بشنویدپادکست آستروپدیا را بشنوید یا برای بعد دانلود کنید

شرحی کوتاه بر نظریه نسبیت عام انیشتین

نظریه نسبیت عام انیشتین پی بینی می کند که ساختار فضا-زمان در اطراف سیارات نه تنها خمیده می شود بلکه بر اثر چرخش آنها دچار پیچ و تاب نیز خواهد شد. کاوشگر گرانشی Gravity Probe B صحت این نظریه را ثابت کرد.

آلبرت انیشتین Albert Einstein در سال ۱۹۰۵ مشخص کرد که قوانین فیزیک برای تمام ناظران که فاقد شتاب هستند, یکسان بوده و سرعت نور در خلاء مستقل از حرکت تمام ناظران می باشد. این در واقع نظریه نسبیت خاص بود که یک چهارچوب جدید برای تمام فیزیک معرفی کرد و ایده ای جدید برای فضا-زمان پیشنهاد داد.

پس از آن انیشتین ۱۰ سال از عمر خود را صرف جای دادن شتاب در نظریه و انتشار نظریه نسبیت عام در سال ۱۹۱۵ کرد. او در این نظریه مشخص کرد که جرم اشیاء باعث ایجاد موجی در فضا-زمان شده که ما آن را به عنوان گرانش احساس می کنیم.

زحمت گرانش

نیروی جذب کننده ای که دو شیء بر روی یکدیگر اعمال می کنند به عنوان گرانش شناخته می شود. اسحاق نیوتون Isaac Newton در هنگام تنظیم سه قانون حرکت خود, گرانش میان دو شیء را اندازه گیری کرده بود. نیروی اعمال شده میان دو جسم بستگی به مقدار جرم هر یک از آنها و چگونگی قرارگیری آنها نسبت به همدیگر دارد. حتی در مقابل که مرکز زمین که شما و خانواده شما را به طرف خود می کشد تا بر روی زمین ساکن شوید, مرکز جرم شما نیز نیرویی مشابهی را به زمین اعمال می کند. اما جسمی که جرم بیشتری دارد به سختی کشش شما را احساس خواهد کرد. این نشان می دهد که هنوز هم قوانین نیوتون در مورد گرانش به عنوان خاصیتی ذاتی از اشیاء در نظر گرفته شده که می تواند در فاصله های دور بر روی اشیاء دیگر ایفای نقش کند.

آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت خاص خود مشخص کرد که این تمام قوانین برای مشاهده کننده ای که شتاب ندارد مشابه یکدیگر بوده و همچنین نشان داد که سرعت نور در داخل خلاء برای مشاهده کننده ثابت یا در سفر تفاوتی نمی کند. در نتیجه او دریافت که فضا و زمان در یک زنجیره متصل به هم به نام فضا-زمان در هم آمیخته و به همین خاطر اتفاقات رخ داده در یک زمان برای یک مشاهده کننده می توانند در زمان متفاوتی برای مشاهده کننده دیگر رخ دهند.

همانطور که او بر روی معادلات نظریه نسبیت عام کار می کرد, متوجه شد که جرم اشیاء باعث توزیع در فضا-زمان می شود. برای درک بهتر, وضعیت یک جسم بزرگ را در مرکز ترامپولین تصور کنید. جسم می تواند سطح پارچه را به پایین فرو برده و باعث ایجاد گودی بر روی سطح آن شود. بنابراین اگر با وجود این جسم در مرکز ترامپلین , یک سنگ سیقلی و گرد را در داخل آن قرار رها کنیم, شرایط مشابهی با سیارات درگیر شده در گرانش اجرام بزرگتر را به وجود خواهد آورد.

مدارک تجربی

با اینکه ابزار ها در اندازه گیری و مشاهده فضا-زمان ناتوان هستند, اما پدیده های پیش بینی شده بسیاری وجود این ساختار را تایید می کنند.

همگرایی گرانشی: نور در اطراف یک شیء پر جرم, مانند سیاه چاله منحرف می شود. در واقع این شیء نقش یک لنز بزرگ را برای نور ساطع شده از جسم پشت سر خود ایفا می کند. منجمان معمولا از این روش برای مطالعه ستاره ها و کهشان های قرار گرفته در پشت سر اجرام سنگین استفاده می کنند. صلیب انیشتین یک اختروش در صورت فلکی اسب بالدار است که از آن به عنوان یک نمونه عالی از همگرایی گرانشی یاد می شود. این اختروش تقریبا ۸ میلیارد سال نوری با زمین فاصله داشته و در مسیر آن کهکشانی با ۴۰۰ میلیون سال نوری دورتر نشسته است. چهار تصویر اختروش ظاهر شده در اطراف کهکشان به این خاطر بوده که گرانش شدید به وجود آمده از کهکشان بین راهی, نور رسیده از اختروش را خمیده کرده است.

همگرایی گرانشی به دانشمندان اجازه می دهد تا برخی از چیز های بسیار جذاب را مشاهده کنند که تا همین اواخر تنها به عنوان نقاط و لکه های ریز در اطراف لنز تلسکوپ ها به تصور می شدند. با این حال زمانی که نور در اطراف پدیده همگرایی سفر می کند صاحب مسیر جدیدی شده و  مقدار متفاوتی از زمان را در سفر صرف می کند. به همین خاطر است که دانشمندان می توانند ابرنواختر ها را در چهار زمان متفاوت در اطراف کهکشان های بزرگ مشاهده کنند.

تلسکوپ فضایی Kepler  متعلق به ناسا ستاره های مرده موسوم به کوتوله های سفید که در حال چرخش به دور کوتوله های قرمز در  مداری دوتایی هستند را مشاهده کرده است. در این مشاهدات با اینکه کوتوله سفید از جرم بیشتری برخوردار است اما شعاع بسیار کوچکتری نسبت به همدم خود دارد.

