یک قرن با نسبیت عام؛ نبوغ اینشتین دیدگاه ما را نسبت به جهان تغییر داد (بخش اول)

Question

یک قرن از ارائه‌ی نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین می‌گذرد. اینشتین دقیقا صد سال پیش و در نوامبر سال ۱۹۱۵، مقاله‌ی نسبیت عام خود را برای فرهنگستان علوم پروس فرستاد. آلبرت اینشتین، دیدگاه بشر را نسبت به عالم تغییر داد. قبل از اینشتین،‌ فیزیک نیوتونی جهانی ثابت و بی‌تغییر برای ما ساخته بود. طبق نظریه‌ی نیوتون، زمان به صورت مستقل و بدون تاثیرپذیری از عوامل دیگر سپری می‌شد. ولی اینشتین به فضا و زمان، از منظری دیگر نگریست و آن‌ها را یکپارچه دید؛ او مفهوم «فضا-زمان» را ساخت. قانون گرانش نیوتون، فیزیک زمینی را با فیزیک اجرام سماوی مثل سیاره‌ها در هم آمیخت و گفت که هر دو بر اساس یک قانون عمل می‌کنند. ولی نیوتون هیچ‌وقت نتوانست چگونگی این عملکرد را توضیح دهد. به فردی مثل اینشتین نیاز بود که بتواند مکانیسم دقیقی که گرانش بر اساس آن کار می‌کند را توضیح دهد. اینشتین نشان داد که گرانش همیشه باعث نمی‌شود چیزی که بالا می‌رود،‌ پایین بیاید؛ گرانش کاری می‌کند که چرخ جهان بچرخد.

نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، توانست پرده از راز سر به مهر گرانش بردارد. اینشتین دقیقا یک قرن پیش و در ماه نوامبر ۱۹۱۵، چند مقاله برای فرهنگستان علوم پروس در برلین فرستاد. او توانست نشان دهد که ماده و فضا-زمان، به صورت دو طرفه برهمکنش دارند. اینشتین می‌گفت: «گرانش، ماده را در طول مسیرهایی خمیده که در فضا-زمان ایجاد شده، حرکت می‌دهد. جرم و انرژی این مسیرهای خمیده را بوجود می‌آورد.» دهه‌ها بعد، فیزیک‌دانی به نام «جان آرکیبالد ویلر» (John Archibald Wheeler) درک جدید ما از گرانش را این‌طور توصیف کرد: «جرم، فضا-زمان را در چنگ خود می‌گیرد و به او می‌گوید چگونه خمیده شود. به طور متقابل، فضا-زمان نیز جرم را در چنگ می‌گیرد و به او می‌گوید که چگونه حرکت کند.»

نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین توانست یکی از پدیده‌هایی که با گرانش نیوتون صدق نمی‌کرد را توضیح دهد. قوانین نیوتون نمی‌توانستند به طور دقیق، مدار سیاره‌ی عطارد به دور خورشید را پیش‌بینی کنند و این موضوع باعث شده بود که نظریه‌ی او زیر سوال برود. عطارد آزمون خوبی برای نسبیت عام بود؛ این نظریه توانست از آن سربلند بیرون بیاید. در طول یک قرن گذشته، چنین آزمون‌هایی تکرار شده و نسبیت عام تا حالا آن‌ها را با موفقیت پشت سر گذاشته است.

نسبیت عام می‌گوید که جرم می‌تواند فضا-زمان را خم کند و بدین ترتیب اثر گرانش ایجاد می‌شود

ولی نسبیت عام اینشتین درباره‌ی چیزهای خیلی بیشتری به ما توضیح می‌دهد. نسبیت عام به طور کلی درباره‌ی هستی می‌گوید. این نظریه‌، دید ما را نسبت به کیهان تغییر داده است. ما اکنون فهمیدیم جهان در حال منبسط شدن است و پدیده‌هایی به نام سیاه‌چاله را کشف کردیم. استیون هاوکینگ می‌گوید: «پیش‌بینی‌هایی که می‌توان از نظریه‌های نسبیت اینشتین کرد، خیلی شگفت‌انگیزتر از چیزی است که خود اینشتین فکرش را می‌کرد.» فواید نسبیت عام اینشتین فقط به شناخت کیهان ختم نمی‌شود، این نظریه در زندگی روزمره‌ی ما هم تاثیر زیادی دارد. برای مثال، بدون استفاده از معادلات نسبیت عام، ماهواره‌های GPS نمی‌توانستند این‌قدر دقیق مختصات را به ما نشان دهند.

