انشـتین و نسبیت خاص و عامِ او

متین ترکیان/

بخش دوم و پایانی/

mandegarفضا – زمان خمیده (نسبیت عام)
نگاهی به ساختار فضا ـ زمان انشتین، یکی از معما‌ها‌ی بنیادینِ طبیعت را حل کرد و این معما، چگونه‌گی کار‌کرد آشنا‌ترین نیروی طبیعت به‌نامِ گرانش است. نیوتون می‌دانست که نیروی گرانش، اجسام مختلف را در کنار یکدیگر نگه می‌دارد و با جرم اشیاء سرو کار دارد. روابطی که تحت عنوان قوانین نیوتون با آن‌ها درگیر هستیم، شدتِ این نیرو را با دقتِ بسیار خوبی تعیین می‌کند. اما نیوتون هیچ‌وقت متوجه چگونه‌گی کار‌کرد نیروی گرانش نشد. چگونه ممکن است که ماه بی‌وقفه به دور زمین بگردد؟ ماه از فاصلۀ بسیار دور چگونه متوجه وجود زمین در آن مکان می‌شود؟ کار‌کرد این نیرو به گونه‌یی است که انگار ماه با طنابی نامرئی به زمین متصل شده باشد؛ اما همۀ ما می‌دانیم که این تفکر درست نیست و در حقیقت این‌ها سؤالاتی هستند که قوانین نیوتون پاسخی برای آن‌ها ندارد.
بعد از ده سال جست‌و‌جو و تفکر در مورد این موضوع، انشتین توانست با ارایۀ توصیف جدیدی از فضا به این سؤالات پاسخ دهد. گفتیم که از نظر نیوتون، فضا مانند یک صحنۀ خالی است که نمی‌تواند بر عمل شکل‌گرفته در این صحنه تأثیر بگذارد. اما از دید انشتین این‌گونه نیست. در این دیدگاه جدید، فضا می‌تواند کشیده یا حتا موج‌دار شود. اجسام مختلف می‌توانند باعث تغییر شکل این فضا بشوند. برای درک بهتر، یک میز بیلیارد را به‌عنوان فضا در نظر بگیرید که گوی‌ها‌ی بیلیارد، به‌عنوان زمین و دیگر سیارات باشند، اگر فضا‌ی نیوتونی را در نظر بگیریم، گوی‌ها‌ی بیلیارد در مسیر مستقیم حرکت می‌کنند؛ اما فضا از دید انشتین، قابل انعطاف است. پس اگر یک جسم سنگین مانند زمین در این فضا قرار بگیرد، باعث ایجاد یک چاله در ساختار این فضا می‌شود که ماه، حول این چاله می‌گردد.
طبق نظریۀ انشتین، گرانش، همان کشیده‌گی‌ها و خمیده‌گی‌ها‌ی فضا است که توسط اجسام ایجاد شده است. هر جسمی می‌تواند بسته به جرمی که دارد بر این فضا تأثیر بگذارد اما این تأثیر به حدی کوچک است که تنها در مورد اجسام بسیار سنگین مثل زمین و سیارات و دیگر اجرام کیهانی محسوس است. گردش ماه حول زمین به دلیل وجود یک نیروی مرموز یا یک طناب نامرئی نیست، بلکه به دلیل وجود چاله‌یی است که زمین به دلیل جرم زیاد خود در فضا ایجاد کرده است. پس از انشتین، فضا دیگر یک صحنۀ ثابت نیست، بلکه بازیگری است که نقش مهمی در درام کیهانی بازی می‌کند.
یکی از موارد مهم برای تست ایدۀ اینشتین در مورد فضا، نزدیک افق رویداد یک سیاه‌چاله است. یک سیاه‌چاله در ابتدا ستارۀ پر‌جرمی بوده است که پس از اتمام سوخت هسته‌یی مرکزی، در خود فرو‌رفته است. حجم یک سیاه‌چاله، بسیار کم است و میلیون‌ها تن جرم دارد. گرانش یک سیاه‌چاله به حدی زیاد است که با توجه به ریاضیات نظریۀ انشتین، می‌تواند فضا را به دنبال خود بکشد و آن را مانند یک تکه پارچه دچار پیچ و خم‌ها‌یِ شدید کند. همین تغییرات شدیدِ فضا در افق رویداد یک سیاه‌چاله می‌تواند موردی برای آزمودن نظریۀ انشتین باشد. اما نزدیک‌ترین سیاه‌چاله میلیارد‌ها مایل از ما دور است و به دلیل گرانش زیاد سیاه‌چاله نمی‌توان به آن نزدیک شد. پس چگونه می‌توان فهمید که نظریۀ انشتین حقیقت دارد؟

