|
نظریه نسبیت آلبرت انیشتین
(Theory of Relativity)
تئوری جاذبه ای که نیوتن (Newton) ارائه کرد خیلی زود بدون
تقریبآ هیچ سئوالی جدی مورد پذیرش دانشمندان قرار گرفت. تا
اینکه در اویل قرن بیستم آلبرت اینشتین (Albert Einstein
1879-1955) با ارائه نظریه نسبیت خاص در سال 1905 و نظریه
نسبیت عام در سال 1915 نه تنها قوانین فیزک و جاذبه عمومی
نیوتن بلکه پایه های فیزیک عصر خود را لرزاند.
هر چند قبل از او ماکس پلانک (Max Planck) با ارائه نظریه
کوانتم (Quantum) تا حد زیادی فیزیک نیوتنی را زیر سئوال برده
بود اما اینشتین با انتشار مقاله های خود راجع به تئوری نسبیت
رسما" ثابت کرد که فیزیک نیوتن در حالت های بسیار خاص پاسخگوی
پدیده های فیزیکی می باشد.
وی بعد ها با فعالیت هایی که در سالهای 1920 تا 1925 انجام داد
بعنوان یکی از پایه گذاران اصلی مکانیک کوانتم نیز شناخته شد.
آلبرت اینشتین طی سالهای 1930 الی 1955 به بررسی رفتار عالم
هستی پرداخت و مقالاتی در این باره منتشر کرد. او می خواست با
ترکیب تئوری نسبیت و کوانتم به تئوری جامعی برای مدل کردن جهان
هستی دست پیدا کند که زندگی این فرصت را برای تکمیل کار به او
نداد. اما بعد ها در سال 1933 هابل (Hubble) و هومنسون
(Humanson) با تحقیقاتی که در زمینه کهکشانهای مختلف انجام
دادند بر نظریه های او را جع به جهان هستی صحه گذاردند.
آلبرت انیشتین دو نظریه دارد. نسبیت خاص را در سن 25 سالگی
بوجود آورد و ده سال بعد توانست نسبیت عام را مطرح کند.
نظریه نسبیت خاص
نسبیت خاص یکی از نظریاتی است که انیشتین مطرح
کرده و شامل سه پدیده در سرعت های بالا است .
* انقباض لورنتزی که کاهش طول جسم در مسیر حرکت است
* اتساع زمان که کند شدن زمان است
* افزایش جرم .
نسبیت خاص بطور خلاصه تنها نظریه ایست که در سرعتهای بالا ( در
شرایطی که سرعت در خلال حرکت تغییر نکند--سرعت ثابت ( میتوان
به اعداد و محاسباتش اعتماد کرد. جهان ما جوریست که در سرعتهای
بالا از قوانین عجیبی پیروی می کند که در زندگی ما قابل دیدن
نیستند. مثلا وقتی جسمی با سرعت نزدیک سرعت نور حرکت کند زمان
برای او بسیار کند می گذرد. و همچنین ابعاد این جسم کوچک تر
میشود. جرم جسمی که با سرعت بسیار زیاد حرکت می کند دیگر ثابت
نیست بلکه ازدیاد پیدا می کند. اگر جسمی با سرعت نور حرکت کند،
زمان برایش متوقف می شود، طولش به صفر میرسد و جرمش بینهایت
میشود.
حتی زمان هم نسبی می باشد!
از نتایج جالب تئوری نسبیت خاص می توان به بیان ارتباط میان
زمان و و فضا (فاصله) و اینکه تمام موجودیت ها در دنیا با
یکدیگر مرتبط بوده و بر یکدیگر اثر می گذارند، اشاره کرد.
نیوتن معتقد بود که زمان ثابت است و در تمام نقاط به یک صورت
عمل می کند. اما اینشتین نشان داد که اینگونه نیست.
مثال جالبی که معمولا" در این باره بیان می شود آن است که دو
برادر دوقلو را در نظر بگیرید. یکی روی زمین می ماند و دیگری
با یک فضا پیما با سرعت نزدیک به نور به سمت فضا حرکت می کند.
پس از آنکه برادر روی زمین 100 سال از عمرش بگذرد، برادری که
در فضا پیما می باشد فقط یکسال از عمرش گذشته است!
نظریه نسبیت عام
انیشتین در نوامبر سال ۱۹۱۵ یک سری سخنرانی‌هایی در آکادمی
علوم پروس ایراد کرد که در آن نظریه جدید گرانش، موسوم به
نسبیت عام را مطرح کرد. او در آخرین سخنرانی ای که ایراد کرد
معادله‌ای را مطرح کرد که جانشین قانون جاذبه نیوتون شد،
معادله میدان انیشتین. این نظریه قائل به این است که نه تنها
کسانی که یا یک سرعت ثابت در حرکتند، بلکه تمامی ناظران یکسان
و هم ارز هستند. در نسبیت عام، گرانش دیگر نیرو محسوب نمی‌شود
(مانند قانون جاذبه نیوتون)، بلکه آن نتیجه خمیدگی مکان- زمان
است .
