نظریه نسبیت عام:نظریه انیشتین چگونه ساختار زمان و فضا را شکست

بیش از یک قرن پیش، آلبرت انیشتین فرضیه نسبیت عام را مطرح کرد، ایده ای به قدری خارق العاده که بی وقفه در دایرکتوری وسیع اندیشه بشری منعکس می شود.

این امر اصول اساسی علم را تغییر می‌دهد، الهام‌بخش‌ترین فن‌آوری است، به شکوه سیاه‌چاله‌ها کمک می‌کند، نویسندگان را تشویق می‌کند تا رمان‌های شگفت‌انگیزی بنویسند، و کارگردانان را تحریک می‌کند تا ایده‌های عمیق متافیزیکی را به فیلم تبدیل کنند.

این مفهومی بود که محدودیت های تخیل ما را آزمایش می کرد و پازلی بود که ما را مجبور می کرد در مفهوم زمان تجدید نظر کنیم.

در سال 1916، اینشتین نظریه نسبیت عام خود را اعلام کرد.

چکیده یک تئوری

اساسا، انیشتین متوجه شد که فضا بسیار بیشتر از “فضایی” است که ما در آن زندگی می کنیم و زمان فراتر از ساعت هایی است که ما اختراع کرده ایم. در عوض، او این نظریه را مطرح کرد که این دو از نظر فیزیکی در هم تنیده شده هستند.

فضا مانند بوم نقاشی است که گذشته، حال و آینده ما روی آن بافته شده است – و می تواند مانند ابریشم تا شود، بپیچد و موج بزند. هیچ آغاز یا پایانی برای این تار و پود فضا و زمان، یا به قول او فضازمان وجود ندارد.

ما دقیقاً نمی‌توانیم پیوستار فضا-زمان را ببینیم، زیرا بخشی از قلمرویی است که برای چشم انسان غیرقابل درک است: بعد چهارم. اما ما می توانیم وجود آن را استنباط کنیم، همانطور که می توانیم اثرات آن را احساس کنیم. یکی از آن اثراتی که بدون شک با آن آشنا هستید – گرانش است. اما اثرات دیگری نیز وجود دارد، مانند حرکت کندتر زمان بسته به مکانی که در جهان هستید و پدیده‌ ای نام عدسی گرانشی.

صرف نظر از اینکه اولین آشنایی شما با نسبیت عام چه زمانی بوده است، احتمال میدهیم که فکر می کنید عجیب به نظر می رسد. این تئوری شامل مقدماتی مانند بعد چهارم و یک پارچه نامرئی است و نتایج عجیبی مانند کرم چاله ها و غیرخطی بودن طرح می کند.

شما در شک و تردید خود تنها نیستید. نسبیت عام در گذشته به عنوان توهمی کاملاً غیرعملی و نامتعارف رد شد. با این حال، این نظریه یکی از ظریف ترین نظریه ها در مورد جهان ما باقی مانده است.

بعد چهارم به چه شکل است

Zooey Liao/Cnet

به عنوان موجودات سه بعدی، ما تمایل داریم که در مورد جهان به صورت شهودی فکر کنیم.

یک جسم تک بعدی برای ما معنا پیدا می کند. این یک خط است. درک دو بعد و همچنین سه بعد، همه قابل درک هستند. اما وقتی به جهان چهار بعدی می رسیم، بصیرت ما از بین می رود.

در حالت سه بعدی ما  یک محور X برای طول، Y برای عرض و Z برای عمق داریم اما در فضای 4 بعدی، یک محور چهارم نیز وجود دارد: زمان.

موجودی را در نظر بگیرید که دنیا را به صورت 2 بعدی میبیند. فقط طول و عرض. اگر بخواهیم عمق را برای او توصیف کنیم سر درد میگیرد و درک بعد سوم برایش سخت است. اما بعد سوم وجود دارد و ما آن را درک می کنیم و می بینیم. محور چهارم در فضای چهار بعدی نیز برای ما انسان ها به همین شکل است.

فضای 4 بعدی وجود دارد چه ذهن ما بتواند وارد آن را درک کند یا نه. ما حتی وقتی از کسی می‌خواهیم که مثلاً ساعت 2 بعد از ظهر در کافی‌شاپ با ما ملاقات کند، ناخودآگاه با محور زمان تماس می‌گیریم. مختصات X، Y، Z و زمان را به او می دهیم.