انقلاب گرانشی

اینشتین در رسیدن به نظریه‌ی نسبیت عام، راه‌های مختلفی را امتحان کرد. از سال ۱۹۰۷ تا ۱۹۱۴، او درگیر حل مسئله‌ای بود که «آبراهام پایس» (Abraham Pais) آن را یکی از سخت‌ترین پرسش‌‌های قرن خوانده بود. اینشتین به دنبال توضیح گرانش به نحوی بود که قوانین فیزیک برای همه‌ی ناظران به یک شکل باشد. اینشتین برای حل این مسئله باید نوعی جدید از ریاضی را به کار می‌گرفت و پارادایم‌هایی مثل اینکه هندسه‌ی اقلیدسی می‌تواند توضیح دهنده‌ی واقعیت جهان باشد را دور می‌ریخت. او باید از پس عواملی که تمرکز او را از بین می‌برد، بر می‌آمد. عواملی مثل مشکلات زندگی شخصی او و البته نظریه‌ی جدید کوانتم که ذهنش را آزار می‌داد. در سال ۱۹۱۴، پس از تلاش‌های زیاد و آزمون راه‌های مختلف، هنوز به نتیجه نرسیده و تقریبا تسلیم شده بود.

نسبیت عام می‌گوید که نور می‌تواند بر اثر خمیدگی فضا-زمان از مسیر راست منحرف شود

ولی کمی بعد ذهن اینشتین به یکباره روشن شد. در نوامبر سال ۱۹۱۵، او چهار مقاله نوشت. در مقاله‌ی آخر، توانست معادله‌ی قاطعی که باعث انقلاب گرانشی او شد را پیدا کند. چهار سال بعد، نسبیت عام از اینشتین یک ستاره ساخته بود. اگر گرانش می‌تواند فضا را خم کند، پرتوی نوری که از کنار یک جرم سنگین مثل خورشید عبور می‌کند، باید از مسیر مستقیم منحرف شود. این انحراف از مسیر اصلی باعث می‌شود که مکان آن جسم را جابجا ببینیم. مثلا به هنگام خورشید گرفتگی، احتمالا می‌شود اینکه نور می‌تواند تحت تاثیر گرانش خم شود یا خیر را فهمید. این آزمایش، در کسوف سال ۱۹۱۹ انجام شد و نسبیت عام تایید شد. بدین ترتیب که رصدگران می‌دانستند در خط دید آن‌ها، ستاره‌ای پشت خورشید و نزدیک به لبه‌ی آن قرار گرفته است؛ اگر خورشید می‌تواند نور آن ستاره را خم کند، باید بتوان ستاره‌ای که پشت خورشید قرار گرفته است را به هنگام کسوف مشاهده کرد. هرچند آن زمان توییتر و فیس‌بوک وجود نداشت، ولی با رصد موفق ستاره‌ای که پشت خورشید قرار داشت و بر اثر گرانش، نورش خمیده شده و به چشم رصدگران رسیده بود، شهرت اینشتین جهانی شد.

با این کشف، روزنامه‌ی نیویورک تایمز در ۱۰ نوامبر همان سال تیتر زد: «نور در آسمان‌ها خم می‌شود؛ مردان علم در جوش و خروش هستند.» روزنامه‌ی تایمز لندن هم تیتر زد: «انقلاب در علم؛ نظریه‌ی جدید برای کیهان؛ قوانین نیوتون فروریخت.» بدین ترتیب اینشتین به یک اسطوره تبدیل و نام او برای همیشه با نبوغ همراه شد.

