مروری تاریخی بر نسبیت عام و نتایج آن

صد سال پیش همین روزها که این مطلب را برای شما می‌نویسم آلبرت آینشتاین بنا به علاقه‌اش در فیزیک نظری و آزمایشی انتزاعی، با کمک ریاضی‌دانان بزرگ آن زمان و اتکا به کارهای بزرگانی چون جیمز کلارک ماکسول، دو نظریه‌ی بسیار مهم را وارد فیزیک کرد و دیدگاه ما نسبت به آنچه در طبیعت اتفاق می‌افتد، کاملاً عوض شد. «نظریه‌ی نسبیتِ خاص» که برآن است، نور، سرعت ثابتی دارد و در تمام عالم قوانین فیزیک یکسان رفتار می‌کنند. ولی این فقط مبنای فرض اولیه بود. بنابر نظریه‌ی نسبیت خاص، اجسام در انرژی‌های بالاتر، رفتاری متفاوت نسبت به حالت انرژی‌های پایین دارند که هر روز در زندگی روزمره تجربه می‌کنیم. قبلاً فیزیک نیوتنی و نظریه‌ی میدان‌های کلاسیک با ایده‌های قدیمی و انرژی‌های پایین قالب بود. ولی یادمان باشد که بسیاری از تجربیات زندگی روزمره به معنای کلاسیکی بودن قوانین حاکم بر پدیده هایی نیستند که می‌بینیم و حس می‌کنیم. فیزیکدانان تصور می‌کردند، به‌زودی به یک نظریه‌ کامل کلاسیک دست می‌یابند که قوانین حاکم بر عالم را توصیف می‌کند. ولی ذهن خلاق و عمیق آینشتاین، ناگاه دنیای فیزیک را متحول کرد.

Landshoff_Einstein-980

اصل موضوع این قرار بود که در سرعت‌های بالا (منظور نزدیک به سرعت نور)، فیزیک نیوتنی یا همان کلاسیک، دیگر درست کار نمی‌کرد. باید فرمول‌بندی جدیدی ارائه می‌شد. ولی آینشتاین قبل از اینکه به فرمول‌بندی فکر کند به مفاهیم انتزاعی فکر می‌کرد. چارچوب‌های مرجع نقطه کلیدی ایده او بودند. چارچوب‌های مرجع، جاهایی هستند که شما یا ناظر دیگری که در آن قرار دارید و همه چیز را اندازه می‌گیرید. به عبارت بهتر ما در فیزیک، برای هر جسم یا پدیده یک تا چند چارچوب مرجع در نظر می‌گیریم. مثلاً وقتی داخل ماشین هستید، یک چارچوب مرجع، ماشین است، دیگری، می‌تواند زمین باشد، و به همین ترتیب می‌توان انواع مختلف چارچوب مرجع در نظر گرفت.

Mach02همین خودرو را در نظر بگیرید. شما در آن هستید. دقت کرده‎‌اید اگر در داخل خودرویی که با سرعت ثابت و نه شتابدار در حال حرکت است سیبی را هوا بیندازید در دستان شما فرود می‌آید؟ درست مانند حالت سکون که در اتاق نشسته باشید و اینکار را انجام دهید. علت چیست؟ چارچوب مرجع غیر شتاب دار! ولی از بیرون اگر کسی شما را ببیند، چه خواهد دید؟ حال اگر این میزان شتابِ افزاینده یا کاهنده، زیاد باشد دیگر سیب در دستان شما فرود نخواهد آمد! از بیرون چگونه دیده می‌شود؟ می‌توانید به آن فکر کنید و تجربه‌ی آینشتاین را شما هم داشته باشید.

بین سال‌‎های ۱۹۰۵ یعنی زمان انتشار ایده‌ی نسبیت خاص، تا آن سال همین مسئله‌ی چارچوب‌ها با سرعت‌های فیزیک نور منجر به ایده‌ای بزرگ شد! نظریه‌ی جدید گرانش که ایده‌ی فلسفی آن را از ارنست ماخ (Ernest Mach) گرفته بود. نظریه گرانش و خمش فضا- زمانی که برخلاف فیزیک کلاسیک با هم درگیر بودند. یعنی زمان و فضا از هم جدا نیستند.