بنابراین در حین خواندن این مطلب، به یاد داشته باشید که هر چیزی که در مورد نسبیت عام مورد بحث قرار میگیرد به صورت 4 بعدی وجودی دارد. خوشبختانه، حتی اگر نمی توانیم بعد چهارم را به صورت ذهنی تصور کنیم، می توانیم آن را به صورت ریاضی محاسبه کنیم.

آزمایش آسانسور معلق در فضا

دست نوشته البرت انیشتن از تئوری نسبیت عام / Annalen der Physik 1916

احتمالاً این ضرب المثل قدیمی را شنیده اید که می گوید آیزاک نیوتن زیر درخت سیب نشسته بود که میوه خوشمزه ای روی سرش افتاد و او متوجه شد که نیروی اسرارآمیز گرانش مواد را به زمین می کشد.انیشتین برداشتی بسیار متفاوت داشت.

انیشتین متوجه شد که گرانش آنقدر که تصور می شود مرموز نیست. خیلی شبیه یک نیروی قدیمی معمولی است که به آن عادت کرده ایم. ما تقریباً هر روز از آن استفاده می کنیم – رانندگی به سمت محل کار، دویدن در اطراف، یا شاید لگد زدن به توپ فوتبال…همه این موارد را ما شتاب می می نامیم.

انیشتین برای درک بهتر این موضوع آزمایش فکری جالبی در ذهن داشت.

یک آسانسور غیر متحرک روی زمین و یک آسانسور در حال شتاب در جایی در فضا را تصور کنید که با نیرویی دقیقاً معادل نیروی گرانش (9.8 متر در ثانیه^2) به سمت بالا حرکت می کند. اگر هیچ پنجره ای روی این آسانسورها وجود نداشت، چگونه می توانستید تشخیص دهید که در آسانسور فضایی هستید یا زمینی؟ خب به گفته انیشتین، نمیتوانید.

حال بیایید این آزمایش را کمی اصلاح کنیم، حال اگر شما میبایستی بفهمید که آیا بر روی یک اسانسور بدون پنجره معلق در فضا که حرکت نمی کند هستید یا روی که اسانسور بر روی زمین که در حال سقوط است. در هر دو صورت شما بی وزنی را احساس خواهید کرد، ایا بدون نگاه کردن به بیرون متوجه خواهید شد در کدام آسانسور هستید؟

بی وزنی روی زمین در حضور گرانش درست مانند بی وزنی در فضا در چیزی است که ما معمولاً آن را گرانش صفر میخوانیم که به این اصل هم ارزی گفته می شود.

بنابراین، تنها توضیح قابل قبول برای “گرانش”، به گفته انیشتین، این است که آن چیزی نیست که ما فکر می کنیم. و چیزی که واقعاً هست، احتمالاً ربطی به شتاب دارد. سپس، پس از اندکی تفکر بیشتر،  انیشتین این نتیجه رسید که گرانش اصلاً یک نیرو نیست.و محصول حاصل تعامل اجسام است، در حالی که در جهات مختلف شتاب می گیرند.

بگزارید با یک جمله سعی کنیم منظور انیشتین را توضیف کنیم، پس کمی به این جمله فکر کنید:  چیزها چیزهای دیگر را پایین نمیکشند. همه چیز،چیزها را بالا نگه می دارد.

سقوطی که همیشه ادامه دارد

اگر توپی به سمت یک دره می غلتید، نیوتن می گفت که توپ در حال توقف در یک خط مستقیم است زیرا جاذبه آن را به پایین می کشد. به نظر نیوتن، توپ به زودی به دلیل نیروی گرانش گریزان از صخره سقوط می کند. اما از سوی دیگر، انیشتین می‌گوید که توپ همیشه در حال سقوط بوده است – فقط زمانی که از لبه صخره عبور می‌کند متوجه چنین سقوطی می‌شویم، زیرا در آن زمان است که دیگر هیچ چیزی روی آن فشار نمی‌آورد یا شتاب می‌گیرد. 

برای درک این موضوع نیز مثالی میزنیم:

تصور کنید یک لیوان آب در دست دارید. لیوان به نوعی مدام مانع از افتادن آب به زمین می شود. احتمالاً نمی گویید که شیشه نیروی نامرئی روی آب وارد می کند تا آن را پایین بکشد، درست است؟ موضوعی که در بالا به آن اشاره کردیم همین مسئله را بیان می کند،  نسبیت عام فقط آن را یک قدم جلوتر می برد. باز هم برایتان سردرگم کننده است؟

این طور فکر کنید که شما همین الان دارید سقوط میکنید، شما فقط نمی توانید این سقوط را تشخیص دهید زیرا صندلی که روی آن نشسته اید مانع از رسیدن شما به کف اتاق می شود. کف اتاق شما از رسیدن صندلیتان به زمین جلوگیری میکند. و زمین به معنای واقعی کلمه، شما، صندلی و کف شما را از سقوط در فضا باز می دارد.

