دانش فیزیک >>> تئوری نسبیت عام >>> نسبیت عام به زبان ساده

نظريه نسبيت عام به زبان ساده

نسبيت عام براي حرکتهايي ساخته شده که در خلال حرکت سرعت تغيير مي کند يا باصطلاح حرکت شتابدار دارند. شتاب گرانش زمين g که همان عدد 9.81m/sاست نيز يک نوع شتاب است. پس نسبيت عام با شتابها کار دارد نه با حرکت. نظريه ايست راجع به اجرام ي که شتاب ثقل دارند. کلا هرجا در عالم، جرمي در فضا ي خالي باشد حتما يک شتاب جاذبه در اطراف خود دارد که مقدار عددي آن وابسته به جرم آن جسم مي باشد. پس در اطراف هر جسمي شتابي وجود دارد. نسبيت عام با اين شتابها سر و کار دارد و بيان مي کند که هر جسمي که از سطح يک سياره دور شود زمان براي او کند تر ميشود. يعني مثلا، اگر دوربيني روي ساعت من بگذارند و از عقربه هاي ساعتم فيلم زنده بگيرند و روي ساعت آدمي که دارد بالا ميرود و از سياره ي زمين جدا ميشود هم دوربيني بگذارند و هردو فيلم را کنار هم روي يک صفحه ي تلويزيوني پخش کنند، ملاحظه خواهيم کرد که ساعت من تند تر کار مي کند. نسبيت عام نتايج بسيار عجيب و قابل اثبات در آزمايشگاهي دارد. مثلا نوري که به اطراف ستاره اي سنگين ميرسد کمي بسمت آن ستاره خم ميشود.

سياهچاله ها(سياهچاله ها: اگر يه ستاره چند برابر خورشيد باشد و همه سوختش را بسوزاند، از انجا كه يك نيروي جاذبه قوي دارد لذا جرم خودش در خودش فشرده ميشود و يك حفره سياه رنگ مثل يه قيف درست ميكند كه نيروي جاذبه فوق العاده زيادي دارد طوري كه حتي نور هم نميتواند از آن فرار كند) هم بر اساس همين خاصيت است که کار مي کنند. جرم انها بقدري زياد و حجمشان بقدري کم است که نور وقتي از کنار آنها مي گذرد به داخل آنها مي افتد و هرگز بيرون نمي آيد. همه ما براي يک‌بار هم که شده گذرمان به ساعت‌فروشي افتاده است و ساعتهاي بزرگ و کوچک را ديده ايم که روي ساعت ده و ده دقيقه قرار دارند. ولي هيچگاه از خودمان نپرسيده ايم چرا؟ آلبرت انيشتين در نظريه نسبيت خاص با حرکت شتابدار و يا با گرانش کاري نداشت. اولين موضوعات را در نظريه نسبيت عام خود که در 1915 انتشار يافت مورد بحث قرار داد.نظريه نسبيت عام ديد گرانشي را بکلي تغيير داد و در اين نظريه جديد نيرو ي گرانش را مانند خاصيتي از فضا در نظر گرفت نه مانند نيرو يي بين اجرام ، يعني برخلاف آنچه که اسحاق نيوتن گفته بود !در نظريه او فضا در مجاورت ماده کمي انحنا پيدا مي‌کرد. در نتيجه حضور ماده اجرام ، مسير يا به اصطلاح کمترين مقاومت را در ميان منحنيها اختيار مي‌کردند. با اين که فکر آلبرت انيشتين عجيب به نظر مي‌رسيد مي‌توانست چيزي را جواب دهد که قانون ثقل نيوتن از جواب دادن آن عاجز مي ماند.سياره اورانوس در سال 1781 ميلادي کشف شده بود و مدارش به دور خورشيد اندکي ناجور به نظر مي‌رسيد و يا به عبارتي کج بود! نيم قرن مطالعه اين موضوع را خدشه ناپذير کرده بود.بنابر قوانين اسحاق نيوتن مي بايست جاذبه اي برآن وارد شود. يعني بايد سياره اي بزرگ در آن طرف اورانوس وجود داشته باشد تا از طرف آن نيرو يي بر اورانوس وارد شود.در سال 1846 ميلادي اختر شناس آلماني دوربين نجومي خودش را متوجه نقطه اي کرد که « لووريه» گفته بود و بي هيچ ترديد سياره جديدي را در آنجا ديد که از آن پس نپتون نام گرفت.