علوم پایه , فیزیک 9474 بازدید

در مطالب گذشته وبلاگ فرادرس در مورد مفاهیم فضا-زمان و اتساع زمان صحبت شد. در این مطلب نیز قصد داریم تا نظریه‌ای عمومی‌تر را توضیح دهیم که در آن مطالب مذکور نهفته است. این مفهوم تحت عنوان نسبیت عام شناخته می‌شود که توسط آلبرت انیشتین در سال ۱۹۱۵ ارائه شد.

فیلم آموزش نسبیت عام — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

دانلود ویدیو

دیدگاه نیوتونی

نسبیت عام انیشتین توجیهی را برای گرانش ارائه داد که دیدگاه نیوتونی قادر به توضیح آن نبود. این نظریه هم‌چنین مکانیزمی را پیشنهاد کرد که با استفاده از آن می‌توان زمین خوردن اجسام در نتیجه نیروی گرانشی یا چرخش زمین به دور خورشید را توجیه کرد. نسبیت عام در ابتدایی‌ترین تاثیرش، دیدگاه نیوتونی در مورد گرانش را به چالش می‌کشد. نیوتون نیروی گرانش را، نیرویی نامرئی نامید که اجسام را به سمت یکدیگر جذب می‌کند. احتمالا خود نیوتن نیز با این توضیحش از گرانش قانع نشده بود.

در قرن هفدهم سوالات بنیادی نیوتن در مورد گرانش بی‌پاسخ ماند؛ اما روابط استخراج شده توسط او امروزه نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد. در حقیقت استفاده از این روابط بود که به انسان کمک کرد تا به ماه برود. هم‌چنین با استفاده از این روابط می‌توان مسیر حرکت اکثر ستاره‌ها و سیاره‌ها را مشخص کرد. به منظور درک نسبیت عام، در ابتدا باید توضیح نیوتن از گرانش را درک کنید.

general-relativity
مدت زمان سقوط دو جسم وابسته به جرم آن‌ها نیست.

در حالت کلی دیدگاه نیوتنی در مورد گرانش، به منظور پاسخ به دو سوال اساسی به وجود آمد. سوال اول این بود که چرا جرم‌های متفاوت با سرعتی برابر و در مدت زمانی یکسان سقوط می‌کنند. در حقیقت همان‌طور که در انیمیشن فوق نیز نشان داده شده، سرعت لحظه‌ برخورد و مدت زمان سقوط یک سیب و پر پرنده با هم برابر است. به واژه «سقوط» توجه داشته باشید، چراکه مفهوم آن با واژه پرتاب متفاوت است.

در حقیقت پرتاب کردن یک جسم به آن انرژی اضافه می‌دهد؛ این در حالی است که با سقوط کردن یک جسم، انرژی کلی آن ثابت می‌ماند. برای نمونه اگر مقاومت هوا را حذف کنید مدت زمان سقوط یک چکش با برگ درخت یکسان است.

سوال دومی که نظریه گرانشی نیوتن به دنبال یافتن پاسخ آن بود، دلیل چرخش ماه به دور زمین و گردش زمین به دور خورشید بود. نهایتا پاسخ نیوتن به سوال این بود که اندازه نیرو گرانش بین دو جرم، وابسته به اندازه جرم آن‌ها است. او بیان کرد که هرچه اندازه جرم دو ذره بیشتر باشد، نیروی کششی بین آن‌ها نیز بیشتر است.

ولی همان‌طور که در مطلب نیروی گرانش نیز توضیح دادیم، اندازه نیروی بین دو جرم به فاصله‌ آن‌ها نیز وابسته است. در حقیقت نیروی گرانش از دیدگاه نیوتنی، کنشی است که در فاصله‌ای مشخص رخ می‌دهد. در نتیجه مشکل این‌جا است که بستری به‌منظور انتقال این نیرو وجود ندارد. هم‌چنین این دیدگاه محدودیت سرعت در عالم را نقض می‌کند. بیشترین سرعت ممکن در عالم، سرعت نور است. به طور دقیق‌تر هر رخدادی در طبیعت در سریع‌ترین حالت ممکن، با سرعت نور اتفاق می‌افتد. اما طبق نظریه نیوتن اگر خورشید را در یک لحظه حذف کنیم، نیروی وارد شده از طرف آن به زمین نیز به طور ناگهانی حذف می‌شود.