کاوشگر گرانش B
در اواخر دهۀ ۱۹۵۰، فیزیک‌دانی به‌نام لئونارد شیف به‌دنبال مکان نزدیک‌تری برای آزمودن نظریۀ انشتین می‌گشت. همان‌گونه که یک سیاه‌چاله می‌تواند فضا را دچار کشیده‌گی کند، زمین نیز با چرخیدن و حرکت در فضا می‌تواند پیچش و کشیده‌گی ایجاد کند، اما اثر این پیچش از تأثیر یک سیاه‌چاله کم‌تر است. وسیله‌ای که ذهن شیف را درگیر کرده بود، یک اسباب‌بازی ساده به‌نام ژیروسکوپ بود. ایدۀ شیف بسیار عجیب بود. او ایدۀ خود را با دو نفر از همکاران خود به ‌نام‌ها‌ی ویلیام فلربنک و رابرت کنن در اسختر استنفورد در میان گذاشت. این سه نفر تصمیم گرفتند که یک ژیروسکوپ پیشرفته را به مدار زمین بفرستند تا بتوانند درستی نظریۀ اینشتین را بررسی کنند. ایدۀ شیف در قالب مقاله‌یی به‌عنوان راه جدید و قابل اجرای تست آزمایشگاهی نظریۀ نسبیت عام انشتین در ۱ مارچ ۱۹۶۰ در Physical Review Letters منتشر شد.
در حالت عادی، جهت‌گیری یک ژیروسکوپ در فضا ثابت است مگر این‌که یک عامل خارجی باعث تغییر در جهت آن شود. این ایدۀ سیار ساده است. اما مشکلی وجود داشت و آن‌هم پیش‌بینی نظریۀ انشتین در مورد میزان تغییر جهت ژیروسکوپ بود. طبق پیش‌بینی انشتین، اندازه‌گیری این تغییر جهت مثل این است که بخواهید قطر یک سکه را از فاصلۀ ۶۲ مایلی اندازه بگیرید.
در سال ۱۹۶۲ طرح با نام کاوشگر گرانش B، برای گرفتن حمایت برای ناسا فرستاده شد. پیش‌بینی اعضا‌ی تیم برای انجام پروژه حدود سه سال بود اما این پیش‌بینی بسیار خوش‌بینانه بود و عملی شدن طرح حدود ۴۰ سال طول کشید و در طول این سال‌ها، عملیات ۹ بار توسط ناسا در شرف لغو شدن بود. اما بالاخره در آوریل سال ۲۰۰۴ کاوشگر گرانش B به فضا فرستاده شد و از سه بنیان‌گذار این طرح، فقط یکی از آن‌ها زنده بود و توانست نتیجۀ تلاش‌ها‌ی خود را ببیند.
فراهم کردن تکنولوژی لازم برای آزمودن این نظریه بسیار دشوار بود. زیرا ماهواره‌یی که در مدار زمین قرار می‌گرفت باید طوری طراحی می‌شد که باد‌ها‌ی خورشیدی و دیگر تابش‌ها‌ی کیهانی تأثیری بر آن نگذارند. در این آزمایش، از چند ژیروسکوپ پیشرفته استفاده شد که جهت اشارۀ همۀ آن‌ها به یک ستاره در دور‌دست بود. بررسی داده‌ها نشان داد که جهت اشارۀ ژیروسکوپ‌ها به همان میزان پیش‌بینی شده در معادلات انشتین تغییر پیدا کرد. این آزمایش، نخستین مشاهدۀ مستقیم از نسبیت عام انشتین بود و نشان داد که اگر فضا در واقع، هیچ بود، دیگر چیزی برای پیچ و تاب خوردن وجود نداشت.

