پايان فيزيك - بخش هفتمبرگرفته از كتاب Stephen Hawking - The story of his life and work نوشته Kitty Ferguson
نسبيت عام و فضا - زمان
اينشتين چندين سال بي‌وقفه در تلاش بود تا نظريه‌اي در باره گرانش بيابد كه با آنچه خود او در باره نور و حركت نزديك به سرعت نور يافته بود، هم‌خوان باشد. او در سال 1915، نظريه نسبيت عام را اعلان كرد. بنابراين نظريه گرانش نه به عنوان نيرويي بين اجسام، بلكه بر حسب شكل و خميدگي فضا ـ زمان چهار بعدي، در نظر گرفته مي‌شود. در نسبيت عام، گرانش، هندسه جهان است.
برايس دويت، از دانشگاه تگزاس توصيه مي‌كند كه براي شروع فكر كردن در باره اين خميدگي، مي‌توانيم فردي را تصور كنيم كه عقيده دارد كره زمين كروي نيست، بلكه مسطح است و مي‌خواهد يك شبكه شطرنجي صاف، روي زمين پهن كند:
نتيجه را مي‌توان از درون يك هواپيما، در روزي با هواي صاف، روي كشتزارهاي گريت‌پلينز آمريكا، نگريست. زمين، بين جاده‌هاي شمال جنوب و شرق ـ غرب به تكه‌هايي كه هر يك، يك مايل مربع وسعت دارد، تقسيم شده است. جاده‌هاي شرقي ـ غربي اغلب با خطوطي كه در طول چند كيلومتر بريدگي ندارد، ادامه مي‌يابد ولي در مورد جاده‌هاي شمال ـ جنوب، وضع بدين منوال نيست. اگر يك راه شمالي ـ جنوبي را پي‌بگيريم، در هر چند مايل با پيش‌آمدگيها و پس‌رفتگيهايي، در شرق و غرب اين جاده، برخورد مي‌كنيم. اين بي‌قاعدگي‌ها، در اثر خميدگي زمين پديد مي‌آيند. اگر اين انحرافات را از بين ببريم، جاده‌ها به هم نزديك شده و قطعاتي به وجود مي‌آيد كه كمتر از يك مايل مربع وسعت خواهند داشت.
در حالت سه بعدي، مي‌توان داربست غول پيكري را در فضا تصور كرد كه از اتصال ميله‌هايي راست با طول مساوي و زواياي 90 درجه و 180 درجه تشكيل شده باشد. اگر فضا مسطح باشد، ساختمان اين داربست بدون اشكال پيش مي‌رود. اما اگر فضا خميده باشد، ساختمان داربست منوط به اين خواهد بود كه ميله‌ها را كوتاهتر يا درازتر كنيم، تا روي خميدگي فضا جا بيفتد.
بر اساس نظريه اينشتين، خميدگي، به علت وجود جرم و انرژي ايجاد مي‌شود. هر جسم پرجرم بسيار بزرگ، در خميدگي فضا ـ زمان، نقش دارد. اجسامي كه در «امتداد خطي مستقيم در جهان حركت مي‌كنند»، مجبور به دنبال كردن مسيرهاي خميده‌اي هستند. يك تشك ورزش آكروبات را در نظر بگيريم. فرض كنيم در مركز آن، يك توپ بولينگ وجود دارد كه تا اندازه‌اي در تشك، فرو مي‌رود. يك توپ كوچك بازي گلف را روي تشك در امتداد يك خط مستقيم به‌نحوي رها كنيم كه از كنار توپ بزرگتر، بگذرد. توپ گلف، هنگامي كه به فرورفتگيهاي نزديك توپ، بولينگ كه در اثر آن به وجود آمده است، مي‌رسد، مسير خودش را تغيير مي‌دهد. احتمال دارد كه اين توپ، از اين هم فراتر رود. ممكن است مسير بيضي شكلي انتخاب كرده و به عقب بازگردد. چيزي شبيه اين، زماني كه كره ماه روي مسير مستقيمي در نزديكي زمين قرار دارد، روي مي‌دهد. زمين، فضا ـ زمان را همان گونه منحرف مي‌كند كه توپ بزرگ، مسير توپ كوچك را تغيير مي‌دهد. مدار ماه، نزديكترين چيز به خط مستقيم، در فضا ـ زمان منحرف شده است. ملاحظه مي‌كنيم كه اينشتين، همان پديده‌اي را كه نيوتن به توجيه آن پرداخته بود، تشريح كرده است. از نظر اينشتين، يك جسم با جرم زياد، موجب انحراف فضا ـ زمان مي‌شود. در نظريه نيوتن يك جسم بزرگ روي جسم كوچكتر، نيرو اعمال مي‌كند. نتيجه در هر دو حالت، تغيير مسير جسم كوچكتر است. طبق نظريه نسبيت عمومي، «ميدان جاذبه» و «خميدگي» دو مفهوم يكسان‌اند.
