نظریه نسبیت عام انیشتین ؛ داستان یک پیشگویی علمی
نظریه نسبیت عام انیشتین چیست؟ آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۶ نظریه‌ای هندسی برای گرانش مطرح کرد که اکنون توصیفی برای گرانش در فیزیک نوین است.
نظریه نسبیت عام درواقع تعمیمی بر نظریه نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتون است که توصیف یکپارچه‌ای از گرانش ارائه می‌دهد. در نظریه نسبیت عام، گرانش به‌عنوان یک ویژگی هندسی فضا و زمان یا فضا–زمان مطرح می‌شود.
در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین پی برد که قوانین فیزیک برای همه ناظران غیرشتاب دهنده صادق بوده و سرعت نور در خلا مستقل از حرکت همه ناظران است. این مفهموم کلی نظریه نسبیت خاص است که چارچوب جدیدی برای همه فیزیک‌ها تعیین کرد و مفهوم جدیدی برای فضا زمان ارائه داد.
به بیان ساده، نظریه نسبت انیشتین بیان می‌کند که سرعت حرکت نور در خلا ربطی به سرعت جسمی که نور را می‌فرستد، ندارد. اجازه دهید تا با یک مثال آن را راحت‌تر درک کنیم.
ناظری را در نظر بگیرید که به دو جسم در حال حرکت نگاه می‌کند. یکی از این اجسام در حال دور شدن است و جسم دیگر به او نزدیک می‌شود؛ با این حال و در شرایط خلا، زمان رسیدن نور به این ناظر از هر دو جسم یکسان است.
بنابراین از زمان گالیله، مفهومی که برای نسبیت عنوان شده بود، تغییر کرد. انیشتین، فرمول‌های حرکت اجسام با سرعت ثابت برای نور را محاسبه کرد و ثابت کرد که طول اجسام و زمان برای ناظری که در جسمِ در حال حرکت با سرعت نور قرار گرفته با ناظر بیرونی کاملا متفاوت خواهد بود.
در واقع فضا زمان برای ناظر بیرونی به یک شکل و برای ناظر درونی با شکل دیگری نمایش داده می‌شود. شخصی که درون جسم متحرک با سرعت نور است، زمان را کشیده‌تر ولی طول اجسام را کوتاهتر می‌بیند و برعکس آن، ناظر بیرونی زمان را کوتاهتر ولی طول اجسام را بلندتر خواهد دید. این تعریف ساده از نظریه نسبیت خاص انیشتین است.
نظریه نسبیت عام انیشتین چیست
انیشتین نظریه نسبیت خاص را در ۱۹۰۵ مطرح کرد و در ده سال پس از آن، تلاش کرد تا شتاب را در نظریه خودش جای دهد. او در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت عام را منتشر و در آن مشخص کرد که اجرام عظیم‌تر انحنای بیشتری در فضا زمان ایجاد می‌کنند و به عنوان گرانش، می‌توان آن را احساس کرد.
آلبرت اینشتین در نطریه نسبت خاص خود، مشخص کرد که قوانین فیزیک برای همه‌‌ی ناظران غیر شتاب‌دهنده یکسان است و نشان داد که سرعت نور در خلا مستقل از سرعت حرکت جسم ناظر است. به عنوان یک نتیجه، او پی برد که فضا و زمان تحت یک پیوستگی واحد به نام فضا-زمان گرد هم می‌آیند.
اساسا، نسبیت خاص درباره حرکت اجسام با سرعت ثابت بحث می‌کند، اما نسبیت عام اینشتین به روابطی اشاره دارد که مابین اجسام شتابدار حکمفرماست.
شناخته شده‌ترین حرکت شتابدار در جهان مربوط به جاذبه است و درواقع نسبیت عام به نوعی جاذبه را تشریح می‌کند و به تفسیرِ هندسی گرانش می‌پردازد.
