نسبیت عام به زبان ساده؛ سفری به درون یکی از شگفت‌انگیزترین نظریه‌های فیزیک

تصور کنید که در یک آسانسور بسته هستید و از دنیای بیرون هیچ اطلاعی ندارید. ناگهان احساس می‌کنید به کف آسانسور فشار آورده می‌شود. آیا این به دلیل نیروی گرانش است که شما را به پایین می‌کشد، یا آسانسور در حال شتاب گرفتن به سمت بالا است؟ آلبرت اینشتین با همین پرسش ساده، یکی از عمیق‌ترین نظریه‌های تاریخ علم را پایه‌ریزی کرد: نسبیت عام.

نظریه نسبیت عام آلبرت اینشتین در سال ۱۹۱۵ میلادی، نگاه متفاوتی را به جهان ارائه داد. این نظریه، نه‌تنها فهم ما از گرانش را دگرگون کرد، بلکه تصویری تازه از ساختار زمان و مکان به ما نشان داد. در نسبیت عام، دیگر نیروی نامرئی‌ای که اجرام را به سوی یکدیگر می‌کشد، وجود ندارد؛ بلکه جهان همانند صفحه‌ای انعطاف‌پذیر است که اجرام بزرگ با خم کردن آن در اطراف خود، حرکت اجرام دیگر را تحت‌تاثیر قرار می‌دهند.

با‌این‌حال، درک این مفهوم پیچیده، نیازمندِ بازنگری در تصورات اولیه‌ی ما از ساختار جهان است. همه‌ی ما از دوران مدرسه یاد گرفته‌ایم که گرانش، نیرویی است که اشیا را به سمت زمین می‌کشاند. اما اینشتین نشان داد که چیزی بسیار عمیق‌تر در جریان است: انحنای فضازمان. اجرام آسمانی مانند زمین و خورشید، فضای اطراف خود را خم می‌کنند و دیگر اجرام را در مسیری خاص به حرکت درمی‌آورند، درست مانند سنگینی یک توپ روی یک صفحه‌ی لاستیکی.

این نظریه، نه‌تنها ما را به درک بهتری از حرکت سیاره‌ها و ستارگان رساند، بلکه مفاهیمی را معرفی کرد که درک روزمره‌ی ما از جهان را به چالش می‌کشد. از سیاه‌چاله‌ها که نور را به دام می‌اندازند تا کشیدگی زمان در نزدیکی اجرام بسیار بزرگ، نسبیت عام ابزاری است که به کمک آن می‌توانیم عظمت بی‌پایان کیهان را بهتر درک کنیم.

در این مطلب، به دنیای شگفت‌انگیز نسبیت عام قدم خواهیم گذاشت و تلاش می‌کنیم تا این نظریه‌ی پیچیده را به زبان ساده و قابل‌فهم توضیح دهیم. با ما همراه باشید تا به اعماق فضا و زمان سفر کنیم و رازهای پنهان کیهان را کشف کنیم.

آلبرت اینشتین با نظریه نسبیت عام، دیدگاه ما را نسبت به جهان زیر و رو کرد. به‌کمک این نظریه می‌فهمیم کیهان چگونه به‌وجود آمد، سیارات چگونه در مدارشان می‌چرخند و سیاه‌چاله‌ها چه موجودات عجیبی هستند. جالب‌تر آن‌که این نظریه حتی در مواردی مانند GPS که هر روز استفاده می‌کنیم، نقش دارد.

تا اوایل قرن بیستم میلادی، جهان براساس قوانین حرکت و فیزیک نیوتن توصیف می‌شد. از نظر نیوتن، جاذبه نیرویی بود که جرم اجسام آن را ایجاد می‌کرد و باعث می‌شد، اجسام به سمت یکدیگر کشیده شوند. هرچه جرم جسم بیشتر باشد، نیروی جاذبه‌ای که اعمال می‌کند، قوی‌تر است. طبق فیزیک نیوتنی، نیروی جاذبه، علت ماندن ما روی زمین و گردش سیارات به دور خورشید است.