نزديک ترين نقطه مدار سياره عطارد به خورشيد در هر دور حرکت ساليانه سياره تغيير ميکرد و هيچ گاه دوبار پشت سر هم اين تغيير در يک نقطه خاص اتفاق نمي‌افتاد.اختر شناسان بيشتر اين بي نظمي ها را به حساب اختلال ناشي از کشش سياره هاي مجاور عطارد مي دانستند !مقدار اين انحراف برابر 43 ثانيه قوس بود. اين حرکت در سال 1845 به وسيله لووريه کشف شد بالاخره با ارائه نظريه نسبيت عام جواب فراهم شد اين فرضيه با اتکايي که بر هندسه نااقليدسي داشت نشان داد که حضيض هر جسم دوران کننده حرکتي دارد علاوه برآنچه اسحاق نيوتن گفته بود.وقتي که فرمولهاي آلبرت انيشتين را در مورد سياره عطارد به کار بردند، ديدند که با تغيير مکان حضيض اين سياره سازگاري کامل دارد. سياره هايي که فاصله شان از خورشيد بيشتر از فاصله تير تا آن است تغيير مکان حضيضي دارند که به طور تصاعدي کوچک مي شوند.اثر بخش‌تر از اينها دو پديده تازه بود که فقط نظريه آلبرت انيشتين آن‌را پيشگويي کرده بود. نخست آنکه آلبرت انيشتين معتقد بود که ميدان گرانشي شديد موجب کند شدن ارتعاش اتمها مي شود و گواه بر اين کند شدن تغيير جاي خطوط طيف است به طرف رنگ سرخ! يعني اينکه اگر ستاره اي بسيار داغ باشد و به طوري که محاسبه مي کنيم بگوييم که نور آن بايد آبي درخشان باشد در عمل سرخ رنگ به نظر مي‌رسد کجا برويم تا اين مقدار قواي گرانشي و حرارت ي بالا را داشته باشيم، پاسخ مربوط به کوتوله هاي سفيد است.دانشمندان به بررسي طيف کوتوله هاي سفيد پرداختند و در حقيقت تغيير مکان پيش بيني شده را با چشم ديدند! اسم اين را تغيير مکان آلبرت انيشتيني گذاشتند. آلبرت انيشتين مي گفت که ميدان گرانشي شعاع هاي نور را منحرف مي‌کند چگونه ممکن بود اين مطلب را امتحان کرد.اگر ستاره اي در آسمان آن سوي خورشيد درست در امتداد سطح آن واقع باشد و در زمان کسوف خورشيد قابل رؤيت باشد اگر وضع آنها را با زماني که فرض کنيم خورشيدي در کار نباشد مقايسه کنيم خم شدن نور آنها مسلم است. درست مثل موقعي که انگشت دستتان را جلوي چشمتان در فاصله 8 سانتيمتري قرار دهيد و يکبار فقط با چشم چپ و بار ديگر فقط با چشم راست به آن نگاه کنيد به نظر مي رسد که انگشت دستتان در مقابل زمينه پشت آن تغيير جا مي‌دهد ولي واقعاً انگشت شما که جابجا نشده است! دانشمندان در موقع کسوف در جزيره پرنسيپ پرتغال واقع در آفريقاي غربي ديدند که نور ستاره ها به جاي آنکه به خط راست حرکت کنند در مجاورت خورشيد و در اثر نيرو ي گرانشي آن خم مي شوند و به صورت منحني در مي آيند. يعني ما وضع ستاره ها را کمي بالاتر از محل واقعيش مي‌بينيم.ماهيت تمام پيروزيهاي نظريه نسبيت عام آلبرت انيشتين نجومي بود ولي دانشمندان حسرت مي کشيدند که اي کاش راهي براي امتحان آن در آزمايشگاه داشتند.ـ نظريه آلبرت انيشتين به ماده به صورت بسته متراکمي از انرژي نگاه مي کرد به همين خاطر مي گفت که اين دو به هم تبديل پذيرند يعني ماده به انرژي و انرژي به ماده تبديل مي شود. E = mc²دانشمندان به ناگاه جواب بسياري از سؤالها را يافتند. پديده راديواکتيو ي به راحتي توسط اين معادله توجيه شد. کم کم دانشمندان متوجه شدند که هر ذره مادي يک پادماده مساوي خود دارد و در اينجا بود که ماده و انرژي غير قابل تفکيک شدند.