به خاطر جنگ، مقالاتی که انیشتین در مورد نسبیت عام چاپ کرده
بود، در خارج از آلمان در دسترس نبود. خبر نظریه جدید انیشتین
توسط فیزیک دانهای هلندی هنریک آنتون لورنتز و پل اهرنفست و
همکار آنها ویلیام دو سیتر که مدیر رصد خانه لیدن بود، به
منجمان انگلیسی زبان در انگلیس و آمریکا رسانده شد. در انگلیس،
آرتور استنلی ادینگتون که دبیر انجمن نجوم سلطنتی از دو سیتر
خواست تا یک سری مفالاتی به زبان انگلیسی به نفع منجمان
بنویسد. نظریه جدید او را مجذوب خود ساخته بود و از این رو یکی
از مدافعان و مبلغان اصلی نسبیت شد. . اغلب منجمان هندسی سازی
گرانش توسط انیشتین را نمی‌پسندیدند و معتقد بودند پیش
بینی‌های او در مورد خمیدگی نور و به قرمزی گرایی گرانشی درست
از آب در نخواهد آمد. در سال ۱۹۱۷، منجمان رصد خانه ویلسون در
کالیفرنیای جنوبی نتایج تحلیل طیف نور را که در ظاهر نشان
می‌داد که در پرتو خورشید به قرمزی گرایی گرانشی وجود ندارد،
منتشر کردند. . در سال ۱۹۱۸، منجمان رصد خانه لیک در شمال
کالیفرنیا تصاویری از خورشیدگرفتگی که در ایالات متحده قابل
رویت بود گرفتند.پس از پایان جنگ، آنها نتایج بررسی‌های خود را
اعلام کردند و مدعی شدند که پیش بینی نسبیت عام انیشتین در
خصوص خمیدگی نور اشتباه بوده‌است. با این حال آنها به خاطر
خطاهای احتمالی فراوان، هیچگاه اقدام به چاپ نتایجی که به دست
آورده بودند نکردند .
آرتور استنلی ادینگتون، طی سفرهایی که درماه می سال، ۱۹۱۹ در
زمانی که خورشید گرفتگی در بریتانیا رخ داد، به سوبرال سیارا
برزیل و جزیره پرینسیپ در ساحل غربی آفریقا داشت، اندازه گیری
خمیدگی گرانشی عدسی نور ستاره را به هنگام عبور از نزدیکی
خورشید تحت نظارت داشت و در نهایت به این نتیجه رسید که محل
قرار گرفتن ستاره از خورشید دورتر است. این حالت عدسی گرایی
گرانشی نامیده میشود و وضعیت ستاره‌های مشاهده شده دو برابر
حالتی بود که فزیک نیوتنی پیش بینی اش را میکرد. معهذا، این
حالت با پیش بینی هم ارزی میدانی انیشتین (هم ارزی میدانی)
نسبیت عام همخوان بود. ادینگتون اعلام کرد که نتایج به دست
آمده پیش بینی انیشتین را تایید میکند و مجله تایمز در هفتم
نوامبر آن سال با اتنخاب تیتر زیر تایید شدن پیش بینی انیشتین
را گزارش کرد: ""انقلابی در علم، نظریه‌ای جدید در مورد جهان،
ایده‌های نیوتن اعتبار خود را از دست می‌دهد."" ماکس بورن،
برنده جایزه نوبل از نسبیت عام به عنوان بزرگ‌ترین دستاورد
و شاهکار تفکر بشری در مورد طبیعت بر شمرد و پل دیراک نیز که
یکی از برندگان جایزه نوبل است، از آن به عنوان بزرگ ترین
اکتشاف علمی آن زمان یاد کرد. این اظهار نظرها و تبلیغات
متعاقب از آن، باعث شهرت و معروفیت انیشتین شد.او در سطح جهانی
معروف شد که موفقیت استثنایی و خاصی برای یک دانشمند محسوب
میشود.
با این حال هنوز هم بسیاری از دانشمندان به دلایل مختلفی که
شامل دلایل علمی (مخالفت با تفسیر انیشتین از آزمایش های
انجام شده، اعتقاد به اتر و یا ضرورت وجود ملاک مطلق) و دلایل
روانی- اجتماعی (محافظه کاری، یهود ستیزی) می‌شد، نظریات
انیشتین را نمی‌پذیرفتند. به نظر انیشتین، اغلب مخالفتهایی که
با نظریه او می‌شد، از جانب آزمایش باورانی بود که درک ناچیزی
از نظریه مطرح شده داشتند .