gravity

نسبیت عام

به منظور حل مسئله گرانش، انیشتین در ابتدا نسبیت خاص را ارائه کرد. این نظریه اجسامی را توصیف می‌کند که با سرعت ثابت و در خطی راست حرکت می‌کنند. بدیهی است که این نظریه نمی‌تواند توصیف کننده اجسام شتابدار باشد. از این رو تصمیم گرفت تا نظریه‌ای جامع‌تر را در مورد حرکت اجسام شتابدار ارائه دهد. این‌جا بود که عبارت نسبیت عام زاده شد.

در اوایل قرن بیستم، انیشتین آزمایشی ذهنی را انجام داد. او در حالی از طبقه دوم اتاق خانه‌اش در سوئیس به بیرون نگاه می‌کرد، به این فکر کرد که شخصی که روی بام خانه روبرو قرار گرفته، ناگهان سقوط کند. شخص سقوط‌کننده احساس بی‌وزنی خواهد کرد. این نتیجه‌ای بود که انیشتین از این آزمایش ذهنی گرفت. اما اگر شخص سقوط‌کننده درون آسانسور باشد، چه نتیجه‌ای می‌توان گرفت؟ در این حالت سرعت سقوط آسانسور و شخص یکسان است، بنابراین از این آزمایش ذهنی نیز می توان نتیجه گرفت که شخص احساس بی‌وزنی خواهد داشت.

انیشتین از این آزمایش ذهنی نتیجه گرفت که بر خلاف نظریه نیوتن، در حالتی که شخص درون آسانسور، به همراه آسانسور سقوط کند، عملا احساس بی‌وزنی کرده و نیروی گرانشی به آن وارد نمی‌شود. در حقیقت در این حالت فضای اطراف هر دو جسم، خمیده بوده و جسم و آسانسور را به سمت زمین هُل می‌دهد. توجه داشته باشید که ما از کلمه هل به جای کلمه کشیدن استفاده کردیم.

خمیده بودن فضا به معنای آن است که فضا، بستری انعطاف‌پذیر است. نهایتا او فضای سه‌بعدی را با زمان یکی کرده و مفهومی انعطاف‌پذیر تحت عنوان فضا-زمان را بوجود آورد.

space-time-matter

طبیعت هر جسم یا ذره‌ای این است که ساده‌ترین مسیر را در فضا-زمان به منظور حرکت انتخاب می‌کند. در نتیجه اجسامی که در فضایی خمیده قرار می‌گیرند به سمت جسمی حرکت می‌کنند که فضای مذکور را خمیده‌ کرده‌اند. این فضای خمیده شده اثری را ایجاد می‌کند که ما آن را گرانش می‌نامیم. برای نمونه زمین، فضا-زمان اطرافش را خمیده کرده، به همین دلیل به ما نیروی گرانش وارد می‌کند.

اما سوالی دیگر این است که این خمیدگی چگونه شکل مدار ماه یا زمین به دور خورشید را توجیه می‌کند؟ دیدگاه نیوتنی می‌گوید که خورشید ما را به سمت خودش جذب می‌کند اما با توجه به این‌که زمین حرکتی مماسی را نیز تجربه می‌کند، نهایتا باعث می‌شود روی مسیری بیضوی شکل حرکت کند. اما طبق نسبیت عام فضای اطراف خورشید خمیده شده و این خمیدگی زمین را مجبور می‌کند که به دور خورشید دوران کند. در شکل زیر، زمین، خورشید و فضای خمیده شده اطراف خورشید نشان داده شده‌اند.

