نظریه نسبت عام چیست؟

نسبیت عام، شیوه ادراک آلبرت اینشتاین فیزیکدان از نحوه تاثیر گرانش بر بافت فضا-زمان است.

شبیه سازی اعوجاج فضا -زمان در اثر برخورد دو سیاهچاله

این نظریه که در سال 1915 توسط اینشتاین منتشر شد، بسطی بود بر نظریه نسبیت خاص او که ده سال پیش از آن منتشر شده بود. بنا بر نظریه نسبیت خاص، فضا و زمان بطرزی ناگشودنی در هم تنیده اند اما این نظریه شامل توضیحی برای پدیده گرانش نمی شد. اینشتاین ده سال وقت صرف تبیین این واقعیت کرد که اجرام بویژه جسیم چگونه بفت فضا-زمان را در هم می پیچند، اعوجاجی که به صورت گرانش خود را نشان می دهد.

برای درک نسبیت عام ابتدا باید با گرانش شروع کنیم، نیروی جاذبه ای که دو جسم برهم وارد می کنند. سرایزاک نیوتون گرانش را در همان متنی تشریح کرده بود که سه قانون حرکت خود را ارائه کرد: پرنسیپیا یا کتاب اصول که از مهمترین آثار کلاسیک علمی جهان محسوب می شود.

نیروی گرانشی که دو جسم را به هم می کشد به میزان جرم و فاصله میان آنها بستگی دارد. در حالی که زمین شما را به سمت خود کشیده و به محکمی بر روی سطح خود نگاه می دارد، مرکز جرم شما نیز با نیرویی یکسان زمن را بسوی خود می کشد. اما زمین بسیار جسیم تر نیروی کشش شما را بندرت حس می کند. قانون نیوتن چنین فرض می کند که گرانش یک نیروی ذاتی جسم است که در طول یک فاصله عمل می کند.

آلبرت اینشتاین در نظریه نسبیت خاص خود چنین تبیین کرد که قوانین فیزیک برای تمام ناظرین بدون شتاب یکسان عمل می کنند و نشان داد که سرعت نور درون خلاء ثابت بوده و به سرعت حرکت یک ناظر بستگی ندارد.

در نتیجه او چنین نتیجه گرفت که فضا و زمان در محیط یگانه پیوسته ای به نام فضا-زمان در هم تنیده شده اند و رویدادهایی که برای ناظری همزمان روی می دهند ممکن است برای ناظر دیگر در زمانهای متفاوتی رخ دهند.

اینشتاین با کار بر روی معادلات نظریه نسبیت عام به این واقعیت دست یافت که اشیای جسیم موجب اعوجاجی در فضا-زمان می شوند. تصور کنید که جسم بزرگی را در مرکز یک ترامپولین (تشک فنری بازی کودکان) قرار داده اید. جسم درون بافت تشک فرو رفته و منجر به گود شدن آن می شود. اگر تلاش کنید مهره ای را پیرامون لبه تشک به حرکت در آورید، مهره بسوی محل قرار گرفتن جسم در مسیری مارپیچی حرکت خواهد کرد، همانگونه که گرانش سیارات صخره های موجود در فضا را به سمت خود می کشد.

خمش فضا -زمان پیرامون زمین و ماه

از زمانی که اینشتاین نظریه خود را منتشر کرده است، دانشمندان پدیده های بیشماری را مطالعه کرده اند که تاییدی بر پیش بینی های نظریه نسبیت بوده است.

پدیده لنز گرانشی

نور پیرامون یک شیء جسیم مانند سیاهچاله خم شده و موجب می شود آن شیء بصورت یک لنز برای اشیای پشت سر خود عمل کند. ستاره شناسان از این روش بطور روتین برای مطالعه ستارگان و کهکشانهایی استفاده کرده اند که پشت سر اجرام جسیم قرار دارند.

مثالی عالی از پدیده لنز گرانشی، صلیب اینشتاین است، یک کوآزار که در صورت فلکی پگاسوس قرار دارد. این کوآزار اکنون طوری دیده می شود که در 11 میلیارد سال قبل بود، کهکشانی که جلوی کوآزار قرار دارد ده بار به زمین نزدیکتر است. از آنجایی که این دو جسم عظیم به خوبی در یک راستا قرار دارند، چهار تصویر از کوآزار پیرامون کهکشان دیده می شود زیرا گرانش قدرتمند کهکشان نور آمده از سوی کوآزار را خم می کند.

در مواردی مانند صلیب اینشتاین، تصاویر متفاوت اشیای تولید شده توسط لنز گرانشی بطور همزمان دیده می شوند. دانشمندان نمونه های دیگری از پدیده لنز گرانشی را مشاهده کرده اند که نور سیر کرده در اطراف لنز مسیرهای متفاوتی با طول متفاوت را طی می کند و تصاویر مختلف در زمانهای متفاوتی به ناظر زمینی می رسند، مانند مورد بسیار جالب یک ابرنوستاره.

