یک قرن با نسبیت عام؛ نبوغ اینشتین دیدگاه ما را نسبت به جهان تغییر داد (بخش آخر)

مهدی مومن زاده

۲۰ فروردین ۱۳۹۸ | ۱۱:۳۲ زمان مورد نیاز برای مطالعه: ۶ دقیقه

اینشتین خیلی زود فهمید که نظریه‌ی جدید گرانش او، در حقیقت نظریه‌ای جدید برای کیهان است. در سال ۱۹۱۷، او مقاله‌ی مشهوری نوشت و نسبیت عام را به همه‌ی عالم تعمیم داد. امروزه نیز مقاله‌ی او پایه‌های کیهان‌شناسی مدرن را می‌سازد. ولی آن زمان، اینشتین به مشکل خورده بود، چرا که معادلاتش، کیهان را یا در حال انبساط و رشد یا در حال انقباض و ویرانی نشان می‌داد. در زمان او، تصور می‌شد که جهان ازلی، ابدی و بدون تغییر است. بنابراین اینشتین معادلاتش را تغییر داد و فاکتوری به نام «ثابت کیهانی» را به آن‌ها اضافه کرد. این فاکتور نشان دهنده‌ی چگالی ثابت انرژی در فضا بود که می‌توانست عالم را ثابت نگه دارد.

ولی همچنان کسی خریدار حرف اینشتین نبود. «الکساندر فریدمن» (Alexander Friedmann) که یک ریاضی‌دان روس بود، توانست با معادلات اولیه‌ی اینشتین، یک توصیف از جهانی که منبسط یا منقبض می‌شود ارائه دهد. اینشتین نخست فکر می‌کرد که فریدمن اشتباه می‌کند. ولی بعدا تجدید نظر کرد و حرف او را پذیرفت. با این حال همچنان اعتقاد داشت که جهان منبسط شونده، فقط یک بحث ریاضی است و جایی در واقعیت ندارد. ولی فقط چند سال بعد، ستاره‌شناسی به نام «ادوین هابل» (Edwin Hubble) که کهکشان‌های دوردست را نگاه می‌کرد، از روی اثر داپلری حرکت آن‌ها فهمید که جهان در حال منبسط شدن است. با وجود تردید خود او در پذیرش این واقعیت، نسبیت عام اینشتین بیانگر چیزی بود که بعدها ویلر آن را «دراماتیک‌ترین پیش‌بینی علم در تاریخ» نامید؛ منظور همان انبساط جهان است.

اکنون، دوباره ثابت کیهانی اینشتین زنده شده است. ولی به جای اینکه برای اثبات ثابت بودن کیهان به کار آید، انرژی خلایی که در آن وجود دارد، می‌تواند چرایی انبساط شتاب‌دار جهان را نشان دهد. نسبیت عام و ثابت کیهانی، اکنون هسته‌ی علمی بررسی گذشته و پیش‌بینی آینده‌ی کیهان را تشکیل می‌دهند.

نسبیت عام جهان را محکوم به منبسط و یا منقبض شدن می‌کرد. اینشتین برای جلوگیری از بوجود آمدن این حالت، ثابت کیهانی را به معادلاتش افزود.

ولی نسبیت عام، در چهار دهه‌ی اول پیدایش خود، به غیر از کیهان‌شناسی، به ندرت در جایی دیگر از علم به کار آمد. بیشتر اوقات نسبیت عام در ریاضیات و نه در فیزیک استفاده می‌شد. «وولفگانگ ریندلر» (Wolfgang Rindler) از دانشگاه دالاس تگزاس می‌گوید: «به مدت خیلی زیادی، نسبیت عام یک سوژه‌ی مرده بود. مردم آن را یک علم خاموش می‌پنداشتند.» بعد از مرگ اینشتین در سال ۱۹۵۵، نسبیت عام دوباره زنده شد. تقریبا همان زمان‌ها، ویلر از دانشگاه پرینستون برنامه‌ای را برای کاوش کاربردهای آن شروع کرد و دانشجویان را به رفتن به این راه تشویق کرد. در اوایل دهه‌ی ۱۹۶۰، اکتشافات جدید ستاره‌شناسی نیازمند توضیحاتی بود که فیزیک نیوتونی نمی‌توانست آن‌ها را پشتیبانی کند و کلید کار در دست نسبیت عام بود. در دهه‌های بعد، نسبیت عام برای توصیف و توضیح همه‌ی پدیده‌های کیهانی به کار آمد. در همان زمان فیزیک‌دان‌ها آزمایش‌ّهای دقیق‌تری را برای پیش‌بینی با نسبیت عام طرح کردند و این نظریه توانست از همه‌ی آن‌ها سربلند بیرون بیاید. آن‌طور که ویل می‌گوید: «خیلی جالب است که این نظریه، ۱۰۰ سال پیش از تفکر محض بیرون آمده و تا به حال همه‌ی آزمایش‌ها را با موفقیت پشت سر گذاشته است.»