orbit

توجه داشته باشید که هیچ‌یک از توصیفات فوق به‌طور کامل قابل درک نیستند. دلیل این امر نیز این است که فضا-زمان، مفهومی ۴ بعدی است که ذهن ما قدرت تصور آن را ندارد. حال این سوال بوجود می‌آید که با توجه به درک نشدن فضای ۴ بعدی، چگونه می‌توان اثبات کرد که فضای ۴ بعدی وجود دارد. در تمامی کیهان، می‌توان نشانه‌هایی از درست بودن این نظریه یافت. این نظریه نه تنها خمیده شدن نور توسط گرانش و غیر طبیعی بودن مدار عطارد را توجیه می‌کند، بلکه مفهوم سیاهچاله و وجود ستاره‌های نوترونی را نیز پیش‌بینی کرده است. یکی از نتایج جالب خمیده شدن نور ستاره‌ها در اطراف اجسام سنگین، این است که تصویر ستاره مذکور در قالب چندین تصویر دیده می‌شود. معمولا این حالت از تصاویر ستاره‌ها را «همگرایی گرانشی» (Gravitational Lensing) می‌نامند. همگرایی گرانشی یکی از دلایل درست بودن نسبیت عام انیشتین است.

زمان

همان‌طور که در بالا بیان کردیم، فضا-زمان مفهومی ۴ بعدی است که انعطاف‌پذیر نیز است. در حقیقت این تنها فضا نیست که می‌تواند خمیده شود، بلکه زمان نیز قابل خمیده شدن است. هرچه فضا-زمان بیشتر خمیده شده باشند، زمان نیز کندتر خواهد گذشت. از این رو در نزدیکی اجسام سنگین زمان کندتر سپری می‌شود. بنابراین شخصی که در یک آسمان‌‌خراش زندگی می‌کند، گذر زمان بیشتری را احساس می‌کند چراکه نیروی گرانشی کمتری به آن وارد می‌شود.

نسبیت هم‌چنین پیش‌بینی می‌کند که کیهان در ابتدا بسیار داغ و چگال بوده و پس از انفجاری ناگهانی منبسط شده است. البته باید بدانید که سرعت انبساط کیهان نسبت به آنچه که انیشتین پیش‌بینی کرده، بسیار بیشتر است. مطابق با نقل قولی از «جان ویلر» (John Wheeler) فیزیکدان مشهور آمریکایی، نسبیت عام را می‌توان در جمله زیر خلاصه کرد.

«فضا-زمان به جرم می‌گوید چگونه حرکت کند و جرم به فضا-زمان نحوه خمیده شدنش را یاد‌آوری می‌کند.»

خمیده شدن فضا-زمان، پاسخ همزمانی سقوط دو جسم با جرم‌های متغیر را نیز به ما می‌دهد. در حقیقت پاسخ این است که نیرویی به دو جرم وارد نمی‌شود و سقوط آن‌ها در نتیجه خمیدگی فضا-زمان است.

نسبیت عام هدیه‌ای بود که انیشتین به جهان عرضه کرد. اما این نظریه نتایج عجیبی را در مورد جهان هستی به ما می‌دهد. از جمله عجیب‌ترین این نتایج، وجود داشتن تونل‌هایی فضایی به نام کرمچاله، واگرا شدن دو خط موازی در بینهایت و چاله‌هایی فضای تحت عنوان سیاهچاله است. این نظریه حتی امروزه نیز حقایق جدیدی را از کیهان بر ما آشکار می‌کند. با این حال کماکان ما دوست داریم از کلمه گرانش استفاده کرده و این نیرو را به صورت نیوتنی تفسیر کنیم؛ چراکه این تفسیر به نسبت دیدگاه نسبیتی برای ذهن ما قابل هضم‌تر است.

در صورت علاقه‌مندی به مباحث مرتبط در زمینه فیزیک، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

مجید عوض زاده (+)

«مجید عوض‌زاده»، فارغ‌ التحصیل مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک از دانشگاه تهران است. فیزیک، ریاضیات و مهندسی مکانیک از جمله مباحث مورد علاقه او هستند که در رابطه با آن‌ها تولید محتوا می‌کند.

بر اساس رای 53 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

2 نظر در “نسبیت عام — به زبان ساده (+ دانلود فیلم آموزش رایگان)

  1. درود
    من درحال خوندن کتابی از استفن هاوکینگ بودم که نیاز پیدا کردم اطلاعات کاملتری از نظریه نسبیت کسب کنم. با خوندن مطالب شما خیلی بیشتر و بهتراز اونی ک میخاستم اطلاعات نصیبم شد. سپاسگزارم

  2. بسار ممنون از مطلب مفیدتون. توضیحاتتون در عین سادگی خیلی قابل فهم بود و خیلی به من کمک کرد.

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *