نظریه نسبیت خاص و عام انیشتین و کاربرد آن

نظریه نسبیت شامل دو نظریه مرتبط با آلبرت انیشتین است: نسبیت خاص و نسبیت عام .

نسبیت خاص در مورد عدم وجود گرانش در مورد همه پدیده‌های فیزیکی و مادی است. نسبیت عام، قانون گرانش و رابطه آن با دیگر نیروهای طبیعت را توضیح می‌دهد.  این امر مربوط به حوزه‌های کیهان شناختی و اخترفیزیکی، از جمله نجوم است.

نظریه جاذبه‌ای که نیوتن (Newton) ارائه کرد خیلی زود بدون تقریبآ هیچ سؤلی جدی مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. تا اینکه در اویل قرن بیستم آلبرت اینشتین با ارائه نظریه نسبیت خاص در سال 1905 و نظریه نسبیت عام در سال 1915 نه تنها قوانین فیزیک و جاذبه عمومی نیوتن بلکه پایه‌های فیزیک عصر خود را لرزاند.

این مفاهیم از جمله معرفی فضا-زمان به عنوان یک نهاد واحد و یکپارچه از فضا و زمان، نسبیت همزمانی، حرکتی و گرانشی اتساع زمان، انقباض طول، در زمینه فیزیک باعث پیشرفت علم ذرات ابتدایی شد و فعل و انفعالات اساسی آنها، همراه با طغیان در دوره هسته‌ای، کیهان شناسی و اخترفیزیک پدیده‌های فوق‌العاده نجومی مانند ستاره‌های نوترون، سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی را پیش‌بینیمی‌کردند.
هر چند قبل از انیشتین، ماکس پلانک (Max Planck) با ارائه نظریه کوانتم (Quantum) تا حد زیادی فیزیک نیوتنی را زیر سؤال برده بود اما اینشتین با انتشار مقاله‌های خود راجع به نظریه نسبیت رسما ثابت کرد که فیزیک نیوتن در حالت‌های بسیار خاص پاسخگوی پدیده‌های فیزیکی می‌باشد.
وی بعدها با فعالیت‌هایی که در سالهای 1920 تا 1925 انجام داد بعنوان یکی از پایه‌گذاران اصلی مکانیک کوانتم نیز شناخته شد.

آلبرت انیشتین طی سالهای 1930 الی 1955 به بررسی رفتار عالم هستی پرداخت و مقالاتی در این باره منتشر کرد. او می‌خواست با ترکیب نظریه نسبیت و کوانتم به نظریه جامعی برای مدل کردن جهان هستی دست پیدا کند که زندگی این فرصت را برای تکمیل کار به او نداد. اما بعدها در سال 1933 هابل (Hubble) و هومنسون (Humanson) با تحقیقاتی که در زمینه کهکشان‌های مختلف انجام دادند بر نظریه‌های او را جع به جهان هستی صحه گذاردند.

آلبرت انیشتین نسبیت خاص را در سن 25 سالگی بوجود آورد و ده سال بعد توانست نسبیت عام را مطرح کند.

نظریه نسبیت خاص

نسبیت خاص یکی از نظریاتی است که انیشتین مطرح کرده و شامل سه پدیده در سرعت‌های بالا است .

• انقباض لورنتزی که کاهش طول جسم در مسیر حرکت است.
• اتساع زمان که کند شدن زمان است.
• افزایش جرم.

نسبیت خاص بطور خلاصه تنها نظریه ایست که در سرعت‌های بالا (در شرایطی که سرعت در خلال حرکت تغییر نکند-سرعت ثابت)  می‌توان به اعداد و محاسباتش اعتماد کرد. جهان ما جوریست که در سرعت‌های بالا از قوانین عجیبی پیروی می‌کند که در زندگی ما قابل دیدن نیستند. مثلا وقتی جسمی با سرعت نزدیک سرعت نور حرکت کند زمان برای او بسیار کند می‌گذرد. و همچنین ابعاد این جسم کوچکتر می‌شود. جرم جسمی که با سرعت بسیار زیاد حرکت می‌کند دیگر ثابت نیست بلکه ازدیاد پیدا می‌کند. اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند، زمان برایش متوقف می‌شود، طولش به صفر می‌رسد و جرمش بینهایت می‌شود.

نتایج

از نتایج جالب نظریه نسبیت خاص می‌توان به بیان ارتباط میان زمان و و فضا (فاصله) و اینکه تمام موجودیت‌ها در دنیا با یکدیگر مرتبط بوده و بر یکدیگر اثر می‌گذارند، اشاره کرد. نیوتن معتقد بود که زمان ثابت است و در تمام نقاط به یک صورت عمل می‌کند. اما اینشتین نشان داد که اینگونه نیست.
پارادوکس دوقلوها مثال جالبی که معمولا در این باره بیان می‌شود این است که دو برادر دوقلو را در نظر بگیرید. یکی روی کره زمین می‌ماند و دیگری با یک فضاپیما با سرعت نزدیک به نور به سمت فضا حرکت می‌کند. پس از آنکه برادر روی زمین 100 سال از عمرش بگذرد، برادری که در فضاپیما می‌باشد فقط ۱ سال از عمرش گذشته است.