شهرتی که انیشتین بعد از چاپ مقاله ۱۹۱۹ دست آورده بود، باعث
شد بسیاری از دانشمندان نسبت به ابراز نفرت و انزجار کنند و
نفرت و انزجار برخی از آنها حتی تا دهه ۳۰ نیز ادامه یافت.
مباحث زیادی در مورد ابراز انزجار نسبت به شهرت و معروفیت
انیشتین وجود دارد، بویژه در میان آن دسته: از فیزیک دانان
آلمانی که بعد‌ها جنبش ضد انیشتینی دویچه فیزیک را در
مقدمه Klaus Hentschel ؛ یعنی فیزیک و سوسیالسم اجتماعی
به راه انداختند.
انیشتین در ۳۰ مارس سال ۱۹۲۱، یعنی همان سالی که برنده جایزه
نوبل شد، برای ایراد سخنرانی در مورد نظریه جدید نسیبت به
نیویورک رفت. اگرچه امروزه انیشتین به خاطر فعالیتهایش د رمورد
نسبیت شهرت یافته، اما جایزه نوبل به خاطر کارهای او در مورد
اثر فوتوالکتریک به او اعطا شد؛ چرا که در مورد نسبیت عام در
آن زمان هنوز اختلاف نظر وجود داشت. هیات نوبل با خود به این
نتیجه رسیند که اشاره به آن نظریه انیشتین در نوبل که اختلاف
نظر و مخالفت در مورد آن کمتر است، بیشتر مورد قبول جامعه علمی
واقع خواهد شد.
نظریه نسبیت عام به زبان ساده
نسبیت عام برای حرکتهایی ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغییر
می کند یا باصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمین g که
همان عدد 9.81m/sاست نیز یک نوع شتاب است. پس نسبیت عام با
شتابها کار دارد نه با حرکت. نظریه ایست راجع به اجرام ی که
شتاب ثقل دارند. کلا هرجا در عالم، جرمی در فضا ی خالی باشد
حتما یک شتاب جاذبه در اطراف خود دارد که مقدار عددی آن وابسته
به جرم آن جسم می باشد. پس در اطراف هر جسمی شتابی وجود دارد.
نسبیت عام با این شتابها سر و کار دارد و بیان می کند که هر
جسمی که از سطح یک سیاره دور شود زمان برای او کند تر میشود.
یعنی مثلا، اگر دوربینی روی ساعت من بگذارند و از عقربه های
ساعتم فیلم زنده بگیرند و روی ساعت آدمی که دارد بالا میرود و
از سیاره ی زمین جدا میشود هم دوربینی بگذارند و هردو فیلم را
کنار هم روی یک صفحه ی تلویزیونی پخش کنند، ملاحظه خواهیم کرد
که ساعت من تند تر کار می کند. نسبیت عام نتایج بسیار عجیب و
قابل اثبات در آزمایشگاهی دارد. مثلا نوری که به اطراف ستاره
ای سنگین میرسد کمی بسمت آن ستاره خم میشود. سیاهچاله
ها(سیاهچاله ها: اگر یه ستاره چند برابر خورشید باشد و همه
سوختش را بسوزاند، از انجا که یک نیروی جاذبه قوی دارد لذا جرم
خودش در خودش فشرده میشود و یک حفره سیاه رنگ مثل یه قیف درست
میکند که نیروی جاذبه فوق العاده زیادی دارد طوری که حتی نور
هم نمیتواند از آن فرار کند) هم بر اساس همین خاصیت است که کار
می کنند. جرم انها بقدری زیاد و حجمشان بقدری کم است که نور
وقتی از کنار آنها می گذرد به داخل آنها می افتد و هرگز بیرون
نمی آید.
همه ما برای یکبار هم که شده گذرمان به ساعت‌فروشی افتاده است
و ساعتهای بزرگ و کوچک را دیده ایم که روی ساعت ده و ده دقیقه
قرار دارند. ولی هیچگاه از خودمان نپرسیده ایم چرا؟ آلبرت
انیشتین در نظریه نسبیت خاص با حرکت شتابدار و یا با گرانش
کاری نداشت. اولین موضوعات را در نظریه نسبیت عام خود که در
1915 انتشار یافت مورد بحث قرار داد.نظریه نسبیت عام دید
گرانشی را بکلی تغییر داد و در این نظریه جدید نیرو ی گرانش را
مانند خاصیتی از فضا در نظر گرفت نه مانند نیرو یی بین اجرام ،
یعنی برخلاف آنچه که اسحاق نیوتن گفته بود !در نظریه او فضا در
مجاورت ماده کمی انحنا پیدا میکرد. در نتیجه حضور ماده اجرام
، مسیر یا به اصطلاح کمترین مقاومت را در میان منحنیها اختیار
می‌کردند. با این که فکر آلبرت انیشتین عجیب به نظر می‌رسید
می‌توانست چیزی را جواب دهد که قانون ثقل نیوتن از جواب دادن
آن عاجز می ماند.سیاره اورانوس در سال 1781 میلادی کشف شده بود
و مدارش به دور خورشید اندکی ناجور به نظر می‌رسید و یا به
عبارتی کج بود !
