نسبیت عام

از ویکی نجوم
پرش به: ناوبری, جستجو

محتویات

نسبیت عام

اینشتین پس از تکمیل نظریه‌ نسبیت خاص به اصلاح نظریه‌ نیوتن درباره‌ی گرانش پرداخت تا آن را با اصول نسبیتی تطبیق دهد. وی می‌خواست نظریه‌ جدیدی درباره‌ی گرانش که در آن هم سرعت انتشار گرانش همان سرعت نور باشد (همان چیزی که در نظریه‌ نیوتن در مورد گرانش مورد توجه قرار نگرفته بود) و هم بتواند حرکت‌های سیارات را بخوبی نظریه‌ نیوتن توضیح دهد، ارائه کند.

اینشتین مجبور شد بعضی از تصورات پیشین درباره‌ فضا، زمان و حرکت را کنار بگذارد. در نتیجه، آنچه از جانب وی مطرح و نشان داده شد این بود که میدان گرانشی در فضا(مثل میدان گرانشی ناشی از خورشید)، به اعوجاجی در فضا می‌انجامد، که شدت آن به میزان جرم جسم بستگی دارد. علاوه بر این دریافت که صرفاً در قالب جهان سه بعدی نمی‌توان به راحتی این موضوع را درک کرد و از این رو، در معادلات خود زمان را به منزله بعد چهارم بکار برد. وی رویدادها را در فضا-زمان توصیف کرد، اما باز قدمی جلوتر نهاده و فرض کرد که چهار بعد فضا-زمان می‌تواند خمیده باشد (تعیین انحنای عام فضا-زمان مسئله‌ای کلیدی در کیهان‌شناسی است).

سرانجام در سال 1916 نظریه‌ نسبیت عام به طور کاملاً ریاضی بسط داده شد، که شامل معادلات توصیف‌کننده‌ی انحنای فضا-زمان در پیرامون یک جسم پر جرم بود. اگر فضا-زمان را برای فهم بهتر بجای چهار بعدی بودن، دو بعدی و بصورت یک صفحه مسطح فرض کنیم بطوریکه که یک جسم، مانند خورشید، در مجاورت آن حضور دارد، این صفحه مسطح، معوج شده و در آن فرورفتگی ایجاد می‌شود که نشانگر انحنای فضا-زمان در نتیجۀ میدان گرانشی جسم است. هرچه جرم جسم بیشتر باشد به فرورفتگی بزرگتری در فضا-زمان می‌انجامد. هر جسمی که بقدر کافی به این فرورفتگی نزدیک شود مجبور است مسیر خود را تغییر دهد. اگر حرکت جسم بسیار آرام و کاملاً به طرف مرکز فرورفتگی باشد، به درون حفرۀ فرورفتگی افتاده و در ته آن ساکن می‌شود. جسم موقعی که از فرورفتگی عبور می‌کند، مستقیم‌ترین مسیر ممکن را، که خط ژئودزیک نامیده می‌شود، طی می‌کند. اما واضح است که این خط نمی‌تواند خط مستقیم باشد، زیرا صفحه‌ای که جسم در آن حرکت می‌کند، خمیده است. از این رو، جسمی مانند یک دنباله دار، هنگامی که از کنار خورشید می‌گذرد، در اثر گرانش خورشید چنان تغییر مسیر می‌دهد که پس از عبور از مجاورتش، راستایی کاملاً متفاوت را در پیش می‌گیرد. به همین ترتیب، سیاره‌ای مثل زمین، علی رغم سرعت بسیار زیادی که در فضا دارد، گرفتار فرورفتگی فضا-زمان خورشید شده و در میان دامنه‌های این فرورفتگی برای همیشه گردش می‌کند.