نظریه نسبیت عام

انیشتین در نوامبر سال ۱۹۱۵ یک سری سخنرانی‌هایی در آکادمی علوم پروس ایراد کرد که در آن نظریه جدید گرانش، موسوم به نسبیت عام را مطرح کرد. او در آخرین سخنرانی‌ای که ایراد کرد معادله‌ای را مطرح کرد که جانشین قانون جاذبه نیوتون شد، معادله میدان انیشتین. این نظریه قائل به این است که نه تنها کسانی که با یک سرعت ثابت در حرکتند، بلکه تمامی ناظران، یکسان و هم‌ارز هستند. در نسبیت عام، گرانش دیگر نیرو محسوب نمی‌شود (مانند قانون جاذبه نیوتون)، بلکه آن نتیجه خمیدگی مکان- زمان است.

به خاطر جنگ، مقالاتی که انیشتین در مورد نسبیت عام چاپ کرده بود، در خارج از آلمان در دسترس نبود. خبر نظریه جدید اینشتین توسط فیزیکدان‌های هلندی «هنریک آنتون لورنتس» و «پل ارنفست» و همکار آنها «ویلیام دی‌سیتر» که مدیر رصدخانه لیدن بود، به منجمان انگلیسی‌زبان در انگلیس و آمریکا رسانده شد.

در انگلیس، آرتور استنلی ادینگتون که دبیر انجمن نجوم سلطنتی از دی‌سیتر خواست تا یک سری مقالاتی به زبان انگلیسی به نفع منجمان بنویسد. نظریه جدید او را مجذوب خود ساخته بود و از این رو یکی از مدافعان و مبلغان اصلی نسبیت شد. اغلب منجمان، هندسی‌سازی گرانش توسط اینشتین را نمی‌پسندیدند و معتقد بودند پیش‌بینی‌های او در مورد خمیدگی نور و به قرمزی گرایی گرانشی درست از آب در نخواهد آمد. در سال ۱۹۱۷، منجمان رصدخانه ویلسون در کالیفرنیای جنوبی نتایج تحلیل طیف نور را که در ظاهر نشان می‌داد که در پرتو خورشید به قرمزی گرایی گرانشی وجود ندارد، منتشر کردند. در سال ۱۹۱۸، منجمان رصدخانه لیک در شمال کالیفرنیا تصاویری از خورشیدگرفتگی که در ایالات متحده قابل رویت بود گرفتند. پس از پایان جنگ، آنها نتایج بررسی‌های خود را اعلام کردند و مدعی شدند که پیش‌بینی نسبیت عام انیشتین در خصوص خمیدگی نور اشتباه بوده‌است. با این حال آنها به خاطر خطاهای احتمالی فراوان، هیچگاه اقدام به چاپ نتایجی که به دست آورده بودند نکردند.

آرتور استنلی ادینگتون، طی سفرهایی که در ماه می ‌سال، ۱۹۱۹ در زمانی که خورشیدگرفتگی در بریتانیا رخ داد، به سوبرال سیارا برزیل و جزیره پرینسیپ در ساحل غربی آفریقا داشت، اندازه‌گیری خمیدگی گرانشی عدسی نور ستاره را به هنگام عبور از نزدیکی خورشید تحت نظارت داشت و در نهایت به این نتیجه رسید که محل قرار گرفتن ستاره از خورشید دورتر است. این حالت عدسی گرایی گرانشی نامیده می‌شود و وضعیت ستاره‌های مشاهده شده دو برابر حالتی بود که فزیک نیوتنی پیش‌بینی‌اش را می‌کرد. معهذا، این حالت با پیش‌بینی هم‌ارزی میدانی انیشتین (هم‌ارزی میدانی) نسبیت عام هم‌خوان بود. ادینگتون اعلام کرد که نتایج به دست آمده پیش‌بینی انیشتین را تایید می‌کند و مجله تایمز در هفتم نوامبر آن سال با اتنخاب تیتر زیر، تایید شدن پیش‌بینی انیشتین را گزارش کرد:

"انقلابی در علم، نظریه‌ای جدید در مورد جهان، ایده‌های نیوتن اعتبار خود را از دست می‌دهد."

ماکس بورن، برنده جایزه نوبل از نسبیت عام به عنوان «بزرگترین دستاورد و شاهکار تفکر بشری در مورد طبیعت» برشمرد و پل دیراک نیز که یکی از برندگان جایزه نوبل است، از آن به عنوان «بزرگترین اکتشاف علمی آن زمان» یاد کرد. این اظهار نظرها و تبلیغات متعاقب از آن، باعث شهرت و معروفیت انیشتین شد. او در سطح جهانی معروف شد که موفقیت استثنایی و خاصی برای یک دانشمند محسوب می‌شود.