نیم قرن مطالعه این موضوع را خدشه ناپذیر کرده بود.بنابر
قوانین اسحاق نیوتن می بایست جاذبه ای برآن وارد شود. یعنی
باید سیاره ای بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از
طرف آن نیرو یی بر اورانوس وارد شود.در سال 1846 میلادی اختر
شناس آلمانی دوربین نجومی خودش را متوجه نقطه ای کرد که «
لووریه» گفته بود و بی هیچ تردید سیاره جدیدی را در آنجا دید
که از آن پس نپتون نام گرفت.نزدیک ترین نقطه مدار سیاره عطارد
به خورشید در هر دور حرکت سالیانه سیاره تغییر میکرد و هیچ گاه
دوبار پشت سر هم این تغییر در یک نقطه خاص اتفاق
نمی‌افتاد.اختر شناسان بیشتر این بی نظمی ها را به حساب اختلال
ناشی از کشش سیاره های مجاور عطارد می دانستند !مقدار این
انحراف برابر 43 ثانیه قوس بود. این حرکت در سال 1845 به وسیله
لووریه کشف شد بالاخره با ارائه نظریه نسبیت عام جواب فراهم شد
این فرضیه با اتکایی که بر هندسه نااقلیدسی داشت نشان داد که
حضیض هر جسم دوران کننده حرکتی دارد علاوه برآنچه اسحاق نیوتن
گفته بود.وقتی که فرمولهای آلبرت انیشتین را در مورد سیاره
عطارد به کار بردند، دیدند که با تغییر مکان حضیض این سیاره
سازگاری کامل دارد. سیاره هایی که فاصله شان از خورشید بیشتر
از فاصله تیر تا آن است تغییر مکان حضیضی دارند که به طور
تصاعدی کوچک می شوند.اثر بخش‌تر از اینها دو پدیده تازه بود که
فقط نظریه آلبرت انیشتین آن‌را پیشگویی کرده بود. نخست آنکه
آلبرت انیشتین معتقد بود که میدان گرانشی شدید موجب کند شدن
ارتعاش اتمها می شود و گواه بر این کند شدن تغییر جای خطوط طیف
است به طرف رنگ سرخ! یعنی اینکه اگر ستاره ای بسیار داغ باشد و
به طوری که محاسبه می کنیم بگوییم که نور آن باید آبی درخشان
باشد در عمل سرخ رنگ به نظر میرسد کجا برویم تا این مقدار
قوای گرانشی و حرارت ی بالا را داشته باشیم، پاسخ مربوط به
کوتوله های سفید است.دانشمندان به بررسی طیف کوتوله های سفید
پرداختند و در حقیقت تغییر مکان پیش بینی شده را با چشم دیدند!
اسم این را تغییر مکان آلبرت انیشتینی گذاشتند. آلبرت انیشتین
می گفت که میدان گرانشی شعاع های نور را منحرف میکند چگونه
ممکن بود این مطلب را امتحان کرد.اگر ستاره ای در آسمان آن سوی
خورشید درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان کسوف خورشید
قابل رؤیت باشد اگر وضع آنها را با زمانی که فرض کنیم خورشیدی
در کار نباشد مقایسه کنیم خم شدن نور آنها مسلم است. درست مثل
موقعی که انگشت دستتان را جلوی چشمتان در فاصله 8 سانتیمتری
قرار دهید و یکبار فقط با چشم چپ و بار دیگر فقط با چشم راست
به آن نگاه کنید به نظر می رسد که انگشت دستتان در مقابل زمینه
پشت آن تغییر جا می‌دهد ولی واقعاً انگشت شما که جابجا نشده
است!
دانشمندان در موقع کسوف در جزیره پرنسیپ پرتغال واقع در
آفریقای غربی دیدند که نور ستاره ها به جای آنکه به خط راست
حرکت کنند در مجاورت خورشید و در اثر نیرو ی گرانشی آن خم می
شوند و به صورت منحنی در می آیند. یعنی ما وضع ستاره ها را کمی
بالاتر از محل واقعیش می‌بینیم.ماهیت تمام پیروزیهای نظریه
نسبیت عام آلبرت انیشتین نجومی بود ولی دانشمندان حسرت می
کشیدند که ای کاش راهی برای امتحان آن در آزمایشگاه داشتند.ـ
نظریه آلبرت انیشتین به ماده به صورت بسته متراکمی از انرژی
نگاه می کرد به همین خاطر می گفت که این دو به هم تبدیل پذیرند
یعنی ماده به انرژی و انرژی به ماده تبدیل می شود. E =
mc²دانشمندان به ناگاه جواب بسیاری از سؤالها را یافتند. پدیده
رادیواکتیو ی به راحتی توسط این معادله توجیه شد. کم کم
دانشمندان متوجه شدند که هر ذره مادی یک پادماده مساوی خود
دارد و در اینجا بود که ماده و انرژی غیر قابل تفکیک شدند.تا
اینکه آلبرت انیشتین طی نامه ای به رئیس جمهور آمریکا نوشت که
می توان ماده را به انرژی تبدیل کنیم و یک بمب اتمی درست کنیم
و آمریکا دستور تأسیس سازمان عظیمی را داد تا به بمب اتمی دست
پیدا کند. برای شکافت هسته اتم اورانیوم 235 انتخاب شد.
