نسبیت عام

نسبیت با یک پرسش معمولی آغاز می شود: هر گاه ما نسبت به یکدیگر در حرکت باشیم، فیزیک شما به فیزیک من چگونه مربوط می شود؟ گالیله پاسخ می دهد: اگر سرعت نسبی ما یکسان باشد، دقیقا قوانین مکانیک یکسانی را می یابیم. نیوتن همان چیز را می گوید اما به تفصیل بیشتر با ارجاع همه ی حرکتهای شما- من و هر کس دیگر به چارچوب مرجع مطلق در فضا و زمان.

نظریه پردازان قرن نوزدهم چارچوب مطلق نیوتن را جایگاه مناسبی یافتند برای برقرای یک شی فرضی که آن را اتر* می نامیدند، شی که نور و دیگر امواج الکترومغناطیس را منتشر می کند. فیزیک اتر در میان دانشمندان دوره ی ویکتوریا با مجادت برجسته ای بود، اما نقص های مهلکی داشت، از یک لحاظ، فیزیکدانانی اتر را پذیرفته بودند، هرگز نتوانستند با یک مدل استاندارد برای ساختار مکانیکی اتر توافق داشته باشند، همچنین مفهوم حرکت در یک اتر با تکیه بر چارچوب مرجع مطلق نیوتن سوال انگیز و قابل تردید بود. در سالهای ۱۸۸۰ یک سری آزمایشهایی به منظور تشخیص حرکت زمین نسبت به یک « دریای اتر » به وسیله ی مایکلسون و مورلی انجام شد که به ناکامی چشمگیری انجامید. واقعیت سرسختانه ای که همیشه مشاهده می شد، این بود که سرعت نور در فضای خالی، صرف نظر از سرعت و جهت چشمه ی نور یکسان است.
یک مامور تحقیق اداره ثبت اختراع در شهر برن سوئیس بنام آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ مقاله ای منتشر کرد که مسئله ی اتر را به سادگی با نادیده گرفتن آن، حل می کرد. اینشتین دو اصل تجربی غیر قابل انکار را مسلم فرض کرد: ثابت بودن سرعت نور و تعمیمی از اصل نسبیت گالیله برای شمول پدیده های الکترومغناطیسی و اپتیکی. با شروع این دو اصل، و بدون توسل به مفهوم اتر، او ثابت کرد برای ناظرانی که با سرعتهای ثابت نسبت به یکدیگر حرکت می کنند، اندازه های طول و زمان متفاوت است، و شاید هر چه به سرعت نور نزدیکتر باشد، این تفاوت شدیدتر خواهد بود. مثلا اگر ناظر ساکنی مراقب ساعتی باشد که با سرعت زیاد حرکت می کند می بیند که این ساعت کندتر از وقتی تیک تیک می کند که ناظری با ساعت در حرکت باشد. علاوه بر این تاخیر یا اتساع زمیان، اینشتین در مقاله سال ۱۹۰۵ خود اصرار می ورزید که بعد ساعت، یا هر چیز دیگر در جهت حرکت برای ناظر ساکن، منقبض می شود.
به طور خلاصه، نسبیت به معنای این است که قوانین فیزیک در همه جا یکسان هستند.ما در این جا در روی کره زمین از همان قوانین نور و جاذبه تبعیت می‌‌کنیم که در هر گوشه‌ای از جهان حکفرماست.
جهانشمولی قوانین فیزیک به این معناست که “تاریخ محلی است” : ناظران متفاوت زمان و مکان رویدادهای مختلف را به طور متفاوت خواهند دید.آنچه برای ما یک میلیون سال طول کشیده است، ممکن است از چشم کسی که با یک موشک با سرعت فوق‌العاده در حال حرکت است یا در حال سقوط به درون یک سیاهچاله است، تنها به اندازه پلک زدنی طول بکشد.همه اینها نسبی هستند.
نظریه نسبیت اینشتین به دو نظریه نسبیت خاص و نسبیت عام تقسیم می‌شود.

نسبیت خاص

نظریه نسبیت خاص ابتدا ارائه شد و بر این اساس است که سرعت نور برای هرکسی ثابت است. گرچه ممکن است این بیان ساده به نظر رسد، اما پیامدهای گسترده‌ای دارد. اینشتین در سال ۱۹۰۵ پس از آنکه شواهد تجربی نشان داد که سرعت نور در چرخش کره زمین به دور خورشید تغییر نمی‌کند، به این نتیجه‌گیری رسید.این نتیجه‌گیری برای فیزیک‌دانان غافلگیرکننده بود، زیرا سرعت اغلب چیزهای دیگر بسته به جهت حرکت ناظر دارد.
اگر شما ماشینی را به موازات یک خط آهن برانید، قطاری که به سوی شما حرکت می‌کند، دارای سرعت بسیار بیشتری به نظر خواهد رسید تا هنگامی که شما دور بزنید و هم‌جهت با قطار حرکت کنید.اینشتین می‌گفت که برای همه ناظران سرعت نور ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه است، بدون توجه به اینکه این ناظران با چه سرعتی و در چه جهتی در حال حرکت باشند.این برداشت از سرعت نور یک کمدین را برانگیخت تا بپرسد : “اگر شما سوار بر یک سفینه فضایی باشید که با سرعت نور در حال حرکت است، و چراغ‌های جلوی سفینه را روشن کنید، آیا اتفاقی می‌‌‌افتد؟”
پاسخ این است که چراغ‌های جلوی سفینه به طور طبیعی روشن می‌شود، اما تنها از دیدگاه فردی که درون سفینه است.برای فردی که بیرون از سفینه به حرکت آن نگاه می‌کند، چراغ‌های آن به نظر روشن نمی‌رسد: نور از آنها خارج می‌شود، اما برای پرتوهای نور زمانی بی‌نهایت طول می‌کشد تا از سفینه جلو بیفتند.این مشاهده‌های متناقض به خاطر این هستند که “خط‌کش‌ها و ساعت‌ها”- چیزهایی که مکان و زمان را مشخص می‌کنند- برای ناظران متفاوت یکسان نیستند.اگر سرعت نور چنانچه اینشتین می‌گفت حدی ثابت داشته باشد، آنگاه مکان و زمان نمی‌‌توانند مطلق باشند: مکان و زمان باید سوبژکتیو یا وابسته به ناظر باشند.
برای مثال یک سفینه فضایی ۵۰ متری که با سرعت ۹۹٫۹۹ درصد سرعت نور حرکت می‌کند، از دیدگاه یک ناظر ثابت نیم متر طولانی‌تر به نظر خواهد رسید، اما از دید کسی که بر آن سوار است طولش تغییر نکرده است.شاید عجیب و غریب‌‌تر این باشد که که زمان هر چه فرد سریع‌تر حرکت کند، کندتر می‌گذرد.