با این حال هنوز هم بسیاری از دانشمندان به دلایل مختلفی که شامل دلایل علمی (مخالفت با تفسیر انیشتین از آزمایش‌های انجام شده، اعتقاد به اتر و یا ضرورت وجود ملاک مطلق) و دلایل روانی-اجتماعی (محافظه کاری، یهود ستیزی) می‌شد، نظریات انیشتین را نمی‌پذیرفتند. به نظر انیشتین، اغلب مخالفت‌هایی که با نظریه او می‌شد، از جانب آزمایش «باورانی» بود که درک ناچیزی از نظریه مطرح شده داشتند.

شهرتی که انیشتین بعد از چاپ مقاله ۱۹۱۹ دست آورده بود، باعث شد بسیاری از دانشمندان نسبت به او ابراز نفرت و انزجار کنند و نفرت و انزجار برخی از آنها حتی تا دهه ۳۰ نیز ادامه یافت. مباحث زیادی در مورد ابراز انزجار نسبت به شهرت و معروفیت انیشتین وجود دارد، بویژه در میان آن دسته از فیزیکدانان آلمانی که بعد‌ها جنبش ضد انیشتینی «دویچه فیزیک» را در مقدمه Klaus Hentschel؛ یعنی «فیزیک و سوسیالسم اجتماعی» به راه انداختند.

انیشتین در ۳۰ مارس سال ۱۹۲۱، یعنی همان سالی که برنده جایزه نوبل شد، برای ایراد سخنرانی در مورد نظریه جدید نسیبت به نیویورک رفت. اگرچه امروزه انیشتین به خاطر فعالیت‌هایش درمورد نسبیت شهرت یافته، اما جایزه نوبل به خاطر کارهای او در مورد «اثر فوتوالکتریک» به او اعطا شد؛ چرا که در مورد نسبیت عام در آن زمان هنوز اختلاف نظر وجود داشت. هیات نوبل با خود به این نتیجه رسیند که اشاره به آن نظریه انیشتین در نوبل که اختلاف نظر و مخالفت در مورد آن کمتر است، بیشتر مورد قبول جامعه علمی واقع خواهد شد.

به زبان ساده

نسبیت عام برای حرکت‌هایی ساخته شده که در خلال حرکت، سرعت تغییر می‌کند یا به اصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمین g که همان عدد 9.81m/s²است نیز یک نوع شتاب است. پس نسبیت عام با شتاب‌ها کار دارد نه با حرکت.

نسبیت عام نظریه‌ای است راجع به اجرامی که شتاب ثقل دارند. کلا هرجا در عالم، جرمی در فضای خالی باشد حتما یک شتاب جاذبه در اطراف خود دارد که مقدار عددی آن وابسته به جرم آن جسم می‌باشد. پس در اطراف هر جسمی شتابی وجود دارد. نسبیت عام با این شتاب‌ها سروکار دارد و بیان می‌کند که هر جسمی که از سطح یک سیاره دور شود زمان برای او کندتر می‌شود. یعنی مثلا، اگر دوربینی روی ساعت من بگذارند و از عقربه‌های ساعتم فیلم زنده بگیرند و روی ساعت آدمی که دارد بالا می‌رود و از سیاره‌ی زمین جدا می‌شود هم دوربینی بگذارند و هردو فیلم را کنار هم روی یک صفحه تلویزیونی پخش کنند، ملاحظه خواهیم کرد که ساعت من تندتر کار می‌کند.

نسبیت عام نتایج بسیار عجیب و قابل اثبات در آزمایشگاهی دارد. مثلا نوری که به اطراف ستاره‌ای سنگین می‌رسد کمی بسمت آن ستاره خم می‌شود. سیاه‌چاله‌ها (اگر یه ستاره چند برابر خورشید باشد و همه سوختش را بسوزاند، از انجا که یک نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده می‌شود و یک حفره سیاه رنگ مثل یه قیف درست می‌کند که نیروی جاذبه فوق‌العاده زیادی دارد طوری که حتی نور هم نمی‌تواند از آن فرار کند) هم بر اساس همین خاصیت است که کار می‌کنند. جرم آانها بقدری زیاد و حجمشان بقدری کم است که نور وقتی از کنار آنها می‌گذرد به داخل آنها می‌افتد و هرگز بیرون نمی‌آید.

همه ما برای یک‌بار هم که شده گذرمان به ساعت‌فروشی افتاده است و ساعت‌های بزرگ و کوچک را دیده‌ایم که روی ساعت ده و ده دقیقه قرار دارند. ولی هیچگاه از خودمان نپرسیده‌ایم چرا؟ آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت خاص با حرکت شتابدار و یا با گرانش کاری نداشت. اولین موضوعات را در نظریه نسبیت عام خود که در 1915 انتشار یافت مورد بحث قرار داد. نظریه نسبیت عام دید گرانشی را به کلی تغییر داد و در این نظریه جدید نیروی گرانش را مانند خاصیتی از فضا در نظر گرفت نه مانند نیرویی بین اجرام، یعنی برخلاف آنچه که اسحاق نیوتن گفته بود!

