نسبیت عام و نظریه ریسمان

در این بخش به بیان چگونگی شکل گیری نسبیت عام در ذهن «اینشتین» می پردازیم و در آخر، آخرین نظریه در مورد گرانش را بیان میکنیم .

از یک ایده برای بیان نسبیت عام شروع می کنیم. بالابری را در دو حالت در نظر بگیرید؛ در حالت اول بالابر را در حال سقوط آزاد تصور کنید که فردی داخل بالابر قرار دارد و فرد دیگری خارج از بالابر شاهد سقوط بالابر است. فرد اولی هیچ مدرکی برای اثبات وجود گرانش نمی یابد چرا که در بالابر همه چیز در حال سکون و بی وزنی است، در حالی که فرد خارجی شاهد تاثیر گرانش روی بالابر و فرد داخل آن است. در حالت دوم تصور کنید بالابر توسط یک طناب با شتاب ثابت رو به بالا کشیده می شود. در این حالت فرد داخلی تاثیر گرانش را به خوبی حس می کند، در حالی که فرد خارجی تاثیری از گرانش روی بالابر نمی بیند. همین ایده پایه بیان اصلی به نام «هم ارزی» شد، چرا که بین سیستم در حال شتاب در فضای عاری از میدان و سیستم لخت در میدان گرانشی یک هم ارزی وجود دارد به همین aوسیله «اینشتین» همزمان هم به بیان شتاب و هم به بیان گرانش پرداخت.

«اینشتین» طی تلاش هایی که در سال های 1905 تا 1915 انجام داد به این نتیجه رسید که باید در سیستم های غیرلخت از هندسه نااقلیدسی استفاده کند که از همین رو برای بیان این موضوع از روش هایی که توسط «برنارد ریمان» درباره هندسه دیفرانسیل در دهه 1850 ایجاد شده بود، استفاده کرد. نام روش هم نام مبتکر آن «ریمان» بود که روشی ریاضی است برای بیان هندسه نااقلیدسی (به علت پیچیدگی معادلاتی از بیان روش حل مساله «اینشتین» صرف نظر می کنیم).

«اینشتین» از همین روش توانست برای گرانش سیستم جدیدی تعریف کند که در سال 1915 آن را تحت عنوان «نسبیت عام» مطرح کرد. یک اصل مهم در نسبیت عام نظر هر خواننده یی را به خود جلب می کند و آن اصل «خمش فضا- زمان» است. ما برای سهولت خمش فضا- زمان چهاربعدی «اینشتین» را در یک مثال سه بعدی تعریف می کنیم، به این ترتیب که چهار بعد را بر سه بعد منطبق می کنیم. فرض کنید یک پارچه را از چهار طرف آن تحت کشش قرار می دهیم تا کاملاً صاف باشد. وسط پارچه یک گوی سربی قرار می دهیم، در نتیجه پارچه از محل قرارگیری گوی دچار خمش می شود. این همان خمش فضا- زمان «اینشتین» است؛ خمشی که توسط یک جرم روی چهار بعد فضا- زمان رخ می دهد. به همین ترتیب می توان اشکالی را که در جاذبه عمومی «نیوتن» بود، توجیه کرد (در بخش گذشته اشکال بیان شده است). فرض کنید جسم متحرک روی خمش فضا- زمان جرم جسم ثابت قرار دارد. حال اگر در یک لحظه جسم ثابت را حذف کنیم، طبق نظر «نیوتن» جسم متحرک در همان لحظه از مسیر خود خارج می شود، در حالی که در نسبیت بیان شد حد سرعت، سرعت نور است پس حداقل به اندازه یی که نور زمان برای پیمودن این مسیر می خواهد، طول خواهد کشید که تاثیر حذف جسم ثابت به جسم متحرک برسد. نسبیت عام هم بیان کرد که اگر جسم ثابت به یکباره حذف شود، خمش فضا- زمان آن می خواهد که به حالت اول بازگردد، در نتیجه با برگشتن خمش فضا- زمان به حالت اول، موجی از جنس فضا- زمان در چهار بعد انتشار می یابد که پس از رسیدن این موج به جسم متحرک، جسم تاثیر حذف جرم ثابت را احساس می کند و از مسیر خود خارج می شود.

خیلی از مواردی که تا آن روز توجیه نشده بود به وسیله نسبیت به آسانی بررسی و توجیه شد. یک اخترشناس آلمانی به نام «کارل شوارتز شیلد» در سال 1916 چیزی را مطرح کرد که امروزه به آن «سیاهچاله» می گوییم. او معادلات نسبیت «اینشتین» را با روشی جالب و معماگونه حل کرد و به این نتیجه رسید که اگر مقدار بسیار زیادی جرم را در یک نقطه کوچک متمرکز کنیم، خمشی بزرگ در فضا- زمان ایجاد می شود که شبیه یک مخروط است. جالب اینکه چنین خمشی آنچنان گرانشی ایجاد می کند که حتی نور هم نمی تواند از روی آن بگذرد و به داخل آن کشیده می شود. امروزه با تلسکوپ های بسیار قوی توانسته ایم چنین نقاطی را پیدا کنیم که دارای جرم بسیار زیاد هستند و حتی نور هم گرفتار آنها می شود.

از زمان نسبیت عام تا چندی بعد تلاش های بسیاری برای یگانه سازی نسبیت عام و دیگر نظریه ها مثل الکترومغناطیس و کوآنتوم انجام شد، اما به سرانجام درستی نرسید و عملاً فیزیک به دو بخش کوآنتوم و نسبیت تقسیم شد. به این معنا که هر زمان نیاز بود در مورد اجسامی با جرم زیاد صحبت شود از نسبیت و هر زمان که از ذرات بنیادین صحبت می شد، از کوآنتوم سخن به میان می آمد. تا اینکه دانشمندان یگانه سازی خود را تحت عنوان «نظریه ریسمان» مطرح کردند که در این نظریه عامل ایجاد گرانش، ذرات بنیادی به نام «گراویتون» است. که طبق «نظریه ریسمان» این «گراویتون»ها می توانند در ابعاد مختلف سفر کنند (وجود «گراویتون» هنوز ثابت نشده است و در حد یک نظریه است).

منبع روزنامه ی اعتماد .