 

پدیده شگرف صلیب اینشتاین

مدار سیاره تیر در طول زمان به علت انحنای فضا زمان پیرامون خورشید، به شیوه ای بسیار تدریجی تغییر می‌کند. به عنوان نزدیکترین سیاره به خورشید، تیر در نزدیکترین نقطه خود به خورشید (نقطه حضیض که perihelion نیز نامیده می شود) مسیری اندکی متفاوت در طول زمان طی می کند. تحت پیش بینی‌های قانون نیوتن، نیروهای گرانشی در دستگاه خورشیدی باید باعث تغییر در مدار تیر به اندازه 5600 ثانیه قوسی در هر قرن شوند. لیکن یک انحراف 43 ثانیه اس در هر قرن مشاهده می شود که تنها با نظریه نسبیت عام اینشتاین قابل پیش بینی است. با استفاده از نظریه انحنای فضا-زمان اینشتاین، تغییر مداری تیر در نقطه حضیض خود باید از مقدار پیش بینی شده توسط نیوتن اندکی بیشتر باشد، زیرا سیارات دور خورشید در یک مدار ایستای بیضوی دوران نمی کنند. در چند میلیارد سال آینده این انحراف مداری باعث خواهد شد درونی ترین سیارات دستگاه خورشیدی با خورشید یا سایر سیارات برخورد کنند.

چرخش یک جسم سنگین مانند سیاره زمین باعث پیچش و اعوجاج فضا-زمان پیرامون آن می شود. در 2004 ناسا پراب گرانشی GP-B را به فضا پرتاب کرد. ژایروسکوپهای محورهای ماهواره به دقت کالیره شده بودند و در طول زمان به مقدار بسیار اندکی دچار رانش می شدند. این یافته ها با نظریه اینشتاین کاملا تطابق داشت. برای توضیح ایم موضوع تصور کنید زمین داخل عسل شناور است. با چرخش سیاره، عسل پیرامون آن دچا جریانهای گرابی می شود و همین اتفاق در مورد فضا – زمان روی می دهد. ماهواره مزبور دوتا از بنیادی ترین پیش بینی های عالم اینشتاینی را تایید کرد که در گستره فضای بیکران تاثیرات بسیار بزرگتری دارند.

انتقال قرمز گرانشی

تشعشع الکترومغناطیسی یک شیء داخل یک میدان گرانشی اندکی کشیده می شود. امواج صوتی را که از یک بوق نصب شده روی خودوری اورژانس نصب شده متصور شوید. وقتی خودرو بسوی یک ناظر حرکت می کند، امواج صوتی فشرده یم شوند اما با دور شدن خودرو این امواج کشیده می گردند. این امر باعث انتقال طیف امواج بسوی فرکانس بالاتر یا انتهای قرمز می شود. این اثر که به نام اثر داپل موسوم استدر مورد امواج نوری با تمام فرکانس ها نیز روی می دهد.

در دهه 1960 رابرت پاوند و گلن ربکا اشعه های گاما را ابتدا بسوی پایین و سپس بالای یک برج در دانشگاه هاوارد شلیک کردند. طبق یافته های آنان فرکانس این امواج بر اثر اعوجاجات ناشی از گرانش کمی تغییر یافت.

امواج گرانشی

اینشتاین پیش بینی کرد که رویدادهای آشوبناک مانند برخورد دو سیاهچاله، ارتعاشاتی در فضا-زمان به نام امواج گرانشی تولید می کنند و در 2016 رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنجی لیزری (LIGO) اعلام داشت که چنین سیگنالی را برای اولین بار آشکارسازی کرده است. این رصدخانه که تسهیلاتی دوگانه در لوئیزیانا و واشنگتن دارد اخیرا در فرایند کالیبره شدن است تا نتایج بهتری از آن حاصل شود.

از آن زمان تاکنون دانشمندان در LIGO و Virgo در 50 مورد امواج گرانشی را آشکارسازی کرده اند که ناشی از برخورد اجرام بسیار جسیم در فضا بوده است.

مشاهده ستارگان نوترونی

در 2021 پژوهشی که در نشریه Physical Review X منتشر شد بسیاری از پیش بینی های اینشتاین را با مشاهده یک سیستم پولسار دوتایی (ستارگانی که بطور مرتب پالس ارسال می کنند) که حدود 2400 سال نوری از زمین داشت به چالش گرفت. هرکدام از هفت پیش بینی نظریه نسبیت عام اینشتاین توسط یافته های این مطالعه تایید شد. پولسارها نوعی ستاره نوترونی هستند که پرتوهای تشعشع الکترومغناطیسی از دو قطب خود صادر کرده و پالس های منظم صادر می کنند.

تصویرسازی هنرمند از یک ستاره نوترونی

پولسارها بسیار سریع – حدود 44 بار در ثانیه – به دور خود می گردند و 30 درصد سنگین تر از خورشید هستند در حالی که قطر آنها تنها حدود 24 کیلومتر است! بنابراین بسیار چگال هستند. در نتیجه کشش گرانشی آنها بسیار نیرومند است و برای مثال در سطح یک ستاره نوترونی کشش گرانشی یک میلیارد بار قوی تر از سطح زمین است. این امر ستارگان نوترونی را اجسامی ایده آل برای آزمون نظریات اینشتاین در مورد خمش نور توسط انحنای فضا-زمان می نماید. دانشمندان توانسته اند خمش نور به میزان 0.04 درجه توسط کشش گرانشی یک ستاره نوترونی را بدقت اندازه گیری کنند، مشاهده ای که برای نخستین بار در تاریخ علم صورت گرفته است.

منبع: Live Science