در نظریه او فضا در مجاورت ماده کمی انحنا پیدا می‌کرد. در نتیجه حضور ماده اجرام، مسیر یا به اصطلاح کمترین مقاومت را در میان منحنی‌ها اختیار می‌کردند. با این که فکر آلبرت انیشتین عجیب به نظر می‌رسید می‌توانست چیزی را جواب دهد که قانون ثقل نیوتن از جواب دادن آن عاجز می‌ماند. سیاره اورانوس در سال 1781 میلادی کشف شده بود و مدارش به دور خورشید اندکی ناجور به نظر می‌رسید و یا به عبارتی کج بود!

نیم قرن مطالعه این موضوع را خدشه‌ناپذیر کرده بود. بنابر قوانین نیوتن می‌بایست جاذبه‌ای برآن وارد شود. یعنی باید سیاره‌ای بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از طرف آن نیرویی بر اورانوس وارد شود. در سال 1846 میلادی اختر شناس آلمانی دوربین نجومی خودش را متوجه نقطه‌ای کرد که «لووریه» گفته بود و بی هیچ تردید سیاره جدیدی را در آنجا دید که از آن پس نپتون نام گرفت. نزدیکترین نقطه مدار سیاره عطارد به خورشید در هر دور حرکت سالیانه سیاره تغییر می‌کرد و هیچگاه دوبار پشت سر هم این تغییر در یک نقطه خاص اتفاق نمی‌افتاد. اختر شناسان بیشتر این بی‌نظمی‌ها را به حساب اختلال ناشی از کشش سیاره‌های مجاور عطارد می‌دانستند! مقدار این انحراف برابر 43 ثانیه قوس بود. این حرکت در سال 1845 به وسیله لووریه کشف شد بالاخره با ارائه نظریه نسبیت عام جواب فراهم شد. این فرضیه با اتکایی که بر هندسه نااقلیدسی داشت نشان داد که حضیض هر جسم دوران کننده حرکتی دارد علاوه برآنچه اسحاق نیوتن گفته بود.

وقتی که فرمول‌های آلبرت انیشتین را در مورد سیاره عطارد به کار بردند، دیدند که با تغییر مکان حضیض این سیاره سازگاری کامل دارد. سیاره‌هایی که فاصله‌شان از خورشید بیشتر از فاصله تیر (عطارد) تا آن است تغییر مکان حضیضی دارند که به طور تصاعدی کوچک می‌شوند. اثربخش‌تر از اینها دو پدیده تازه بود که فقط نظریه آلبرت انیشتین آن‌را پیشگویی کرده بود. نخست آنکه آلبرت انیشتین معتقد بود که میدان گرانشی شدید موجب کند شدن ارتعاش اتم‌ها می‌شود و گواه بر این کند شدن تغییر جای خطوط طیف است به طرف رنگ سرخ! یعنی اینکه اگر ستاره‌ای بسیار داغ باشد و به طوری که محاسبه می‌کنیم بگوییم که نور آن باید آبی درخشان باشد در عمل سرخ رنگ به نظر می‌رسد؛ کجا برویم تا این مقدار قوای گرانشی و حرارتی بالا را داشته باشیم، پاسخ مربوط به کوتوله‌های سفید است.

دانشمندان به بررسی طیف کوتوله‌های سفید پرداختند و در حقیقت تغییر مکان پیش‌بینی شده را با چشم دیدند! اسم این را تغییر مکان آلبرت انیشتینی گذاشتند. انیشتین می‌گفت که میدان گرانشی، شعاع‌های نور را منحرف می‌کند چگونه ممکن بود این مطلب را امتحان کرد. اگر ستاره‌ای در آسمان، آن سوی خورشید درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان کسوف خورشید قابل رؤیت باشد اگر وضع آنها را با زمانی که فرض کنیم خورشیدی در کار نباشد مقایسه کنیم خم شدن نور آنها مسلم است. درست مثل موقعی که انگشت دستتان را جلوی چشمتان در فاصله 8 سانتیمتری قرار دهید و یکبار فقط با چشم چپ و بار دیگر فقط با چشم راست به آن نگاه کنید به نظر می‌رسد که انگشت دستتان در مقابل زمینه پشت آن تغییر جا می‌دهد ولی واقعاً انگشت شما که جابجا نشده است!

دانشمندان در موقع کسوف در جزیره پرنسیپ پرتغال واقع در آفریقای غربی دیدند که نور ستاره‌ها به جای آنکه به خط راست حرکت کنند در مجاورت خورشید و در اثر نیروی گرانشی آن خم می‌شوند و به صورت منحنی در می‌آیند. یعنی ما وضع ستاره‌ها را کمی بالاتر از محل واقعیش می‌بینیم. ماهیت تمام پیروزی‌های نظریه نسبیت عام انیشتین، نجومی بود ولی دانشمندان حسرت می‌کشیدند که ای کاش راهی برای امتحان آن در آزمایشگاه داشتند.

نظریه آلبرت انیشتین به ماده به صورت بسته متراکمی از انرژی نگاه می‌کرد به همین خاطر می‌گفت که این دو به هم تبدیل پذیرند یعنی ماده به انرژی و انرژی به ماده تبدیل می‌شود: E = mc².

دانشمندان به ناگاه جواب بسیاری از سؤال‌ها را یافتند. پدیده رادیواکتیوی به راحتی توسط این معادله توجیه شد. کم‌کم دانشمندان متوجه شدند که هر ذره مادی یک پادماده مساوی خود دارد و در اینجا بود که ماده و انرژی غیر قابل تفکیک شدند.

بمب اتم

آلبرت انیشتین طی نامه‌ای به رئیس جمهور آمریکا نوشت که می‌توان ماده را به انرژی تبدیل کنیم و یک بمب اتمی درست کنیم و آمریکا دستور تأسیس سازمان عظیمی را داد تا به بمب اتمی دست پیدا کند. برای شکافت هسته اتم اورانیوم 235 انتخاب شد. اورانیوم عنصری است که در پوسته زمین بسیار زیاد است. تقریباً 2 گرم در هر تن سنگ! یعنی از طلا چهارصد مرتبه فراوان‌تر است اما خیلی پراکنده.

در سال 1945 مقدار کافی برای ساخت بمب جمـع شده بود و این کار یعنی ساختن بمب در آزمایشگاهی در «لوس آلاموس» به سرپرستی فیزیکدان آمریکایی «رابرت اوپنهایمر» صورت گرفت. آزمودن چنین وسیله‌ای در مقیاس کوچک ناممکن بود. بمب یا باید بالای اندازه بحرانی باشد یا اصلاً نباشد و در نتیجه اولین بمب برای آزمایش منفجر شد. در ساعت 5/5 صبح روز 16 ژوئیه 1945 برابر با 25 تیرماه 1324 و نیروی انفجاری برابر 20 هزار تن T.N.T آزاد کرد. دو بمب دیگر هم تهیه شد. یکی بمب اورانیوم بنام پسرک با سه متر و 60 سانتیمتر طول و به وزن 5/4 تن و دیگری مرد چاق که پلوتونیم هم داشت. اولی روی هیروشیما و دومی روی ناکازاکی در ژاپن انداخته شد.

صبح روز 16 اوت 1945 در ساعت 10 و ده دقیقه صبح شهر هیروشیما با یک انفجار اتمی به خاک و خون کشیده شد. با بمباران هیروشیما جهان ناگهان به خود آمد، 160000 کشته در یک روز؛ وجدان خفته فیزیکدان‌ها بیدار شد! اوپنهایمر، مسئول پروژه بمب و دیگران از شدت عذاب وجدان لب به اعتراض گشودند و به زندان افتادند. آلبرت انیشتین اعلام کرد:

که اگر روزی بخواهم دوباره به دنیا بیایم دوست دارم یک لوله‌کش بشوم نه یک دانشمند!

جدال نسبیت و نیوتن

اینشتین با نظریه نسبیت خاص خود نشان داد که ۳ قانون فیزیک نیوتن تنها در شرایط خاصی آن‌هم بصورت تقریبی صحت دارند و هنگامی که سرعت اجسام زیاد شده و با سرعت نور قابل مقایسه شوند به هیچ وجه نمی‌توان قوانین نیوتن را در مورد اجسام حتی با تقریب بالا بکار برد. همچنین نظریه نسبیت عام او نشان داد که نظریه نیوتن راجع به قانون جاذبه عمومی دقیق نمی‌باشد و در میدان‌های جاذبه بسیار قوی فرمول نیوتن جای بحث دارد.
مطالعه حرکت عطارد (Mercury) به دور خورشید از دیرباز مورد علاقه ستاره‌شناسان و فیزیکدانان بوده است. مشکل اینجا بوجود آمد که مشاهده شد صفحه‌ای که عطارد در آن به دور خورشید می‌چرخد خود دارای حرکت می‌باشد.

اندازه‌گیری‌ها نشان داد که این حرکت در هر ۱۰۰ سال معادل 43 ثانیه (در اینجا منظور از ثانیه واحد اندازه‌گیری کمان می‌باشد که معادل 1/3600 درجه است) می‌باشد. با وجود آنکه این مقدار حرکت برای هر سال بسیار کم می‌باشد اما قانون جاذبه عمومی نیوتن از توجیه آن عاجز است. نیوتن معتقد بود که نور در یک مسیر مستقیم حرکت می‌کند اما اینشتین نشان داد که اگر جسمی دارای یک میدان جاذبه بزرگ باشد و نور از کنار آن عبور کند دچار انحراف از مسیر مستقیم خود می‌شود.
دیگر مواردی که از قانون نسبیت عام می‌توان نتیجه گرفت آن که نور ستارگانی که دارای میدان‌های مغناطیسی قوی می‌باشند در راه رسیدن به زمین تغییر طول موج می‌دهند. این اثر که به Red Shift مشهور است، باعث می‌شود طول موج نور این ستاره‌ها بزرگتر شود. این مسئله که باز با قوانین نیوتن قابل تحلیل نمی‌باشد توسط معادلات نظریه نسبیت عام بسادگی مدل می‌شود.