اورانیوم عنصری است که در پوسته زمین بسیار زیاد است. تقریباً
2 گرم در هر تن سنگ! یعنی از طلا چهارصد مرتبه فراوانتر است
اما خیلی پراکنده.در سال 1945 مقدار کافی برای ساخت بمب جمـع
شـده بود و ایـن کار یعنی ساختن بمب در آزمایشگاهــی در « لوس
آلاموس » به سرپرستی فیزیکدان آمریکایی «رابرت اوپنهایمر» صورت
گرفت. آزمودن چنین وسیله ای در مقیاس کوچک ناممکن بود. بمب یا
باید بالای اندازه بحرانی باشد یا اصلاً نباشد و در نتیجه
اولین بمب برای آزمایش منفجر شد. در ساعت 5/5 صبح روز 16 ژوئیه
1945 برابر با 25 تیرماه 1324 و نیرو ی انفجاری برابر 20 هزار
تنT.N.T آزاد کرده دو بمب دیگر هم تهیه شد. یکی بمب اورانیوم
بنام پسرک با سه متر و 60 سانتیمتر طول و به وزن 5/4 تن و
دیگری مرد چاق که پلوتونیم هم داشت. اولی روی هیروشیما و دومی
روی ناکازاکی در ژاپن انداخته شد. صبح روز 16 اوت 1945 در ساعت
10 و ده دقیقه صبح شهر هیروشیما با یک انفجار اتمی به خاک و
خون کشیده شد. با بمباران هیروشیما جهان ناگهان به خود آمد،
160000 کشته در یک روز وجدان خفته فیزیکدان ها بیدارر شد! «
اوپنهایمر» مسئول پروژه بمب و دیگران از شدت عذاب وجدان لب به
اعتراض گشودند و به زندان افتادند. آلبرت انیشتین اعلام کرد که
اگر روزی بخواهم دوباره به دنیا بیایم دوست دارم یک لوله‌کش
بشوم نه یک دانشمند!
برخی نتایج حاصل از نسبیت
اینشتین
با نظریه نسبیت خاص خود نشان داد که سه قانون فیزیک نیوتن تنها
در شرایط خاصی آنهم بصورت تقریبی صحت دارند و هنگامی که سرعت
اجسام زیاد شده و با سرعت نور قابل مقایسه شوند به هیچ وجه نمی
توان قوانین نیوتن را در مورد اجسام حتی با تقریب بالا بکار
برد. همچنین نظریه نسبیت عام او نشان داد که باز نظریه نیوتن
راجع به قانون جاذبه عمومی دقیق نمی باشد و در میدان های جاذبه
بسیار قوی فرمول نیوتن جای بحث دارد.
مطالعه حرکت عطارد (Mercury) به دور خورشید از دیر باز مورد
علاقه ستاره شناسان و فیزیک دانان بوده است. مشکل اینجا بوجود
آمد که مشاهده شد صفحه ای که عطارد در آن به دور خوشید می چرخد
خود دارای حرکت می باشد. این حرکت در شکل بوضوح نشان داده شده
است.
اندازه گیری ها نشان داد که این حرکت در هر یکصد سال معادل 43
ثانیه (در اینجا منظور از ثانیه واحد اندازه گیری کمان می باشد
که معادل 1/3600 درجه است) می باشد. با وجود آنکه این مقدار
حرکت برای هر سال بسیار کم می باشد اما قانون جاذبه عمومی
نیوتن از توجیه آن عاجز است.
نیوتن معتقد بود که نور در یک مسیر مستقیم حرکت می کند اما
اینشتین نشان داد که اگر جسمی دارای یک میدان جاذبه بزرگ باشد
و نور از کنار آن عبور کند دچار انحراف از مسیر مستقیم خود می
شود.
دیگر مواردی که از قانون نسبیت عام می توان نتیجه گرفت آن که
نور ستارگانی که دارای میدانهای مغناطیسی قوی میباشند در راه
رسیدن به زمین تغییر طول موج می دهند. این اثر که به Red Shift
مشهور است، باعث می شود طول موج نور این ستاره ها بزرگتر شود.