گرانش نیوتونی در مقابل گرانش انشتین
معادلات گرانش نیوتون توضیح داد که همۀ اجسام به یکدیگر نیروی گرانش وارد می‌کنند و هر جسمی متناسب با جرم خود تحت تأثیر نیرو، حرکت شتاب‌دار خواهد داشت. طبق معادلات نیوتون، نیروی گرانش بین دو جسم، با مربع فاصلۀ آن‌ها نسبت عکس دارد. نظریۀ گرانش نیوتونی پاسخ‌گو‌ی بسیاری از مشاهداتِ روزمره است اما نتوانست بی‌نظمی موجود در حرکت گردشی عطارد به دور خورشید را به‌خوبی توصیف کند و اختلاف اندکی با واقعیت این مسأله داشت.
تفکر تکان‌دهندۀ انشتین در مورد گرانش که آن را شادمانه‌ترین تفکر کل زنده‌گی خود می‌داند، بیان می‌کند که گرانش همان شتاب‌گیری است و آن را اصل تساوی نامید. او متوجه شد که اگر جسمی آزادانه در یک میدان گرانشی سقوط کند، دیگر وزن خود را احساس نخواهد کرد (مانند چتر‌بازی هنوز چتر خود را باز نکرده است و یا شخصی در آسانسور که کابل آسانسور بریده است.)
یک مثال ساده از این تفکر، فضا‌پیما‌یی است که با شتاب ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه (شتاب گرانش زمین)، از زمین دور می‌شود. فضا‌نورد این فضا‌پیما، یک پر و یک چکش را به‌صورت هم‌زمان رها می‌کند، در غیاب مقاومت هوا، این دو جسم با هم بر زمین می‌افتند. درست مانند زمانی که این آزمایش روی زمین انجام شود. این نتیجه به این معنی است که فضا‌نورد و اجسام داخل فضا‌پیما، شتاب خود را حس نمی‌کنند و موقعیت آن‌ها مانند زمانی است که در سطح زمین بوده‌اند.
گرانش می‌تواند بر گذر زمان نیز تأثیر بگذارد. در قسمت نسبیت خاص انشتین، اتساع زمان یا گذر کُند زمان توضیح داده شد. در نسبیت عام یا گرانش انشتین نیز این واقعیت وجود دارد که زمان برای اجسام تحت تأثیر میدان گرانشیِ یک جسم بسیار سنگین به کندی می‌گذرد. اتساع زمان تحت تأثیر گرانش، امکان سفر در زمان را نیز فراهم می‌کند. برای مثال اگر جسمی تحت تأثیر یک میدان گرانشی قوی مانند یک سیاه‌چاله قرار بگیرد، گذر زمان را در مقایسه با محیط اطراف، به‌کندی احساس می‌کند و در نتیجه امکان سفر به آینده را خواهد داشت.

امواج گرانشی
امواج گرانشی، آشفتگی‌ها‌ی فضا ـ زمان هستند که با حرکت شتاب‌دار اجسام بسیار سنگین مانند سیاه‌چاله‌ها و ستاره‌ها‌ی نوترونی ایجاد می‌شوند. همۀ اجسام در حال حرکت، امواجی را در ساختار فضا ـ زمان ایجاد می‌کنند اما انرژی این امواج به حدی کم است که قابل تشخیص و آشکار‌سازی نیستند. انشتین در سال ۱۹۱۶ در نظریۀ نسبیت عام خود وجود این امواج را پیش‌بینی کرد. در ۱۴ سپتمبر ۲۰۱۵ تیم پژوهشی لایگو توانست اولین مشاهده از امواج گرانشی حاصل از برخورد دو سیاه‌چاله که ۱.۳ میلیارد سال نوری از ما دور هستند را آشکار‌سازی کند و بار‌ دیگر درستی نظریۀ انشتین را تأیید کنند.
آلبرت انشتین، یکی از جهان‌شمول‌ترین نظریه‌ها‌ی تاریخ را بیـان کرد و یکی از تأثیرگذارترین افراد تاریخ علم بود. او تا هنگام مرگ در پی حل معما‌ها‌ی بزرگِ جهان بود و زمانی که در پی رسیدن به نظریه‌یی جهان‌شمول برای اتحاد نسبیت و مکانیک کوانتومی بود، عمرش به پایان رسید و کارش نیمه‌تمام ماند. اکنون دانشمندان زیادی در تلاش هستند تا کار نیمه‌تمامِ او را تمام کنند.

اشتراک گذاري با دوستان :

Comments are closed.