خمیدگی فضا-زمان

زمان و فضا بر طبق نظریه نسبیت انیشتین به یکدیگر بافته شده‌اند و ساختار تاروپودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود آورده‌اند. جرم قابل توجه زمین، این ساختار را به شکل یک گودی در می‌آورد. مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد (هر چند که چنین خمیدگی‌های فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف اجرام بسیار پر جرم‌تر و فشرده‌تری مانند سیاه‌چاله‌ها، ستاره‌های نوترونی، و کوتوله‌های سفید سراغ داریم. اما اگر با دقت کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم‌تری مانند زمین را نیز بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می‌توانیم بیابیم).

بر طبق نظریه نسبیت عام انیشتین، حرکت اجسام در ساختار تاروپودی فضا-زمان صورت می‌گیرد. یعنی جسم در حال حرکت تابع شکل فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه، گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می‌شود و در نتیجه حرکت جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می‌کند. می‌توان گفت که به زبان انیشتین، گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین در مداری به دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان اطراف خورشید در این مسیر هدایت می‌شود.

اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از آنجا که زمین به دور خود حرکت دورانی دارد، این خمیدگی نیز باید همراه با زمین بچرخد. زمین با پیچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یک ساختار چرخشی ۴ بعدی در می‌آورد. این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.
این آزمایش براساس فکر بسیار ساده‌ای انجام می‌شود: یک ژیروسکوپ (گردش‌نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار می‌دهند، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستاره بسیار دور -در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجود نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند. ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می‌کند. با اندازه‌گیری بسیار دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می‌توان میزان خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.

اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است:
۴ ژیروسکوپی که در GP-B کار گذاشته شده‌اند، کامل‌ترین کره‌هایی هستند که تا به حال به دست بشر ساخته شده‌اند. این کره‌ها که هر کدام به اندازه یک توپ پینگ‌پونگ‌اند (به قطر حدود ۴ سانتیمتر)، از جنس سیلیکون و کوارتز هستند. هیچگاه اختلاف آنها با یک کره کامل بیش از ۴۰ لایه اتمی نیست. اگر ژیروسکوپ‌ها کاملا کروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی ، حرکت می‌کرد.

بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا کرده در نزدیکی زمین باعث می‌شود تا محور ژیروسکوپ در طول یک سال به اندازه‌ ۰.۰۴۱ ثانیه قوس جابه‌جا شود. یک ثانیه قوس ۱/۳۶۰۰ یک درجه است. برای اندازه‌گیری دقیق این زاویه، GP-B به دقت سنجش فوق‌العاده ۰.۰۰۰۵ ثانیه قوس نیاز دارد. این عمل مانند آن است که بخواهیم قطر یک ورق کاغذ را از فاصله ۱۵۰ کیلومتری اندازه بگیریم.

محققان GP-B فناوری‌های کاملا جدیدی را برای این اندازه‌گیری اختراع کرده‌اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا بدون لرزش ساخته‌اند تا در هنگام حرکت ماهواره در لایه‌های بالایی جو به ژیروسکوپ‌ها لرزشی وارد نشود. آنها دریافتند که چگونه از نفوذ میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیری کنند و همچنین دستگاهی را برای اندازه‌گیری چرخش ژیروسکوپ، بدون تماس با آن، اختراع کردند.

فرانسیس اوریت، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و محقق اصلی پروژه GP-B می‌گوید: “در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیر کننده‌ای اتفاق نیفتاده است.” اکنون که مرحله جمع‌آوری اطلاعات پایان یافته است، او می‌گوید : “دانشمندان GP-B با اشتیاق و علاقه بیشتری به کار خود ادامه می‌دهند و کار سخت پیش روی خود را نادیده نمی‌گیرند.”
در مرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و کامل بررسی کنند. اوریت توضیح می‌دهد که دانشمندان GP-B این کار را در سه مرحله انجام می‌دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسی می‌کنند تا بی‌نظمی‌های موجود در آنها را بیابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در می‌آورند و در نهایت آنها را به صورت یک مجموعه کامل به دست آمده در طول یک سال، تحلیل می‌کنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات موجود در اطلاعات را، که از طریق یک روش تجزیه و تحلیل ساده نمی‌توان پیدا کرد، می‌یابند.
نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی می‌کنند. اوریت می‌گوید: “بدین طریق به سخت‌ترین منتقدان، اجازه شرکت در این پروژه داده می‌شود.” اگر GP-B بتواند به طور دقیق چاله فضا-زمانی را که انتظار می‌رود مشخص کند، بدین معنی است که بر اساس باور عمومی فیزیکدانان نظریه انیشتین حقیقت داشته است ولی اگر این گونه نشود، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟

شاید ایرادی در نظریه نسبیت عام انیشتین یافته شود. اختلاف کوچکی که ظهور انقلابی بزرگ را در فیزیک عصر جدید اعلام خواهد کرد.

