نظریه نسبیت عام انیشتین چیست؟

در سال ۱۹۰۵ آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت خاص گفت که قوانین فیزیک برای همه ناظران ساکن یکسان است و سرعت نور در یک محیط خلاء مستقل از حرکت ناظران است. این نظریه یک چارچوب جدید برای فیزیکدان‌ها فراهم نموده و مفاهیم جدیدی از فضا و زمان ارائه داد. این نظریه اجسامی را توصیف می‌کرد که با سرعت ثابت و در خط راست حرکت می‌کردند، اما نمی‌توانست اجسام شتابدار را توصیف کند.

به همین علت انیشتین ۱۰ سال زمان صرف کرد تا شتاب را نیز در این نظریه بگنجاند، از اینرو در سال ۱۹۱۵ نظریه نسبیت عام (General Relativity) را منتشر کرد. او در این نظریه گفت که اشیاء عظیم باعث ایجاد انحراف در فضا-زمان می‌شوند.

بیشتر بخوانید: توضیح نظریه نسبیت خاص انیشتین به زبان ساده

دیدگاه نیوتن درباره گرانش

دو جسمی که در مقابل هم قرار دارند به همدیگر نیرو وارد می‌کنند، این نیرو را ما با عنوان گرانش می‌شناسیم. هنگامی که نیوتن قوانین سه‌گانه حرکتی خود را تدوین می‌کرد، کمیت گرانش را بین دو شیء محاسبه کرد. به این ترتیب نیروی کششی بین دو جسم بستگی به میزان جرم و فاصله آنها از هم دارد. قوانین نیوتن فرض می‌کنند که گرانش نیروی طبیعی یک شیء است که می‌تواند از راه دور عمل کند. به این ترتیب نیوتن نیروی گرانش را، یک نیروی نامرئی در نظر گرفت که اجسام را به سمت یکدیگر جذب می‌کند.

در حالت کلی دیدگاه نیوتن درباره گرانش برای پاسخ به دو سوال اساسی بود: ۱- چرا جرم‌های متفاوت با سرعتی برابر و در مدت زمان یکسان سقوط می‌کنند، ۲- دلیل چرخش ماه به دور زمین و گردش زمین به دور خورشید چیست.

پاسخ نیوتن به سوال دوم این بود که اندازه نیروی گرانش بین دو جسم، وابسته به اندازه جرم آن‌ها است. او بیان کرد که هرچه اندازه جرم دو ذره بیشتر باشد، نیروی کششی بین آن‌ها نیز بیشتر است. اما ایراد این پاسخ این بود که نیوتن فاصله بین دو جسم را درنظر نگرفته بود. در حقیقت نیروی گرانش از دیدگاه نیوتن، کنشی است که در فاصله‌ای مشخص رخ می‌دهد. در نتیجه مشکل اینجاست که بستری به‌منظور انتقال این نیرو وجود ندارد، هم‌چنین این دیدگاه محدودیت سرعت را در عالم نقض می‌کند. بیشترین سرعت در جهان سرعت نور است، به طور دقیق‌تر هر رخدادی در طبیعت در سریع‌ترین حالت ممکن، با سرعت نور اتفاق می‌افتد. اما طبق نظریه نیوتن اگر خورشید را در یک لحظه حذف کنیم، نیروی وارد شده از طرف آن به زمین نیز به طور ناگهانی حذف می‌شود.

به منظور حل مسئله گرانش، انیشتین ابتدا نسبیت خاص را ارائه کرد. این نظریه اجسامی را توصیف می‌کند که با سرعت ثابت و در خط راست حرکت می‌کنند. همانطور که پیشتر گفته شد این نظریه مسئله شتاب را درنظر نمی‌گرفت. به همین علت او ۱۰ سال زمان صرف کرد تا مسئله شتاب را در نظریه دیگر خود یعنی نسبیت عام حل کند.

برای این منظور انیشتین یک آزمایش ذهنی را انجام داد، او در حالی که از طبقه دوم اتاق به بیرون نگاه می‌کرد، به این فکر کرد که اگر شخصی که روی بام خانه روبرو قرار دارد ناگهان سقوط کند، احساس بی‌وزنی خواهد کرد. این نتیجه‌ای بود که انیشتین از این آزمایش ذهنی گرفت. اما اگر شخص سقوط‌کننده درون آسانسور باشد، چه نتیجه‌ای می‌توان گرفت؟ در این حالت سرعت سقوط آسانسور و شخص یکسان است، بنابراین از این آزمایش ذهنی نیز می‌توان نتیجه گرفت که شخص احساس بی‌وزنی خواهد داشت.

انیشتین از این آزمایش ذهنی نتیجه گرفت که بر خلاف نظریه نیوتن، در حالتی که شخص درون آسانسور به همراه آسانسور سقوط کند، عملا احساس بی‌وزنی کرده و نیروی گرانشی به آن وارد نمی‌شود. در حقیقت در این حالت فضای اطراف هر دو جسم، خمیده بوده و جسم و آسانسور را به سمت زمین هُل می‌دهد.

