چرا نمی‌شود گالیله را در سرعت نور درک کرد

در دنیای فیزیک، نظریه‌ی «نسبیت خاص» از آن دست مفاهیمی است که هم سادگی‌اش گول‌زننده است و هم عمقش شگفت‌انگیز. مفهومی که با یک اصل ساده درباره‌ی سرعت نور آغاز می‌شود، اما خیلی زود بنیان‌های زمان، مکان، و حتی فهم ما از واقعیت را به لرزه درمی‌آورد.

دکتر احمد شریعتی، استاد فیزیک در دانشگاه الزهرا، یکی از معدود چهره‌هایی است که تلاش کرده این موضوع پیچیده را به‌زبان ریاضیاتی و در عین حال قابل‌فهم برای علاقه‌مندان جوان آموزش دهد. او سه سال پیش کتابی را با عنوان «رویکرد ریاضیاتی به نظریه نسبیت خاص» به زبان انگلیسی توسط یک ناشر بین‌المللی کتب علمی منتشر کرده است. او معتقد است بخشی از این کتاب حاصل سال‌ها تدریس به دانش‌آموزان المپیادی و علاقه‌مندان جدی به فیزیک بوده است.

در گفت‌وگویی که در ادامه می‌خوانید، دکتر شریعتی به پرسش‌هایی اساسی درباره‌ی ماهیت زمان، نسبیت، کاربرد‌های روزمره این نظریه، و حتی شیوه‌های آموزش فیزیک پاسخ می‌دهد.

اگر بخواهیم به‌زبان ساده بگوییم، نسبیت خاص چیست؟ و چرا این نظریه تا این اندازه در تاریخ علم مهم تلقی می‌شود؟‌

نمی‌توان در یک جمله ساده اهمیت آن را بیان کرد. ما تا جایی که با آزمایش فهمیده‌ایم، نسبیت خاص در طبیعت رعایت شده است. نسبیت خاص هم در نظریه‌ی میدان‌های کوانتومی (یعنی ذرات بنیادی) و هم در نظریه‌ی گرانش (یعنی نسبیت عام) به نحوی بسیار اساسی وارد می‌شود و از ارکان آنها است؛ علی‌رغم این‌که این دو نظریه (ذرات بنیادی و گرانش) به نظر می‌رسد خودشان با هم سازگار نیستند.

بسیاری از افراد می‌پرسند که «چگونه زمان می‌تواند کند یا تند شود؟» آیا می‌توانید با مثالی ساده (مثلاً سفر با قطار سریع‌السیر یا فضانوردی) این مفهوم را توضیح دهید؟

واضح است که با شهود روزمره ما جور در نمی‌آید. شهود روزمره ما بر اساس سرعت‌های کم (در مقایسه با نور) است. تبدیل‌های لورنتس این را نشان می‌دهند و آزمایش هم آن را تأیید کرده است. ما باید شهودمان را با آزمایش تطبیق بدهیم، نه برعکس.

یکی از نکات دشوار در درک نسبیت خاص، مفهوم «هم‌زمانی نسبی» است. چگونه ممکن است دو رویداد که در یک مکان هم‌زمان‌اند، در جایی دیگر هم‌زمان نباشند؟ آیا مثالی ساده برای درک این پدیده وجود دارد؟

دو رویداد اگر در یک مکان هم‌زمان باشند، در همه‌ی چارچوب‌ها هم‌زمان‌اند. در واقع، اگر دو رویداد هم‌زمان و هم‌مکان باشند، اصولاً یک رویداد هستند نه دو رویداد! اما اگر دو رویداد در دو مکان مختلف از نظر ناظر الف هم‌زمان باشند، از نظر ناظر دیگر ب که نسبت به الف حرکت می‌کند هم‌زمان نخواهند بود.