اما مشکلی در دیدگاه نیوتن وجود داشت؛ اگر خورشید ناگهان ناپدید شود، طبق نظریه‌ی این فیزیک‌دان، سیارات باید فوراً مدار خود را ترک کنند، زیرا جاذبه‌ای وجود ندارد تا آن‌ها را در مدار نگه دارد. از دیدگاه نیوتن، جاذبه نیرویی بود که به‌صورت فوری و بدون توجه به فاصله‌ی بین اجسام، عمل می‌کرد. اما طبق محاسبات اینشتین، هیچ‌چیز در جهان نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند، حتی جاذبه.

مهدیه یوسفی

نسبیت خاص به زبان ساده؛ داستانی از پیوندهای نامرئی جهان

مطالعه '26

نور حدود هشت دقیقه، فاصله‌ی ۱۵۰ میلیون کیلومتری بین خورشید و زمین را طی ‌می‌کند. حالا تصور کنید خورشید ناگهان ناپدید شود. چطور ممکن است زمین مدارش را ترک کند، درحالی‌که هنوز نور خورشید را می‌بینیم؟ این سوال عجیب باعث شد اینشتین به این فکر بیفتد که شاید توضیح نیوتن درباره‌ی جاذبه (گرانش)، کامل نباشد و جاذبه، معنای دیگری داشته باشد.

بین سال‌های ۱۹۰۵ تا ۱۹۱۵، اینشتین نظریه نسبیت عام را توسعه داد و دیدگاه کاملاً جدیدی به فضا و زمان بخشید. او سه بُعد فضا و یک بُعد زمان را به‌صورت ساختاری یکپارچه تصور کرد؛ چیزی شبیه به یک بافت یا پارچه که در سراسر کیهان گسترده شده است. این بافت، که او آن را فضازمان نامید، با حضور اجرام آسمانی دچار انحنا و تغییر شکل می‌شود. این انحنا همان چیزی است که ما به‌عنوان جاذبه یا گرانش تجربه می‌کنیم.

سارا ارجمند

فضازمان دقیقاً از چه چیزی ساخته شده است؟

مطالعه '14

برای درک بهتر انحنای فضا زمان در حضور اجسام با جرم‌های مختلف، تصور کنید پارچه‌ای کشیده و صاف را از چهار طرف نگه داشته‌اید. حالا یک توپ سنگین را وسط آن بگذارید. پارچه‌ی کشیده شده به‌علت حضور سنگ، تغییر شکل می‌دهد و به‌صورت نشان داده شده در تصویر زیر خم می‌شود.

اگر جسمی کوچک‌تر را، مانند تیله، روی این پارچه بیندازید، در مسیر خمیدگی ایجاد شده حرکت می‌کند. به‌همین شکل، اجرام آسمانی مانند خورشید، فضازمان را خم می‌کنند و سیارات به‌علت خمیدگی ایجاد شده، به‌دور خورشید حرکت می‌کنند.

دیگر نمی‌توان جاذبه را صرفاً یک نیروی کششی بین دو جسم، همان‌طور که نیوتن تصور می‌کرد، در نظر گرفت. اینشتین نشان داد که جاذبه، نتیجه‌ی خمیدگی فضازمان است که اجرام سنگین ایجاد می‌کنند.

حال اگر خورشید ناگهان ناپدید شود، چه اتفاقی می‌افتد؟ طبق نظریه‌ی اینشتین، خمیدگی فضازمان که خورشید ایجاد کرده بود، از بین می‌رود. اما این تغییر به‌صورت آنی به سیارات نمی‌رسد. اختلالِ ایجاد شده در فضازمان، به شکل موج‌های گرانشی، با سرعت نور حرکت می‌کند. بنابراین، حدود هشت دقیقه طول می‌کشد تا زمین متوجه شود که خورشید دیگر وجود ندارد و همزمان، نور خورشید و تاثیر گرانشی آن از بین می‌روند.

این نظریه به‌طرز شگفت‌انگیزی نشان داد که افراد تا آن زمان تصور اشتباهی از کیهان داشتند. اینشتین، جهان را از زاویه‌ای کاملاً متفاوت به ما نشان و مفهوم جاذبه را برای همیشه تغییر داد. اینشتین با نسبیت عام، مشهور شد. این نظریه نه‌تنها دانشمندان را شگفت‌زده کرد، بلکه همه‌ی ما را مجذوب زیبایی و شگفتی‌های کیهان ساخت.

