مروری تاریخی بر نسبیت عام و نتایج آن
صد سال پيش همين روزها که اين مطلب را براي شما مينويسم آلبرت آينشتاين بنا به علاقهاش در فيزيک نظري و آزمايشي انتزاعي، با کمک رياضيدانان بزرگ آن زمان و اتکا به کارهاي بزرگاني چون جيمز کلارک ماکسول، دو نظريهي بسيار مهم را وارد فيزيک کرد و ديدگاه ما نسبت به آنچه در طبيعت اتفاق ميافتد، کاملاً عوض شد. «نظريهي نسبيتِ خاص» که برآن است، نور، سرعت ثابتي دارد و در تمام عالم قوانين فيزيک يکسان رفتار ميکنند. ولي اين فقط مبناي فرض اوليه بود. بنابر نظريهي نسبيت خاص، اجسام در انرژيهاي بالاتر، رفتاري متفاوت نسبت به حالت انرژيهاي پايين دارند که هر روز در زندگي روزمره تجربه ميکنيم. قبلاً فيزيک نيوتني و نظريهي ميدانهاي کلاسيک با ايدههاي قديمي و انرژيهاي پايين قالب بود. ولي يادمان باشد که بسياري از تجربيات زندگي روزمره به معناي کلاسيکي بودن قوانين حاکم بر پديده هايي نيستند که ميبينيم و حس ميکنيم. فيزيکدانان تصور ميکردند، بهزودي به يک نظرية کامل کلاسيک دست مييابند که قوانين حاکم بر عالم را توصيف ميکند. ولي ذهن خلاق و عميق آينشتاين، ناگاه دنياي فيزيک را متحول کرد.
اصل موضوع اين قرار بود که در سرعتهاي بالا (منظور نزديک به سرعت نور)، فيزيک نيوتني يا همان کلاسيک، ديگر درست کار نميکرد. بايد فرمولبندي جديدي ارائه ميشد. ولي آينشتاين قبل از اينکه به فرمولبندي فکر کند به مفاهيم انتزاعي فکر ميکرد. چارچوبهاي مرجع نقطة کليدي ايدة او بودند. چارچوبهاي مرجع، جاهايي هستند که شما يا ناظر ديگري که در آن قرار داريد و همه چيز را اندازه ميگيريد. به عبارت بهتر ما در فيزيک، براي هر جسم يا پديده يک تا چند چارچوب مرجع در نظر ميگيريم. مثلاً وقتي داخل ماشين هستيد، يک چارچوب مرجع، ماشين است، ديگري، ميتواند زمين باشد، و به همين ترتيب ميتوان انواع مختلف چارچوب مرجع در نظر گرفت.
همين خودرو را در نظر بگيريد. شما در آن هستيد. دقت کردهايد اگر در داخل خودرويي که با سرعت ثابت و نه شتابدار در حال حرکت است سيبي را هوا بيندازيد در دستان شما فرود ميآيد؟ درست مانند حالت سکون که در اتاق نشسته باشيد و اينکار را انجام دهيد. علت چيست؟ چارچوب مرجع غير شتاب دار! ولي از بيرون اگر کسي شما را ببيند، چه خواهد ديد؟ حال اگر اين ميزان شتابِ افزاينده يا کاهنده، زياد باشد ديگر سيب در دستان شما فرود نخواهد آمد! از بيرون چگونه ديده ميشود؟ ميتوانيد به آن فکر کنيد و تجربهي آينشتاين را شما هم داشته باشيد.
بين سالهاي 1905 يعني زمان انتشار ايدهي نسبيت خاص، تا آن سال همين مسئلهي چارچوبها با سرعتهاي فيزيک نور منجر به ايدهاي بزرگ شد! نظريهي جديد گرانش که ايدهي فلسفي آن را از ارنست ماخ (Ernest Mach) گرفته بود. نظريه گرانش و خمش فضا- زماني که برخلاف فيزيک کلاسيک با هم درگير بودند. يعني زمان و فضا از هم جدا نيستند.