اگر مدارهاي سيارات منظومه شمسي را بر اساس نظريه‌هاي نيوتن و سپس با استفاده از نظريه اينشتين محاسبه كنيم، نتيجه، بجز در مورد عطارد، تقريباً يكسان خواهد بود زيرا عطارد نزديكترين سياره به خورشيد است و بيشتر تحت تأثير جاذبه خورشيد، قرار مي‌گيرد. پيش‌بيني نتيجه اين نزديكي طبق نظريه اينشتين، اندكي با آنچه طبق نظريه نيوتن به دست مي‌آيد، متفاوت است. مشاهدات نشان مي‌دهد كه مدار عطارد، با پيش‌بيني اينشتين، هم‌خواني بهتري دارد، تا نظريه نيوتن.
نظريه اينشتين، پيش‌گويي مي‌كند كه چيزهاي ديگري بجز ماه و سيارات نيز، تحت تأثير خميدگي فضا ـ زمان قرار مي‌گيرند. مثلاً فوتونها (ذرات نور)، بايد در فضاي خميده حركت كنند. اگر باريكه نوري كه از ستاره‌اي دور سير مي‌كند، مسير آن از نزديكي خورشيد بگذرد، خميدگي فضا ـ زمان در نزديكي خورشيد موجب مي‌شود كه اين مسير اندكي به طرف خوردشيد خميده شود همان گونه كه مسير توپ گلف به طرف توپ بولينگ، اندكي منحرف مي‌شود. شايد هم مسير نور ستاره به نحوي خميده شود كه نور در نهايت با زمين برخورد كند. خورشيد خيلي نوراني‌تر از آن است كه بتوانيم نور ستاره را در كنارش ببينيم مگر در حالت كسوف. اگر ما ستاره را در اين حالت ببينيم و متوجه نباشيم كه خورشيد مسير نور ستاره را منحرف مي‌كند، برداشتي نادرست خواهيم داشت از اينكه نور از كجا به طرف ما مي‌آيد و ستاره دقيقاْ در كجاي آسمان جا دارد. ستاره‌شناسان، با استفاده از اين پديده، جرم اجسام آسماني را با اندازه‌گيري مقدار انحراف مسير نور ستارگان دور، حساب مي‌كنند. هر چه جرم اين «خم‌كننده» زيادتر باشد، خميدگي مسير نور بيشتر خواهد بود.
تا اينجا ما از گرانش، با در نظر گرفتن آنچه كه در مقياس بزرگ مشاهده مي‌كنيم، گفتگو كرديم. البته اين مقياسي است كه در آن گرانش در ستارگان، كهكشانها و حتي تمام جهان آشكار مي‌شود و اين همان مقياسي است كه هاوكينگ در دهه 1960، با آن سروكار داشت اما، گرانش را مي‌توان در مقياسهاي بسيار كوچك، حتي تا سطح كوانتومي نيز مورد توجه قرار داد. در حقيقت، اگر ما به گرانش در اين سطح توجه نكنيم، هرگز نمي‌توانيم به يگانگي آن با سه نيروي ديگر كه دوتاي آنها تنها دراين سطح عمل مي‌كنند، دست يابيم. روش مكانيك كوانتومي براي در نظر گرفتن نيروي گرانش بين ماه و زمين آن است كه اين نيرو را با تبادل گراويتونها (بوزونها يا ذرات پيام‌رسان نيروي گرانش)، بين ذرات تشكيل دهنده اين دو كره در نظر بگيريم.
پاسخ با نقل قول
علاقه مندی ها (بوک مارک ها)