تا اينکه آلبرت انيشتين طي نامه اي به رئيس جمهور آمريکا نوشت که مي توان ماده را به انرژي تبديل کنيم و يک بمب اتمي درست کنيم و آمريکا دستور تأسيس سازمان عظيمي را داد تا به بمب اتمي دست پيدا کند. براي شکافت هسته اتم اورانيوم 235 انتخاب شد. اورانيوم عنصري است که در پوسته زمين بسيار زياد است. تقريباً 2 گرم در هر تن سنگ! يعني از طلا چهارصد مرتبه فراوانتر است اما خيلي پراکنده.در سال 1945 مقدار کافي براي ساخت بمب جمـع شـده بود و ايـن کار يعني ساختن بمب در آزمايشگاهــي در « لوس آلاموس » به سرپرستي فيزيکدان آمريکايي «رابرت اوپنهايمر» صورت گرفت. آزمودن چنين وسيله اي در مقياس کوچک ناممکن بود. بمب يا بايد بالاي اندازه بحراني باشد يا اصلاً نباشد و در نتيجه اولين بمب براي آزمايش منفجر شد. در ساعت 5/5 صبح روز 16 ژوئيه 1945 برابر با 25 تيرماه 1324 و نيرو ي انفجاري برابر 20 هزار تنT.N.T آزاد کرده دو بمب ديگر هم تهيه شد. يکي بمب اورانيوم بنام پسرک با سه متر و 60 سانتيمتر طول و به وزن 5/4 تن و ديگري مرد چاق که پلوتونيم هم داشت. اولي روي هيروشيما و دومي روي ناکازاکي در ژاپن انداخته شد. صبح روز 16 اوت 1945 در ساعت 10 و ده دقيقه صبح شهر هيروشيما با يک انفجار اتمي به خاک و خون کشيده شد. با بمباران هيروشيما جهان ناگهان به خود آمد، 160000 کشته در يک روز وجدان خفته فيزيکدان ها بيدارر شد! « اوپنهايمر» مسئول پروژه بمب و ديگران از شدت عذاب وجدان لب به اعتراض گشودند و به زندان افتادند. آلبرت انيشتين اعلام کرد که اگر روزي بخواهم دوباره به دنيا بيايم دوست دارم يک لوله‌کش بشوم نه يک دانشمند!
برخي نتايج حاصل از نسبيت
اينشتين با نظريه نسبيت خاص خود نشان داد که سه قانون فيزيک نيوتن تنها در شرايط خاصي آنهم بصورت تقريبي صحت دارند و هنگامي که سرعت اجسام زياد شده و با سرعت نور قابل مقايسه شوند به هيچ وجه نمي توان قوانين نيوتن را در مورد اجسام حتي با تقريب بالا بکار برد. همچنين نظريه نسبيت عام او نشان داد که باز نظريه نيوتن راجع به قانون جاذبه عمومي دقيق نمي باشد و در ميدان هاي جاذبه بسيار قوي فرمول نيوتن جاي بحث دارد. مطالعه حرکت عطارد (Mercury) به دور خورشيد از دير باز مورد علاقه ستاره شناسان و فيزيک دانان بوده است. مشکل اينجا بوجود آمد که مشاهده شد صفحه اي که عطارد در آن به دور خوشيد مي چرخد خود داراي حرکت مي باشد. اين حرکت در شکل بوضوح نشان داده شده است. اندازه گيري ها نشان داد که اين حرکت در هر يکصد سال معادل 43 ثانيه (در اينجا منظور از ثانيه واحد اندازه گيري کمان مي باشد که معادل 1/3600 درجه است) مي باشد. با وجود آنکه اين مقدار حرکت براي هر سال بسيار کم مي باشد اما قانون جاذبه عمومي نيوتن از توجيه آن عاجز است. نيوتن معتقد بود که نور در يک مسير مستقيم حرکت مي کند اما اينشتين نشان داد که اگر جسمي داراي يک ميدان جاذبه بزرگ باشد و نور از کنار آن عبور کند دچار انحراف از مسير مستقيم خود مي شود. ديگر مواردي که از قانون نسبيت عام مي توان نتيجه گرفت آن که نور ستارگاني که داراي ميدانهاي مغناطيسي قوي ميباشند در راه رسيدن به زمين تغيير طول موج مي دهند. اين اثر که به Red Shift مشهور است، باعث مي شود طول موج نور اين ستاره ها بزرگتر شود. اين مسئله که باز با قوانين نيوتن قابل تحليل نمي باشد توسط معادلات تئوري نسبيت عام بسادگي مدل مي شود.
