نظریه نسبیت اینشتاین

ترجمه و توضیح: اصغر ناصری ([e-mail])

مرجع: http://www.space.com/17661-theory-general-relativity.html

در سال 1905 البرت اینشتاین این نظریه را ارائه کرد که قوانین فیزیک برای تمامی ناظران بدن شتاب یکسان است و اینکه سرعت نور در خلاء مستقل از حرکت تمامی ناظران است. نظریه نسبیت خاص بدین گونه بیان می شود. این نظریه چارچوب جدیدی برای تمامی فیزیک ارائه کرده و مفاهیم فضا و زمان را به شیوه نوینی بیان نمود.

اینشتاین 10 سال را در تلاش برای داخل کردن شتاب در نظریه خود صرف کرد و نظریه نسبیتعام خود را به سال 1915 منتشر نمود. در این نظریه چنین عنوان می شد که اشیای پرجرم موجب ایجاد انحنا در فضا-زمان می شوند، چیزی که به عنوان گرانش احساس می شود.

کشش گرانش

تمام اشیای موجود در دنیا یک نیروی کششی بر هم وارد می کنند که به نام گرانش خوانده می شود. سر آیزاک نیوتن مقدار نیروش گرانش بین دو شیی را در هنگام تعیین فرمول های حرکت، اندازه گیری کرد. نیرویی که دو شیی را به سمت هم می کشد به جرم هرکدام و فاصله میان آنها بستگی دارد. حتی زمانی که مرکط زمین شما را بسوی خود می کشد (و در نتیجه شما را به محکمی بر روی زمین حفظ می کند) مرکز جرم شما نیز زمین را بسوی خودتان جذب می کند. اما به علت جرم بسیار زیاد زمین، نیروی کشش شما بر آن تاثیر قابل اندازه گیری بر آن ندارد. قوانین نیوتن چنین فرض می کنند که گرانش یک نیروی ذاتی هر شیی است که در طول مسافت های طولانی نیز اثر می کند.

آلبرت اینشتاین در نظریه نسبیت خاص خود چنین عنوان کرد که قوانین فیزیک برای تمامی ناظرین بدون شتاب یکسان هستند و نشان داد که سرعت نور در خلاء ثابت بوده و مستقل از سرعت سیر یک ناظر است. در نتیجه فضا و زمان به شکل یک محیط به هم تنیده بنام فضا-زمان وجود دارد. رویدادهایی که برای ناظری بطور همزمان اتفاق می افتند ممکن است در زمانهای متفاوتی برای ناظری دیگر روی دهند.

اینشتاین با کار مداوم بر روی نظریه نسبیت عام خویش، بدین واقعیت دست یافت که اشیای جسیم باعث انحنای فضا-زمان می‌شوند. تصور کنید که یک جسم سنگین را در وسط ترامپولین (تشک فنری) قرار داده اید. جسم باعث تورفتگی تشک می شود. یک گلوله شیشه ای که روی لبه تشک تورفته غلتانده شود در یک مسیر مارپیچی به سوی درون تورفتگی حرکت خواهد کرد. این عمل درست مانند کشش گرانشی یک سیاره بر روی قطعات سنگ شناور در فضا است.

گرچه انحنای فضا-زمان توسط ابزارهای علمی قابل دیدن یا اندازه گیری نیست، پدیده های متعددی وجود این انحنا را تایید کرده اند.

لنز گرانشی: نور هنگام عبوراز پیرامون یک شیی پرجرم مانند سیاهچاله خم می شود، در نتیجه جسم پرجرم مانند یک لنز بریا اشیای پشت سر خود عمل می کند. ستاره شناسان از این روش بطور منظم برای مطالعه ستارگان و کهکشانهای واقه در پشت سر اشیای جسیم استفاده می کنند.