خم شدن نور

یکی از نخستین پیش‌بینی‌های نسبیت عام که مورد آزمون قرار گرفت، خم شدن نور بود. از آن‌جا که جرم‌های سنگین مثل ستاره‌ها، فضا-زمان پیرامون خود را خم می‌کنند، نوری که از آن حوالی رد می‌شود باید از خط راست منحرف گردد. اگر از زمین نگاه کنیم، وقتی نور یک ستاره‌ی دوردست از کنار خورشید رد می‌شود، باید از خط راست منحرف شود؛ بدین ترتیب جای ستاره را باید متفاوت از مکان قرارگیری واقعی آن ببینیم. در سال ۱۹۱۹، ستاره‌شناسان طی یک خورشیدگرفتگی، توانستند تصویر ستارگانی را کنار خورشید ثبت کنند. وقتی مکان این ستاره‌ها به هنگام خورشیدگرفتگی را با مکان قرار‌گیری آن‌ها در شب مقایسه کردند، متوجه شدند که تفاوتی در حد پیش‌بینی نظریه‌ی اینشتین دارد. البته محاسباتی که بر اساس گرانش نیوتون صورت گرفته بود نیز خم شدن نور را پیش‌بینی می‌کرد. ولی نسبیت عام خمیدگی تا دو برابر آن را پیش‌بینی می‌کند.

نکته‌ی جالب این‌جاست که فردی به نام «یوهان فون سولدنر» (Johann Von Soldner) یک قرن پیشتر از اینشتین،‌ در معادلاتش پیش‌بینی کرده بود که حتی با فیزیک نیوتونی هم نور می‌تواند تا حدی خم شود. ولی معادلات اینشتین پیش‌بینی می‌کند که نور می‌تواند تا دو برابر بیشتر خم شود. هرچند که نخستین آزمایش‌ها خیلی خام و ناپخته بودند، ولی نتایج آن‌ها به پیش‌بینی اینشتین نزدیک‌تر بود. در خورشید گرفتگی‌هایی که بعدا رخ داد، باز هم بر درستی نسبیت عام اینشتین صحه گذاشته شد؛ گرانش واقعا می‌تواند پرتوی نور را خم کند.

اینکه می‌دانیم نور می‌تواند بر اثر گرانش خم شود، کاربردهای خیلی زیادی دارد. با خم شدن نور، جرم‌های بزرگ می‌توانند مثل عدسی عمل کنند. مثل پدیده‌ی «عدسی‌های گرانشی» که در فضا وجود دارد و می‌تواند چند تصویر شبیه به هم از اجرام دوردست بسازد. این عدسی‌های کیهانی می‌توانند برای کاوش نحوه‌ی انتشار ماده در فضا، یا رصد اجرام بسیار دوردست به کار آیند.

آن‌طور که فیزیک‌دانی به نام «کلیفورد ویل» (Clifford Will) اخیرا در یک مقاله گفته: «از زمان کشف نخستین عدسی‌های گرانشی، از این پدیده برای نقشه‌برداری توزیع جرم پیرامون کهکشان‌ها و خوشه‌ها، جستجوی ماده‌ی تاریک، انرژی تاریک و سیاره‌های فراخورشیدی استفاده شده است.»

عدسی‌های گرانشی نخستین بار در سال ۱۹۷۹ کشف شدند؛ ولی اینشتین وجود آن‌ها را در سال ۱۹۱۲ و زمانی که هنوز نظریه‌ی او کامل نشده بود پیش‌بینی کرد. در سال ۱۹۳۶ اینشتین درباره‌ی آن یک مقاله منتشر کرد. اینشتین در این مقاله گفت که تاثیر عدسی گرانشی غیر قابل مشاهده است؛ ولی رصدهای جدید نشان می‌دهد که برخلاف نظر اینشتین، این اثر را کاملا می‌توان دید.

گرانش ساختارهای بزرگ در کیهان می‌تواند نور را چنان خم کند که باعث ایجاد اثر ذره‌بینی شود. به این ذره‌بین‌های غول‌پیکر، عدسی‌های کیهانی گفته می‌شود.

