نسبیت عام

در دهه اول قرن بیستم انقلابی در فلسفه علوم طبیعی پیش آمد که بسیاری آن را از حیث عمق معنا و به هم زدن احکام موجود پذیرفته شده ، نسبت به انقلاب کوپرنیکی - گالیله‌ای ، برتر به شمار می‌آورند. در این  زمان دو نظریه بسیار مهم پا به عرصه رقابت نهادند ، نظریه نسبیت(نسبیت خاص ونسبیت عام) و کوانتمی که نسبت به کارهای دانشمندان پیشین از جمله ماکسول ، سارین ، کلوین و کلاوزیوس به نحو چشمگیری متفاوت بودند. این نظریه‌های جدید با مکانیک نیوتونی نیز در بعضی از اصول و فرضهای بنیادی اختلاف شدیدی داشتند.

 آلبرت انیشتین در سال 1917، مقاله نسبیت عام را که مطالعه ای بر کل کیهان بود ارائه نمود. نسبیت عام را می توان در یک جمله کوتاه خلاصه کرد:جرم می گوید که فضا-زمان چطور خم بر دارد.انحنای فضا-زمان مسیرحرکت جسم را تعیین می کند. در نسبیت خاص درباره رفتار اجسامی که دارای سرعتی نسبت بهم هستند بحث می شود ولی در نسبیت عام از شتاب گیری اجسام با وجود گرانش صحبت می شود.

عقل سلیم بیان می کند که فضا وزمان دو نهاد مستقل از هم هستند وزمان با ساعت وفضا با خط کش سنجیده می شود.نسبیت خاص به ما می گوید که فضا وزمان واگردان(interconvertible) هستند.اگر جسمی با سرعت زیاد حرکت کند آنرا در فضا فشرده(انقباض لورنتز) ودر زمان متسع می یابیم.اما الحاق فضا وزمان برای همه ناظران یکسان است.

دیدگاه انیشتین در این باره که گرانش چگونه عمل می کند با دیدگاه نیوتن تفاوت بسیاری دارد.بر اساس نگرش نیوتن جرم به گرانش می گوید که چگونه نیرو اعمال کند ونیرو به جرم می گوید که چگونه شتاب بگیرد.

بر اساس نگرش انشتین:جرم به فضا –زمان می گوید که چگونه خمیده شود.خمش به جرم می گوید که چگونه حرکت کند.

وقتی که از انحنای فضا  - زمان صحبت می کنیم منظورمان چیست؟ فضا – زمان دارای چهار بعد است یعنی سه بعد فضایی ویک بعد زمانی.

برای تجسم موضوع ،یک سطح دو بعدی را درنظر بگیرید.اگر سطح دو بعدی مستوی باشد(مانند روی یک میز):کوتاه ترین قاصله بین دو نقطه،خط راست است.خطوط موازی هیچگاه تقاطع ندارند.اگر سطح دو بعدی منحنی باشد (مانند گوی )کوتاه ترین فاصله بین دو نقطه یک خط منحنی است.(بر روی سطح کروی کوتاه ترین فاصله دایره ای عظیمه است.خطوط موازی همگرای یا واگرایی دارند(بر روی یک سطح کروی خطوط موازی بهم می رسند).همانطور که سطوح دو بعدی مستوی یا منحنی داریم،احجام مسطح یا منحنی چهار بعدی هم میسر است.انحناء قابل بحث ودرک است ولی ارتباط آن با گرانش چیست؟

بر اساس تفکر نیوتنی به انحناء ربطی ندارد ،یک جسم سنگین بر اجسام دیگر نیرو وارد می کند.امادیدگاه نیوتن از دادن پاسخ به این سوال که چه چیزی در یک فضای خالی ، حامل نیرو است درمانده می ماند.