خمیده بودن فضا به معنای آن است که فضا، بستری انعطاف‌پذیر است، در نهایت او فضای سه‌بعدی را با زمان ترکیب کرده و یک مفهوم انعطاف‌پذیر تحت عنوان فضا-زمان بوجود آورد. انیشتین در نظریه نسبیت خاص گفت که قوانین فیزیک برای همه ناظران ساکن یکسان هستند، او نشان داد که سرعت نور در خلاء بدون توجه به سرعتی که ناظر در آن حرکت می‌کند ثابت است. رویدادهایی که برای یک ناظر به طور همزمان اتفاق می‌افتد ممکن است برای دیگری در زمان‌های مختلف اتفاق بیافتند. در نتیجه او دریافت که فضا و زمان در یک زنجیره واحد به نام فضا-زمان با هم آمیخته شده‌اند.

طبیعت هر جسم یا ذره‌ای این است که ساده‌ترین مسیر را در فضا-زمان به منظور حرکت انتخاب می‌کند. در نتیجه اجسامی که در فضایی خمیده قرار می‌گیرند به سمت جسمی حرکت می‌کنند که فضای مذکور را خمیده‌ کرده‌اند. این فضای خمیده شده اثری را ایجاد می‌کند که ما آن را گرانش می‌نامیم. برای نمونه زمین، فضا-زمان اطرافش را خمیده کرده است به همین دلیل به ما نیروی گرانش وارد می‌کند.

اما سوال دیگر این بود که این خمیدگی چگونه شکل مدار ماه یا زمین به دور خورشید را توجیه می‌کند؟ دیدگاه نیوتنی می‌گفت که خورشید ما را به سمت خودش جذب می‌کند اما با توجه به این‌ که زمین حرکتی مماسی را نیز تجربه می‌کند، نهایتا باعث می‌شود روی مسیری بیضوی شکل حرکت کند. اما طبق نسبیت عام فضای اطراف خورشید خمیده شده و این خمیدگی زمین را مجبور می‌کند که به دور خورشید دوران کند. 

تصور کنید یک جسم بزرگ را در مرکز یک ترامپولین قرار داده‌اید، جسم به پارچه فشار آورده و باعث گودی آن می‌شود. اگر یک تیله را در آن قرار دهید تیله به دور لبه چرخیده و به سمت داخل آن می‌رود، به همان شکلی که گرانش خورشید زمین را به سمت خود می‌کشد.

فضا-زمان یک مفهوم ۴ بعدی است که ذهن ما قدرت تصور آن را ندارد. اما این مسئله به این معنی نیست که نسبیت عام انیشتین درست نیست زیرا می‌توان نشانه‌هایی از درست بودن این نظریه و پیش بینی‌های آن در سرتاسر عالم یافت. این نظریه نه تنها خمیده شدن نور توسط گرانش را توجیه می‌کند، بلکه مفهوم سیاه‌چاله، ستاره نوترونی و امواج گرانشی حاصل از برخورد ۲ جسم عظیم کیهانی را نیز پیش‌بینی کرده است. نسبیت عام پدیده‌هایی را نیز پیش بینی کرده که با گذشت ۱۰۰ سال هنوز هم انسان نتوانسته آنها را اثبات کند، از این پدیده‌های بسیار جالب می‌توان به کرمچاله و سفیدچاله نیز اشاره کرد.

بیشتر بخوانید: فضا-زمان چیست؟

شواهد تجربی نظریه نسبیت عام

اگرچه ابزارها نمی‌توانند فضا-زمان را مشاهده و یا اندازه گیری کنند، اما پدیده‌های پیش بینی شده‌‌ای هستند که می‌توانند انحراف آن را تایید کنند. یکی از این پدیده‌ها عدسی گرانشی (Gravitational lensing) است، در این پدیده نور در اطراف یک جسم عظیم کیهانی مانند سیاه‌چاله خم می‌شود. این امر باعث می‌شود تا برای چیزهایی که در پشت آن قرار دارند به صورت لنز عمل کند.

صلیب انیشتین (Einstein’s Cross) یک نمونه عالی از لنز گرانشی است. صلیب انیشتین یک اختروش متأثر از همگرایی گرانشی است که در صورت فلکی اسب بالدار قرار دارد. این اختروش حدود ۸ میلیارد سال نوری از زمین فاصله دارد و در پشت کهکشانی قرار گرفته‌‌‌ که ۴۰۰ میلیون سال نوری از آن فاصله دارد. به دلیل همگرایی گرانشی قوی، چهار تصویر از یک اختروش دور در اطراف یک کهکشان دیده می‌شوند. این چهار تصویر به این علت ایجاد می‌شود که جرم زیاد کهکشان، نوری که از سمت اختروش می‌آید را خم می‌کند.