این مسئله که باز با قوانین نیوتن قابل تحلیل نمی باشد توسط
معادلات تئوری نسبیت عام بسادگی مدل می شود.
آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟
تصور یک تصویرگر از فضا-زمان خمیده در اطراف زمین
زمان و فضا بر طبق نظریه نسبیت انیشتین به یکدیگر بافته شده
اند و ساختار تار و پودی چهاربعدی به نام فضا-زمان را به وجود
آورده اند.جرم قابل توجه زمین ، این ساختار را به شکل یک گودی
در می آورد.مانند شخص سنگینی که وسط یک تشک بادی نشسته باشد
(هر چند که چنین خمیدگیهای فضا-زمان را اغلب در محیط اطراف
اجرام بسیار پر جرم تر و فشرده تری مانند سیاهچاله ها، ستاره
های نوترونی، و کوتوله های سفید سراغ داریم اما اگر با دقت
کافی محیط اطراف اجرام بسیار کم جرم تری مانند زمین را نیز
بررسی کنیم خمیدگی فضا-زمان ناشی از جرم زمین را می توانیم
بیابیم).
بر طبق نظریه نسبیت عام انیشتین ، حرکت اجسام در ساختار تار و
پودی فضا-زمان صورت می گیرد. یعنی جسم در حال حرکت تابع شکل
فضا-زمانی است که در آن واقع شده است. بر اساس این نظریه،
گرانش باعث تغییر شکل ساختار فضا-زمان می شود و در نتیجه حرکت
جسم نیز بر اثر میدان گرانشی تغییر می کند. می توان گفت که به
زبان انیشتین گرانش در اصل حرکت اجسام در مسیر خمیدگی ساختار
فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. یعنی وقتی زمین ر مداری به
دور خورشید در گردش است از دید نسبیتی به دلیل انحنای فضا-زمان
اطراف خورشید در این مسیر هدایت می شود.
اگر زمین ثابت بود، ضرورتی برای انجام این کاوش نبود، ولی از
آنجا که زمین به دور خود حرکت دورانی دارد ، این خمیدگی نیز
باید همراه با زمین بچرخد.زمین با پیچ و تاب دادن ساختار
فضا-زمان به دور خود به آرامی آن را به صورت یک ساختار چرخشی ۴
بعدی در می آورد.این همان چیزی است که ماهواره گرانش کاو یا
GP-B برای آزمایش آن به فضا فرستاده شده است.
این آزمایش براساس فکر بسیار ساده ای انجام می شود: یک
ژیروسکوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداری در نزدیکی زمین قرار
می دهند ، در حالی که محور چرخش آن به سمت یک ستاره بسیار دور
-در نقش یک مرجع ثابت و بدون حرکت- نشانه رفته است. بدون وجود
نیروهای خارجی، محور ژیروسکوپ باید تا ابد به سمت همان ستاره
ثابت بماند.ولی چون فضا-زمان در نزدیکی زمین خمیده است، جهت
محور ژیروسکوپ به مرور زمان تغییر می کند.با اندازه گیری بسیار
دقیق تغییرات جهت محور ژیروسکوپ نسبت به ستاره، می توان میزان
خمیدگی فضا-زمان را در نزدیکی زمین اندازه گرفت.
اما در عمل این آزمایش بسیار دشوار است :
۴ ژیروسکوپی که در GP-B کار گذاشته شده اند، کامل ترین کره
هایی هستند که تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.این کره ها
که هر کدام به اندازه یک توپ پینگ پونگ اند (به قطر حدود ۴
سانتی متر)، از جنس سیلیکون و کوارتز هستند. هیچ گاه اختلاف
آنها با یک کره کامل بیش از ۴۰ لایه اتمی نیست. اگر ژیروسکوپ
ها کاملا کروی نبودند، محور چرخش آنها حتی بدون اثرات نسبیتی
، حرکت می کرد.
بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پیدا کرده در نزدیکی زمین باعث
می شود تا محور ژیروسکوپ در طول یک سال به اندازه ی ۰.۰۴۱
ثانیه قوس جابه جا شود. یک ثانیه قوس ۳۶۰۰/۱ یک درجه است. برای
اندازه گیری دقیق این زاویه، GP-B به دقت سنجش فوق العاده
۰.۰۰۰۵ ثانیه قوس نیاز دارد.این عمل مانند آن است که بخواهیم
قطر یک ورق کاغذ را از فاصله ی ۱۵۰ کیلومتری اندازه بگیریم.
محققان GP-B فناوری های کاملا جدیدی را برای این اندازه گیری
اختراع کرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا بدون لرزش
ساخته اند تا در هنگام حرکت ماهواره در لایه های بالایی جو به
ژیروسکوپ ها لرزشی وارد نشود. آنها دریافتند که چگونه از نفوذ
میدان مغناطیسی زمین به داخل فضاپیما جلوگیری کنند و همچنین
دستگاهی را برای اندازه گیری چرخش ژیروسکوپ ، بدون تماس با آن،
اختراع کردند.