یکی از پیشگویی‌های نظریه‌ نسبیت عام این است که نور به هنگام عبور از مجاورت یک جسم پر جرم منحرف می‌شود. ماه در حرکت خود بر گرد زمین، گاه کاملاً جلوی نور خورشید را می‌گیرد و گرفت کامل روی می‌دهد. در این زمان، مشاهده و اندازه‌گیری مکان ظاهری ستارگان نزدیک به قرص خورشید امکان‌پذیر می‌شود و از این رو می‌توان بررسی کرد که آیا انحراف نور آنها در مجاورت خورشید با مقدار پیشگویی شده مطابقت دارد یا نه. البته طبق فیزیک سماوی، مکان ظاهری این ستارگان باید همان مکانی باشد که در اوقات دیگر سال و هنگامی که خورشید در سر راه نور آنها نیست، اندازه گیری می‌شود.

سه سال پس از انتشار نظریه‌ نسبیت عام از سوی اینشتین، گروهی از ستاره‌شناسان انگلیسی در آفریقا و برزیل، گرفت کامل خورشید را مشاهده کردند و با اندازه گیری مکان ستارگانی که از آنها عکس‌برداری کرده بودند، با خوشحالی اعلام داشتند که پیشگویی اینشتین درست است و مکان همه این ستارگان، درست به اندازه‌ای که وی پیشگویی کرده، جابجا شده بود.

نظریه‌نسبیت عام

نسبیت عام، یک نظریه‌گرانش نسبیتی است که در سال 1915 توسط آلبرت اینشتین (1879-1955) ارائه شد. بسط و تعمیم نظریه‌یقبلی اینشتین، یعنی نسبیت خاص، نهایتا به نظریه‌نسبیت عام انجامید. چارچوب‌های مرجع شتاب‌دار هم در این نظریه‌جدید توصیف می‌شوند (نسبیت خاص فقط به بررسی چارچوب‌های مرجع لخت با حرکت یکنواخت نسبت به هم می‌پردازد). اصل «هم‌ارزی» یکی از اساسی‌ترین اصول مطرح شده در نسبیت عام است؛ این اصل بیان می‌کند «تمام آزمایشگاه‌هایی که در حال سقوط آزاد هستند و چرخشی ندارند، از نظر فیزیکی کاملا با هم هم‌ارز هستند و نتیجه‌ی آزمایش‌های فیزیکی همیشه در این آزمایشگاه‌ها با هم یکسان است». از این اصل نتیجه می‌شود که اگر ناظری درون یک جعبه‌ کوچک قرار داشته باشد (برای مثال یک آسانسور یا یک فضاپیمای بدون پنجره) با هیچ آزمایش فیزیکی نمی‌تواند بگوید که در جعبه‌ای با شتاب ثابت قرار دارد یا جعبه درون یک میدان گرانشی یکنواخت در حال سکون است (مثلا روی زمین ساکن است)؛ در هر دو وضعیت ناظر درون جعبه (یا آسانسور) احساس می‌کند که «وزن» دارد. از سوی دیگر اگر درون یک جعبه بسته، ذره‌ آزمونی شناور باشد، ناظر درون جعبه هیچ راهی ندارد که بفهمد جعبه در فضای بیکران، دور از هر منبعی که گرانش ایجاد کند، ساکن است یا در حال سقوط آزاد در میدان گرانشی یک جسم پرجرم است (مثلا ناظری که درون یک آسانسور در حال سقوط آزاد است، هرگز وزنی احساس نمی کند).