انیشتین می گوید که یک جسم سنگین، فضا –زمان اطراف خود را تابدار می کند.اجسام در سقوط آزاد کوتاه ترین مسیر بین دو نقطه را دنبال می کنند وبنابراین در فضا – زمان انحناء دار، خطوط منحنی را طی می کند.انیشتین همچنن خاطر نشان می کند که فوتونها هم در فضا – زمان منحنی، مسیرهای منحنی را می پیمایند هر چند که جرم ندارند.

برای تشبیه دیدگاه گرانشی انیشتین،یک صفحه لاستیکی را که بر روی یک چهارچوب کشیده شده در نظر بگیرید.این صفحه کاملا" تخت است. پس اگر تیله ای را بروی آن بسرانید،بدون انحراف خط مستقیمی را طی می کند.حال یک توپ سنگین را بروی صفحه رها کنید.این توپ آنقدر سنگین است که باعث شود صفحه در اطرافش گود بردارد.اکنون همان تیله را روی صفحه ودر حوالی توپ سنگین بسرانید.انحنای صفحه لاستیکی باعث می شود که تیله مسیری منحنی را دنبال کند.یک ناظر که نتواند انحنای سطح لاستیکی را از فاصله ببیند خواهد گفت که توپ سنگین در حال اعمال نیرویی بر تیله است وآنرا از مسیر راست منحرف کرده است.

بنابراین وقتی که جسمی کوتاه ترین مسیر را برروی یک سطح منحنی می پیماید به نظر می آید که دارد نیرویی بر آن اعمال می شود.به همین ترتیب هم ،جسمی که کوتاه ترین مسیر را در یک فضا – زمان چهار بعدی طی می کند مانند این است که نیرویی (نیروی گرانش ) بر آن اعمال شده است.کدام دیدگاه درست است؟ دیدگاه نیوتن (گرانش به عنوان نیرو)  یا دیدگاه انیشتین (گرانش به عنوان انحناء )؟

تنها چیزی که مارا به پاسخ درست یعنی دیدگاه انیشتین می رساند پیش گوییهای این دیدگاه درباره رفتار اجسام در نزدیکی اجسام بسیار سنگین (که سرعت فرار از سطحشان قابل مقایسه با سرعت نور است)می باشد.سه آزمون تجربی اصلی درباره نسبیت عام صورت گرفته که همگی آنرا تایید می کنند.

آزمون یک:حرکت تقدیمی حضیض مدار سیاره تیر

محور بزرگ مدار بیضوی سیاره تیر حرکت تقدیمی دارد یعنی با مرور زمان جایگاهش را تغییر می دهد.بر اساس گرانش مختل کننده سیارات دیگر و استفاده از روابط نیوتنی ، تنها درصدی از این پیشروی قابل پیش بینی است.مشاهدات مقدار پیش روی را در حدود 43 ثانیه قوسی بیشتر نشان می دهند.(این مقدار بسار ناچیز است .حدود 3 میلیون سال طول می کشد تا مدار سیاره 360 درجه بچرخد.)ستاره شناسان. قرن 19 به فرض سیاره ای کوچک تر از تیر در درون مدار آن روی آورده وحتی نام ولکان را برای آن انتخاب کردند.این مقدار پیشروی توسط محاسبات نسبیت عام پیش بینی شده بود.

آزمون دوم:

فوتونها وهمچنین اجرام سنگین ، کوتاه ترین مسیر بین دو نقطه را طی می کنند.در نزدیکی یک جسم سنگین مانند خورشید،کوتاه ترین مسیر دستخوش تغییر میشود.بنابراین موضع ظاهری یک ستاره نزدیک به خورشید در آسمان با موضع واقعی آن تفاوت خواهد داشت.

پیشگویی واقی انیشتین این است که نوری  از ستاره که از نزدیکی خورشید می گذرد به مقدار 75/1 ثانیه قوسی منحرف می شود که مقداری بسیار ناچیز اما قابل اندازه گیری است.در سال 1919 میلادی ستاره شناسان در حین یک خورشیدگرفتگی کامل، پیشگویی انیشتین را در بوته آزمایش قرار دادند واز موضع ظاهری ستاره های نزدیک خورشید عکسبرداری کردند وآن را با موضع واقعی آنها که شش ماه قبل از آن عکسبرداری شده بود مقایسه نمودند.نتیجه آزمایش، تایید نظریه بود.