این نظریه که در فیزیک نوین به عنوان گرانش پذیرفته شده است، برآیندی از قانون نسبیت خاص و قانون جهانی گرانش نیوتون است. در نسبیت عام، گرانش نه به عنوان یک نیرو، بلکه به عنوان یک ویژگی هندسی در صفحه فضا زمان قلمداد می‌شود.
اینشتین با به کار بردن نظریات مربوط به نسبیت عام خود، متوجه شد که اشیای عظیم، باعث ایجاد انحنا در فضا-زمان می‌شوند.
تصور کنید جسمی بزرگ را در مرکز یک ترامپولین قرار می‌دهیم، این جسم به سمت درون پارچه نیرو وارد می‌کند و منجر به ایجاد یک گودی در آن می‌شود. در این حالت اگر یک سنگ را در لبه‌های ترامپولین قرار دهیم، بصورت مارپچی به درون و به سمت جسم بزرگ حرکت می‌کند.
این همان شیوه‌ای است که گرانش یک سیاره، اجسام اطرافش را به سمت خود می‌کشد. نسبیت عام اینشتین در عرصه ستاره‌شناسی جنبه‌های کاربردی زیادی دارد. به عنوان مثال یکی از مهمترین نظریه‌ها درباره تشکیل سیاهچاله با این نظریه توضیح داده می‌شود.
بیشتر بخوانید: سیاهچاله چیست؟ تعاریف، حقایق و نظریات
جسم بسیار پرجرم و سنگینی که بتواند یک خمیدگی بزرگ در فضا-زمان ایجاد کند، باعث تغییر مسیر حرکت نور خواهد شد و اگر این جسم به اندازه کافی سنگین باشد، خمیدگی فضا زمان را به گونه‌ای شکل می‌دهد که حتی نور نیز نمی‌تواند از درون این خمیدگی بیرون بیاد و در آن منطقه اسیر خواهد شد.
شواهد تجربی از قانون نسبیت عام
اگر چه ابزار‌های علمی قادر به مشاهده و اندازه‌گیری فضا زمان نیستند، اما تا کنون چندین پدیده که پیش بینی می‌شد در فضا زمان انحنا ایجاد کنند، مورد تایید قرار گرفتند.
همگرایی گرانشی (Gravitational Lensing): نور در اطراف یک جرم بزرگ مانند یک سیاهچاله، خمیده می‌شود، زیرا چنین اشیایی مانند عدسی عمل می‌کنند -اصطلاحا به آنها عدسی گرانشی گفته می‌شود- از همین رو این امکان مهیا می‌شود تا اجرامی که در پشت عدسی گرانشی هستند، رصد شوند. ستاره‌شناسان به طور معمول از این روش برای مطالعه ستاره‌ها و کهکشان‌های عظیم استفاده می‌کنند.
صلیب اینشتین نمونه‌ای از یک همگرایی گرانشی است (اعتبار: NASA / ESA)
صلیب اینشتین، کوازاری در صورت فلکی اسب بالدار (Pegasus) و بهترین نمونه برای یک همگرایی گرانشی است (کوازار‌ها هسته‌های نورانی و بشدت فعال کهکشان‌های جوان هستند).
این کوازار که ۸ میلیارد سال نوری از ما فاصله دارد، در پشت یک کهکشان با فاصله ۴۰۰ میلیون سال نوری از ما پنهان شده است. اما در تصویر به ثبت رسیده، کوازار در کنار کهکشان دیده می‌شود؛ چرا که نور منتشر شده کوازار، از جانب گرانش شدید کهکشان دچار انحراف شده و سپس به سمت ما می‌آید.
همگرایی گرانشی این امکان را به دانشمندان می‌دهد تا چیز‌های بسیار جالبی را مشاهده کنند، اما تا همین اواخر، آنچه آنان در اطراف عدسی‌های گرانشی مشاهده می‌کردند، تقریبا ثابت بود.