چه تفاوت‌هایی میان «نسبیت گالیله‌ای» که در فیزیک کلاسیک آموزش داده می‌شود و «نسبیت لورنتسی» وجود دارد؟ چرا نظریه گالیله دیگر برای سرعت‌های بالا پاسخ‌گو نیست؟

نسبیت گالیله‌ای بر اساس زمان مطلق نیوتونی منجر می‌شود به قانون گالیله‌ای جمع سرعت‌ها که بر اساس آن به راحتی می‌توان به سرعت بیش از نور رسید، اما آزمایش آن را رد می‌کند. آزمایش به ما می‌گوید که در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور، نسبیت گالیله‌ای درست نیست.

شما در کتابتان به‌صورت تدریجی مفاهیم ریاضی را وارد بحث می‌کنید. آیا برای یادگیری نسبیت خاص، دانشجویان باید نگران ریاضی پیشرفته (مثل مشتق و ماتریس) باشند؟ یا می‌توانند با مبانی ساده‌تر هم وارد این حوزه شوند؟

برای شروع نیازی به ریاضیات پیشرفته نیست، اما به مرور برای فراگیری مباحث پیشرفته‌تر نسبیت خاص (و عام) قطعاً نیاز خواهد بود. توصیه من به همه دانش‌آموزان این است که فیزیک و ریاضی را به موازات هم دنبال کنند. لازم نیست ابتدا شخصی ریاضیدان بشود و بعد فیزیک یاد بگیرد.

 آیا نظریه نسبیت خاص در زندگی روزمره ما کاربرد دارد؟ به‌عنوان مثال، آیا جی‌پی‌اس یا اینترنت تحت تأثیر این نظریه‌اند؟

بله، نه تنها نسبیت خاص، بلکه نسبیت عام و مکانیک کوانتومی امروزه در تکنولوژی‌هایی که بسیاری از ما از آنها استفاده می‌کنیم کاربرد دارند.

بسیاری از افراد فکر می‌کنند فیزیک فقط حفظ فرمول است. اما کتاب شما نشان می‌دهد که پشت هر فرمول یک داستان علمی و فلسفی است. چگونه می‌توان این نگاه مفهومی را در دانشجویان تقویت کرد؟

با خواندن. من همیشه به دانشجو‌ها می‌گویم که باید مثل علاقه‌مندان فوتبال باشند. همان‌طور که یک شخص علاقه‌مند، به فوتبال و رویداد‌های فوتبال را دنبال می‌کند، یک شخص علاقه‌مند به فیزیک هم باید رویداد‌های فیزیک و تاریخ فیزیک را دنبال کند. اگر چنین نمی‌کند، قاعدتاً علاقه ندارد.

به نظر شما چه کتاب‌ها یا منابعی برای افراد علاقه‌مند به فیزیک، به ویژه برای درک بهتر نسبیت، مناسب هستند؟ آیا بخشی از کتاب شما برای این نوجوانان نیز قابل استفاده است؟

به نظر من مهمترین کاری که یک نفر علاقه‌مند جدی به فیزیک باید بکند این است که مباحث بنیادی فیزیک را از روی کتاب‌های درسی معتبر آن یاد بگیرد (مثلا فیزیک عمومی هالیدی-رزنیک)؛ و بعد فیزیک مدرن را فرابگیرد. بخش مهمی از کتابی که من نوشتم براساس درس‌هایی بود که به دانش‌آموزان المپیاد فیزیک می‌دادم. البته نه همه کتاب. فکر می‌کنم دانش‌آموزان علاقه‌مند می‌توانند آن را دنبال کنند، البته اگر بتوانند به انگلیسی کتاب بخوانند. لطفا نپرسید که چرا کتاب را به انگلیسی نوشته‌ام.

در پایان، اگر بخواهید پیامی برای نوجوانانی که به فیزیک علاقه دارند و گاهی از سختی ریاضیات یا مفاهیم پیچیده دلسرد میشوند بفرستید آن پیام چه خواهد بود؟

پیام خاصی ندارم فقط این که فکر می‌کنم فقط اشخاصی فیزیک‌پیشه خوبی می‌شوند که به فیزیک واقعا علاقه داشته باشند؛ یعنی از حل کردن مسائل فیزیک و از درک مطالب فیزیک لذت ببرند.