ه‍.ش. ۱۳۹۴ آبان ۴, دوشنبه

نسبیت عام صد ساله شد

از: حمید علوی (روزنامه‌نگار)

نظریه‌های گرانش

نسبیت عام صد ساله شد



نسبیت عام

در صدمین سالگرد نسبیت عام، نشریات معتبر علمی ویژه‌نامه‌هایی منتشر و انجمن‌های بین‌المللی همایش‌هایی برگزار کرده‌اند

نسبیت عام (به انگلیسی: General relativity)، نظریه‌ای برای گرانش است که در سال‌های بین ۱۹۰۷ و ۱۹۱۵ توسط آلبرت اینشتین گسترش یافت. این نظریه دانشمندان را بر آن داشت که دیدگاه قبلی خود از فضا به‌عنوان موجودی ایستا (استاتیک) و تنها به‌عنوان مکانی که در آن رویدادهای فیزیکی اتفاق می‌افتند، را کنار بگذارند، و به‌جای آن، فضازمان را به‌عنوان موجودی پویا (دینامیک) و تغییر شکل‌دهنده در نظر بگیرند که حضور ماده در آن، ساختار و هندسهٔ آن را خمیده می‌کند و در مقابل، حرکت اجسام تحت گرانش از خمیدگی فضازمان پیروی می‌نماید. به سخن دیگر، اجسام همواره – چه در فضای تهی بدون گرانش و چه در حضور ماده و انرژی و در نتیجه، گرانش – در طول مستقیم‌ترین مسیر ممکن حرکت می‌کنند و حضور جرم و انرژی تنها شکل این مسیرها را در فضازمان – از خطوط مستقیم در فضای تهی به مسیرهایی خمیده در حضور جرم و انرژی – تغییر می‌دهد که به‌معنای خمیده‌شدن فضازمان است. یعنی گرانش به‌عنوان یک عامل هندسی و نه یک نیرو بررسی می‌گردد.

در آغاز قرن بیستم، قانون جهانی گرانش نیوتون برای مدتی بیش از ۲۰۰ سال به‌عنوان توصیف پذیرفته شده برای گرانش بین اجسام مطرح بود. در این مدل، گرانش ناشی از نیرویی جذب‌کننده بین دو جسم – با سازوکاری نامعین – است. هرچند خودِ نیوتن نیز با طبیعت ناشناخته این نیرو مشکل داشت و برخی مسائل نظیر انتشار این نیرو با سرعت بی‌نهایت مبهم بود، این مدل برای توصیف حرکت تحت گرانش بسیار موفق ظاهر گردید: حرکت سیارات در سامانهٔ خورشیدی را به‌خوبی توصیف می‌کرد و زمان ظاهرشدن ستارگان دنباله‌دار را به‌دقت پیش‌بینی می‌نمود.

با این‌حال مشاهده‌ها و آزمایش‌ها نشان می‌دهند که توصیف اینشتین از گرانش (نسبیت عام)، پدیده‌هایی را پیش‌بینی می‌کند که توسط نظریه نیوتنی قابل پیش‌بینی نیستند. برای مثال می‌توان به ناهنجاری‌های کوچک مشاهده‌شده در مدار حرکت برخی سیارات نظیر تیر اشاره کرد. علاوه بر این، نسبیت عام پدیده‌های جدیدی را هم پیش‌بینی می‌کند، مانند همگرایی گرانشی، امواج گرانشی و اثر گرانش بر روی زمان که به اتساع زمان گرانشی معروف است. بسیاری از این پدیده‌ها تاکنون از طریق آزمایش تأیید شده‌اند، و در مورد برخی نیز در حال حاضر جستجو ادامه دارد.

نسبیت عام، چندی پس از ظهور به ابزاری اساسی در اخترفیزیک تبدیل شد. برای نمونه، این نظریه اساسِ درکِ فعلیِ بشر از سیاه‌چاله‌ها را تشکیل می‌دهد. در این مناطق، گرانش به‌قدری شدید است که هیچ‌چیز حتی نور نمی‌تواند از آن بگریزد. تصور می‌شود که گرانشِ نیرومندِ آن‌ها عامل تابش‌های شدید گسیل‌شده از برخی اجرام نجومی است (مانند هسته کهکشانی فعال یا ریزاختروش‌ها). نسبیت عام، همچنین سهم عمده‌ای در چارچوب مه‌بانگ در کیهان‌شناسی دارد.