نسبیت عام متضمن این مفهوم است که سه بعد فضایی (طول و عرض و ارتفاع) و یک بعد زمانی، در یک فضا-زمان چهار بعدی با هم در ارتباط هستند. توزیع جرم (یا انرژی)، در فضا-زمان اطرافش انحنا ایجاد می‌کند (آن را خم می‌کند)، از طرف دیگر ذرات و پرتوهای نور، مسیرهای خمیده‌ای را طی می‌کنند که این مسیرها توسط انحنای فضا-زمان تعیین می‌شوند. از نظر نسبیت عام، گرانش یک خاصیت هندسی از فضا-زمان است، اما در گرانش نیوتونی، گرانش نیرویی است که سریعا و بلافاصله بین دو جسم پرجرم عمل می‌کند. در بسیاری از مسئله‌های فیزیک که نیاز به توصیف گرانش دارد (مثل محاسبه‌ی مدار یک ماهواره)، نظریه‌گرانشی نیوتون می‌تواند پاسخهای دقیقی را به دست دهد که مطابق با دقت‌های مورد نیاز مسئله هستند. با این وجود نسبیت عام مشکلات و مواردی را توجیه می‌کند که گرانش نیوتونی از توجیه آنها عاجز است. یکی از این موارد که توجیه آن برای نسبیت عام موفقیت بزرگی محسوب می‌شد، مسئله‌ی پیشروی حضیض مدار عطارد بود. مشاهده شده بود که حضیض مدار عطارد 43 ثانیه قوسی بر قرن سریعتر از آنچه که گرانش نیوتونی پیش بینی می‌کرد، حرکت می‌کند. نسبیت عام می‌تواند مقدار صحیح پیشروی حضیض مدار عطارد را محاسبه کند. چند مورد از پیش‌بینی‌های موفقیت‌آمیز نسبیت عام که با دقت بالایی توسط رصدها و آزمایش‌ها اندازه‌گیری شده‌اند، شامل موارد زیر هستند:

گرانش و نسبیت عام

نظریه‌ینسبیت عام که بین سال های 1907 تا 1915 توسط آلبرت اینشتین ایجاد شد، نظریه‌ای راجع به گرانش و ساختار فضا-زمان است. این نظریه بر این اساس ارائه شده که ماده می‌تواند به همراه انرژی-تکانه‌اش با فضا-زمان برهم‌کنش داشته باشد و فضا-زمان هم به عنوان یک میدان پویا است که درجات آزادی خاص خودش را دارد و می‌تواند مثل یک موج نوسان کند (تابش گرانشی). به طور خلاصه «وجود ماده تعیین می‌کند که چگونه فضا-زمان خمیده می‌شود و فضا-زمان هم تعیین می‌کند که ماده چطور باید درونش حرکت کند» (J A Wheeler). نسبیت عام حاصل تعمیم نظریه‌یگرانشی نیوتون و نسبیت خاص انیشتین است. در واقع نسبیت عام به طور تقریبی در شرایطی خاص به این دو نظریه تبدیل می‌شود. به طور عمومی‌تر نسبیت عام (بر خلاف مکانیک کوانتمی) یک سنگ بنای منسجم برای فیزیک کلاسیک ماکروسکوپیک فراهم کرده است. رابطه‌ی نسبیت عام با مکانیک کوانتمی هنوز به درستی شناخته نشده است (گرانش کوانتمی). البته این مشکل با وجود ظاهر بغرنجش، برای اخترفیزیک مسئله ساز نیست، چرا که قوانین مکانیک کوانتمی در حوزه‌های بسیار کوچک اتمی و زیراتمی اهمیت پیدا می‌کند، ولی گرانش در حوزه‌های بسیار بزرگ عمل می‌کند و در اخترفیزیک این دو نظریه همپوشانی بسیار کمی دارند و عملا مشکلی برای هم ایجاد نمی‌کنند. بر اساس فیزیک نوین، برهم‌کنش گرانشی تنها یکی از چهار برهم‌کنش اساسی طبیعت است. گرانش همیشه به صورت جاذبه‌ی بین دو جسم عمل می‌کند و همچنین چیزی نمی‌تواند آن را تضعیف کند و بپوشاند (میدان الکتریکی با عبور از برخی مواد می‌تواند ضعیف‌تر شود، اما چنین چیزی برای گرانش وجود ندارد (پوششی وجود ندارد که برای میدان گرانشی مثل عایق باشد). از این گذشته، برد تاثیر این نیرو نا محدود است و از دورترین فواصل می‌تواند بین دو جسم، جاذبه ایجاد کند. به همین خاطر علی رغم این که بین چهار نیروی بنیادین، ضعیف ترین نیرو است اما تعیین رفتار جهان در مقیاس‌های بسیار عظیم را بر عهده دارد. البته این باعث می‌شود که گرانش تقریبا در تمامی بخشهای نجوم و اخترفیزیک نقشی اساسی ایفا کند (نیروی گرانش در مقیاس اتمی و زیر اتمی بسیار ضعیف است و به راحتی می‌توان از آن چشم پوشی کرد). مثلا برای این که میزان ضعف نیروی گرانشی در حوزه‌ی اتمی را درک کنید، نیروی گرانشی بین یک پروتون و الکترون در اتم هیدروژن با ضریب ده به توان منفی سی و هشت، ضعیف‌تر از نیروی الکتریکی بین آن دو است). اهمیت وجود نظریه‌یگرانشی نسبیتی در حوزه‌های تحقیقاتی زیر بسیار بالا است: ستاره‌شناسی با دقت بالا (توجیه نتایج اندازه‌گیری‌های بسیار دقیق نجومی مثل اندازه‌گیری پیش روی حضیض مدار عطارد، بدون یک نظریه‌یگرانشی دقیق غیر ممکن است)، اجرام بسیار فشرده مثل ستاره های نوترونی و سیاه‌چاله‌ها و سیستم‌هایی که از آنها تشکیل یافته است (مثل پالسارهای دو تایی و دو تایی‌های اشعه‌ی ایکس کم جرم). هسته‌ی کهکشان‌های فعال و کوازارها، ابرنواخترها و رمبش گرانشی، یافتن ستاره های تاریک و سیاره‌ها (ریز عدسی گرانشی) کیهان‌شناسی (در کیهان‌شناسی نسبیت عام نقش بسیار عمیقی ایفا می‌کند: مدل استاندارد، ماده‌ی تاریک، ثابت کیهانی و توزیع ماده‌ی تاریک و درخشندگی به کمک اثر ریز عدسی گرانشی همگی به کمک نسبیت عام قابل بررسی هستند). در آینده‌ی نزدیک، زمانی که بتوان امواج گرانشی را آشکار نمود و رصد کرد، امید است که یک پنجره‌ی جدید به سمت جهان گشوده شود.