در سال ۱۹۰۵، زمانی که آلبرت اینشتین برای نخستین بار نظریه نسبیت خاص را منتشر کرد، نه‌تنها جدی گرفته نشد، بلکه بسیاری او را به تمسخر گرفتند. این نظریه برای مردم آن زمان بسیار عجیب بود. عده‌ای می‌گفتند، این آدم حتی دانشمند هم نیست، فقط یک کارمند اداره‌ی ثبت اختراع است. او چطور جرئت کرده است نظریه‌‌ی‌ آیزاک نیوتن، بزرگ‌ترین دانشمند تاریخ، را به چالش بکشد؟ اما اینشتین چه حسی داشت؟

جالب است بدانید که اینشتین، خودش هم از نظریه‌اش کاملاً راضی نبود. او می‌دانست که نسبیت خاص، تنها برای ناظرانِ در حرکت مستقیم و با سرعت ثابت صدق می‌کند. این نظریه نمی‌توانست در حضور گرانش یا در شرایط شتاب‌دار، کارایی داشته باشد. بااین‌حال، اینشتین تخیل شگفت‌انگیزی داشت.

در بخش قبل گفتیم، اینشتین به گرانش به‌عنوان نیرو، نگاه نکرد. اگر گرانش، شکلی از نیرو بود، ماهواره هنگام سقوط به‌سمت زمین، باید به‌طور مستقیم به سمت مرکز آن سقوط می‌کرد. اما پس از انجام این آزمایش، مشاهده می‌کنیم که مسیر سقوط ماهواره کمی انحنا دارد و به سمت جهتی که زمین می‌چرخد، متمایل می‌شود. این نشان می‌دهد که اثرات دیگری نیز در حرکت ماهواره دخیل هستند و گرانش چیزی فراتر از یک نیروی ساده است.

یکی دیگر از شواهد جذاب که نشان داد نظریه‌ی گرانش نیوتن کامل نیست، حرکت غیرعادی مدار سیاره‌ی عطارد بود. مدار عطارد، مانند تمام سیارات دیگر، بیضی‌شکل است که به‌مرور زمان تغییر جهت می‌دهد. در این تغییر جهت، نزدیک‌ترین نقطه از مدار عطارد به خورشید (حضیض خورشیدی)، با سرعت مشخصی جابه‌جا می‌شود.

طبق قوانین نیوتن، ما باید بتوانیم سرعت این جابه‌جایی را براساس تاثیر گرانش خورشید و دیگر سیار‌ه‌ها، با‌دقت کامل محاسبه کنیم. اما در عمل، سرعت تغییر جهت مدار عطارد با پیش‌بینی‌، اندکی تفاوت دارد. این تفاوت کوچک، اما مهم، یکی از مواردی بود که نشان داد نظریه‌ی نیوتن به‌تنهایی نمی‌تواند همه چیز را توضیح دهد و به توسعه‌ی نظریه نسبیت عام اینشتین کمک کرد.

با‌توجه به این نشانه‌های ظریف و دقیق، به این نتیجه می‌رسیم که گرانش به‌هیچ‌وجه یک نیروی ساده نیست. برای درک کامل ماهیت آن، باید نگرش‌مان را نسبت به جهان، کل کیهان و همچنین مفاهیم فضازمان، به‌طور کامل بازبینی کنیم. این همان چیزی است که ما به آن نظریه‌ی نسبیت عام می‌گوییم. برای توضیح این نظریه باید بدانیم که نسبیت عام تقریباً به‌طور کامل بر اصل هم‌ارزی تکیه کرده است.

اصل هم‌ارزی می‌گوید همه‌ی اجسام، صرف‌نظر از وزن یا جنس‌شان، به یک شکل سقوط می‌کنند. این یعنی، سقوط آزاد به این دلیل نیست که یک نیروی خارجی بر جسم وارد یا باعث شتاب آن می‌شود. در واقع، سقوط آزاد، حرکتی طبیعی برای تمام اجسام است.

سقوط هر جسمی به‌سمت زمین معادل ساکن بودن جسم و شتاب گرفتن زمین به سمت آن است. این دیدگاه نشان می‌دهد که شتاب و گرانش می‌توانند به‌طور مشابه و معادل هم، عمل کنند. اجازه دهید این موضوع را کمی بازتر کنیم و با مثال توضیح دهیم.