انیشتین متوجه شد که همه چیز همیشه در یک سقوط آزاد ثابت و طبیعی است، اما گاهی اوقات این سقوط آزاد منقطع می شود. و چنین وقفه ای برای ما مانند نیروی گرانش است. در اینجا همه چیز نسبی! است.

شاید هنوز هم در این فکر باشید که زمین چگونه مانع سقوط شما در فضا می شود؟  اگر زمین وجود نداشت، آیا ما مانند فضانوردان در ایستگاه فضایی بین‌المللی شناور می‌شدیم؟

این ما را به بخش دوم نظیریه نسبیت عام می رساند: بافت اقیانوس مانند فضا-زمان به شکلی مفهوم سقوط را متحول می کند. بخش بعدی این مقاله شاید به موضوعی که همین حالا در میان گذاشتیم بی ربط به نظر برسد، اما با ما همراه باشید.

جاذبه و انحنای آن

Zooey Liao/Cnet

یک ترامپولین را تصور کنید.

اگر یک توپ بولینگ را در این ترامپولین قرار دهیم، تا وسط می‌غلتد و باعث می‌شود که مثل مواد کشسان به سمت داخل تاب بخورند. حالا تصور کنید که یک تیله روی این پارچه منحنی قرار دهید. از منحنی پایین می‌غلتد و به یک طرف توپ بولینگ می‌چسبد. در اینجا ترامپولین تار و پود فضازمان است، توپ بولینگ زمین است و تیله شما هستید.

 بار دیگر، ما ساختار فضا-زمان را بر اساس ابعاد کوچک توصیف می کنیم، زیرا ما واقعاً نمی توانیم  بعد چهارم را به شکل مفهومی تصور کنیم.

 طبق گفته انیشتین، هر چیزی در جهان که جرم دارد، فضازمان را تاب می دهد ، دقیقا همانطور که توپ بولینگ ترامپولین را انحنا می دهد. سیاهچاله‌ها آن را تا حد خاصی تاب می‌دهند، زمین تا حدودی آن را تاب می‌دهد، ماه کمی آن را تاب می‌دهد و حتی شما به مقدار ناچیزی آن را تاب می‌دهید. هر چه جرم جسم بیشتر باشد،  پیچ و تاب ایجاد شده توسط آن نیز بیشتر است. و هرچه تاب بیشتر باشد، “گرانش” آن قوی تر است.

حال تصور کنید که هر خط شبکه که در این تصویر بالا مشاهده می کنید یک خط کابلی است که یک ماشین به ان متصل است، و داخل هر ماشین تعدادی ایتم وجود دارد با ماشین در حال حرکت هستند.

این آیتم همیشه در امتداد این خط در حال “سقوط” است. اگر زمین از این تصویر حذف شود، خط کابل مستقیم خواهد بود، بنابراین آیتم در جهتی که ما آن را “به جلو” در نظر می گیریم حرکت می کند. اما زمین وجود دارد که خط کابل را به سمت داخل فرو می کشد و جسم را به همراه خود روی آن خط می‌آورد.

بنابراین، به گفته انیشتین، اگر در فضا هیچ جرمی وجود نداشت، از نظر تئوری، یک ماده در کیهان به سقوط آزادانه در امتداد یک مسیر بدون انحنا ادامه می‌داد. اما جهان پر از اشیاء است. بنابراین فضازمان کاملاً انحنا پیدا کرده است. و همه چیز در امتداد آن پیچ و تاب ها “سقوط” می کند. حتی فضانوردان ایستگاه فضایی بین المللی نیز آزادانه در حال سقوط هستند، زیرا آنها نوعی پیچ و تاب گرانشی را دنبال می کنند.

اما اگر هنوز سردرگم هستید، فیزیکدان آمریکایی جان ویلر یک بار نسبیت عام را در 12 کلمه کاملاً توضیح داد: “فضا زمان به ماده می گوید که چگونه حرکت کند؛ ماده به فضا زمان می گوید چگونه منحنی شود.”

این نسبیت عام است. متاسفانه این پیچیدگی در اینجا متوقف نمی شود. پیامدهای نسبیت عام حتی عجیب تر از خود نظریه است. فراموش نکنید، شبکه فضا-زمان از زمان ساخته شده است.