حلقه‌های انیشتین

شاهد عینی نسبیت عام انیشتین حلقه‌هایی از نور است که بر اثر خمیده شدن نور کهکشان‌های دوردست در گذر از کنار میدان گرانشی نیرومند کهکشان بزرگ یا مجموعه کهکشان‌های میان راه پدید آمده‌اند.

در تصاویر بالا که با تلسکوپ فضایی هابل گرفته شده است، اشکال آبی رنگی که مانند چشم گاو به نظر می‌رسند، به حلقه‌های انیشتین معروف‌اند و زیباترین جلوه پدیده انحنای گرانشی در کیهان هستند. لکه‌های قرمز مایل به زرد، کهکشان‌های بیضوی غول‌پیکری هستند که نقش منحرف کننده نور یا همان عدسی‌های گرانشی را اجرا می‌کنند. آنها  2 تا 4 میلیارد سال نوری از ما فاصله دارند و با وجود فاصله زیادشان بسیار نزدیکتر از کهکشان‌های منشا حلقه‌های انیشتین‌اند.

حلقه معمولا نماد عینی رمزآلود بودن، نماد یک قدرت- مانند داستان معروف ارباب حلقه‌ها- یا نماد پیوند بین دو انسان است. اما در فضا حلقه‌ای از نور، چیزی بیش از یک نماد است. این حلقه یا کمان نورانی، ما را به ماده نامریی راهنمایی می‌کند و نوری است که از کهکشان‌های بسیار دور به ما می‌رسد. آلبرت انیشتین حدود ۷۰ سال پیش، وجود چنین حلقه‌هایی را پیش‌بینی کرد. وی در مقاله‌ای در سال ۱۹۳۶ توصیف کرد که چگونه بر اثر انحراف نور در میدان گرانشی یک جرم عظیم ممکن است نور دوردستی چنان منحرف شود که حلقه‌ای کامل به نام “حلقه انیشتین” بسازد. جرم منحرف کننده نور در بین راه مانند یک عدسی عمل می‌کند و علاوه بر ایجاد تصویری بزرگتر، هر چند به هم ریخته، از جرم دوردست، همچنین منبع نور را روشن‌تر می‌سازد؛ به صورتی که در بعضی موارد این عدسی‌های عظیم کیهانی، کهکشان‌های بسیار کم نور را قابل مشاهده می‌نمایند.

آدام بولتون از مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیت سونی (CFA) می‌گوید:

حلقه انیشتین یکی از جذاب‌ترین جلوه‌های نظریه نسبیت عام در کیهان به شمار می‌رود و به ما امکان می‌دهد تا کهکشان‌های بسیار پرجرم موجود در کیهان را مطالعه کنیم.

این خطای اپتیکی ایجاد شده بر اثر انحنای فضا به «همگرایی گرانشی» معروف است. درست مانند آنکه یک عدسی بزرگ با بزرگ‌نمایی بالا را در فضا قرار دهیم تا ضمن تشدید نور اجسام دورتر، به آن انحنا دهد. در همگرایی گرانشی نور کهکشانی دور می‌تواند بر اثر یک کهکشان در بین راه منحرف شود و یک کمان یا چند تصویر جدا از هم بسازد. هنگامی که هر دو کهکشان ذکر شده نسبت به ما درست در یک خط قرار گیرند، نور به شکل حلقه‌ای مانند «چشم گاو» در می آید، که به «حلقه انیشتین» معروف است و پیرامون کهکشان نزدیکتر یعنی همان عدسی گرانشی تشکیل می‌شود.

اخترشناسان در حال حاضر دو منبع قوی برای جمع‌آوری اطلاعات در این زمینه در اختیار دارند: طرح نقشه برداری دیجیتالی آسمان یا (Sloan Digital Sky Survey) SDSS  و تلسکوپ فضایی هابل که از آنها برای شناسایی ۱۹ مورد مشکوک به پدیده انحنای گرانشی کهکشانی استفاده می‌کنند. این موارد به ۱۰۰ مورد از قبل شناسایی شده اضافه می‌شوند. با بررسی این کمان‌ها و حلقه‌های تشکیل شده بر اثر انحراف نور، اخترشناسان می‌توانند به صورت دقیق جرم کهکشان نزدیکتر را محاسبه کنند. در بین این ۱۹ مورد، آنها ۸ مورد از «حلقه های انیشتین» یافته‌اند که فقط ۳ مورد از آنها قبلا در طیف مریی دیده شده بودند.

این موارد تازه کشف شده، از طرح در حال انجامی به نام «slacs» گرفته شده‌اند. گروهی از منجمان به سرپرستی آدام بولتون از «CfA» و لئون کوپمانس از مؤسسه نجوم کپتین در هلند، نامزدهای پدیده انحنای گرانشی را از میان چند صدهزار طیف مرئی گرفته شده از کهکشان‌های بیضوی در طرح «SDSS» انتخاب کردند. آنان برای تایید این انتخاب از چشمان تیزبین دوربین پیشرفته نقشه برداری هابل استفاده کردند. بولتون توضیح می‌دهد که “حجم انبوه اطلاعات «sdss» همراه با کیفیت عکس‌برداری تلسکوپ فضایی هابل فرصت جدیدی را برای کشف موارد جدیدی از انحنای گرانشی فراهم آورده است. ما موفق شده‌ایم از هر هزار کهکشان که علائمی از انحنای گرانشی نشان می‌دادند، فقط یک مورد را از بقیه جدا کنیم.”

علاوه بر ایجاد این اشکال عجیب، پدیده همگرایی گرانشی مستقیم‌ترین نشانه وجود ماده تاریک در کهکشان‌های بیضوی است.

ماده تاریک شکل نامرئی و بسیار اسرارآمیز ماده است که هنوز به طور مستقیم مشاهده نشده است و اخترشناسان وجود آن را با اندازه‌گیری تاثیر گرانشی آن بر محیط اطراف نتیجه می‌گیرند. ماده تاریک در داخل کهکشان‌ها پخش شده و بیشتر مقدار ماده موجود در کیهان را تشکیل می‌دهد. با بررسی ماده تاریک در کهکشان‌ها، اخترشناسان امیدوارند تا بینش بهتری نسبت به تشکیل کهکشان‌ها، که در زمان فشردگی ماده تاریک در عالم اولیه آغاز شده است، به دست آورند.

کوپمانس می‌گوید: “با مطالعه موارد مختلف پدیده انحنای گرانشی که نور منشا آنها به چندین میلیارد سال پیش برمی‌گردد، این امکان فراهم می‌شود تا تغییرات توزیع ماده تاریک و مرئی را در طی زمان از ابتدای عالم تا دوران نزدیک به ما بررسی کنیم. با استفاده از این اطلاعات، درستی نظریه رایجی که بر طبق آن کهکشان‌ها از جمع شدن و به هم پیوستن کهکشان‌های کوچکتر به وجود می‌آیند، آزمایش می‌شود.”

طرح تحقیقاتی «Slacs» که بولتون آن را در دانشگاه «MIT» آغاز کرد، کماکان ادامه دارد و تاکنون گروه او از تلسکوپ فضایی هابل برای بررسی ۵۰ کهکشان نامزد به منظور جستجوی پدیده همگرایی گرانشی استفاده کرده است. تعداد کهکشان‌های مطالعه شده در نهایت بالغ بر ۱۰۰ عدد خواهد بود که در بین آنها موارد وقوع همگرایی گرانشی بیشتری وجود خواهد داشت. یافته‌های اولیه این تحقیق در مقاله‌ای در فوریه ۲۰۰۶ در نشریه اخترفیزیک «(Astrophysical Journal)» منتشر گردید.

تایید در کهکشان‌های دوردست

محققان در تحقیقی جدید ثابت کردند رفتار جاذبه در یک کهکشان دوردست شبیه رفتار آن در منظومه شمسی است. به این ترتیب نظریه نسبیت انیشتین در کهکشان‌های دورست نیر تایید می‌شود.

به گزارش علم اینسایدر و به نقل از Space، این تحقیق از مفهوم کنونی جاذبه پشتیبانی و دلایل بیشتری برای وجود ماده و انرژی تاریک جمع‌آوری می‌کند. نظریه انیشتین در سال ١٩١۶ منتشر شد و توضیح می‌دهد جاذبه نتیجه مفهومی به نام فضا-زمان است. به بیان ساده این نظریه پیش‌بینی می‌کند چه میزان از حجم یک ماده (در اینجا کهکشان) فضا- زمان را انحنا می‌دهد.

این نظریه از زمان انتشار تاکنون بارها آزمایش شده است. اما تحقیقات جدید گروهی بین‌المللی از محققان به رهبری دانشمندان انستیتو توماس کولت در دانشگاه پورتموث انگلیس، نخستین پژوهش دقیقی است که نظریه نسبیت را در مقیاس ستاره شناسی آزمایش می‌کند.

محققان با کمک اطلاعات تلسکوپ هابل و تلسکوپ بزرگ رصدخانه جنوب اروپا در شیلی متوجه شدند رفتار جاذبه در یک کهکشان دوردست شبیه رفتار آن در منظومه شمسی است و این دقیقا همان مطلبی است که انیشتین پیش‌بینی کرده بود.

گردآورنده: دنیاها، دانشنامۀ فارسی | www.donyaha.ir