هنگام سقوط، گرانش، تنها نیرویی است که بر جسم وارد می‌شود (گرانش را برحسب عادت و درک بهتر، نیرو در نظر گرفتیم). در این حالت، جسم به سمت زمین شتاب می‌گیرد، اما ازآنجاکه هیچ تماس و فشاری از سمت زمین وجود ندارد، جسم هیچ وزنی احساس نمی‌کند. در غیاب نیروی مقاومت هوا، سقوط جسم را می‌توانیم سقوط آزاد در نظر بگیریم. این حالت، مشابه شرایط بی‌وزنی در فضا است.

گرانش و شتاب دو روش مختلف برای توضیح یک مفهوم هستند. این همان جایی است که اینشتین به درک بزرگی دست یافت. او فهمید که شتاب، کلید اتصال گرانش با نظریه‌ی نسبیت است، زیرا این دو، معادل یکدیگر هستند. فردی را در اتاقِ بدون پنجره‌ای تصور کنید که روی ترازو ایستاده است و وزن خود را اندازه می‌گیرد.

فرض کنید فرد، داخل اتاق روی زمین و وزن او برابر ۷۰ کیلوگرم است. حال فرد در اتاقی مشابه، در فضا قرار می‌گیرد. اتاق می‌تواند در فضاپیمایی باشد که با شتاب ۹٫۸ متر بر مجذورثانیه (شتابی برابر با شتاب گرانش زمین) به سمت بالا حرکت می‌کند و از زمین دور می‌شود.

حال اگر فرد در این حالت روی ترازو بایستد، چه اتفاقی می‌افتد؟ ترازو چه عددی را نشان می‌دهد؟ ترازو، وزن فرد را باز هم عدد ۷۰ کیلوگرم نشان می‌دهد. درست مثل زمانی که روی زمین است. در این حالت، اگر فرد نداند که در فضاپیما قرار دارد، به‌راحتی می‌تواند تصور کند که روی زمین است. اینشتین به این موضوع فکر کرد و از خودش پرسید آیا راهی برای تشخیص تفاوت بین شتاب و گرانش وجود دارد؟ او برای پاسخ به این پرسش، آزمایشی خیالی طراحی کرد.

فردِ داخل فضاپیما، به‌جای ایستادن روی ترازو، با چراغ قوه یا لیزر، سمت دیگر اتاق را روشن می‌کند. منبع نور در ارتفاع مشخصی از کف فضاپیما قرار دارد. فرد با دستگاه اندازه‌گیری بسیار دقیقی، ارتفاع نورِ تابیده شده را روی دیوار روبرو اندازه می‌گیرد.

ارتفاع به‌دست آمده، اندکی کمتر از ارتفاع منبع نور تا کف است. چرا؟ اتاق داخل فضاپیما با شتاب ۹٫۸ متر بر مجذورثانیه (همان شتاب گرانش زمین) به سمت بالا حرکت می‌کند. درنتیجه، هنگام حرکت نور از یک سمت اتاق به سمت دیگر (هرچند در زمانی بسیار کوتاه)، کف اتاق به سمت بالا جابجا می‌شود. بنابراین، به‌نظر می‌رسد که مسیر نور کمی خم شده است. این خمیدگی به دلیل شتاب اتاق است، نه به خاطر خود نور.

فردِ داخل فضاپیما، پس از بازگشت به زمین، آزمایش مشابهی را انجام می‌دهد. شاید فکر کنید نور باید مستقیم به سمت دیگر اتاق برود و هیچ تفاوتی در ارتفاع وجود نداشته باشد. این تصور از نظر عقلی درست به نظر می‌رسد. اما اینشتین با این نظر موافق نبود، زیرا در این حالت اصل هم‌ارزی نقض می‌شود؛ شتابِ اتاقِ داخل فضاپیما نباید هیچ تفاوتی با اثر گرانش روی زمین داشته باشد.

اینشتین به این نتیجه رسید که نور باید در حضور میدان گرانشی خم شود. اما چطور ممکن است؟ مگر نور همیشه کوتاه‌ترین مسیر را بین دو نقطه طی نمی‌کند؟ اینجا بود که اینشتین به نکته‌ای کلیدی رسید؛ نور همچنان کوتاه‌ترین مسیر را طی می‌کند، اما شاید کوتاه‌ترین مسیر دیگر یک خط مستقیم نباشد!

او سطح خمیده‌ی زمین را به‌عنوان مثال در نظر گرفت. اگر روی سطح زمین حرکت کنید، کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه‌ی دورافتاده، دیگر یک خط مستقیم نیست، بلکه مسیری منحنی است که انحنای زمین را دنبال می‌کند. بنابراین، شاید گرانش باعث خمیدگی فضا می‌شود. برطبق این دیدگاه، فضا در حضور جرم و انرژی، خمیده خواهد شد. مسیر مستقیم نور در چنین فضایی به یک مسیر منحنی تبدیل می‌شود.

همان‌طور که توضیح دادیم در نظریه‌ نسبیت عام، گرانش به‌عنوان یک نیروی جاذب بین دو جسم عمل نمی‌کند. بلکه، اجسام به دلیل جرم خود، فضازمان اطرافشان را خمیده می‌کنند. این خمیدگیِ فضازمان بر حرکت اجسام تاثیر می‌گذارد و مسیر حرکت آن‌ها را تغییر می‌دهد. به‌عبارت دیگر، اجسام به‌جای حرکت در مسیرهای مستقیم، در فضازمانِ خمیده شده در اطراف جرم‌های مختلف، حرکت می‌کنند.

درنتیجه، خمیدگی فضازمان در اطراف هر جسمی که جرم دارد، مهم‌ترین ایده‌ در نسبیت عام است. برای درک بهتر این مفهوم، می‌توانیم جهان را به‌شکل شبکه‌ای عظیم و گسترده از فضازمان، به‌صورت نشان داده شده در تصویر زیر، در نظر بگیریم؛ مانند یک تار عنکبوت بی‌انتها. حضور جسمی با جرم بسیار زیاد داخل این شبکه، مشابهِ قرار دادن وزنه‌ای روی پارچه‌ای کشیده است.

اجسام به‌صورت طبیعی تمایل دارند روی خط مستقیم حرکت کنند. به‌عنوان مثال، اگر سیبی را داخل فضا و دور از اجرام آسمانی رها کنیم، روی خط مستقیم و با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می‌دهد. حال اگر همان سیب را در نزدیکی جسمی با جرم زیاد، مانند زمین، رها کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ ازآنجاکه جرم زمین بسیار زیاد است، فضازمان اطراف خود را خمیده می‌کند. در اثر این خمیدگی، مسیرهایی که در حالت عادی باید مستقیم باشند، از مسیر مستقیم منحرف می‌شوند.

حال وقتی سیبی را در نزدیکی زمین رها کنیم، از نگاه ما، سیب منحنی‌ای را به‌صورت نشان داده شده در تصویر زیر طی می‌کند. اما در حقیقت، مسیر حرکت سیب مستقیم است. این مسیر، در فضازمان خمیده‌ی اطراف زمین، به‌تدریج به سطح زمین نزدیک می‌شود.

تا اینجا فهمیدیم که گرانش نتیجه‌ی خمیدگی فضازمان است که در اطراف اجسام با جرم‌های مختلف ایجاد می‌شود. برای درک بهتر این موضوع، دو حالت زیر را در نظر بگیرید:‌

• سطح صاف و مسطح: دو نفر را در نظر بگیرید که روی سطحی کاملاً صاف، روی دو خط موازی و مستقیم، به‌سمت بالا حرکت می‌کنند. در این حالت، دو فرد هرگز به هم نزدیک نخواهند شد، زیرا مسیرهایشان کاملاً مستقیم و بدون انحراف است.

• سطح منحنی مانند زمین: حالا همان دو نفر را تصور کنید که روی سطح کره‌ی زمین روی دو خط مستقیم به سمت شمال حرکت می‌کنند. اگرچه هر دو نفر مسیر مستقیم خود را طی می‌کنند، اما در نهایت در قطب شمال به هم می‌رسند. چرا؟ به‌دلیل انحنای سطح زمین، مسیرهای به ظاهر مستقیم آن‌ها، در واقع خمیده‌ هستند.

درنتیجه، گرانش از خمیدگی فضازمان ایجاد می‌شود. این‌گونه به‌نظر می‌رسد که اجسام به سمت یکدیگر جذب و مسیرهای حرکتِ آن‌ها به‌تدریج به هم نزدیک می‌شود. اما در واقعیت، این پدیده به دلیل خمیدگی خطوط مستقیمی است که اجسام روی آن‌ها حرکت می‌کنند.