آينشتاين در سال ۱۲۹۴/1915 مقالهاي با عنوان معادلات ميدان گرانشي منتشر کرد. از ديد نسبيت عام که نسبيت خاص را نيز در بر ميگرفت. اتفاقهاي جالبي ميافتاد. اين فضا نيست که جايگاهي براي مواد داخل آن باشد، مانند اتاقي که اثاثي در خود دارد؛ بلکه مواد عالم يا فضا، خودِ فضا- زمان هستند، و در جاي قرار دارند که خودشان شکل دادهاند، نه اينکه درونِ جايي به نام عالم باشند. ايدهي ديگر، خمش فضا- زمان اطرافِ اجسامِ سنگين بود؛ درست مانند حرکت توپ روي تور يا چادري که سنگيني توپ، تور يا چادر را به داخل به سمت زمين يا همان مرکز گرانش فرو ميبرد. ولي دقت کنيد مثال فقط براي ساده سازي ست. در فضا خودِ اجسام، فضاي در همتنيده با خودشان را خميده ميکنند.
يکي از نتايج بسيار بحث برانگيز نسبيت عام، انواع سياهچالهها و نمونهي بسيار کوچکتر آنها يعني کرمچالهها بودند که دو منطقه از فضا زمان را ميتوانند بههم وصل کنند! حل معادلات آينشتاين نشان ميداد که اگر چگالي يا به زبان ساده، همان تجمع جرم در منطقهاي از فضا- زمان، بسيار بالاتر از مناطق ديگر است. اگر ستارهاي حدود ۴ برابر جرم خورشيد سنگينتر باشد و سوخت هستهاي خود را ظرف چند صد ميليون تا چند ميليارد سال تمام کرده باشد، فضا – زمان در خود فرو ميريزد و با پديدهايي به نام سياهچالهها روبرو ميشويم.
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 چنين جسمي مشاهده نشده، ولي فيزيکدانان اميدوارند حتي از روشهاي غيرِمستقيم آن را کشف کنند. تاکنون در مراکز کهکشانها، بخصوص راهشيري حرکتهاي غير عادي ستارگان حول يک جرم بسيار سنگينِ ناپيدا مشاهده شده که کانديداي يک يا چند سياهچالهي سنگين است.
۱۹۱۹، عکسی که تیم آرتور ادینگتون توانستند از گرفت کامل خورشید در آفریقای جنوبی بگیرند.
در ۱۹ مي/ ۷ خرداد سال ۱۲۹۸/۱۹۱۹ يک خورشيد گرفتگي کامل در جزيره اي به نام پرينسيپ (Principe) نزديک آفريقاي جنوبي ديده ميشد که آرتور ادينگتون (Arthur Eddington)، متخصص گرانش و يکي بزرگان تاثيرگذار ساختار رياضياتي نسبيت عام و نتايج حاصل از معادلات ميدان گرانشي و همينطور کيهانشناسي، توانست ستارهاي را در زمينهي کنارة لبهي خورشيد ببيند که انتظار ميرفت از ديد ناظر زميني بايد پشت خورشيد باشد؛ ولي خمش فضا- زمان اطراف خورشيد منجر به تغيير مکان ظاهري آن شده بود. نسبيت عام اولين تاييده تجربياش را با اين رصد ستاره در خورشيدگرفتگي به دست آورد. اين پديده در ابعاد بزرگ و کهکشانها يا خوشههاي ستارهاي بزرگ به عدسي گرانشي معروف است. يعني شما از اجسام نوراني پشت آن جرم چند تصوير غير واقعي و يا بزرگتر ميبينيد.
GPS يا سيستم موقعيتياب (مکان و زمان) و پيش بيني هوا نيز فرصت آزمون ديگري براي نسبيت عام به دست داد و مختصات اجسام روي زمين که از مدارگردها با نسبيت عام تخمين زده ميشد با دقت بسيار بالايي به دست ميآيند. چگونه؟ پيش بيني نسبيت عام بر اين است که گذشت زمان در نزديک اجسام پُرجرم و يا حتي ميتوان ادعا کرد در نزديکي هر جرمي که فضا زمان را خميده ميکند به اندازة همان ميزان خمش کُند ميشود. براي مدارگردي در مدار زمين، جداي از فاصلة دقيق آن که بي تاثير هم نيست، حدود ۳۸ ميکروثانيه در روز ساعت کُندتر ميشود! به همين دليل با نسبيت عام و خاص ميتوان با دقت بالايي موقعيتيابهايمان را دقيقتر کنيم.
