صد سالگی نسبیت اینشتین

 این روزها جشن صد سالگی نظریه نسبیت عام اینشتین است، نظریه ی معروفی که آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ منتشر کرد. این نظریه بعد از گذشت صد سال هنوز هم بنیان مستحکمی دارد، در زیر چند مورد از کارکردها و پیش بینی های این نظریه ی قدرتمند علمی را مرور می کنیم.

 

نظریه نسبیت عام مجموعه‌ای از معادلات ریاضی است که در آن پدیده فضا-زمان و گرانش که تا آن زمان با فرمول‌های مکانیکی نیوتن یا «نیرو» توضیح داده می‌شد، به شکل یک خمیدگی توضیح داده می‌شود. پدرو فریرا، نویسنده کتاب «نظریه کامل» که کتابی در خصوص نظریه نسبیت اینشتین است می‌گوید: این نظریه مجموعه‌ای ساده اما ظریف و زیبایی از معادلات ریاضی است. معادلاتی که اگر بتوانید آنها را حل کنید، به چیزهای بی‌نظیری می‌رسید. اما چه چیزهایی از دل نظریه نسبیت بیرون آمده است؟ در زیر به تعدادی از آنها اشاره می کنیم.

۱- دستگا‌ه‌های جی پی اس(GPS)

وقتی از دستگاه تعیین موقعیت ماشین یا نقشه‌های تلفن هوشمندتان استفاده می‌کنید، احتمالا به نطریه نسبیت اینشتین فکر نمی‌کنید. اما جالب است که بدانید ماهواره‌هایی که فرمان‌های دستگاه‌های تعیین موقعیت را در مدار زمین (و در فاصله بیست هزار کیلومتری بالای سطح زمین) را دریافت و به آن پاسخ می‌دهند، اگر نظریه ی نسبیت در خصوص تغییر مفهوم و میزان زمان با تغییر گرانش را در معادلات خود استفاده نکنند، این سامانه روزی ۱۰ کیلومتر خطا خواهد داشت و خیلی زود به درد هیچکس نخواهد خورد.

۲- مدار سیارۀ عطارد

در اواسط قرن نوزدهم، دانشمندان فهمیدند که مدار سیاره‌ی عطارد حول خورشید، دقیقا با پیش‌بینی گرانش نیوتن 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.

۳- همگرایی گرانشی

نظریه ی نسبیت می‌گوید که یک جرم با چگالی بسیار بالا مثل خورشید، می‌تواند شکل نور در اطراف خودش را تغییر دهد و مسیر نور را خم کند. براساس نسبیت عام، جرم می‌تواند فضا- زمان را خمیده کند و در نتیجه میدان گرانشی‌ای بسازد که می‌تواند نور را منحرف کند. با همگرایی گرانشی می‌توان اطلاعاتی دربارهٔ جسم میانی (عدسی) از جمله جرم آن به دست آورد و این به دانشمندان اجازه مطالعه ی کهکشان ها، ستاره‌ها و سیاره‌های بسیار دور دست را می‌دهد.

۴- نظریه ی بیگ بنگ

جابجایی در بسامد نور که با انتقال به سرخ همراه است با عنوان اثر داپلر شناخته می شود، در این اثر نور دریافت شده قرمز تر از حالتی است که یک ستاره یا کهکشان دور دست را ترک می کند. این تغییر رنگ و میزان انتقال به سرخ اجازه می دهد تا میزان فاصله ی کهکشان ها را اندازه گیری کنیم. مشاهدات ادوین هابل از انتقال به سرخکهکشان های دور دست نشان داد که کهکشان‌های دورتر با سرعت بیشتری در حال دور شدن هستند، همانطوری که معادلات اینشتین پیش بینی کرده بودند و این یعنی جهان ما در حال انبساط و بزرگ شدن است. اگر این کهکشان ها در گذشته های دور، به زمین خیلی نزدیک تر بودند و اگر حرکت کهکشان ها در زمان گذشته را در ذهن خود مسیریابی کنیم، نه تنها به زمانی می رسیم که جهان آغاز شده، بلکه به این مفهوم می رسیم که کلیه کهکشان ها باید از یک حجم کوچکی شروع به حرکت کرده باشند؛ این ایده را نخستین بار اخترفیزیکدانی بلژیکی بنام جرج لومیتر مطرح کرد که بنام نظریه ی بیگ بنگ شناخته می شود و با شواهد زیادی همراه است.

۵- سیاهچاله‌ها

یکی از عجیب‌ترین و اولین چیزهایی که از دل نظریه نسبیت بیرون آمد، مسئله سیاهچاله‌های فضایی بود.سیاهچاله ناحیه‌ای از فضا-زمان است که جرم در آن به‌ شدت فشرده شده است. نظریه نسبیت پیش‌بینی می‌کند که یک جرم به اندازه کافی فشرده می‌تواند سبب تغییر شکل و خمیدگی فضا-زمان و تشکیل سیاهچاله شود. این اجرام بازمانده های ستاره های مرده هستند که با گرانش بسیار قوی خود حتی به نور هم اجازه ی فرار نمی دهند.

به گفته فریرا، در سال ۱۹۱۵ وجود سیاهچاله‌ها برای اولین بار به‌وسیله یک سرباز آلمانی بنام کارل شوارتزشیلد که در جبهه‌های جنگ جهانی اول می‌جنگید، از نظریه نسبیت عام اینشتین نتیجه‌گیری شد، اما اینشتین با اینکه این معادله را تحسین کرد به وجود سیاهچاله باور نداشت. کارل شوارتزشیلد در سال ۱۹۱۶ می‌میرد و سیاهچاله‌ها تا یک دهه بعد از مرگ اینشتین هم باور نمی‌شوند؛ اما از همان زمان دست‌مایه داستان‌ها و فیلم‌های علمی تخیلی زیادی شده‌اند.

۶- ماده تاریک

ماده تاریک یکی از اسرار بزرگ کیهان است. در واقع، تنها چیزی که ما در مورد آن می دانیم این است که جرم داردو تنها به دلیل گرانش ناشی از جرمش می تواند باعث تحریف نور اجرام و کهکشان های دوردست شود، همچنین از اثرات گرانشی موجود بر روی اجسام مرئی، مثل ستاره‌ها و کهکشان‌ها، می‌توان به وجود آن پی برد. نسبیت عام در این مورد به ما می گوید که چگونه همگرایی گرانشی روی نور اثر می گذارد، و فیزیکدانان می توانند بهکمک اعوجاج اثرات نور بر روی ماده تاریک مطالعه کنند.