در قرن گذشته با وجود پژوهش‌های فراوان، پیشرفت اندکی فراتر از دیدگاه‌های خود اینشتین به‌دست آمده‌ است. نظریه نسبیت عام نظریه‌ای کامل نیست و هنوز پرسش‌های بی‌پاسخی باقی مانده‌اند. بنیادی‌ترین آن‌ها چگونگی آشتی دادن نسبیت عام و مکانیک کوانتومی برای ایجاد نظریه‌ای کامل و خود–سازگار به‌نام گرانش کوانتومی است.

آنچه در زیر آمده، مطلبی است، درباره‌ی صدسالگی «نظریه‌ی نسبیت عام» آلبرت اینشتین که توسط حمید علوی، روزنامه‌نگار نگاشته شده و در صفحه دانش بی‌بی‌سی به نشر رسیده است.

یکصد سال پس از ارائه نظریه نسبیت عام در سال ۱۹۱۵، این نظریه شورانگیز هم‌چنان به قوت خود پابرجاست و تا به‌حال آزمایش یا نظریه‌ دیگری نتوانسته آن را باطل کند.

توجه به نظریه نسبیت از ابتدا به علم محدود نماند و به ادبیات علمی-تخیلی، سینما و فرهنگ عامه گسترش یافت. اهمیت این نظریه در این است که نگرش بشر را درباره پیدایش و ساختار جهان تغییر و به دویست سال فرمانروایی قوانین نیوتن پایان داد.

الکساندر پوپ شاعر انگلیسی قرن هجدهم در ستایش از نیوتن شعری سروده بود: «طبیعت و قوانین طبیعت در تاریکی فرو رفته بودند خداوند گفت: بگذار نیوتن باشد! و آنگاه روشنایی در میان آمد.»

اما جان اسکوایر، شاعر انگلیسی در زمان طرح نظریه نسبیت در ادامه شعر پوپ نوشت: «طولی نکشید، شیطان فریاد زد: هان! بگذار اینشتین باشد و جهان به حالت اول بازگشت.»

منظور او این بود چون اینشتین قوانینی را کشف کرد که قوانین کلاسیک فیزیک را زیر سوال برد، جهان دوباره در تاریکی فرو رفت.


نسبیت خاص

استیون هاوکینگ، کیهان‌شناس انگلیسی، در مقدمه کتاب تاریخچه مختصر زمان نوشته است که به توصیه ناشر، به‌خاطر خوانندگان عام، هیچ فرمولی در کتاب نیاورده است اما او نتوانست از آوردن یک فرمول خودداری کند: E = mc۲. این فرمول محصول نظریه نسبیت خاص است که چنان در فرهنگ عامه رواج یافته که گاهی در آگهی‌های تبلیغاتی از آن استفاده می‌کنند.

اینشیتن در سال ۱۹۰۵ نظریه نسبیت خاص را ارائه کرد. در این نظریه، هنوز به اندازه نسبیت عام، قوانین نیوتن به چالش کشیده نشده بودند.

نسبیت خاص نظریه‌ای است مربوط به حرکت‌ یکنواخت (حرکت‌ با سرعت ثابت روی خط راست). اینشتین فکر می‌کرد برخلاف نظر دانشمندان دیگر، فضا و زمان مطلق نیستند و حرکت در جهان نسبی است.

هم‌ارزی جرم و انرژی، که توسط رابطهٔ E = mc۲ بیان می‌شود، شاید مشهورترین نتیجهٔ نسبیت خاص باشد.

نسبیت خاص از آن رو خاص نامگذاری شد چون فقط به حرکت‌ یکنواخت و بدون شتاب محدود می‌شود.

مطابق نظریات نیوتن، زمان و فضا به طور مطلق و مستقل از اجسام وجود دارند و برای محاسبه سرعت یک جسم، به مختصات مرجع («چارچوب مرجع لخت») نیاز است، برای این‌که مسافت و زمان را در قیاس با آن اندازه‌گیری کنیم و سرعت مطلق را به‌دست آوریم.

اما طبق نسبیت خاص، حرکت نسبی است و این مختصات مرجع، مطلق نیستند. به‌عبارت دیگر اگر سرعت یک گوی ۲۰ کیلومتر در ساعت است، چون از نظر نیوتن زمان و فضا به‌طور مطلق وجود دارند پس سرعت آن گوی واقعا ۲۰ کیلومتر در ساعت است.

