايست در جهت مخالف شتاب بگيرند، اما در فاصله ثابتي نسبت به ما باقي بمانند.
اينشتاين با بازگشت به زوريخ در سال 1912، با توفاني مغزي روبرو گرديد. او دريافت اگر در هندسة واقعيت انعطافي وجود داشته باشد، ممكن است هم ارزي شتاب و گرانش مفيد باشد. اگر جا-گاه -- (فضا-زمان) چيزي كه اينشتاين ابداع نموده بود تا سه بُعد آشناي زمان را با بُعد چهارم يعني زمان، در هم آميزد-- خميده بود و نه آن گونه كه تصور مي شد، تخت، چه؟ تصور وي اين بود كه جرم و انرژي جا-گاه را به شيوه اي كه هنوز مي بايست آن را تعيين نمايد، خميده مي سازند. اشيائي مانند سيب و سياره تلاش مي كنند در جا-گاه در مسير مستقيم حركت نمايند، اما چنين مي نمايد كه ميدان گرانشي مسير آن ها را خميده مي سازد، زيرا جا-گاه خميده است.
اينشتاين با كمك دوست خود. مارسل گروسمان، نظريه فضاها و رويه هاي خميده را مطالعه كرد كه برنارد ريمان چونان بخشي از رياضيات انتزاعي و بدون تصور اين كه به جهان واقعي ربطي داشته باشد، پديد آورده بود. در 1913، اينشتاين و گروسمان مقاله اي نوشتند و در آن اين انديشه را مطرح ساختند كه ما نيروهاي گرانشي را چونان نِمود اين حقيقت مي دانيم كه جا-گاه خميده است. اما به دليل اشتباه اينشتاين (كه انسان بود و جايزالخطا) نتوانستند معادلاتي را بيابند كه انحناي جا-گاه را به جرم و انرژي درون آن مرتبط سازد.
اينشتاين در برلين، به دور از مسائل داخلي و عمدتاً فارغ از جنگ، به كار ادامه داد تا سرانجام در نوامبر 1915، معادلات صحيح را يافت. اينشتاين در بازديد از دانشگاه گوتينگن در تابستان 1915 در باره انديشه هاي خود با ديويد هيلبرت رياضيدان بحث كرده بود و هيلبرت، مستقل از اينشتاين و چند روز پيش از وي، همين معادلات را يافته بود. با اين همه، همان گونه كه هيلبرت اذعان نموده است، افتخار نظريه جديد از آن اينشتاين بود. انديشه وي، مرتبط ساختن گرانش با خميدگي جا-گاه بود.
نظريه جديد جا-گاه خميده را نسبيت عام ناميدند تا آن را از نظريه اوليه بدون گرانش، كه اكنون نظريه نسبيت خاص خوانده مي شد، متمايز سازند. در سال 1919 كه هيئت اعزامي انگليسي به آفريقاي غربي، در حين خورشيدگرفتگي (كسوف)، جابجايي اندكي را در موضع ستارگان نزديك خورشيد رصد كردند، اين نظريه به طرزي شگفت تأييد شد. همان گونه كه اينشتاين پيشبيني نموده بود، نور اين ستارگان با عبور از كنار خورشيد، خميده مي شد. اين شاهدي است مستقيم بر آن كه فضا و زمان خميده اند، يعني بزرگترين تغييري كه از زماني كه اقليدس در حدود 300 پيش از ميلاد مباني خود را نوشت، در درك ما از عرصه اي كه در آن زندگي مي كنيم، پديد آمده است.
نظريه نسبيت عام اينشتاين، فضا و زمان را از زمينه منفعلي كه رويدادها در آن روي مي دهند به شركت كنندگان فعالي در ديناميك كيهان تبديل نمود. اين، به مشكل بزرگي منتهي شد كه در انتهاي قرن بيستم، هنوز در پيشاني فيزيك قرار دارد. جهان سرشار از ماده است و ماده جا-گاه را چنان خميده مي سازد كه اجسام به سوي يكديگر سقوط مي كنند. اينشتاين دريافت كه معادلات وي براي توصيف جهاني كه در طول زمان تغيير نمي كند، جوابي ندارند. به جاي رها كردن جهان ايستا و جاويد، كه در آن زمان وي و اغلب مردم ديگر بدان باور داشتنـــد، معادلات را با افزودن جمله اي به نام ثابت كيهاني تغيير داد كه فضا را در جهت ديگر چنـــــان خميده مي ساخت كه اجسام از هم دور شوند. اثر رانشي ثابت كيهاني، اثر كششي ماده را خنثي مي نمود و جهاني را ممكن مي ساخت كه تا ابد به جاي خود باقي است.
معلوم شد كه اين يكي از بزرگترين فرصت هاي از دست رفته فيزيك نظري بوده است. اگر اينشتاين به همان معادلات اصلي خود وفادار مانده بود، مي توانست پيش بيني نمايد كه جهان بايد يا در حال انقباض باشد يا در حال انبساط. تا دهه 1920، كه رصدهايي با تلسكوپ 100 اينچي مونت ويلسون انجام گرفت، امكان جهان وابسته به زمان جدي گرفته نشد. اين رصدها نشان دادند هرچه كهكشان ها از ما دورتر باشند، سريعتر دور مي شوند. به عبارت ديگر، جهان در حال انبساط است و فاصله ميان دو كهكشان با گذشت زمان به طرز يكنواخت افزايش مي يابد. اينشتاين، بعدها، ثابت كيهاني را بزرگترين اشتباه عمر خود خواند.
پس از جنگ جهاني دوم به متفقين اصرار كرد براي مهار بمب اتمي، حكومتي جهاني برقرار سازند. در سال 1952 رياست جمهوري دولت جديد اسراييل به وي پيشنهاد شد، اما آن را نپذيرفت. زماني نوشته بود سياست امري است لحظه اي در حالي كه معادله به ابديت تعلق دارد. بهترين گورنوشت و يادمان براي او، معادلات نسبيت عام است.
جهان در طول 100 سال گذشته بسيار بيش از هر قرن ديگري در طول تاريخ تغيير كرده است. دليل اين امر نه سياسي است و نه اقتصادي، بلكه فناورانه است- فناوري هايي كه مستقيماً از پيشرفت هاي علوم پايه سرچشمه گرفته اند. بديهي است كه براي اين پيشرفت ها، نماينده اي بهتر از اينشتاين، مرد قرن مجله تايم، وجود ندارد.