صلیب اینشتاین، یک شبه ستاره (کوآزار) در صورت فلکی پگاسوس، مثالی عالی از لنز گرانشی است. این کوآزار حدود 8 میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد و پشت سر یک کهکشان با فاصله 400 میلیون سال نوری ازما قرار گرفته است. از این کوآزار چهار تصویر در اطراف کهکشان ایجاد می شود زیرا گرانش پرقدرت کهکشان نوری که از کوآزار به سمت ما می آید را خم می کند.

صلیب اینشتاین. یکی از جالب ترین پدیده های ناشی ازلنز گرانشی 

لنز گرانشی به دانشمندان امکان می دهد پدیده های بسیار جالبی را ببینند. ولی تا همین اواخر آنچه پیرامون لنزها دیده اند نسبتا ساکن باقیمانده است. از آنجایی که نوری که اطراف لنزها حرکت می کند مسیر متفاوتی را اتخاذ کرده و هر پرتوی به میزان متفاوتی از زمان سیر می نماید، دانشمندان قادر بودند یک ابرنوستاره را در چهار زمان متفاوت مشاهده کنند زیرا تصویر آن توسط یک کهکشان عظیم در چهار مسیر متفاوت بزرگتر می شد.

در یک مشاهده بسیار جالب دیگر، تلسکوپ کپلر متعلق به ناسا یک ستاره مرده یا به عبارتی کوتوله سفید را آشکارسازی کرد که به دور یک کوتوله قرمز در یک دستگاه دوتایی می گردید. گرچه کوتوله سفید پرجرم تر است، شعاع بسیار کمتری از همراه خود دارد.

تغییر مدار سیاره تیر. مدار سیاره تیر بواسطه انحنای فضا-زمان پیرامون خورشید پرجرم، بسیار آرام در طول زمان تغییر می کند. در چند میلیاردسال آینده، تیر حتی با زمین برخورد خواهد کرد.

انتقال قرمز گرانشی. تشعشع الکترومغناطیسی یک شیی در یک میدان مغناطیسی اندکی کشیده می شود. به امواج صوتی بیاندیشید که از آژیر یک آمبولانس منتشر می شود. در حالی که خودرو به سمت یک ناظر حرکت می کند، امواج صوتی به هم فشرده می شوند، اما با دورشدن وسیله نقلیه آنها کشیده می گردند. این پدیده که به نام اثر داپلر معروف است، در مورد امواج نور با همه فرکانس ها نیز رخ می دهد. در سال 1959 دو فیزیکدان به نامهای رابرت پاوند و گلن ربکا پرتوهای اشعه گامای ناشی  از آهن رادیواکتیو را به سمت بالای برجی در دانشگاه هاروارد تاباندند. اندازه گیری ها نشان می داد که فرکانس آنها اندکی کمتر از فرکانس طبیعی است. این اختلاف در نتیجه کشش گرانشی ایجاد می شود که امواج گاما را از هم باز کرده و با افزایش طول موج، فرکانس را کاهش می دهد. با کاهش فرکانس یک موج در میدان گرانشی، طول موج به انتهای قرمز طیف نزدیک می شود از این رو این اثر را انتقال قرمز اینشتاین می نامند.

امواج گرانشی. رویدادهای شدیدی مانند برخورد دو سیاهچاله می توانند تموج هایی در فضا-زمان تحت نام امواج گرانشی ایجاد کنند. در سال 2016 رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) اعلام کرد که شواهدی مبتنی بر برخورد دو سیاهچاله که بر مداری مارپیچ به درون هم می غلطند، یافته است. در 2014، دانشمندان اعلام کردند که با استفاده از تصویربرداری پس زمینه تلسکوپ پلاریزاسیون فراکهکشانی (BICEP2) در قطب جنوب توانسته اند امواج گرانشی بجا مانده از مهبانگ (انفجار بزرگ پدید آورنده عالم) را ردیابی کنند. اینطور تصور می شود که این امواج در پس زمینه تابش ریزموج کیهانی فرورفته اند. لیکن پژوهش بیشتر آشکار ساخت که غبار موجود برمسیر ردیابی آنها داده های مربوط به آنها را آلوده می سازد.