در فیزیک کلاسیک، سرعت، از تقسیم مسافت بر زمان به‌دست می‌آید و اینشتین دریافته بود که سرعت نور ثابت است. اگر سرعت نور ثابت است پس مسافت و زمان باید تغییر کنند بنابراین او نتیجه گرفت که فضا و زمان برخلاف نظر نیوتن نمی‌توانند ثابت و مطلق باشند و درک زمان و مسافت، برای ناظران مختلف متفاوت است.

آلبرت اینشتین

اینشتین زمان و فضا را مستقل از هم نمی‌دانست و با آن‌که تصورش دشوار است، اما او توانست نشان دهد که چیزی به‌نام فضا-زمان وجود دارد، فضا و زمان به‌هم وابسته‌اند و دو کمیت مستقل از هم نیستند و این فضا-زمان همان بعد چهارم است.

بنابراین نسبیت خاص بر دو اصل استوار است: یکی اینکه، «چارچوب‌ مرجع لخت» مطلق نیست، یعنی فضا و زمان یکنواخت و همگن نیستند که اندازه‌گیری‌ها بر اساس آن انجام شود. دیگری این‌که سرعت نور ثابت است.

البته نظریه نسبیت خاص برای سرعت‌های نزدیک به نور معتبر است و در سرعت‌های معمول روزمره، قوانین نیوتن هم‌چنان معتبر هستند.‌

بزرگ‌ترین فیزیکدان قرن بیستم از نسبیت خاص به رابطه جرم و انرژی دست یافت که آن را در همان فرمول مشهور E = mc۲ صورت‌بندی کرد.


ماجرای کشف نظریه نسبیت عام

اینشیتن از نظریه نسبیت خاص رضایت‌ نداشت زیرا محدود به حرکت‌ یکنواخت بود. او می‌خواست نظریه‌ای را طرح کند که همه حرکت‌های جهان را توضیح دهد. از این‌رو، گرانش و حرکت‌ شتابدار توجه‌ او را به‌خود جلب کرد.

به نوشته والتر آیزاکسون در کتاب «اینشتین، زندگی و جهان فکری او»، اینشتین در سال ۱۹۰۷، یک «تجربه ذهنی» را تصور کرد.

فردی را در اتاقکی بدون پنجره مانند آسانسور تصور کنید. اگر او احساس کند که کف آسانسور به پایش فشار وارد می‌کند، آن‌گاه به‌نظر اینشتین، فرد نمی‌تواند تشخیص دهد که آیا نیرویی که به او وارد می‌شود گرانش است یا شتاب ناشی از حرکت آسانسور. در آسانسور در حال سقوط آزاد هم همین‌طور است.

آلبرت اینشتین زمانی گفته بود دو چیز حد و نهایت ندارند، یکی جهان و دیگری حماقت بشری، البته افزوده بود که مطمئن نیست جهان بی‌نهایت باشد

اینشتین از این‌جا پی برد که حرکت‌ شتابدار و گرانش «هم‌ارز» هستند و به این ترتیب گرانش را وارد نظریه نسبیت کرد.

او نوشت: «دریافتم که می‌توانم اصل نسبیت را علاوه بر حرکت‌ با سرعت ثابت، به سیستم‌های شتابدار هم تعمیم دهم و از این طریق مسئله گرانش را حل کنم.»

او بعد از محاسبات زیاد نشان داد که نور در فضا خمیده می‌شود اما محاسبات ریاضی کافی نبود و باید به‌لحاظ تجربی هم ثابت می‌شد.

بنابراین، اینشتین اخترشناسان را ترغیب کرد که در هنگام خورشیدگرفتگی مهر تایید بر محاسبات او بزنند؛ او حتی حاضر شد بخشی از هزینه آزمایش را خود بپردازد.

آیزاکسون در این مرحله از زندگی اینشتین به نکته قابل توجهی اشاره می‌کند. رار بود در کریمه خورشیدگرفتگی رخ دهد و اخترشناسی که به نظریه اینشتین علاقه‌مند شده بود به آن‌جا سفر کرد.