اینشتین درباره‌ی دیگر نتیجه‌های نسبیت عام دچار احساس چندگانه بود. برای مثال در سال ۱۹۱۶، او احتمال وجود تابش گرانشی را مطرح کرد. موج‌هایی که به محض تغییر مسیر یا سرعت حرکت یک جرم سنگین، یا وقتی دو جرم به یکدیگر برخورد می‌کنند، ایجاد می‌شوند. اینشتین استدلال کرد چنین امواجی باید وجود داشته باشند چرا که در نسبیت عام، تاثیر گرانش باید با سرعت نور منتشر می‌شد. این درحالیست که گرانش نیوتونی به صورت لحظه‌ای تاثیر خود را می‌گذاشت. ولی بعدها نظر اینشتین عوض شد؛ در سال ۱۹۳۶، او و «ناتهان روزن» (Nathan Rosen) مقاله‌ای نوشتند و در آن استدلال کردند که اصلا چنین امواجی وجود ندارد. ولی مقاله‌ی آن‌ها دارای مشکلات زیادی بود. اکنون وجود امواج گرانشی به طور غیر مستقیم تصدیق شده است و آزمایش‌هایی که وجود آن را به طور مستقیم تایید کند، در دست انجام است.

نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که بعضی اتفاقات در عالم می‌توانند امواج گرانشی شدید ساطع کنند

ستاره‌شناسان اکنون یکی دیگر از پیش‌بینی‌های نسبیت عام، یعنی سیاه‌چاله‌ها را پیدا کرده‌اند. ولی جالب‌ این‌جاست که خود اینشتین به وجود آن‌ها باور نداشت. وجود سیاه‌چاله‌ها تنها چند هفته بعد از اینکه اینشتین مقاله‌های خود را به فرهنگستان علوم پروس ارائه داد، پیش بینی شد. «کارل شوارتزشیلد» (Karl Schwarzschild)، ستاره‌شناسی آلمانی بود که بر روی معادلات پیچیده‌ی اینشتین درباره‌ی هندسه‌ی فضا-زمان پیرامون کره‌های ابرپرجرم کار می‌کرد. این نخستین گام‌ها برای توصیف ریاضیاتی سیاه‌چاله‌ها بود. ولی شوارتزشیلد قبل از اینکه بتواند نتیجه‌ی کار خود را ببیند، فوت کرد. سیاه‌چاله‌ها دوباره در اواخر دهه‌ی ۶۰ میلادی مطرح شدند و به عنوان بهترین وسیله‌ی تبلیغاتی برای نسبیت عام عمل کردند. وجود سیاه‌چاله‌ نظریه‌ای بود که می‌توانست ذهن دانشمندان و مردم عام را درگیر کند.

توضیح مدار عجیب سیاره‌ی عطارد

در اواسط قرن نوزدهم، دانشمندان فهمیدند که مدار سیاره‌ی عطارد حول خورشید، دقیقا با پیش‌بینی گرانش نیوتون منطبق نیست. آن‌طور که از روی زمین به نظر می‌رسید، حضیض مداری عطارد در هر دور حول خورشید، اندکی جابجا می‌شد. به طوری که این جابجایی در یک قرن به ۲ درجه‌ی قوسی می‌رسید. بیشتر این جابجایی می‌تواند با تاثیرات گرانشی دیگر سیاره‌های منظومه‌ی شمسی روی عطارد توجیه شود؛ ولی ۴۳ ثانیه‌ی قوسی آن قابل توجیه نبود. برای دهه‌ها، ستاره‌شناسان طبق نظریه‌ای در پی یافتن سیاره‌ای کوچک‌تر از عطارد و نزدیک به خورشید به نام ولکان بودند که می‌توانست این تاثیرات گرانشی را روی عطارد بگذارد؛ ولی این سیاره هیچ‌وقت پیدا نشد. در نوامبر ۱۹۱۵، اینشتین توانست با استفاده از نسبیت عام، مدار صحیح عطارد را پیش‌بینی کند و این پشتوانه‌ای عظیم بر صحت نظریه‌ی اینشتین شد.

منبع: ScienceNews