رمبش گرانشی

اندکی بعد از اینکه اینشتین نسبیت عام را معرفی کرد، کارل شوارتزشیلد با استفاده از آن، محاسباتی را برای گرانش کره‌های سنگین انجام داد. او گفت برای هر جرمی که در فضا وجود دارد، یک «شعاع بحرانی» می‌تواند وجود داشته باشد که به عنوان نوعی مرز و محدوده، نشان می‌دهد یک جرم تا چه حد می‌تواند فشرده شود. در سال ۱۹۳۹، اینشتین نتیجه گرفت که جرم نمی‌تواند به اندازه‌ی شعاع شوارتزشیلد فشرده شود. ولی در همان سال، دانشمندی به نام رابرت اوپنهایمر به شکل دیگری محاسبه کرد. آن‌ها گفتند اجرامی که به اندازه‌ی کافی سنگین هستند، می‌توانند به آن شعاع برسند و آن‌قدر کوچک شوند که فقط از روی میدان گرانشی شناسایی شوند.

در آن زمان کسی به آن‌ها توجه نکرد. ولی در دهه‌ی ۱۹۶۰، ستاره‌شناسان فهمیدند که چنین رمبش‌های گرانشی در کیهان وجود دارد و نام آن‌ها را سیاه‌چاله نهادند. سیاه‌چاله‌ها پدیده‌هایی با گرانش فوق‌العاده زیاد هستند که به هیچ‌چیز حتی نور اجازه‌ی فرار نمی‌دهند. آن‌ها عجیب‌ترین نتیجه‌ی نسبیت عام هستند. تا به حال سیاه‌چاله‌های مختلفی در فضا شناسایی شده‌اند و معمولا در مرکز کهکشان‌ها، سیاه‌چاله‌های ابرپرجرم وجود دارد.

سخت‌تر از یافتن معادلات نسبیت عام این است که توضیح بدهیم اینشتین چگونه از تفکر محض به این معادلات رسید. یک تاریخ‌دان علم به نام «جرالد هولتون» (Gerald Holton) که درباره‌ی اینشتین تحقیق می‌کرد می‌گوید: «نوعی نگاشت مشترک بین ذهن، سبک زندگی این دانشمند و قوانین طبیعت وجود دارد.» خود اینشتین می‌گفت که او رابطه‌ی عمیق بین ریاضی و دنیای فیزیکی را کشف کرده است.

