نظریه نسبیت عام و سیاهچاله ها

گرانی، ضعیف ترین نیرو در بین چهار نیروی طبیعت است و نقش اساسی و ممتاز در پیکرتراشی جهان بزرگ مقیاس ایفا می کند.

همه ی ما با قانون گرانش جهانی نیوتون کمابیش آشنا هستیم:

این قانون تا آغاز قرن بیست، سنگ بنای بلامنازع درک منجمین در حرکات آسمانی باقی ماند.کاربرد این قانون، حرکت سیارات را توضیح میداد و در سال 1864 به دقت، وجود و موقعیت سیاره نپتون را به تصویر کشید.

نقص قانون گرانش نیوتون:

تنها نقص وارد بر گرانش نیوتونی، آهنگ بزرگ جابه جایی جهت گیری عطارد بود! تاثیر گرانشی سایر سیارات سبب میشود محور اصلی مدار بیضی شکل عطارد، به آرامی در جهت پاد ساعتگرد نسبت به ستارگان ثابت حول خورشید نوسان کند. شکل زیر را ببینید:

موقعیت زاویه ای که در آن قرین خورشیدی روی میدهد 574" در هر قرن جابجا میشود. با این حال قانون گرانی نیوتون، توانایی توضیح 43" در قرن این انتقال را نداشت. این تناقض منجر شد که برخی از فیزیکدانان اواسط قرن 19 پیشنهاد کنند باید قانون عکس مربعی کامل معادله بالا اصلاح شود. دیگران می پنداشتند که یک سیاره دیده نشده با نام مستعار "ولکان" ممکن است یک مدار در داخل مدار عطارد را اشغال کرده باشد.

انحنای فضا زمان

بین سالهای 1907 و 1915 آلبرت انشتین یک نظریه گرانی جدید را گسترش داد که آنرا به نام "نظریه نسبیت عام" می شناسیم. این نظریه علاوه بر حل رمز و راز عطارد بسیاری از پدیده های جدید را که بعد ها توسط آزمایش تایید شدند، پیش بینی نمود. نگاه انشتین به جهان، یک نگاه چالش بر انگیز برای تصورات تمام دانشجویان اخترفیزیک ارایه میدهد. نسبیت عام بطور اساسی یک توصیف هندسی از چگونگی اندازه گیری فواصل در فضا-زمان در حضور جرم می باشد. اثرات روی فضا و زمان بطور جداگانه مورد بحث قرار خواهیم داد. اما به خاطر داشته باشید که نسبیت به یک فضا زمان واحد می پردازد.

فواصل بین نقاط در اطراف یک جسم وزین طوری در یک مسیر تغییر میکند که بتواند بصورت فضایی انحنا یافته در بعد فضایی چهارم عمود بر تمام سه جهت فضایی معمول تفسیر شود. ذهن ما به سختی میتواند این جمله را تصویر سازی کند اما به سادگی مورد مشابهی دیده میشود. تصور کنید چهار گوشه یک ورق پلاستیکی را نگه داشته اند و آنرا محکم و صاف میکشند. این ورقه بیانگر مسطح بودن فضای خالی است. همچنین تصور کنید یک سیستم مختصات دو قطبی روی یک ورقه کشیده شده است با دوایر متحد المرکز با فواصل یکسان که از مرکز به سمت خارج گسترده شده اند. حال یک توپ بولینگ سنگین را (به نمایندگی از خورشید) در مرکز ورقه قرار دهید و فرو رفتگی ورقه ناشی از وزن توپ را تماشا کنید. در نزدیکی توپ انحنای ورقه افزایش می یابد و فاصله میان نقاط بر روی دایره ها بیشتر کشیده میشود. درست همانطور که ورقه در جهت سوم، عمود بر صفحه دو بعدی مسطح افقی انحنا پیدا میکند، فضای اطراف یک جسم سنگین هم بصورت انحنایی در بعد فضایی چهارم عمود بر سه بُعد تخت در نظر گرفته میشود. دقت داشته باشید که این بعد چهارم هیچ ارتباطی به بعد زمان ندارد.زمان مختصه ی غیر فضایی چهارم در نظریه نسبیت است. این حقیقت که جرم بر روی فضای اطراف اثر میگذارد اولین عنصر اساسی نسبیت عام می باشد. حال غلتیدن توپ تنیس که نماینده ی یک سیاره در اطراف خورشید است را در سراسر ورقه تصور کنید. همانطور که توپ تنیس از نزدیکی توپ بولینگ میگذرد مسیر آن انحنا دار میشود. اگر توپ در مسیری درست و تحت شرایطی ایده آل غلتانده شود، میتواند حتی حول توپ بولینگ سنگینتر ، بگردد.