ادوین هابل
در کيهانشناسي که نسبيت عام يک پايهي مهم از اين زيرشاخة فيزيک است، آينشتاين يک اشتباه کرد، ولي اشتباه او در آن جمله معروفي نيست که نوشت:«بزرگترين اشتباه علميام بود!» اتفاقاً آينشتاين کاملا درست آن جملة فرضي را وارد کرده بود. در واقع يک عدد بايد به آن نسبت ميداد. . آينشتاين تصور ميکرد بايد اين عدد صفر باشد، در حالي که نظرية موفقي به نام انفجار بزرگ با استفاده از نسبيت عام نشان داد که اين جمله هر چند بسيار کوچک است، ولي به هيچ وجه صفر نيست! به چه معناست؟ يعني عالم در حال تورم است و شايد روزي فرو بپاشد، يا آنقدر منبسط شود تا يخ بزند؛ در حالي که در سال ۱۳۰۸/۱۹۲۹ ادوين هابل (Edwin Hubble) با طيف گرفتن از چند کهکشان متوجه شده تعدادي از کهکشانها از ما دور ميشوند و اين شروعِ يک تحول در کيهانشناسي بود.
چند دهه گذشت؛ فيزيکدانان يک کشف عجيب ديگري انجام دادند! اين عدد کوچک بر تحول عالم حکمران بود!؟ چطور ممکن است چنين عدد کوچکي در ابعاد ۵۲-^۱۰ وارون متر مربع يا به زبان واحدهاي ميکروسکپي ۵۲-^۱۰×۳ چنين اثر بزرگي داشته باشد؟ انرژي تاريک واژهاي است به آن علت نامعلوم تورم و بعداً انبساط عالم نسبت داده ميشود. انرژي تاريک که حتي اندازهگيريهاي کنوني %۶۸.۳ سهم عالم را دارد هنوز ماهيتي مرموز دارد. %۴.۹ اتمهاي ماده و نه پادماده و %۲۶.۸ ماده تاريک که نوترينوهاي سنگين شايد به اشتباه يکي از کانديدادهاي اين ماده در نظر گرفته شدند.
به يقين اتفاق بزرگ مانند مفهوم عميق نسبيت خاص و عام، در دنياي فيزيک بايد بيفتد تا ما به کشف بزرگ ديگري براي درک اين مفاهيم همچنان حل نشده، برسيم. نسبيت عام امسال صد ساله شد و تا درک کامل آن شايد حداقل يه سده ديگر بايد صبر کنيم.
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.
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:
- 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
- آینشتاین، جِرِمی برنشتاین، نشر خوارزمی
- نکامل فیزیک، آینشتاین، ترجمه استاد احمد آرام، نشر خوارزمی
- فیزیک و واقعیت، محموعه مقالات آینشتاین به زبان ساده، ترجمه محمدرضا خواجه پور، نشر خوارزمی
- سخنرانیهای فاینمن جلد دوم، مباحث ترمودینامیک، نسبیت خاص، و جلد اول مباحث دینامیکی
- جزء و کُل، ورنر هایزنبرگ، معصومی همدانی، نشر دانشگاهی
- 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:
- منشأ کوانتمی گرانش: ۱ – ۲ – ۳ – ۴
- شبح کوانتمی: ۱– ۲
- کشف موج گرانشی: آینشتاین راست میگفت!
- ۱۳۵ سالگی آینشتاین
- چند جهانیها: ۱ – ۲– ۳
گالری تصویر:
دیدگاه خود را ثبت کنید
تمایل دارید در گفتگوها شرکت کنید؟در گفتگو ها شرکت کنید.