فرانسیس اوریت ، استاد فیزیک دانشگاه استنفورد و محقق اصلی
پروژه GP-B می گوید: در جریان انجام آزمایش هیچ حادثه غافلگیر
کننده ای اتفاق نیفتاده است. اکنون که مرحله جمع آوری اطلاعات
پایان یافته است ، او می گوید : دانشمندان GP-B با اشتیاق و
علاقه بیشتری به کار خود ادامه می دهند و کار سخت پیش روی خود
را نادیده نمی گیرند.
در مرحله بعدی آنها باید اطلاعات گرفته شده را به طور دقیق و
کامل بررسی کنند.اوریت توضیح می دهد که دانشمندان GP-B این کار
را در سه مرحله انجام می دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را
به صورت روز به روز بررسی می کنند تا بی نظمی های موجود در
آنها را بیابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در می
آورند و در نهایت آنها را به صورت یک مجموعه کامل به دست آمده
در طول یک سال، تحلیل می کنند. بدین ترتیب دانشمندان ایرادات
موجود در اطلاعات را ، که از طریق یک روش تجزیه و تحلیل ساده
نمی توان پیدا کرد، می یابند.
نهایتا دانشمندان از سراسر دنیا نتایج را به دقت بررسی می
کنند.اوریت می گوید: بدین طریق به سخت ترین منتقدان، اجازه
شرکت در این پروژه داده می شود. اگر GP-B بتواند به طور دقیق
چاله فضا-زمانی را که انتظار می رود مشخص کند، بدین معنی است
که بر اساس باور عمومی فیزیکدانان نظریه انیشتین حقیقت داشته
است ولی اگر این گونه نشود، چه اتفاقی رخ خواهد داد؟ شاید
ایرادی در نظریه نسبیت عام انیشتین یافته شود. اختلاف کوچکی که
ظهور انقلابی بزرگ را در فیزیک عصر جدید اعلام خواهد کرد.
حلقه های انیشتین
شاهد عینی نسبیت عام انیشتین حلقه هایی از نور است که بر اثر
خمیده شدن نور کهکشانهای دوردست در گذر از کنار میدان گرانشی
نیرومند کهکشان بزرگ یا مجموعه کهکشانهای میان راه پدید آمده
اند.
در تصاویر بالا که با تلسکوپ فضایی هابل گرفته
شده است،اشکال آبی رنگی کــه مانند چشم گاو به نظر می رسند، به
حلقه های انیشتین معروف اند و زیباترین جلوه ی پدیده انحنای
گرانشی در کیهان هستند. لکه های قرمز مایل به زرد، کهکشان های
بیضوی غولپیکری هستند که نقش منحرف کننده نور یا همان عدسی های
گرانشی را اجرا می کنند. آنها 2 تا 4 میلیارد سال نوری از ما
فاصله دارند و با وجود فتصله زیادشان بسیار نزدیکتر از
کهکشانهای منشا حلقه های انیشتین اند.
حلقه معمولا نماد عینی رمز آلود بودن، نماد یک
قدرت- مانند داستان معروف ارباب حلقه ها- یا نماد پیوند بین دو
انسان است. اما در فضا حلقه ای از نور ، چیزی بیش از یک نماد
است.این حلقه یا کمان نورانی ، ما را به ماده نامریی راهنمایی
می کند و نوری است که از کهکشان های بسیار دور به ما می
رسد.آلبرت انیشتین حدود ۷۰ سال پیش ، وجود چنین حلقه هایی را
پیش بینی کرد.وی در مقاله ای در سال ۱۹۳۶ توصیف کرد که چگونه
بر اثر انحراف نور در میدان گرانشی یک جرم عظیم ممکن است نور
دوردستی چنان منحرف شود که حلقه ای کامل به نام حلقه ی
انیشتین بسازد. جرم منحرف کننده نور در بین راه مانند یک عدسی
عمل می کند و علاوه بر ایجاد تصویری بزرگتر، هر چند به هم
ریخته، از جرم دوردست، همچنین منبع نور را روشن تر می سازد؛ به
صورتی که در بعضی موارد این عدسی های عظیم کیهانی کهکشان های
بسیار کم نور را قابل مشاهده می نمایند.
آدام بولتون از مرکز اخترفیزیک هاروارد-اسمیت سونی (CFA) می
گوید:حلقه انیشتین یکی از جذاب ترین جلوه های نظریه نسبیت عام
در کیهان به شمار می رود و به ما امکان می دهد تا کهکشان های
بسیار پرجرم موجود در کیهان را مطالعه کنیم.