برای درک عمیق‌تر نسبیت عام و مفهوم گرانش، به یکی از شگفت‌انگیزترین اجرام کیهانی نگاهی می‌اندازیم: سیاه‌چاله‌ها.

سیاه‌چاله‌ها از شگفت‌انگیزترین پدیده‌های کیهان‌شناسی به شمار می‌آیند و به‌طور دقیق در چارچوب نظریه نسبیت عام اینشتین توصیف می‌شوند. این اجرام فوق‌العاده چگال، جرمی عظیم دارند که تمامی آن در نقطه‌ای با حجم تقریباً صفر و چگالی بی‌نهایت، به‌نام تکینگی گرانشی، متمرکز شده است. در این نقطه، ساختار فضازمان به‌قدری خمیده می‌شود که قوانین فیزیک، به شکلی که می‌شناسیم، قادر به توصیف کامل آن را نیستند.

به‌دلیل خمیدگی شدید فضازمان، تمامی مسیرهای ممکن، حتی خطوط مستقیم، به سمت نقطه‌ی تکینه متمایل می‌شوند. در چنین شرایطی، هیچ جسمی قادر به فرار از سیاه‌چاله نیست؛ حتی پرتوهای نور نیز نمی‌توانند از آن خارج شوند. تمامی مسیرهای نوری در نزدیکی سیاه‌چاله، به ناچار به سمت تکینگی کشیده می‌شوند. به‌همین دلیل، سیاه‌چاله هیچ نوری از خود ساطع نمی‌کند و به‌صورت یک ناحیه کاملاً تاریک در فضا دیده می‌شود.

خارج از منطقه‌ای که به‌عنوان افق رویداد شناخته می‌شود، سیاه‌چاله مشابه سایر اجرام آسمانی رفتار می‌کند. بااین‌حال، در نزدیکی افق رویداد، خمیدگی شدید فضازمان باعث می‌شود که اجسام نتوانند در مدارهایی پایدار حرکت کنند. این خمیدگی شدید، حرکت اجسام در اطراف سیاه‌چاله را به‌شدت آشفته و غیرقابل پیش‌بینی می‌کند. اما اگر از این منطقه پرخطر فاصله بگیریم، مانند فاصله‌ای که سیاره‌ها یا ستارگان از سیاه‌چاله دارند، امکان گردش پایدار حول آن وجود خواهد داشت.

زمانی که پرتوهای نور از ستاره‌های دوردست به سمت سیاه‌چاله حرکت می‌کنند، به‌دلیل گرانش سیاه‌چاله و خمیدگی شدید فضازمان در اطراف آن، مسیرشان تغییر می‌کند. درنتیجه، ناظرانی که از فاصله‌ای خاص به سیاه‌چاله نگاه می‌کنند، ممکن است تصاویر تحریف‌شده‌ای از اجسام پشت سیاه‌چاله ببینند. این پدیده را همگرایی گرانشی (Gravitational Lensing) می‌نامیم. این تحریف می‌تواند به شکل‌هایی مانند حلقه‌های نورانی، قوس‌ها یا چند تصویر از یک جسم مشاهده شود.

یکی دیگر از این پدیده‌های جالب در مورد سیاه‌چاله‌ها زمانی رخ می‌دهد که سیاه‌چاله به دور خود می‌چرخد. اگر سیاه‌چاله با سرعت زیادی در حال چرخش باشد، بافت فضازمان در اطراف آن نیز به دنبال چرخش سیاه‌چاله کشیده می‌شود.

حال جسمی را تصور کنید که به سمت چنین سیاه‌چاله‌ای و در مسیر مستقیم حرکت می‌کند. به‌دلیل کشش فضازمان، مسیر جسم دیگر به صورت مستقیم باقی نمی‌ماند و مطابق با جهت چرخش سیاه‌چاله تغییر می‌کند. این اثر تنها به سیاه‌چاله‌ها محدود نمی‌شود. زمین نیز با چرخش به‌دور خود، اثر مشابهی ایجاد می‌کند. اگرچه این انحراف در مقایسه با سیاه‌چاله‌ها بسیار ناچیز است.

