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

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.