این خطای اپتیکی ایجاد شده بر اثر انحنای فضا به همگرایی
گرانشی معروف است.درست مانند آنکه یک عدسی بزرگ با بزرگنمایی
بالا را در فضا قرار دهیم تا ضمن تشدید نور اجسام دورتر ، به
آن انحنا دهد.در همگرایی گرانشی نور کهکشانی دور می تواند بر
اثر یک کهکشان در بین راه منحرف شود و یک کمان یا چند تصویر
جدا از هم بسازد.هنگامی که هر دو کهکشان ذکر شده نسبت به ما
درست در یک خط قرار گیرند، نور به شکل حلقه ای مانند چشم گاو
در می آید، که به حلقه انیشتین معروف است و پیرامون کهکشان
نزدیک تر یعنی همان عدسی گرانشی تشکیل می شود.
اخترشناسان در حال حاضر دو منبع قوی برای جمع آوری اطلاعات در
این زمینه در اختیار دارند: طرح نقشه برداری دیجیتالی آسمان یا
(Sloan Digital Sky Survey) SDSS و تلسکوپ فضایی هابل که از
آنها برای شناسایی ۱۹ مورد مشکوک به پدیده انحنای گرانشی
کهکشانی استفاده می کنند. این موارد به ۱۰۰ مورد از قبل
شناسایی شده اضافه می شوند. با بررسی این کمان ها و حلقه های
تشکیل شده بر اثر انحراف نور، اخترشناسان می توانند به صورت
دقیق جرم کهکشان نزدیک تر را محاسبه کنند. در بین این ۱۹ مورد،
آنها ۸ مورد از حلقه های انیشتین یافته اند که فقط ۳ مورد از
آنها قبلا در طیف مریی دیده شده بودند.
این موارد تازه کشف شده، از طرح در حال انجامی به نام « slacs
» گرفته شده اند.گروهی از منجمان به سرپرستی آدام بولتون از
«CfA » و لئون کوپمانس از مؤسسه نجوم کپتین در هلند، نامزدهای
پدیده انحنای گرانشی را از میان چند صدهزار طیف مرئی گرفته شده
از کهکشان های بیضوی در طرح «SDSS » انتخاب کردند.آنان برای
تایید این انتخاب از چشمان تیزبین دوربین پیشرفته نقشه برداری
هابل استفاده کردند. بولتون توضیح می دهد که حجم انبوه
اطلاعات « sdss » همراه با کیفیت عکس برداری تلسکوپ فضایی هابل
فرصت جدیدی را برای کشف موارد جدیدی از انحنای گرانشی فراهم
آورده است. ما موفق شده ایم از هر هزار کهکشان که علائمی از
انحنای گرانشی نشان می دادند، فقط یک مورد را از بقیه جدا
کنیم.
علاوه بر ایجاد این اشکال عجیب، پدیده همگرایی گرانشی مستقیم
ترین نشانه وجود ماده ی تاریک در کهکشان های بیضوی است.
ماده تاریک شکل نامرئی و بسیار اسرارآمیز ماده است که هنوز به
طور مستقیم مشاهده نشده است و اخترشناسان وجود آن را با اندازه
گیری تاثیر گرانشی آن بر محیط اطراف نتیجه می گیرند. ماده
تاریک در داخل کهکشان ها پخش شده و بیشتر مقدار ماده ی موجود
در کیهان را تشکیل می دهد. با بررسی ماده تاریک در کهکشان ها،
اختر شناسان امیدوارند تا بینش بهتری نسبت به تشکیل کهکشان ها،
که در زمان فشردگی ماده تاریک در عالم اولیه آغاز شده است، به
دست آورند.
کوپمانس می گوید:با مطالعه موارد مختلف پدیده انحنای گرانشی
که نور منشا آنها به چندین میلیارد سال پیش بر می گردد، این
امکان فراهم می شود تا تغییرات توزیع ماده تاریک و مرئی را در
طی زمان از ابتدای عالم تا دوران نزدیک به ما بررسی کنیم. با
استفاده از این اطلاعات ، درستی نظریه رایجی که بر طبق آن
کهکشان ها از جمع شدن و به هم پیوستن کهکشان های کوچکتر به
وجود می آیند، آزمایش می شود.طرح تحقیقاتی «Slacs » که
بولتون آن را در دانشگاه « MIT » آغاز کرد ، کماکان ادامه
دارد و تاکنون گروه او از تلسکوپ فضایی هابل برای بررسی ۵۰
کهکشان نامزد به منظور جستجوی پدیده همگرایی گرانشی استفاده
کرده است. تعداد کهکشان های مطالعه شده در نهایت بالغ بر ۱۰۰
عدد خواهد بود که در بین آنها موارد وقوع همگرایی گرانشی
بیشتری وجود خواهد داشت. یافته های اولیه این تحقیق در مقاله
ای در فوریه ۲۰۰۶ در نشریه اخترفیزیک «(Astrophysical Journal)
»
|