زمان یک فریب است

در فیلم Interstellar کریستوفر نولان در سال ۲۰۱۴، زمانی که شخصیت متیو مک‌کانهی، کوپر، از سیاره‌ای که به دور یک سیاه‌چاله می‌چرخد، بازدید می‌کند، اتفاق بسیار عجیبی می‌افتد.

او قبل از خروج از فضاپیمای خود گفت: “اینجا هفت سال در ساعت است”. این به سادگی به این معنی است که به ازای هر ساعت روی این سیاره، هفت سال روی زمین می گذرد – و مطمئناً، وقتی کوپر پس از چند ساعت از کاوش باز میگردد، دهه ها گذشته است.

تمام این اتفاقات محصول چیزی جز نسبیت عام نیست. یا به طور دقیق تر، اتساع زمان.

این جنبه از نسبیت عام به ایده بزرگتری که انیشتین نیز به آن پرداخته است، به نام نسبیت خاص می پردازد. ما خیلی عمیق به نسبیت خاص نمی پردازیم، اما چیزی که باید بدانید این است که می گوید نور همیشه با سرعت ثابتی حرکت می کند.

Zooey Liao/Cnet

نور در قطاری که با سرعت 40 مایل در ساعت حرکت می کند، با سرعتی برابر با نور هواپیمایی که با سرعت 500 مایل در ساعت در حرکت است، حرکت می کند و هر دو با سرعت نوری که از ستاره در طرف دیگر کهکشان ساطع می شود برابر هستند. زمانی که پیوستار فضا-زمان را در نیز در این موضوع نظر می گیریک، به چیزهای عجیب و غریب تری میرسیم.

دوباره به آن ترامپولین فکر کنید. بدون توپ بولینگ بگویید 10 ثانیه طول می کشد تا یک تیله به طرف دیگر بغلتاند. خوب، توپ بولینگ را اضافه کنید. ترامپولین اکنون دراز شده است. غلتاندن یک تیله روی این ترامپولین تابدار، با توجه به مساحت اضافه شده ممکن است 12 ثانیه طول بکشد.

با این تشبیه، ممکن است ببینید که چگونه اجسام سنگین‌تر، منحنی عظیم‌تری ایجاد می‌کنند، و بنابراین مساحت بزرگ‌تری برای حرکت یک جسم ایجاد می‌کنند. اما قانون نور را به یاد دارید؟ نور همیشه باید با سرعت ثابتی حرکت کند، بنابراین نمی‌تواند تحت تأثیر این منحنی قرار بگیرد.

بدیهی است که نوری که از یک منحنی فضازمان عبور می کند، از مسافت طولانی تری نسبت به نوری که از فضای خالی عبور میکند، طی می کند. بنابراین، اگر سرعت نیست، چه چیزی تغییر می کند؟ خوب، پس از دست و پنجه نرم کردن با معادلات نسبیت، به این پاسخ می رسید: زمان.

زمان برای محاسبه سرعت پایداری نور تغییر می کند.به طور خلاصه، زمانی که میدان گرانشی در فضازمان قوی‌تر می‌شود، زمان کندتر حرکت می‌کند.

با وجود اینکه این یک تفاوت فوق‌العاده جزئی است، ما مدرکی برای این موضوع داریم. پس از یک سفر شش ماهه، سن فضانوردان در ایستگاه فضایی بین‌المللی 0.007 ثانیه کندتر از زمانی بود که در زمین سپری کرده اند. همچنین به همین دلیل است که ما ساعت‌های اتمی داریم که می‌توانند برای مثال، اتساع زمانی را که بر ماهواره‌های GPS تأثیر می‌گذارد، محاسبه کنند.

و با توجه به شخصیت کوپر، برای شخصی روی زمین، گذشت زمان وقتی که بر روی سیاره نزدیک سیاه چاله است، اهسته تر به مشاهده می شود، به طوری که به ازای هر هفت سال روی زمین فقط یک ساعت بر روی این سیاره می‌گذرد. چند راه دیگر وجود دارد که اتساع زمان به دلیل نسبیت عام رخ می دهد، اما این یکی به شما خلاصه کلی را توضیح می دهد.

کرم چاله ها و سیاهچاله ها

Zooey Liao/Cnet

اگر ترامپولین را مانند یک تکه کاغذ از وسط تا کنیم چه اتفاقی می افتد؟ از نظر تئوری، می‌توانید کاغذ را سوراخ کنید. حال ترامپولین را باز کنید، دو سوراخ بسیار دور از یکدیگر خواهید دید.حال دوباره آن را تا کنید تا دو سوراخ به هم برسند. این یک کرم چاله است.