هنگامی‌که فردی در نزدیکی سیاه‌چاله قرار دارد، با پدیده‌ی بسیار جالبی به‌نام اتساع زمان گرانشی روبرو می‌شود. اینشتین، مفهوم اتساع زمان را در نسبیت خاص مطرح کرد. زمان برای ناظری که با سرعت ثابت و نزدیک به سرعت نور حرکت می‌کند، در مقایسه با ناظر ساکن، کندتر می‌گذرد. اما کندی گذر زمان را در میدان گرانشی (اتساع زمان گرانشی) و در اطراف اجرام بسیار سنگین مانند سیاه‌چاله‌ها، نیز می‌توانیم مشاهده کنیم.

در نزدیکی افق رویداد یک سیاه‌چاله، خمیدگی شدید فضازمان می‌تواند به شکلی باشد که هر ثانیه برای ما معادل گذر یک سال برای ناظری دور باشد. این پدیده حتی روی زمین نیز قابل مشاهده است. به‌عنوان مثال، اگر دو ناظر، یکی پایین و دیگری بالای برج ایفل قرار داشته باشند، ساعت ناظری که پایین برج است، به‌دلیل نزدیکی بیشتر به مرکز گرانش زمین، اندکی کندتر کار می‌کند. این اختلاف زمانی بسیار ناچیز است؛

تا اینجا فهمیدیم، گرانش نیرویی نیست که اجرام به هم وارد می‌کنند؛ بلکه نتیجه‌ی خمیدگی فضازمان است. در نسبیت خاص، فضازمان، خمیده نیست، اما در نسبیت عام، فضازمان در حضور اجسام با جرم‌های مختلف، خمیده می‌شود. نسبیت عام پیش‌بینی‌های زیادی کرد که با آزمایش‌ها و مشاهدات تجربی تایید شده‌اند:

• انحراف نور: نور هنگام عبور از نزدیکی اجرام بزرگ مانند خورشید، خم می‌شود (همگرایی گرانشی).
• گسترش جهان: نسبیت عام پیش‌بینی کرد که جهان در حال انبساط است. چیزی که اکنون می‌دانیم.
• کندی گذر زمان: زمان در نزدیکی اجسام با جرم بسیار زیاد، کندتر می‌گذرد. این موضوع را می‌توانیم به‌صورت جزیی، در ساعت‌های دقیق ماهواره‌های GPS مشاهده کنیم.
• سیاه‌چاله‌ها: وجود سیاه‌چاله‌ها و حتی شکل سایه‌ی آن‌ها، دقیقاً مطابق پیش‌بینی‌های اینشتین است.
• امواج گرانشی: اینشتین در سال ۱۹۱۶ وجود امواج گرانشی را پیش‌بینی کرد که برای نخستین‌بار در سال ۲۰۱۵ مستقیماً مشاهده شدند.

سارا ارجمند

فیزیکدان‌ها می‌خواهند با استفاده از امواج گرانشی ابتدای زمان را ببینند

مطالعه '3

بدون شک، نظریه نسبیت عام عملکرد بسیار خوبی دارد و در بسیاری از شرایط پیش‌بینی‌های دقیقی را ارائه می‌دهد. اما می‌دانیم که این نظریه نمی‌تواند تئوری نهایی و صحیحی برای فضا و زمان باشد. نسبیت عام تنها یک تقریب است که در بسیاری از موقعیت‌ها به‌درستی عمل می‌کند، اما در شرایط خاصی دچار نقص می‌شود.

ذرات زیراتمی، خواص عجیب کوانتومی دارند. به‌عنوان مثال، از اصل عدم قطعیت هایزنبرگ پیروی می‌کنند و همزمان می‌توانند در دو مکان باشند. در آزمایش دو شکاف، الکترون همزمان از دو شکاف عبور می‌کند. همچنین، فضازمان اطراف الکترون به‌دلیل جرم آن، خمیده می‌شود. حالا سوالِ مهم آن است که وقتی الکترون همزمان از دو شکاف عبور می‌کند، گرانش به کجا می‌رود؟ احتمالا انتظار دارید، گرانش، همزمان در دو مکان باشد، اما این موضوع با نظریه نسبیت عام سازگار نیست، زیرا این نظریه را شاخه‌ای از مکانیک کوانتومی نمی‌دانیم.

برای حل این مشکل، باید خواص کوانتومی گرانش را درک کنیم. به‌عبارت دیگر، به نظریه‌ای به‌نام گرانش کوانتومی نیاز داریم. اینشتین به ما نشان داد که گرانش در واقع نتیجه‌ی خمیدگی فضا و زمان است، درنتیجه باید به‌کمک گرانش کوانتومی بتوانیم خواص کوانتومی گرانش را توضیح دهیم.