در بوجود آوردن نسبیت عام، اینشتین باید دو کار انجام می‌داد. یکی این بود که فرایندهای فیزیکی غالب بر ماده، فضا و زمان را تصور کند و دیگر اینکه به صورت همزمان، توصیفات ریاضی که منطبق بر واقعیت باشد را بوجود آورد. اینشتین وقتی دانش‌آموز بود دل خوشی از ریاضیات نداشت. شهود ریاضی او به اندازه‌ی کافی قوی نبود که بتواند در جزئیات و پیچ‌ و خم‌های آن خیلی خوب عمل کند. ولی او درباره‌ی مرزهای فیزیکی پدیده‌های طبیعی می‌گوید: «من خیلی زود یاد گرفتم که بفهمم کدام راه به سوی واقعیت‌های بنیادین طبیعت می‌رود و کدامیک بیراهه است.» نخست او نفهمید که دانسته‌های بیشتر درباره‌ی مفاهیم بنیادین فیزیک، به استفاده از روش‌های پیچیده‌تر ریاضی وابسته است. او در راه رسیدن به نسبیت عام متوجه این ریاضیات پیچیده شد. در نهایت، ذهن اینشتین توانست یک نظریه‌ی ریاضیاتی خیلی قدرتمند بسازد که جهان را متحول کند. پدیده‌های شگفت‌انگیز فیزیکی را اینشتین از پشت لوله‌ی تلسکوپ کشف نکرد، بلکه کشف‌های او از معادلات و اعداد و ارقام پیچیده‌ای که روی تخته گچی می‌نوشت بدست آمد. دانشمند و دوست اینشتین به نام «ماکس بورن» (Max Born) نیم قرن پیش گفت: «ایده‌ی اینشتین، به علم فیزیک انگیزه‌ای داد که باعث شد از مکتب قدیمی فیلسوفانه رها و تبدیل به یکی از مهم‌ترین فاکتورهای توصیف جهان مدرن شود.»

اثر گرانش روی زمان

سفینه‌ای موشک مانند را در فضا تصور کنید که از دید فضانوردی که در کف آن قرار دارد، به سمت بالا شتاب می‌گیرد. این فضانورد، پالس‌هایی لیزری را هر ثانیه یک بار به سمت حسگری در سقف سفینه می‌تاباند. از آن‌جا که سفینه در حال شتاب گرفتن است، حسگر از پرتوی لیزر که به سمت سقف می‌آید دور می‌شود. بنابراین پالس‌ها در بازه‌هایی طولانی‌تر از یک ثانیه به حسگر می‌رسند. ولی سرعت پرتوی لیزر ثابت می‌ماند. بنابراین برای زمان‌سنجی دقیق، ساعتی که روی سقف قرار دارد سریع‌تر از ساعتی که روی کف قرار دارد کار می‌کند. زیرا آن‌طور که نسبیت عام می‌گوید، شتاب با میدان گرانشی برابر است. همین اثر وقتی که پرتوی لیزر از کف به سقف یک سفینه که روی زمین قرار دارد می‌تابد هم اتفاق می‌افتد. به همین ترتیب، ساعتی که در ارتفاع سطح دریا قرار دارد آهسته‌تر از ساعت روی قله‌ی یک کوه کار می‌کند. این کاهش سرعت ساعت‌ها در میدان گرانشی به عنوان اتساع زمان گرانشی هم شناخته می‌شود.

نسبیت عام و GPS

سامانه‌ی موقعیت‌یاب جهانی یا همان GPS، که برای تعیین دقیق موقعیت بر روی زمین به کار می‌آید به سیگنال‌هایی که از ماهواره‌هایی در ارتفاع ۲۰ هزار کیلومتری ارسال می‌شود، متکی است. دستگاه گیرنده‌ی GPS، زمان دقیقی که سیگنال‌ها از ماهواره‌های مختلف می‌آیند را ثبت می‌کند. این زمان‌های رسیدن سیگنال‌ها، می‌توانند برای تعیین فاصله‌ی ماهواره‌ها استفاده شود. سپس گیرنده‌ی GPS می‌تواند با محاسبه‌ی فاصله و مکان ماهواره‌ها، مکان خود را پیدا کند. این کار نیازمند آن است که ساعت‌های زمینی با ساعت‌هایی که روی ماهواره‌ها قرار دارند همزمان باشند. ولی به دلیل اتساع زمان گرانشی، ساعت‌های روی زمین با سرعت آهسته‌تری نسبت به ساعت‌های روی ماهواره‌ها کار می‌کنند. اگر این ساعت‌ها با محاسبه از طریق معادلات نسبیت عام اصلاح نشوند، بعد از یک روز دستگاه GPS، مکان شما را با ۱۰ کیلومتر خطا تخمین می‌زند. در حقیقت اصلاح با معادلات نسبیت خاص نیز لازم است چرا که ماهواره‌ها با سرعت زیادی در مدار زمین گردش می‌کنند؛ ولی اثر نسبیت عام خیلی بیشتر است.