انحنای فضا-زمان

اما سفر او مصادف شد با اعلام جنگ آلمان به روسیه. به این ترتیب، این اخترشناس چند هفته‌ای در بازداشت بود، درست زمانی که خورشیدگرفتگی رخ داد. البته حتی اگر آزاد بود باز نمی‌توانست عکس‌هایی از خورشید گرفتگی بگیرد تا نشان دهد نور در مجاورت خورشید خمیده می‌شود، چون آن روز هوا ابری بود.

اما این اتفاق به نفع اینشتین تمام شد چون در همان زمان متوجه شد که مقدار خمیدگی و انحراف نور را در مجاورت خورشید اشتباه حساب کرده است. او کار را دوباره آغاز کرد و سرانجام در سال ۱۹۱۵ قوانین نسبیت عام را صورت‌بندی کرد.

انشتین در سال‌های ۱۹۰۷ تا ۱۹۱۵ که روی مهم‌ترین نظریه فیزیک کار می‌کرد، توفانی‌ترین دوره زندگی خود را هم سپری می‌کرد، از یک‌طرف جنگ جهانی اول آغاز شد و از طرف دیگر مشکلات خانوادگی و جدایی از همسر اولش پیش آمد.

طبق نظریه نسبیت عام که باورش برای عموم دشوار بود، فضا-زمان، خمیده است و به‌همین دلیل نور و هر چیز دیگر طبق آن خمیدگی حرکت می‌کند.

صفحه‌ای منعطف را تصور کنید که چهار گوشه آن محکم شده و روی آن اجسامی (آن‌ها را ستارگان یا اجرام آسمانی در نظر بگیرید) با وزن‌های متفاوت قرار دارند. این اجسام بسته به وزن‌شان خمیدگی‌هایی در صفحه ایجاد می‌کنند.

اگر روی این صفحه گوی‌هایی (ذرات درون هسته‌ای) با وزن‌های متفاوت بیاندازید، خواهید دید که گوی‌ها موقع حرکت بر روی این صفحه هر کدام به نسبتی، به‌طرف آن اجسام متمایل می‌شوند.

عکسی که آرتور ادینگتون، اخترشناس انگلیسی در سال ۱۹۱۹ از خورشیدگرفتگی گرفت و نسبیت عام به کمک آن از نظر تجربی ثابت شد

هم اجسام (ستارگان) و هم گوی‌ها (ذرات) خمیدگی‌هایی روی صفحه ایجاد می‌کنند و برخی ممکن است در گودی‌هایی که ایجاد شده فروغلتند.

این صورت ساده شده جهانی است که ما در آن زندگی می‌کنیم. جهانی بافته از فضا-زمان، که وقتی ذره یا جسمی در آن قرار می‌گیرد، روی خطوط خمیده حرکت می‌کند.

بنابراین، چنان‌که نیوتن تصور می‌کرد چیزی به‌نام نیروی گرانش وجود ندارد که اجسام به‌هم وارد کنند بلکه تأثیر فضا-زمان و ماده و ذرات بر یکدیگر است که گرانش را به‌وجود می‌آورد.

جان ویلر، فیزیکدان انگلیسی، تعبیر جالبی به‌کار برده است: «ماده می‌گوید که فضا-زمان چگونه خمیده شود، و فضا-زمان به‌نوبه خود به ماده می‌گویند چگونه حرکت کند.»

اینشتین در نامه‌ای به فرزند خود نوشت که وضعیت ما در جهان همانند حرکت یک حشره روی یک شاخه پر پیچ‌وخم است. حشره نمی‌داند که روی مسیر خمیده در حال حرکت است.

در سال ۱۹۱۹ با ثبت عکس‌های خورشیدگرفتگی، نظریه نسبیت عام اینشتین به‌لحاظ تجربی ثابت و به این ترتیب راهی را برای شناسایی راز پیدایش و ساختار جهان گشوده شد.


[] يادداشت‌ها

تمامی توضیحات اضافی، توسط دانشنامه افزوده شده است.


[] پی‌نوشت‌ها

حمید علوی، نسبیت عام صد ساله شد، وب‌سایت فارسی بی‌بی‌سی: یک‌شنبه ٢۵ اکتبر ٢٠۱۵ - ۳ آبان ۱۳۹۴


[] جُستارهای وابسته




[] سرچشمه‌ها

وب‌سایت فارسی بی‌بی‌سی