علاوه‌بر مشکل دو شکاف، مسئله‌ی مهم دیگر نقاط تکینگی داخل سیاه‌چاله‌ها یا در لحظه‌ی آغاز کیهان هستند. تکینگی، نقطه‌ای است که در آن خمیدگی فضازمان و چگالی انرژی و ماده بی‌نهایت زیاد می‌شود. بسیاری از نظریه‌ها در تکینگی شکست می‌خوردند و باید با نظریه‌ی دیگری جایگزین شوند. نسبیت عام نیز از این قاعده مستثنی نیست و باید نظریه‌ای بنیادی‌تر مانند گرانش کوانتومی، جایگزین آن شود.

از دست رفتن اطلاعات داخل سیاه‌چاله، دلیل سومی است که فکر می‌کنیم گرانش باید کوانتیزه باشد. هنگامی‌که نظریه‌ی کوانتوم را بدون کوانتیزه کردن گرانش، با نسبیت عام ترکیب می‌کنیم، به نتیجه‌ی عجیبی می‌رسیم. سیاه‌چاله‌ها با تابش، به‌تدریج کوچک می‌شوند. این پدیده را نخستین‌بار استیون هاوکینگ در دهه ۷۰ میلادی پیش‌بینی کرد و به تابش هاوکینگ شناخته می‌شود.

سارا ارجمند

نظریه معروف استیون هاوکینگ درباره سیاه‌چاله‌ها اثبات شد

مطالعه '4

این‌گونه به‌نظر می‌رسد که سیاه‌چاله می‌تواند با این تابش به‌طور کامل از بین برود. مشکل آن است که این تابش کاملاً تصادفی است و هیچ اطلاعاتی را، جز دما، با خود حمل نمی‌کند. بنابراین، با از بین رفتن کامل سیاه‌چاله، هیچ اطلاعاتی در مورد منشا تشکیل سیاه‌چاله نخواهیم داشت. این فرآیند به‌طور بنیادی غیرقابل‌بازگشت است و با نظریه‌ی کوانتوم سازگار نیست؛ زیرا در مکانیک کوانتومی، اطلاعات هیچ وقت از بین نمی‌روند. برای حل این مشکل، فیزیکدان‌ها نظریه‌ی جدید گرانش کوانتومی را جایگزین مناسبی برای حل این تناقض‌ها می‌دانند.

اینشتین در نظریه نسبیت عام، مفهوم جاذبه را از یک نیرو به خمیدگی فضازمان تبدیل کرد؛ تصویری که در آن اجرام بزرگ مانند توپ‌هایی هستند که بر روی پارچه‌ای کشسان افتاده‌اند و باعث ایجاد فرورفتگی می‌شوند. این خمیدگی است که باعث می‌شود اجرام به سمت هم جذب شوند. نسبیت عام نه‌تنها به ما کمک کرد تا حرکت سیارات و کهکشان‌ها را بهتر درک کنیم، بلکه پدیده‌های شگفت‌انگیزی مانند سیاه‌چاله‌ها و امواج گرانشی را نیز پیش‌بینی کرد. این نظریه، پایه‌واساس بسیاری از پیشرفت‌های علمی و فناوری از جمله GPS و اخترفیزیک بوده است.

بااین‌حال، نسبیت عام کامل نیست. در برخی از شرایط خاص، مانند درون سیاه‌چاله‌ها یا در لحظات آغازین جهان، این نظریه با شکست مواجه می‌شود. برای حل این مشکلات، دانشمندان به‌دنبال نظریه‌ای واحد مانند گرانش کوانتومی هستند که بتواند هم گرانش و هم نیروهای دیگر را توضیح دهد.

نسبیت عام به ما نشان داد که جهان بسیار پیچیده‌تر و شگفت‌انگیزتر از آن چیزی است که تصور می‌کردیم. این نظریه، نه‌تنها به ما کمک کرد تا درک عمیق‌تری از کیهان پیدا کنیم، بلکه نشان داد دانش بشر در مقایسه با عظمت جهان ناچیز است. با این وجود، جستجو برای درک بهتر جهان هستی همچنان ادامه دارد و نسبیت عام به عنوان یکی از مهم‌ترین دستاوردهای علمی، راه را برای اکتشافات آینده هموار کرده است.