مثالهای دیگری نیز قابل ذکر است از جمله خمش نور کهکشان دور دست ،هنگامی که نور آن از کنار یک کهکشان یا یک خوشه کهکشانی عبور می کند.کهکشان یا خوشه نزدیک به شکل عدسی گرانشی عمل می کند که می تواندتصاویر درشت شده یا تکه تکه شده ، کمانهای کشیده نور و یا تصاویر معوج از کهکشان دورتر  را بوجود بیاورد.

آزمون سوم:انتقال به سرخ گرانشی

دوری گزیدن از یک جسم سنگین مستلزم صرف انرژی است. چون فوتونها از گرانش تاثیر می پذیرند،پس با فاصله گرفتن از یک جسم سنگین هم می بایست:1 - دچار کاهش انرژی شوند 2- دچار افت بسامد شوند  3- دچار افزایش طول موج شوند.

بنابراین طول موج نور ،با دوری گرفتن از یک جسم سنگین به سمت ناحیه سرخ طیف انتقال می یابد.این پیش گویی نسبیت عام یه صورت تجربی تحقیق گردید.در سال 1960 میلادی دو فیزیکدان یک تابش لیزری را از پایین یک برج 23 متری به یک آشکارساز در بالای برج افکندند.انتقال به سرخ مشاهده شده بسیار کوچک(فقط یک در 400 میلیارد)بود زیرا میدان گرانشی زمین ضعیف است.ولی آنها توانستند آن را با آشکارساز فوق العاده حساسی آشکار نمایند.

به نظر می رسد که در کشمکش بین تفکر انیشتینی ونیوتنی، انیشتین برنده بی چون وچرا باشد.آیا این به معنای آن است که باید تفکرات ومحاسبات نیوتنی را دور انداخت؟خیر .....نظریه نیوتن هنگامی که سرعتها کم وگرانش ضعیف باشد نتایج بسیار دقیقی می هند.بعلاوه محاسبه نیروهای نیوتنی بسیار ساده تر است تا محاسبه ی انحنای نسبیتی کامل چهار بعدی.بنابراین ستاره شناسان هر وقت که مقدور باشد از نظریه نیوتن استفاده می کنند وهنگامیکه به دقت نظریه نسبیت عام توسل می جویند که ضرورت ایجاب نماید. نظریه نسبیت عام علاوه بر اینکه در برگیرنده پیچیدگیهای ریاضی است، تصور ذهنی و فهم آن ، بسیار دشوار است. البته شایان ذکر است که انیشتین در مقاله 1905 خود که برای اولین بار به نسبیت خاص خود پرداخت، از معادلات ریاضی ساده استفاده کرد.

                                                         نسبیت عام وکیهان

بر اساس نسبیت عام، کائنات یا در حال گسترش است و یا در حال انقباض. در زمان ارائه نظریه دانشمندان مدارک قاطعی برای پذیرفتن هیچ یک از آن دو حالت در دست نداشتند. انیشتین برای پیشگیری از بروز مخالفت دیگران با تئوری نسبیت عام، عاملی به نام ثابت کیهانی را به تئوری خود افزود. ثابت کیهانی، دفع هر ذره در فضا توسط ذرات اطرافش، برای پیشگیری از انقباض جهان می باشد.

بالاخره در سال 1929، ستاره شناس آمریکایی ادوین هابل (Edwin Hubble) کشف کرد که کهکشانهای دوردست در حال دور شدن از زمین می باشند و هر چه فاصله کهکشان از زمین بیشتر است سرعت دور شدن آن نیز بیشتر است. کشف هابل نشان داد که دنیا در حال انبساط است. در پی این اکتشاف و تائید آن توسط مشاهدات ستاره شناسان دیگر، انیشتین ثابت کیهانی را از تئوری خود حذف نمود و آن را بزرگترین اشتباه خود توصیف کرد.