آزمون‌های آزمایشگاهی و رصدی نسبیت عام

آزمایش‌ها و اندازه‌گیری‌هایی که محک نسبیت عام هستند و آن را تایید می‌کنند را می‌توان به دو بخش تقسیم کرد: آزمودن اصل هم‌ارزی اینشتین و تحقیق درستی معادلات میدان گرانشی که توسط نسبیت عام ارائه شدند. آزمایش‌های نوع اول در واقع بررسی اعتبار موضعی نسبیت خاص به طور تقریبی هستند؛ یعنی بررسی وجود چارچوب‌های لخت موضعی یا هم‌ارز آن، یعنی مشخص کردن یک متریک لورتنسی یکتا برای فضا-زمان. از دیدگاه نسبیت عام، کاری که چنین آزمایش‌هایی انجام می‌دهند، تشخیص این مورد است که یک چارچوب مرجع دلخواه، چارچوب لخت موضعی هست یا خیر. آزمایش های سقوط آزاد و آونگ فوکو در یک آزمایشگاه زمینی انجام می‌شوند، برای مثال اندازه‌گیری شتاب و سرعت زاویه‌ای آزمایشگاه نسبت به چارچوب لخت موضعی در یک آزمایشگاه زمینی انجام می‌شود. آزمایش‌های اپتیکی و کوانتمی با آزمایش‌هایی که توسط امواج نوترونی در تداخل هستند، عملکرد یکسانی دارند و با کنار هم قرار دادن نتایج همه‌ی آزمایش‌های بالا، تضمین می‌کند که متریک فضا-زمان در محدوده‌ی دقت‌های آزمایشگاهی یکتاست. این واقعیت تجربی که چارچوب‌های لخت موضعی نسبت به هم شتاب‌دار هستند، نشان می‌دهد فضا-زمان ما خمیده است.


جستاره ای وابسته

منبع

ابزارهای شخصی
گویش‌ها
فضاهای نام
عملکردها
گشتن
جعبه‌ابزار