در یک مشاهده جالب دیگر، تلسکوپ کپلر متعلق به ناسا، یک ستاره کوتوله سفید را حین گردش به دور یک کوتوله قرمز در یک منظومه دوتایی، مشاهده کرد. با اینکه کوتوله سفید بسیار پرجرم‌تر از زوج خود بود، اما شعاعی به مراتب کوچک‌تر داشت.
آوی اشپورر، از مرکز تکنولوژی دانشگاه کالیفرنیا، می‌گوید:
چنین مشاهده‌ای مانند آن است که شما یک کک (حشره) را در درون یک لامپ از فاصله ۳۰۰۰ مایلی (حدودا فاصله لس آنجلس تا نیویورک) مشاهده کنید.
تغییر مدار عطارد: یکی از شواهدی که برای نظریه نسبیت عام انیشتین مطرح می‌شود، تغییر مدار عطارد است. مدار این سیاره، بدلیل انحنای فضا زمان در اطراف خورشید، در طول زمان و به صورت تدریجی تغییر وضعیت داده است. حتی در میلیارد‌ها سال گذشته ممکن بوده که با زمین هم برخورد کند.
تغییرات فضا زمان در اطرف اجسام دارای چرخش: چرخش اجرام بزرگ مانند زمین، منجر به پیچ‌خوردگی و کج شدن فضا زمان در اطرافشان می‌شود. در سال ۲۰۰۴ ناسا کاوشگر گرانش B (Gravity Probe B) با هدف آزمایش نظریه نسبیت عام اینشتین، پرتاب کرد. واسنجی (کالیبراسیون) دقیق این ماهواره منجر شد تا ژیروسکوپ‌های درونی با گذشت زمان تغییر وضعیت کمی داشته باشند. نتیجه‌ای که با نسبیت عام اینشتین جور در می‌آمد.
فرانسیس اوریت، مدیر تحقیقاتی کاوشگر گرانش B ، می‌گوید: “تصورش مانند آن است که زمین در عسل غوطه‌ور شده باشد. با چرخیدن سیاره، انبوه عسل پیرامون آن هم چرخش خواهد داشت. عسل را در اینجا می‌توان معادل فضا و زمان در نظر گرفت. کاوشگر گرانش B دو مورد از بنیادی‌ترین پیشبینی‌های اینشتین را تایید کرد و بدین وسیله تاثیرات گسترده‌ای بر مطالعات اخترفیزیک گذاشت.”
انتقال به سرخ گرانشی: تابش الکترومغناطیسی اجرام برای خروج از میدان گرانشی، نیازمند صرف انرژی است که نتیجه آن افزایش طول موج خواهد بود. برای درک بهتر این مورد، امواج صوتی منتشر شده از یک خودرو آمبولانس را متصور شود؛ هرچه خودرو به مقصد نزدیک‌تر می‌شود، طول موج امواج رسیده به مقصد کمتر شده و این امواج فشرده‌تر می‌شوند، برعکس هرچه خودرو از مقصد بیشتر فاصله می‌گیرد، امواجی که به مقصد می‌رسند دچار افزایش طول موج یا به عبارتی کشیده می‌شوند. در فیزیک به این تغییر بسامد (یا طول موج) بر اثر تغییر مکان فرستنده یا گیرنده اثر دوپلر می‌گویند. این پدیده در تمام فرکانس‌های امواج نور مشاهده می‌شود. در سال ۱۹۵۹، دو فیزیکدان به نام‌های رابرت پوند و گلن ربکا، اشعه‌های گامای منتشر شده از آهن رادیواکتیو را بر ساختمانی از دانشگاه هاروارد تاباندند. آنها فرکانس این امواج را کمتر از مقدار طبیعی‌شان مشاهده کردند. گمان برده می‌شود این موضوع به سبب ایجاد انحراف ناشی از جاذبه در امواج باشد.