einsteingr

آینشتاین در سال ۱۲۹۴/۱۹۱۵ مقاله‌ای با عنوان معادلات میدان گرانشی منتشر کرد. از دید نسبیت عام که نسبیت خاص را نیز در بر می‌گرفت. اتفاق‌های جالبی می‌افتاد. این فضا نیست که جایگاهی برای مواد داخل آن باشد، مانند اتاقی که اثاثی در خود دارد؛ بلکه مواد عالم یا فضا، خودِ فضا- زمان هستند، و در جای قرار دارند که خودشان شکل داده‌اند، نه اینکه درونِ جایی به نام عالم باشند. ایده‌ی دیگر، خمش فضا- زمان اطرافِ اجسامِ سنگین بود؛ درست مانند حرکت توپ روی تور یا چادری که سنگینی‌ توپ، تور یا چادر را به داخل به سمت زمین یا همان مرکز گرانش فرو می‌برد. ولی دقت کنید مثال فقط برای ساده سازی ست. در فضا خودِ اجسام، فضای در هم‌تنیده با خودشان را خمیده می‌کنند.

91964-050-473C9F1C

یکی از نتایج بسیار بحث برانگیز نسبیت عام، انواع سیاه‌چاله‌ها و نمونه‌ی بسیار کوچکتر آن‌ها یعنی کرمچاله‌ها بودند که دو منطقه از فضا زمان را می‌توانند به‌هم وصل کنند! حل معادلات آینشتاین نشان‌ می‌داد که اگر چگالی یا به زبان ساده، همان تجمع جرم در منطقه‌ای از فضا- زمان، بسیار بالاتر از مناطق دیگر است. اگر ستاره‌ای حدود ۴ برابر جرم خورشید سنگین‌تر باشد و سوخت هسته‌ای خود را ظرف چند صد میلیون تا چند میلیارد سال تمام کرده باشد، فضا – زمان در خود فرو می‌ریزد و با پدیده‌ایی به نام سیاه‌چاله‌ها روبرو می‌شویم.

AT_7e_UnFigure_22_Pg564

پدیده ای که در آفریقای جنوبی به سال ۱۹۱۹ سر آرتور ادینگتون برای اولین بار بنا به نظریه آینشتاین مشاهده کرد. مکان واقعی ستاره پُشت خورشید و در ظاهر در نزدیکی لبه ی مشاهده پذیر خورشید دیده شد؛ که نشان از چیزی جز خمش فضا – زمان و تایید نسبیت عام با دقت بسیار بالا نداشت.

هنوز چنین جسمی مشاهده نشده، ولی فیزیکدانان امیدوارند حتی از روش‌های غیرِمستقیم آن را کشف کنند. تاکنون در مراکز کهکشان‌ها، بخصوص راه‌شیری حرکت‌های غیر عادی ستارگان حول یک جرم بسیار سنگینِ ناپیدا مشاهده شده که کاندیدای یک یا چند سیاه‌چاله‌ی سنگین است.

260px-1919_eclipse_positive

۱۹۱۹، عکسی که تیم آرتور ادینگتون توانستند از گرفت کامل خورشید در آفریقای جنوبی بگیرند.

در ۱۹ می/ ۷ خرداد سال ۱۲۹۸/۱۹۱۹ یک خورشید گرفتگی کامل در جزیره ای به نام پرینسیپ (Principe) نزدیک آفریقای جنوبی دیده می‌شد که آرتور ادینگتون (Arthur Eddington)، متخصص گرانش و یکی بزرگان تاثیرگذار ساختار ریاضیاتی نسبیت عام و نتایج حاصل از معادلات میدان گرانشی و همینطور کیهانشناسی، توانست ستاره‌ای را در زمینه‌ی کناره‌ لبه‌ی خورشید ببیند که انتظار می‌رفت از دید ناظر زمینی باید پشت خورشید باشد؛ ولی خمش فضا- زمان اطراف خورشید منجر به تغییر مکان ظاهری آن شده بود. نسبیت عام اولین تاییده تجربی‌اش را با این رصد ستاره در خورشیدگرفتگی به دست آورد. این پدیده در ابعاد بزرگ و کهکشان‌ها یا خوشه‌های ستاره‌ای بزرگ به عدسی گرانشی معروف است. یعنی شما از اجسام نورانی پشت آن جرم چند تصویر غیر واقعی و یا بزرگ‌تر می‌بینید.