عبور یک پرتو در نزدیکی خورشید را میتوان با غلتاندن یک توپ پینگ پونگ که به سرعت از توپ بولینگ می گذرد نشان داد اگرچه قیاس آن با فوتون بدون جرم به سختی به کار میرود اما برای این انتظار که همانطور که یک فوتون در فضای انحنا یافته اطراف خورشید حرکت میکند مسیر آن از یک خط راست منحرف خواهد شد منطقی به نظر میرسد. خمیدگی فوتون بسیار کوچک است چون تندی بالای فوتون ، آنرا به سرعت از میان فضای انحنا یافته حمل میکند. در نسبیت عام، گرانی نتیجه ی فضا- زمان انحنا یافته می باشد و هرچیزی که از آن میگذرد حتی ذرات بدون جرم مانند فوتون ها را ، تحت تاثیر قرار میدهد.

شکل زیر به یکی دیگر از جنبه های نسبیت عام اشاره میکند. از آنجا که هیچ چیز نمی تواند بین دو نقطه سریعتر از سرعت نور حرکت کند، نور باید همیشه سریع ترین مسیر بین هر دو نقطه را انتخاب کند. البته ما نور را در خلا فرض میکنیم. در فضای تخت و تهی این کوتاهترین مسیر، الزاماً یک خط راست است. اما سریعترین مسیر در فضای منحنی چیست؟؟؟

در شکل بالا فرض کنید نور را با استفاده از آینه هایی وادار کرده ایم تا بین نقاط  A, B توسط میانبری که با خط چین مشخص شده حرکت کند. آیا نوری که مسیر خط چین را  انتخاب میکند از باریکه ای که آزادانه مسیر طبیعی خود را در فضا – زمان دنبال میکند جلو می افتد؟؟؟؟ پاسخ منفی است. در اینجا باریکه انحنا یافته پیروز رقابت است.ظاهراً باریکه ای که خط چین را انتخاب میکند در حین حرکت، کند میشود. با این حال این استنباط نمیتواند درست باشد چراکه هر ناظر در هر جا تندی یکسانی را برای نور اندازه گیری میکند. تنها دو پاسخ ممکن وجود دارد:

  1. فاصله در امتداد خط چین طولانیتر از مسیر طبیعی باریکه نور باشد.
  2. زمان در امتداد مسیر خط چین به کندی سپری شود.

هر دوی این موارد میتوانند سفر باریکه نور را به تعویق بیندازند. این اثرات با توجه به نسبیت عام، به یک اندازه بر تاخیر باریکه تاثیر میگذارند.مسیر در امتداد خط چین طولانیتر است و ساعت هایی که در امتداد مسیر خط چین هستند نیز آهسته تر کار میکنند. این ویژگی اساسی نهایی نسبیت عام می باشد:

"زمان ، در فضا- زمان انحنا یافته، کندتر سپری میشود"

تمامی ایده ها فوق چندین بار آزمایش شده اند و در برخی موارد نیز با نسبیت عام سازگار می باشند. به محض اینکه انیشتین این نظریه را تکمیل کرد، آنرا برای حل مسئله ی بدون توضیح و رها شده ی جابجایی 43" در هر قرن قرین خورشیدی عطارد به کار برد. انشتین می نویسد "زمانیکه این محاسبات ،دقیقاً اختلاف را بر حسب حرکت سیاره از فضای انحنا یافته نزدیک خورشید توضیح داد، قلبم به تندی میزد. برای چند روز، درونم مملو از هیجان شادی بود"!!!.

در سال 1919 پیروزی دیگری به دست آمد آن هم زمانیکه مسیر انحنا یافته ی نور ستاره که از نزدیکی خورشید میگذشت برای اولین بار توسط آرتور استنلی ادینگتون ، در طول خورشیدگرفتگی کامل اندازه گیری شد! همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است، موقعیت های ظاهری ستارگان در نزدیکی لبه ی گرفته شده ی خورشید از موقعیت های واقعی آنها به اندازه ی یک زاویه کوچک جا به جا شده است. نظریه انشتین پیش بینی میکند این انحراف زاویه ای 1.75" خواهد بود که در سازگاری خوبی با مشاهدات ادینگتون می باشد. نسبیت عام به طور پیوسته در هر زمان مورد آزمایش قرار گرفته است. برای مثال مقارنه داخلی مریخ که در سال 1976 روی داد منجر به تایید دیدنی نظریه ی انیشتین شد. همانطور که مریخ از اعماق فضای انحنا یافته اطراف خورشید عبور میکرد، علایم رادیویی از فضا پیمای وایکینگ بر روی سطح مریخ با تاخیر به زمین می رسیدند. این تأخیر زمانی با پیش بینی نسبیت عام در حدود 0.1 درصد سازگار می باشد.

منبع: نجوم و اخترفیزیک-نوشته ی کارول بردلی

همه نظرها (۰)

هیچ کس هنوز نظری ارسال نکرده