نظریه نسبیت عام اینشتین پیش بینی می‌کند که فضا زمان اطراف زمین نه تنها بواسطه گرانش آن انحنا پیدا می کند، بلکه بدلیل گردش آن، پیچ‌خورده نیز می‌شود. ماهواره Gravity Probe B که در سال ۲۰۰۴ پرتاب شد، گواه این مدعا است.
امواج گرانشی: رویداد‌های عظیم، مانند برخورد میان دو سیاهچاله، به نظر باید بتوانند در صفحه فضا-زمان موج ایجاد کنند. در سال ۲۰۱۶، رصدخانه موج گرانشی تداخل لزری یا لایگو (LIGO) اعلام کرد شواهدی از وجود امواج گرانشی به دست آورده‌اند.
فقط به این دلیل که ما نمی‌توانیم اجرام را از یک فاصله مشخص، آنسوتر ببینیم یا به عبارتی فقط به این دلیل که کائنات در نگاه ما محدود به نظر می‌رسد؛ دلیل بر محدود بودن آن نیست. بلکه این موضوع نشان می‌دهد فاکتور‌هایی مانند زمان ما را محدود کرده‌اند. لازم است یک تعریف ساده از انفجار بزرگ (بیگ بنگ) داشته باشیم: بناب این نظریه جهان در فضا و یا زمان ثابت نیست. بلکه از یک حالت متحد، با دمای و چگالی بسیار بالا، به حالتی منبسط، خنک تر و گسترده‌تر تکامل پیدا کرده است.
بیشتر بخوانید : نوبل فیزیک ۲۰۱۷ به سه کاشف امواج گرانشی اختصاص یافت.
در سال ۲۰۱۴، دانشمندان اعلام کردند با استفاده از تصویربرداری پس زمینه تلسکوپ قطبی فراکهکشانی (BICEP2) در قطب جنوب، موفق به شناسایی امواج گرانشی حاصل از انفجار بیگ بنگ شده‌اند. گمان برده می‌شود این امواج را از تابش‌های پس زمینه کیهانی (CMB) جداسازی کرده باشند. کیهان شناسان این امواج را بهترین شاهد برای نظریه بیگ بنگ می‌دانند.
عامل اصلی در وقوع بیگ بنگ تورم بود که سرانجام منجر به تشکیل جهانی قابل مشاهده‌ای شد که ما امروز به آن دسترسی داریم. با این حال ما تنها قادر به اندازه گیری کسر کوچکی از نخستین ثاینه‌ی این تورم و تاثیر آن بر جهانمان هستیم. (اعتبار: Bock et al)
جان تاوبر، دانشمند سازمان فضایی اروپا (ESA) در ماموریت فضایی پلانک، که در زمینه امواج کیهانی مطالعه خواهد می‌کند، می‌گوید: “جستجوی پیرامون پیشینه نخستین دوران کائنات به همان اندازه که هیجان‌انگیز است، دشواری‌های خاص خودش را دارد.”
نسبیت عام انیشتین از آزمایشات و بررسی‌های مختلف سربلند بیرون آمده است، اما این را به خاطر داشته باشید که در سرعت‌های پایین و با اجرام کوچک نمی‌توان این نظریه را به درستی لمس کرد. کشیدگی و یا اتساع زمان و کوتاهتر شدن ابعاد طولی تنها زمانی قابل لمس است که بتوانیم به سرعت‌هایی نزدیک به نور برسیم.
شاید بتوان چکیده نظریه نسبیت عام انیشتین را این گونه بیان کرد: ماده به فضا زمان می‌گوید که چگونه خم شود و فضا زمان به ماده می‌گوید که چگونه حرکت کند
بیشتر بخوانید:
.
منبع: Space
مطلب نظریه نسبیت عام انیشتین ؛ داستان یک پیشگویی علمی برای اولین بار در وب سایت تکراتو - اخبار روز تکنولوژی نوشته شده است.