در سری مقالات “نظریات بزرگ به زبان ساده” سعی می‌کنیم تا بنیادی‌ترین و پیچیده‌ترین نظریه‌ها را به زبانی ساده‌تر و قابل فهم‌تر برای عموم بیان کنیم. در این مقاله به بررسی نظریه‌ی نسبیت عام که توسط نابغه‌ی قرن، آلبرت انیشتین، ارائه شده است خواهیم پرداخت. نظریه‌ای که دیدگاه ما را درباره‌ی مفهوم فضا-زمان تغییر داد!
در سال ۱۹۰۵، آلبرت اینشتین تصریح کرد که قوانین فیزیک برای همه‌ی ناظران فاقد شتاب یکسان است و سرعت نور در خلاء مستقل از حرکت همه‌ی ناظران می‌باشد. این همه‌ی آن چیزی است که نسبیت خاص بیان می‌کند. این نظریه چارچوب جدیدی را برای تمام فیزیک ارائه داد و مفاهیم جدیدی از فضا و زمان را پیشنهاد کرد.
مقاله مرتبط:نظریه‌ی نسبیت خاص؛ هم‌ارزی جرم و انرژی
انیشتین پس از آن، ۱۰ سال تلاش کرد تا شتاب را نیز وارد نظریه‌ی خود کند و بالاخره تئوری نسبیت عام را در سال ۱۹۱۵ منتشر کرد. او در این نظریه بیان داشت که اشیاء عظیم باعث تحریف فضا-زمان می‌شوند، که به صورت گرانش احساس می‌شود.
کشش جاذبه
دو شی نیروی جاذبه‌ای تحت عنوان گرانش را به یکدیکر وارد می‌کنند. آیزاک نیوتون وقتی که قانون سه‌گانه‌ی حرکت خود را بیان می‌کرد، گرانش بین دو شی را اندازه گرفت. این نیرو به جرم دو جسم و فاصله آن‌ها از یکدیگر بستگی دارد. در عین حال که مرکز زمین شما را به سمت خود می‌کشد، مرکز ثقل شما نیز زمین را به سوی خود می‌کشد. اما اشیاء عظیم به ندرت نیروی شما را احساس می‌کنند اما باید همواره سپاس‌گزار این نیروی متقابل باشیم! با این حال قوانین نیوتن فرض می‌کنند که گرانش نیرویی ذاتی از یک شی است که می‌تواند جدای از فاصله عمل کند.
انیشتین متوجه شد که فضا و زمان در ساختاری به‌هم پیوسته به نام فضا-زمان به هم گره خورده‌اند. یعنی فضا و زمان را به عنوان یک عامل هندسی و نه یک نیرو معرفی کرد. رویدادی که در یک زمان برای ناظری اتفاق می‌افتد می‌تواند برای ناظر دوم در زمان دیگری انجام شود!
مقاله مرتبط:مفهوم زمان در فرهنگ‌های مختلف
زمانی که او در حال کار بر روی معادله‌ای برای نظریه‌ی نسبیت عام بود، متوجه شد که اشیاء عظیم باعث تحریف فضا-زمان می‌شوند. تصور کنید که جسمی عظیم را در مرکز ترامپولین۱ قرار داده‌اید؛ جسم باعث فرورفتگی آن خواهد شد. تیله‌ای که در حاشیه می‌غلتد در یک مسیر مارپیچی به سمت جسم حرکت خواهد کرد. همانطور که جاذبه‌ی یک سیاره سنگ‌های فضایی را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
شواهد آزمایشگاهی
گرچه ابزارها قادر به مشاهده و اندازه‌گیری فضا-زمان نیستند، اما چندین پدیده که از انحراف آن ناشی می‌شود، شناخته شده است.
همگرایی گرانشی:
نور در اطراف اشیا عظیم، مانند یک سیاهچاله، خم شده و باعث می‌شود تا آن شی به عنوان یک عدسی برای اشیا پشت سر خود عمل کند. ستاره شناسان به طور معمول از این روش برای مطالعه‌ی ستاره‌ها و کهکشان‌ها موجود در پشت اشیا عظیم استفاده می‌کنند.
صلیب اینشتین، اختروشی در صورت فلکی پگاسوس، نمونه‌ای عالی از همگرایی گرانشی است. این اختروش حدود ۸ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد و در پشت کهکشانی که ۴۰۰ میلیون سال نوری با ما فاصله دارد، قرار گرفته است. چهار تصویر از آن دورتادور کهکشان ظاهر می‌شود، زیرا جاذبه‌ی شدید کهکشان، نور آن را خم می‌کند.
همگرایی گرانشی اجازه‌ی دیدن چیزهای بسیار جالبی را به دانشمندان می‌دهد. نوری که در اطراف عدسی حرکت می‌کند مسیرهای متفاوتی دارد، در نتیجه هرکدام در میزان زمان متفاوتی در سفر است. به همین ترتیب دانشمندان توانسته‌اند انفجار یک سوپرنوا را چهار بار ببینند!
در یکی دیگر از مشاهدات جالب، تلسکوپ کپلر ناسا یک کوتوله‌ی سفید را در حالی که به دور یک کوتوله‌ی قرمز می‌چرخید، در یک سیستم دو تایی مشاهده کرد. اگرچه کوتوله‌ی سفید بسیار سنگین است اما شعاعی به مراتب کوچک‌تر نسبت به همراه خود دارد.