آيا زمين در يک چاله فضا-زمان واقع شده است؟
"تصور يك تصويرگر از فضا-زمان خميده در اطراف زمين"  زمان و فضا –بر طبق نظريه نسبيت انيشتين –به يكديگر بافته شده اند و ساختار تار و پودي چهاربعدي به نام فضا-زمان را به وجود آورده اند.جرم قابل توجه زمين ، اين ساختار را به شكل يك گودي در مي آورد.مانند شخص سنگيني كه وسط يك تشك بادي نشسته باشد (هر چند که چنين خميدگيهاي فضا-زمان را اغلب در محيط اطراف اجرام بسيار پر جرم تر و فشرده تري مانند سياهچاله ها، ستاره هاي نوتروني، و کوتوله هاي سفيد سراغ داريم اما اگر با دقت کافي محيط اطراف اجرام بسيار کم جرم تري مانند زمين را نيز بررسي کنيم خميدگي فضا-زمان ناشي از جرم زمين را مي توانيم بيابيم). بر طبق نظريه نسبيت عام انيشتين ، حركت اجسام در ساختار تار و پودي فضا-زمان صورت مي گيرد. يعني جسم در حال حركت تابع شكل فضا-زماني است كه در آن واقع شده است. بر اساس اين نظريه، گرانش باعث تغيير شكل ساختار فضا-زمان مي شود و در نتيجه حركت جسم نيز بر اثر ميدان گرانشي تغيير مي كند. مي توان گفت كه به زبان انيشتين گرانش در اصل حركت اجسام در مسير خميدگي ساختار فضا-زمان در اطراف جسم پرجرم است. يعني وقتي زمين ر مداري به دور خورشيد در گردش است از ديد نسبيتي به دليل انحناي فضا-زمان اطراف خورشيد در اين مسير هدايت مي شود. اگر زمين ثابت بود، ضرورتي براي انجام اين كاوش نبود، ولي از آنجا كه زمين به دور خود حركت دوراني دارد ، اين خميدگي نيز بايد همراه با زمين بچرخد.زمين با پيچ و تاب دادن ساختار فضا-زمان به دور خود به آرامي آن را به صورت يك ساختار چرخشي ? بعدي در مي آورد.اين همان چيزي است كه ماهواره گرانش کاو يا GP-B براي آزمايش آن به فضا فرستاده شده است. اين آزمايش براساس فكر بسيار ساده اي انجام مي شود: يك ژيروسكوپ (گردش نما) در حال چرخش در مداري در نزديكي زمين قرار مي دهند ، در حالي كه محور چرخش آن به سمت يك ستاره بسيار دور -در نقش يك مرجع ثابت و بدون حركت- نشانه رفته است. بدون وجود نيروهاي خارجي، محور ژيروسكوپ بايد تا ابد به سمت همان ستاره ثابت بماند.ولي چون فضا-زمان در نزديكي زمين خميده است، جهت محور ژيروسكوپ به مرور زمان تغيير مي كند.با اندازه گيري بسيار دقيق تغييرات جهت محور ژيروسكوپ نسبت به ستاره، مي توان ميزان خميدگي فضا-زمان را در نزديكي زمين اندازه گرفت.اما در عمل اين آزمايش بسيار دشوار است : ژيروسكوپي كه در GP-B كار گذاشته شده اند، كامل ترين كره هايي هستند كه تا به حال به دست بشر ساخته شده اند.