gravitational-lensing-distant-star-forming-galaxies-1920-space.com

GPS یا سیستم موقعیت‌یاب (مکان و زمان) و پیش بینی هوا نیز فرصت آزمون دیگری برای نسبیت عام به دست داد و مختصات اجسام روی زمین که از مدارگردها با نسبیت عام تخمین زده می‌شد با دقت بسیار بالایی به دست می‌آیند. چگونه؟ پیش بینی نسبیت عام بر این است که گذشت زمان در نزدیک اجسام پُرجرم و یا حتی می‌توان ادعا کرد در نزدیکی هر جرمی که فضا زمان را خمیده می‌کند به اندازه همان میزان خمش کُند می‌شود. برای مدارگردی در مدار زمین، جدای از فاصله دقیق آن که بی تاثیر هم نیست، حدود ۳۸ میکروثانیه در روز ساعت کُندتر می‌شود! به همین دلیل با نسبیت عام و خاص می‌توان با دقت بالایی موقعیت‌یابهایمان را دقیق‌تر کنیم.

news385-i1.0

ادوین هابل

در کیهانشناسی که نسبیت عام یک پایه‌ی مهم از این زیرشاخه فیزیک است، آینشتاین یک اشتباه کرد، ولی اشتباه او در آن جمله‌ معروفی نیست که نوشت:«بزرگترین اشتباه علمی‌ام بود!» اتفاقاً آینشتاین کاملا درست آن جمله فرضی را وارد کرده بود. در واقع یک عدد باید به آن نسبت می‌داد. . آینشتاین تصور می‌کرد باید این عدد صفر باشد، در حالی که نظریه‌ موفقی به نام انفجار بزرگ با استفاده از نسبیت عام نشان داد که این جمله هر چند بسیار کوچک است، ولی به هیچ وجه صفر نیست! به چه معناست؟ یعنی عالم در حال تورم است و شاید روزی فرو بپاشد، یا آنقدر منبسط شود تا یخ بزند؛ در حالی که در سال ۱۳۰۸/۱۹۲۹ ادوین هابل (Edwin Hubble) با طیف گرفتن از چند کهکشان متوجه شده تعدادی از کهکشان‌ها از ما دور می‌شوند و این شروعِ یک تحول در کیهانشناسی بود.

چند دهه گذشت؛ فیزیکدانان یک کشف عجیب دیگری انجام دادند! این عدد کوچک بر تحول عالم حکمران بود!؟ چطور ممکن است چنین عدد کوچکی در ابعاد ۵۲-^۱۰ وارون متر مربع یا به زبان واحدهای میکروسکپی ۵۲-^۱۰×۳ چنین اثر بزرگی داشته باشد؟ انرژی تاریک واژه‌ای است به آن علت نامعلوم تورم و بعداً انبساط عالم نسبت داده می‌شود. انرژی تاریک که حتی اندازه‌گیری‌های کنونی %۶۸.۳ سهم عالم را دارد هنوز ماهیتی مرموز دارد. %۴.۹ اتم‌های ماده و نه پادماده و %۲۶.۸ ماده‌ تاریک که نوترینوهای سنگین شاید به اشتباه یکی از کاندیدادهای این ماده در نظر گرفته شدند.

2000px-Cosmological_Composition_–_Pie_Chart.svg

به یقین اتفاق بزرگ مانند مفهوم عمیق نسبیت خاص و عام، در دنیای فیزیک باید بیفتد تا ما به کشف بزرگ دیگری برای درک این مفاهیم همچنان حل نشده، برسیم. نسبیت عام امسال صد ساله شد و تا درک کامل آن شاید حداقل یه سده دیگر باید صبر کنیم.

موج گرانشی دیگر پدیده ایست که این روزها هم خبرساز شده، و از چند دهه قبل، در راستای حل معادلات آینشتاین و پدیده هایی چون سیاه چاله، در نظریه میدان های کلاسیک که نسبیت عام در آن کار میکند، موج ضربه هم پیش بینی شده و از دید مکانیک کوانتم و همینطور کلاسیک، این امواج را میتوان آشکار سازی کرد، اگرچه بسیار ضعیف هستند و یافتن آنها کار ساده ای نیست.

4_gravitational_waves

نکته ی فیزیکی و شاید از دید ذرات بنیادی، استاندارد برای نسبیت عام این است، گرانش در نظریه ی میدان، به عنوان یک میدان باید یک حامل نیرو، به زبان ساده یک ذره داشته باشد. آن ذره از چند دهه پیش گرَویتون (Graviton) نامیده شد. در مطلبی دیگر در این مورد مینویسم موج گرانشی چیست و در ذرات بنیادی و مدل استاندارد ذرات و همینطور نظریه میدان چه نتایجی به دنبال دارد. این نکته را تا مطلب بعدی به خاطر بسپارید: در مدل استاندارد ذرات، گرانش جایی ندارد. به عبارت بهتر، هنوز نتوانسته ایم، مدلی داشته باشیم که درست کار کند، شهودی باشد، آزمایشگاهی باشد، و گرانش و دنیای شگفت انگیز کوانتمی را یکجا داشته باشد.