برای تصور این موضوع، ککی را فرض کنید که با فاصله‌ای معادل فاصله‌ی دو شهر لس‌آنجلس و نیویورک یعنی ۳۰۰۰ مایل، به دور یک لامپ می‌چرخد!
تغییر مدار عطارد:
مدار عطارد با توجه به انحنای فضا-زمان در اطراف خورشید غول‌پیکر، به صورت بسیار تدریجی تغییر می‌کند. حتی بعد از چندمیلیارد سال احتمال برخورد آن با زمین نیز وجود دارد!
تحریف فضا-زمان در اطراف جسم در حال چرخش:
چرخش یک شی سنگین مانند زمین، باید فضا-زمان را در اطراف آن پیچانده و خمیده کند. در سال ۲۰۰۴، ناسا ماهواره‌ی Gravity Probe B(GP-B) را پرتاب کرد. این ماهواره که به‌طور دقیق کالیبره شده بود باعث انحراف تدریجی محورهای ژیروسکوپ۲ در طی زمان می‌شد، نتیجه‌ای که هماهنگ با نظریه‌ی اینشتین بود.
Francis Everitt، معاون تحقیقاتی Gravity Probe-B از دانشگاه استنفورد می‌گوید:
“تصور کنید که زمین در عسل غوطه‌ور شده است! وقتی سیاره می‌چرخد عسل نیز در اطراف آن خواهد چرخید؛ یعنی همان اتفاقی که برای فضا-زمان رخ می‌دهد. GP-B دو مورد از عمیق‌ترین پیش‌بینی‌های جهان انیشتین را اثبات کرد که تاثیرات وسیعی در سرتاسر تحقیقات اخترفیزیک داشته است.”
Redshift گرانشی:
تابش الکترومغناطیسی جسم به‌آرامی در میدان گرانشی کشیده می‌شود. امواج صوتی را که توسط آژیر آمبولانس ساطع می‌شود در نظر بگیرید. همانطور که وسیله‌ی نقلیه به سمت ناظر حرکت می‌کند، امواج صوتی فشرده می‌شوند. اما هر چه دورتر می‌شود امواج کشیده شده یا به عبارتی دیگر طول موج آن به سمت امواج قرمز یعنی طول موج بیشتر تمایل می‌یابند. این اتفاق به عنوان اثر داپلر شناخته می‌شود. همین پدیده برای همه‌ی امواج نوری در تمام فرکانس‌ها رخ می‌دهد. در سال ۱۹۵۹، دو فیزیکدان، به نام‌های Robert Pound و Glen Rebka، اشعه‌ی گامای آهن رادیواکتیو را در یک سمت از برجی در دانشگاه هاروارد شلیک کردند و متوجه شدند که به دلیل تحریف گرانشی مقداری از فرکانس طبیعی آن کاسته شده است.
امواج گرانشی:
حوادث خشن و سخت، مانند برخورد دو سیاهچاله، می‌تواند موجی را در فضا-زمان ایجاد کند که به عنوان امواج گرانشی شناخته می‌شود. در سال ۲۰۱۶، رصدخانه‌ی تداخل‌سنجی امواج گرانشی لیزر (LIGO) اعلام کرد که شواهدی از این شاخص‌ها یافته است.
در سال ۲۰۱۴، دانشمندان اعلام کردند که امواج گرانشی باقی‌مانده از بیگ‌بنگ را با تلسکوپ BICEP2 در قطب جنوب کشف کرده‌اند. تصور می‌شود که این امواج در پس‌زمینه‌ی مایکروویو کیهانی قرار گرفته‌اند. با این حال، تحقیقات بیشتر نشان داد که داده‌های آن‌ها با وجود گردوغبار در خط دیدشان آلوده شده بود.
LIGO نخستین موج گرانشی تاییدشده را در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ کشف کرد. یک جفت ابزار که در لوئیزیانا و واشنگتن مستقر شدند، اخیرا ارتقا یافته و قبل از اینکه آنلاین شوند کالیبره شدند. اولین تشخیص به‌قدری بزرگ بود که به گفته‌ی سخنگویLIGO ، گابریلا گونزالز، آنالیز آن چند ماه طول کشید تا اعضای تیم خود را متقاعد کنند که این سیگنال واقعی است! آن‌ها بسیار خوش‌شانس بودند که اولین سیگنال آن‌ها تا این حد واضح بود.
مقاله مرتبط:امواج گرانشی، کلید اکتشاف ابعاد بالاتر در عالم
سیگنال دوم در ۲۶ دسامبر همان سال مشاهده شد و کاندیدای سومی نیز با آن همراه بود. در حالی که در گرانشی بودن دو موج اول شکی نبود، اما کاندید سوم تنها ۸۵ درصد احتمال داشت که یک موج گرانشی باشد.
این دو سیگنال تاییدشده در کنار هم، شواهدی را برای جفت سیاهچاله‌هایی که می‌چرخند و برخورد می‌کنند فراهم می‌کند. گونزالس پیش بینی می‌کند که با گذشت زمان، امواج گرانشی بیشتری توسط LIGO و دیگر ابزارها کشف خواهد شد.
ما می‌توانیم نسبیت عام را آزمایش کنیم و نسبیت عام سربلند بیرون خواهد آمد!
- تشک ژیمناستیک که روی آن حرکت جهشی و پرشی انجام می‌شود.
- وسیله‌ای که گرای نجومی را به‌طور خودکار تعیین می‌کند.
تشكر ميكنم بخاطر اين گروه از مطالبتون
خيلي عالين ?