اين كره ها كه هر کدام به اندازه يک توپ پينگ پونگ اند (به قطر حدود ? سانتي متر)، از جنس سيليكون و كوارتز هستند. هيچ گاه اختلاف آنها با يك كره كامل بيش از ?? لايه اتمي نيست. اگر ژيروسكوپ ها كاملا كروي نبودند، محور چرخش آنها حتي بدون اثرات نسبيتي ‌، حركت مي كرد. بر طبق محاسبات فضا-زمان انحنا پيدا كرده در نزديكي زمين باعث مي شود تا محور ژيروسكوپ در طول يك سال به اندازه ي 0.041ثانيه قوس جابه جا شود. يك ثانيه قوس 3600/1 يك درجه است. براي اندازه گيري دقيق اين زاويه، GP-B به دقت سنجش فوق العاده 0.0005ثانيه قوس نياز دارد.اين عمل مانند آن است كه بخواهيم قطر يك ورق كاغذ را از فاصله ي 150کيلومتري اندازه بگيريم. محققان GP-B فناوري هاي كاملا جديدي را براي اين اندازه گيري اختراع كرده اند. آنان ماهواره گرانش کاو را کاملا “بدون لرزش” ساخته اند تا در هنگام حركت ماهواره در لايه هاي بالايي جو به ژيروسكوپ ها لرزشي وارد نشود. آنها دريافتند كه چگونه از نفوذ ميدان مغناطيسي زمين به داخل فضاپيما جلوگيري كنند و همچنين دستگاهي را براي اندازه گيري چرخش ژيروسكوپ ، بدون تماس با آن، اختراع كردند. فرانسيس اوريت ، استاد فيزيك دانشگاه استنفورد و محقق اصلي پروژه GP-B مي گويد: “در جريان انجام آزمايش هيچ حادثه غافلگير كننده اي اتفاق نيفتاده است.” اكنون كه مرحله جمع آوري اطلاعات پايان يافته است ، او مي گويد : “دانشمندان GP-B با اشتياق و علاقه بيشتري به كار خود ادامه مي دهند و كار سخت پيش روي خود را ناديده نمي گيرند.” در مرحله بعدي آنها بايد اطلاعات گرفته شده را به طور دقيق و كامل بررسي كنند.اوريت توضيح مي دهد كه دانشمندان GP-B اين كار را در سه مرحله انجام مي دهند: در مرحله اول آنان اطلاعات را به صورت روز به روز بررسي مي كنند تا بي نظمي هاي موجود در آنها را بيابند. سپس اطلاعات را به صورت ماه به ماه در مي آورند و در نهايت آنها را به صورت يك مجموعه كامل به دست آمده در طول يك سال، تحليل مي كنند. بدين ترتيب دانشمندان ايرادات موجود در اطلاعات را ، كه از طريق يك روش تجزيه و تحليل ساده نمي توان پيدا كرد، مي يابند. نهايتا دانشمندان از سراسر دنيا نتايج را به دقت بررسي مي كنند.اوريت مي گويد: “بدين طريق به سخت ترين منتقدان، اجازه شركت در اين پروژه داده مي شود.” اگر GP-B بتواند به طور دقيق چاله فضا-زماني را كه انتظار مي رود مشخص كند، بدين معني است كه بر اساس باور عمومي فيزيکدانان نظريه انيشتين حقيقت داشته است ولي اگر اين گونه نشود، چه اتفاقي رخ خواهد داد؟ شايد ايرادي در نظريه نسبيت عام انيشتين يافته شود. اختلاف كوچكي كه ظهور انقلابي بزرگ را در فيزيك عصر جديد اعلام خواهد كرد.

منبع: انجمن هفت تیر

استفاده از این جستار با ذکر منبع و نام نویسنده بلامانع است.