زمانی که ترامپولین به دلیل انحنای زیاد تا شده است، تیله برای حرکت از یک طرف به طرف دیگر لازم نیست کل مسیر را طی کند و به طور بالقوه می تواند در کمتر از یک ثانیه از یک سمت به سمت دیگر برد.

برخی کارشناسان استدلال می‌کنند که تار و پود فضازمان، از نظر تئوری، می‌تواند به این شکل تا شود، به‌ویژه در نزدیکی یک ناحیه فوق‌العاده تاب‌خورده مانند نواحی اطراف سیاه‌چاله‌ها. و اگر این درست باشد، شاید بتوانیم در یک لحظه در سراسر جهان سفر کنیم.

با این حال، قبل از اینکه هیجان زده شوید، ما هنوز هیچ مدرکی برای چنین انحنا یا تاخورده گی نداریم. این فقط حدس و گمان است. اما در عوض، برخی از پیامدهای دیوانه کننده فضا-زمان وجود دارد که ما شواهدی از آنها داریم.

ما به این واقعیت پرداخته‌ایم که سیاه‌چاله‌ها نقش بزرگی در بازی نسبیت عام دارد، اما بیایید برای لحظه‌ای به یک موضوع عجیب دیگر فکر کنیم.

از آنجایی که این اجسام عظیم از جمله قوی‌ترین اجرام گرانشی در جهان هستند و جرم برخی از آنها میلیاردها برابر خورشید ما است،  آنها فقط فضازمان را منحرف نمی‌کنند.سیاه چاله ها آن‌قدر آن را می‌پیچانند و می‌چرخانند که پارچه تقریباً خرد می‌شود. و در اینجا، زمان فقط کند نمی شود. بلکه متوقف می شود.

در سال 2016، رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری یا LIGO، یک سیستم سیاهچاله دوتایی یا دو سیاهچاله را که به دور یکدیگر می چرخند شناسایی کرد. مارپیچ این سیاه چاله ها موج‌های واقعی را در تار و پود فضازمان می‌فرستاد، مانند روشی که انداختن یک سنگ در حوضچه، موج‌هایی را در سراسر آب می‌فرستد. دقیقاً همانطور که انیشتین چندین دهه پیش پیش بینی کرده بود. این اولین مدرک مستقیم بود که فضازمان واقعاً یک صفحه قابل انعطاف است.

از آن زمان، دانشمندان حتی موفق به گرفتن دو عکس از سیاهچاله‌های جهان شده‌اند و هر دوی این تصاویر نشان می‌دهند که فضازمان منحرف شده در نزدیکی این چاله ها واقعاً چه شکلی است. حلقه ای از فوتان ها در اطراف هر یک وجود دارد که به معنای واقعی کلمه از خطوط منحنی ناشی از سیاهچاله پیروی می کند.

نه چندان غیر عملی، نه چندان نامعقول

حتی به غیر از چنین اثبات بصری از فضازمان، از نظر ریاضی، کارشناسان بارها و بارها تلاش کرده‌اند تا نقصی در معادلات نسبیت عام اینشتین پیدا کنند. و بارها و بارها، شکست خورده اند. 

به نظر می رسد نسبیت عام آنقدر برای جهان ما تغییر ناپذیر و حیاتی است که حتی پدیده های کیهانی به شدت گرانشی، مانند ستاره های نوترونی  (آنقدر متراکم هستند که یک قاشق چای خوری از این ستاره ها به وزن کوه اورست برابری می کند) به نظر می رسد قوانین آن را رعایت می کنند.

ایده عدسی گرانشی، که یک اثر بزرگ‌نمایی فضازمان منحرف شده در نزدیکی خوشه‌های کهکشانی بسیار پرجرم است، در میان ستاره‌شناسانی که به ستاره‌ها و کهکشان‌های دور نگاه می‌کنند، تبدیل به یک عمل شده است.

انیمیشن امواج گرانشی تولید شده توسط یک مدار دودویی سریع – ناسا

باورش عجیب است که یک فرضیه زمانی “کاملا غیرعملی و پوچ”  یکی از اساسی ترین حقایق نسل ما شده است.

نسبیت عام بیان می‌کند که بعد چهارمی وجود دارد که فضا و زمان را با هم قلاب‌ میزند، خطی بودن را توهمی برای ذهن‌های سه بعدی ما می‌داند، امکان دور از ذهن کرم‌چاله‌ها را میسر می کند و پایه‌ای برای امواج گرانشی ایجاد می‌کند که در سراسر کیهان طنین‌انداز می‌کنند.

برگرفته از مقاله ای از Cnet.com