بیشتر بخوانید: اثبات نظریه نسبیت عام انیشتین پس از یک انفجار بزرگ در فضا

عدسی گرانشی به دانشمندان کمک می‌کند تا چیزهای بسیار جالبی را مشاهده کنند. از آنجایی که نوری که در اطراف عدسی‌ها حرکت می‌کند مسیر متفاوتی را در مدت زمان متفاوتی طی می‌کند، از اینرو دانشمندان قادر هستند ایجاد یک ابرنواختر را در چهار زمان متفاوت مشاهده کنند زیرا توسط یک کهکشان عظیم بزرگنمایی می‌شود.

در یکی از مشاهدات جالب دیگر توسط تلسکوپ کپلر، ستاره شناسان یک کوتوله سفید مرده‌ را مشاهده کردند که در یک سیستم دودویی به دور یک کوتوله قرمز می‌چرخید. با وجود این که کوتوله سفید جرم بیشتری داشت اما شعاع آن از ستاره همراه خود بسیار کمتر بود. مشاهده این دو ستاره مانند این بود که یک مگس را برروی لامپ از فاصله ۵۰۰۰ کیلومتری تماشا کنید! اما به لطف پدیده عدسی گرانشی این امر برای دانشمندان امکان‌پذیر شد.

تغییرات در مدار عطارد: به دلیل انحنای فضا-زمان در اطراف خورشید، مدار عطارد به تدریج در حال تغییر و بزرگ شدن است. این تغییر به گونه‌ای است که در طی چند میلیارد سال حتی می‌تواند با زمین برخورد کند.

کشیدن قاب فضا-زمان در اطراف اجسام در حال چرخش: چرخش یک جسم سنگین مانند زمین، باید باعث پیچ و تاب و انحراف فضا-زمان در اطراف آن شود. در سال ۲۰۰۴ ناسا رای اندازه‌گیری انحنای فضازمان ماهواره حسگر گرانش بی ((Gravity Probe B (GP-B) را به فضا فرستاد. کالیبراسیون دقیق ماهواره باعث شد محورهای ژیروسکوپ موجود در  داخل آن با گذشت زمان بسیار کمی بیرون راندگی داشته باشند. این مسئله یکی از چیزهایی بود که در نظریه نسبیت عام پیش بینی شده بود.

برای درک این وضعیت تصور کنید که زمین در عسل غوطه‌ور شده است، با چرخش سیاره عسل هم می‌چرخد، این وضعیت برای فضا-زمان اتفاق می‌افتد. ماهواره حسگر گرانش بی دو مورد از ژرف‌ترین پیش‌بینی‌های انیشتین را تأیید کرد که پیامدهای بسیار زیادی در تحقیقات اخترفیزیکی داشتند.

انتقال به سرخ گرانشی (Gravitational redshift): تابش الکترومغناطیسی یک جسم درون یک میدان گرانشی کمی کشیده می‌شود. برای مثال امواج صوتی که از آژیر یک وسیله نقلیه اضطراری سرچشمه می‌گیرند را در نظر بگیرید. هرچه وسیله نقلیه به سمت ناظر حرکت می‌کند امواج صوتی فشرده می‌شوند، اما وقتی وسیله از ناظر دور می‌شود امواج کشیده می‌شوند. این پدیده به اثر دوپلر (Doppler effect) معروف است، همان پدیده‌ای که برای طول موج نور در همه فرکانس‌ها رخ می‌دهد. در سال ۱۹۵۹ دو فیزیکدان دانشگاه هاروارد به نام‌های رابرت پوند (Robert Pound) و گلن ربکا (Glen Rebka) پرتوهای گامای آهن رادیواکتیو را به یک برج شلیک کردند، با این آزمایش آنها دریافتند که به دلیل انحرافات ناشی از گرانش، فرکانس امواج کمتر از حالت طبیعی نمایش داده می‌شود.

امواج گرانشی: در نظریه نسبیت عام پیش بینی شده بود که وقایع خشنی مانند برخورد دو سیاه‌چاله می‌توانند موج‌هایی در فضا-زمان به نام امواج گرانشی ایجاد کنند. در طول ۱۰۰ سالی که از ارائه این نظریه توسط انیشتین می‌گذشت، این پدیده به عنوان یک معمای بزرگ باقی مانده بود. تا این که برای اولین بار در ۱۴ سپتامبر سال ۲۰۱۵ اخترفیزیکدانان رصدخانه لایگو اعلام کردند که شواهدی از این پدیده را کشف کرده‌اند. این کشف آنقدر بزرگ بود که تیم مطالعاتی چند ماه به تجزیه و تحلیل پرداختند تا خود را متقاعد کنند که این یک سیگنال واقعی از امواج گرانشی است.

.

بیشتر بخوانید: کرم چاله چیست؟ آیا می‌توان در فضا-زمان میانبر ایجاد کرد؟