مدلهای متعددی چون اَبَرتقارن و ریسمان که هر کدام زیر مدلهایی هم دارند، دست به این کار زده اند. معروف ترین آنها تقابل گرانش کوانتمی و ریسمان است که دو مدل متفاوت برای یک هدف هستند. گفتنی است آینشتاین بیش از ۳۸ سال از ۱۹۱۶ تا ۱۹۵۵ در زمان فوتش، نتوانست به معادلات میدان متحدی دست پیدا کند.

فرهاد ذکاوت

پی‌نوشت: در زمان آپلود این مطلب، تیم aLIGO هم موفق به آشکارسازی امواج گرانشی شدند که چند دهه هم مدعی کشف داشت ولی جدی گرفته نشد، هرچند نوبل ۱۹۹۳ بهانه‌ای برای جدی گرفتن آن بود. اینکه امواج گرانشی چیستند و چه معادلاتی را در فیزیک ممکن است بهم بزنند و یا تایید کنند، در مطلبی دیگر خواهم نوشت. مطالب فراوانی به انگلیسی و معدودی به فارسی هم نوشته شده که می‌توانید به آن‌ها مراجعه کنید و البته من هم از دیدگاه خودم، با ادبیات ذرات بنیادی و نظریه‌ی میدان‌ها البته به زبان ساده خواهم نوشت.

منابع مفید:

کتاب:

  1. میراث آینشتاین، اثر جولیان شوینگر (فقید) برنده نوبل ۱۹۶۵ همراه با فاینمن (معلم بزرگ و افسونگر دنیای علم)، و توموناکا (یکی دیگر از اساتید به نام ژاپن)، ترجمه سیروس فرمانفرمائیان، نشر فرزان روز
  2. آینشتاین، جِرِمی برنشتاین، نشر خوارزمی
  3. نکامل فیزیک، آینشتاین، ترجمه استاد احمد آرام، نشر خوارزمی
  4. فیزیک و واقعیت، محموعه مقالات آینشتاین به زبان ساده، ترجمه محمدرضا خواجه پور، نشر خوارزمی
  5. سخنرانیهای فاینمن جلد دوم، مباحث ترمودینامیک، نسبیت خاص، و جلد اول مباحث دینامیکی
  6. جزء و کُل، ورنر هایزنبرگ، معصومی همدانی، نشر دانشگاهی
  7. سه دقیقه‌ی اول، استیون واینبرگ، محمدرضا خواجه‌‌پور، نشر معاصر

در مجله‌ی تقارن می‌توانید چند کتاب تحسین شده‌ی زبان ساده را در سال ۲۰۱۵ ببینید: Physics Books of 2015

به یقین کتاب‌های متعددی که این سالها به شیوه‌های جذاب و ژورنالیستی نوشته شده نیز می‌توانند منابع خوبی باشند. ولی به علاقه‌مندان توصیه می‌کنم، نخست قلم توانا و مفاهیم عمیق را از مبدعین اصلی و به قول فیزیک‌پیشه‌ها از اساتید بزرگ بخوانید. و سپس سراغ کتاب‌های دیگر بروید. آنچه که در کتاب‌های عامه پسند می‌خوانید قابل مقایسه با مفاهیم عمیقی نیست که از همان مباحث در دیگر کتاب‌ها با هدف‌های مختلف و در سطوح مختلف نوشته شده. در صورتی که علاقه به مطالعه بخش خاصی از وجوه تاریخی و یا محاسبات علمی مطالب بالا دارید، می‌توانید در کامنت‌ها بنویسید، در اسرع وقت اگر در دسترس داشتم لینک بدهم و یا کتاب و مقاله معرفی کنم.

مطالب مفید:

  1. منشأ کوانتمی گرانش: ۱۲۳۴
  2. شبح کوانتمی: ۱۲
  3. کشف موج گرانشی: آینشتاین راست میگفت!
  4. ۱۳۵ سالگی آینشتاین
  5. چند جهانی‌ها: ۱۲۳

 

گالری تصویر:

0 پاسخ

دیدگاه خود را ثبت کنید

تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟
در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخی بگذارید

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