کشف گسترش کائنات به همراه مشاهدات دیگر، منجر به شکل گیری تئوری منشا کائنات یعنی تئوری بیگ بنگ یا مهبانگ شد. بر اساس این تئوری، جهان در پس یک انفجار مهیب آغاز شده است. در آغاز، کل جهانی که ما امروز در این ابعاد و اندازه می بینیم، به کوچکی یک تیله بوده است. سپس مواد شروع به گسترش کرده و این گستردگی تا به امروز ادامه یافته است.

گرچه انیشتین معرفی ثابت کیهانی را بزرگترین اشتباه خود خواند اما شاید این عامل یکی از بزرگترین دستاوردهای مطالعات او باشد. اندازه گیریهایی که در سال 1998 گزارش شدند نشان می دهند که جهان با سرعت بیشتر و بیشتری رو به گسترش است. به علاوه، سرعت گسترش همانطور که در نسبیت عام با ثابت کیهانی محاسبه شده بود، افزایش یافته است.

تا قبل از انتشار گزارشها، ستاره شناسان همگی فکر می کردند که از سرعت گسترش به دلیل وجود گرانش بین کهکشانها، کاسته شده است. اندازه گیریها نشان دادند که انفجارهای ابر نواختر در کهکشانهای دور دست، کم نور تر از آن هستند که انتظار می رود بنابراین کهکشانها دورتر از آن هستند که ما تصور می کنیم. اما این کهکشانها فقط در صورتی می توانند چنین فاصله دوری از ما داشته باشند که افزایش سرعت گسترش، از گذشته آغاز شده باشد.

اکنون ستاره شناسان به این نتیجه دست یافته اند که افزایش سرعت گسترش کائنات وابسته به عاملی است که بر خلاف گرانش عمل می کند. این عامل ممکن است ثابت کیهانی و یا چیزی به نام انرژی تاریک باشد. دانشمندان هنوز به یک تئوری برای وجود انرژی تاریک نرسیده اند اما آنها می دانند که چقدر از آن احتمالا" در دنیا وجود دارد. مقدار انرژی تاریک کائنات  در حدود دو برابر مقدار ماده در آن است.

مشاهدات دیگری که انجام گرفته اند نشان می دهند که تئوری نسبیت عام در همه جای کائنات کاربرد دارد. کیهان شناسان عمر جهان را به کمک معادلات نسبیت عام، میزان سرعت گسترش جهان و مقدار تخمینی ماده و انرژی تاریک محاسبه کردند. مقدار محاسبه شده، یعنی سن حدودا"  14 میلیارد سال، با نتایج به دست آمده توسط دو روش دیگر محاسبه عمر جهان یعنی محاسبه بر اساس تکامل ستارگان و محاسبه بر اساس نیمه عمر رادیواکتیو ستارگان پیر، همخوانی دارد.

نسبیت از ریشه نسبی گرفته شده است ، یعنی هر کدام از واحدهای فیزیکی شناخته شده برای توصیف پدیده‌های طبیعی ، نسبی هستند. به عبارت دیگر می‌توان گفت که بر اساس نسبیت ، جرم ، سرعت ، شتاب و حتی زمان که برای ما تعریف می‌شوند، نسبی هستند.

منبع:سایت دانشنامه رشد و کتاب شناخت گیتی نوشته باربارا رایدن ترجمه افشین آزاد منش

برای کسب اطلاعات بیشتر به زبان فارسی به سایت دانشنامه رشد مراجعه نمایید.

برای دریافت مقاله ای درباره کوانتم ونسبیت اینجا را کلیک کنید.

برای کسب اطلاعات بیشتر به سایت زیر مراجعه نمایید:

http://www.hupaa.com/Data/P00584.php

برای کسب اطلاعات بیشتر به زبان انگلیسی به سایت زیر مراجعه نمایید:

http://en.wikipedia.org/wiki/General_relativity