اگر یک نفر از زوج دوقلوی همسان سوار بر سفینه فضایی پرسرعتی شود و به سوی ستاره‌ای دوردست برود و سپس بازگردد، نسبت به برادر یا خواهرش که روی زمین باقی مانده است، جوانتر خواهد ماند.جرم نیز به سرعت بستگی دارد. هر چه یک جسم با سرعت بیشتری حرکت کند، جرم آن بیشتر می‌شود. در واقع هیچ سفینه فضایی نمی‌تواند به ۱۰۰ درصد سرعت نور برسد، چرا که جرم آن به نهایت میل خواهد کرد.این رابطه میان جرم و سرعت اغلب به صورت رابطه جرم و انرژی بیان می‌شود: E=mc^2 که m نماینده جرم و c نماینده سرعت نور است.

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 ۱۰۰ سال از عمرش بگذرد، برادری که در فضا پیما می باشد فقط یکسال از عمرش گذشته است!

نسبیت عام

اینشتین تنها درک ما را از فضا و زمان به هم نریخت. او با وارد کردن شتاب به نظریه‌‌اش به تعمیم دادن آن پرداخت و دریافت که این کار شکل فضا و زمان را معوج می‌کند.برای درک این قضیه به این مثال توجه کنید: سفینه‌ای فضایی را تصور کنید که با روشن‌کردن موتورهای رانشی‌اش سرعتش را بالا می‌برد.آنهایی که در این سفینه هستند به کف سفینه خواهند چسبید، درست همانطور که افراد روی کره زمین به آن چسبیده‌اند..اینشتین ادعا کرد که نیرویی که ما جاذبه می‌نامیم، از نیرویی که بر افراد یک سفینه در حال شتاب گرفتن وارد می‌‌آید، غیرقابل تشخیص است.این نظریه به خودی خود خیلی انقلابی نیست، اما هنگامی که اینشتین با ریاضیات پیچیده آن کار کرد (این کار ۱۰ سال وقت او را گرفت)، کشف کرد که فضا و زمان در نزدیک یک جسم دارای جرم زیاد قوس برمی‌دارند، و این قوس‌‌برداشتن است که ما آن را به صورت نیروی جاذبه درک می‌کنیم.مشکل است که هندسه قوسی نسبیت عام را توصیف کرد، اما اگر فضا – زمان را مانند یک پارچه تصور کنیم، آنگاه یک جسم با جرم زیاد پارچه پیرامونش را طوری می‌کشد که هر چیزی که از کنار عبور می‌کند دیگر خط مستقیم را طی نخواهد کرد.

معادلات نسبیت عام شماری از پدیده‌ها را پیش‌بینی می‌کند، که وجود بسیاری از آنها تا به حال ثابت شده است
• خم‌شدن نور در اطراف اجسام دارای جرم زیاد (عدسی گرانشی).
• تغییر تدریجی مدار سیاره عطارد.
• کشش چارچوب (frame dragging) فضا – زمان در اطراف اجرام در حال چرخش.
• ضعیف‌شدن نوری که از کشش جاذبه‌ای می‌ گریزد (تغییر فرکانس نور به سوی بخش قرمز طیف ناشی از جاذبه)
• افزایش سرعت در دوره‌های چرخشی ستاره‌های دوگانه و ستاره‌ های تپنده (پالسارها).
• امواج گرانشی (امواجی در ساختار فضا – زمان).
• وجود سیاه‌چاله‌ها که هر چیزی از جمله نور را به دام می‌اندازند.
تاب برداشتن فضا – زمان در اطراف یک سیاهچاله از هر جای دیگری شدیدتر است. اگر آن یک نفر از دوقلوهایی که در بالا گفتیم در سفر فضایی‌‌اش به درون یک سیاهچاله سقوط کند، چنان کشیده می‌شود که به صورت اسپاگتی در خواهد آمد!!خوشبختانه او بیش از چند ثانیه‌ای زنده نخواهد ماند.اما جفت او در روی کره زمین هرگز پایان کار او را نخواهد دید- دیدن او که ذره ذره در طول عمر کیهان به سوی مرکز سیاهچاله حرکت می‌کند.

آیا زمین در یک چاله فضا-زمان واقع شده است؟

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 سیاهچاله‌ها، 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 چهار 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.

پی نوشت:
اتر: این ماده تخیلی لطیف، مدت ها بستر حرکت نور تصور می شد. از دوره یونان باستان به این ماده حامل نور معتقد بودند و به خصوص در قرن هفدهم اعتقادی راسخ به وجود اتر پیدا شد. دانشمندان با آزمایش تداخل سنج، دست ردی همیشگی به سینه این نظریه زد.