صلیب انیشتین نمونه ای از همگرایی گرانشی

اوی شاپور Avi Shporer از موسسه فناوری کالیفرنیا می گوید:

این روش مشابه مشخص کردن یک پشه در یک حباب لامپ از ۴۰۰۰ کیلومتر دورتر است.

تغییرات در مدار عطارد: مدار عطارد در طول زمان تغییرات تدریجی بسیار زیادی داشته که ناشی از انحنای فضا-زمان در اطراف جرم خورشید است. پدیده ای که در چند میلیارد سال آینده ممکن است با زمین نیز برخورد کند.

کشش چهارچوب در اطراف اجرام چرخان: چرخش اشیاء سنگین, مانند زمین می تواند ساختار فضا-زمان را در اطراف آن چرخانده و منحرف کند. ناسا در سال ۲۰۰۴ کاوشگر گرانش B یا GP-B را به فضا پرتاب کرد و نتایج به دست آمده از آن با نظریه انیشتین مطابقت داشت.

فرانسیس اوریت Francis Everitt از دانشگاه استنفورد می گوید:

این شرایط درست مانند وقتی است که زمین در کاسه ای از عسل شناور باشد. با چرخش سیاره, عسل در اطراف آن به چرخش در می آید. در ساختار فضا-زمان نیز دقیقا چنین شرایطی به وجود می آید. GP-B در طول فعالیت خود موفق به تایید دو پیش بینی از نظریه های انیشتین شد که پیامد های گسترده ای در تحقیقات اخترفیزیک به دنبال دارد.

انتقال به سرخ گرانشی: تابش های الکترومغناطیسی یک شیء به آرامی در میدان های گرانشی آن نمایان می شوند. امواج صوتی را که از آژیر یک وسیله اورژانس خارج می شود تصویر کنید, امواج صوتی زمانی که وسیله به سمت مشاهده کننده حرکت می کند فشرده شده اما با دور شدن وسیله از او امواج صوتی کشیده یا به اصطلاح دچار انتقال به سرخ می شود. این اتفاق به عنوان اثر دوپلر Doppler شناخته می شود. مشابه چنین پدیده ای برای امواج نوری در تمامی فرکانس ها به وجود می آید. در سال ۱۹۵۹ دو فیزیکدان به نام های رابرت پوند Robert Pound و گلن ربکا Glen Rebka از پرتوهای گامای صاتع شده از رادیواکتیو آهن در بالای یک برج در دانشگاه  هاروارد Harvard تصویر برداری کردند و متوجه شدند که پرتو ها در لحظاتی به دلیل گرانش کمتر از فرکانس طبیعی خود بوده اند.

امواج گرانشی: تصور می شود که رویدادهای شدید مانند برخورد دو سیاه چاله, می توانند امواجی در فضا-زمان به نام امواج گرانشی ایجاد کنند. در سال ۲۰۱۶ رصد خانه تداخل سنج لیزری امواج گرانشی یا به اختصار LIGO اعلام کرد که مشخصه هایی در این زمینه به دست آورده است.

دانشمندان پیش از آن نیز در سال ۲۰۱۴ اعلام کرده بودند که موفق به کشف امواج گرانشی باقی مانده از مه بانگ با استفاده از تلسکوپ تصویر بردار پس زمینه کیهانی BICEP2 مستقر در قطب جنوب شده اند. در ابتدا تصور می شد که این امواج در ریز موج پس زمینه کیهانی نهفته شده باشد, با این حال تحقیقات بیشتر نشان داد که اطلاعات به دست آمده با گرد و غبار های موجود در خط دید تلسکوپ آلوده شده است.

ژان توبر Jan Tauber از ماموریت فضایی پلانک Planck در پروژه های علمی سازمان فضایی اروپا به منظور جستجو برای امواج کیهانی می گوید:

جستجو برای رکورد های یکتا در کیهان اولیه, مشکلی بسیار هیجان انگیزی است.

LIGO اولین موج گرانشی تعیید شده را در ۱۴ سپتامبر ۲۰۱۵ مشخص کرد. ابزارهای مشترک قرار گرفته در بیرون از شهرهای لوییزیانا Louisiana و واشینگتن Washington به تازگی بروزرسانی شده و قبل از به کار گیری مجدد تراز بندی شده اند. اولین تشخیص آنقدر بزرگ بود که بر اساس گفته های سخنگوی LIGO گابرییلا گونزالس Gabriela Gonzalez: یک گروه کاری چندین ماه وقت برای تجزیه و تحلیل داده صرف کرده تا خود را متقاعد کنند که سیگنال های به دست آمده واقعی بوده و اشتباه محاسباتی نیست.

دومین سیگنال در ۲۶ دسامبر کشف و همراه آن یک نامزد سوم هم معرفی شد. در حالی که اولین دو سیگنال به دست آمده تقریبا اخترفیزیکی بودند, گنزالس معتقد است: که کمتر از یک در میلیون احتمال می رود که چیزی دیگری وجود داشته و نامزد سوم تا ۸۵ درصد احتمال دارد که موج گرانشی باشد.

علاوه بر این دو ورد یافته شده قطعی مدارکی را در مورد سیاه چاله های جفتی در حال فروپاشی درون هم و برخورد ارائه می دهند. گزالس پیش بینی می کند که با گذشت زمان امواج گرانشی بیشتری توسط LIGO کشف شوند و همچنین همکاران بیشتری برای توسعه این ابزار اندازه گیری مانند هند وارد کار شوند.

ما می توانیم نسبیت عام را مورد آزمایش قرار دهیم و البته بدون شک از اولین آزمون های خود عبور کرده است.

منبع: space.com

افزودن دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *