نظریه نسبیت عام، درک آلبرت اینشتین از فیزیک است که چگونه گرانش بر ساختار فضا-زمان تأثیر می گذارد.
نظریه ای که اینشتین در سال 1915 منتشر کرد، نظریه نسبیت خاص را که 10 سال قبل منتشر کرده بود، گسترش داد. نظریه نسبیت خاص بیان می کند که فضا و زمان به طور جدایی ناپذیری به هم مرتبط هستند، اما این نظریه وجود آن را به رسمیت نمی شناسد جاذبه زمین.
انیشتین یک دهه را بین این دو نشریه سپری کرد و متوجه شد که اجسام به خصوص عظیم باعث تحریف بافت فضا زمانبه گفته ناسا، اعوجاجی که به صورت گرانش ظاهر می شود.
متصل: شکار کرم‌چاله: چگونه دانشمندان به دنبال تونل‌های فضا-زمان می‌گردند
نظریه نسبیت عام چگونه کار می کند؟
برای درک نظریه نسبیت عام، ابتدا اجازه دهید با گرانش، نیروی جاذبه ای که دو جسم بر یکدیگر اعمال می کنند، شروع کنیم. سر آیزاک نیوتن گرانش کمی در همان متنی که در آن سه قانون حرکت خود، "Principia" را فرموله کرد.
به گفته ناسا، نیروی گرانشی که بین دو جسم می کشد بستگی به این دارد که هر کدام چقدر جرم دارند و این دو چقدر فاصله دارند. حتی به عنوان مرکز زمین شما را به سمت خود می کشد (تو را محکم روی زمین نگه می دارد)، مرکز جرم شما را به سمت زمین به عقب می کشاند. اما جسم پرجرم تر به سختی کشش را از شما احساس می کند، در حالی که با جرم بسیار کوچکتر خود، به لطف همان نیرو، خود را محکم می یابید. با این حال، قوانین نیوتن فرض می کند که گرانش نیروی ذاتی یک جسم است که می تواند در فاصله ای عمل کند.
آلبرت انیشتین در نظریه نسبیت خاص خود تعیین کرد که قوانین فیزیک برای همه ناظران بدون شتاب یکسان است و نشان داد که سرعت نور در خلاء بدون توجه به سرعت حرکت ناظر یکسان است. به گزارش Wired.
در نتیجه، او کشف کرد که فضا و زمان در یک زنجیره واحد به نام فضا-زمان در هم تنیده شده اند. و رویدادهایی که در یک زمان برای یک ناظر اتفاق می‌افتند، می‌توانند در زمان‌های مختلف برای دیگری اتفاق بیفتند.
متصل: اگر سرعت نور خیلی کمتر بود چه اتفاقی می افتاد؟
وقتی انیشتین معادلات نظریه نسبیت عام خود را توسعه داد، متوجه شد که اجسام عظیم باعث ایجاد اعوجاج در فضا-زمان می شوند. تصور کنید یک شی بزرگ را در مرکز یک ترامپولین قرار دهید. جسم به پارچه فشرده می شود که منجر به ظاهر شدن گودی می شود. اگر سعی کنید سنگ مرمر را در اطراف لبه ترامپولین بچرخانید، سنگ مرمر به سمت داخل بدن متوقف می شود، به همان روشی که گرانش سیاره سنگ ها را به فضا می کشد.
در دهه‌های پس از انتشار نظریه‌های اینشتین، دانشمندان پدیده‌های بی‌شماری را مشاهده کردند که مطابق با پیش‌بینی‌های نسبیت است.
لنزهای گرانشی
نور در اطراف یک جسم عظیم مانند سیاهچاله خم می شود که باعث می شود به عنوان عدسی برای چیزهای پشت آن عمل کند. ستاره شناسان به طور معمول از این روش برای مطالعه ستارگان و کهکشان های پشت اجرام عظیم استفاده می کنند.
صلیب انیشتین، الف اختروش در صورت فلکی پگاسوس، به گفته آژانس فضایی اروپا (ESA) و یک نمونه عالی از لنزهای گرانشی است. این اختروش در حدود 11 میلیارد سال پیش دیده می شود. بر کهکشان که نشستن در پشت حدود 10 برابر به زمین نزدیکتر است. از آنجایی که این دو جرم بسیار دقیق تراز شده اند، چهار تصویر از اختروش در اطراف کهکشان ظاهر می شود زیرا گرانش شدید کهکشان نوری را که از اختروش می آید خم می کند.
متصل: گرانش کوانتومی چیست؟
در مواردی مانند صلیب انیشتین، تصاویر مختلفی از جسم با عدسی گرانشی به طور همزمان ظاهر می شود، اما همیشه اینطور نیست. دانشمندان همچنین توانسته‌اند نمونه‌هایی از عدسی‌ها را مشاهده کنند که در آنها، چون نوری که در اطراف عدسی می‌چرخد در مسیرهای مختلف با طول‌های مختلف حرکت می‌کند، تصاویر متفاوتی در زمان‌های مختلف به دست می‌آیند. ابرنواختر.
تغییرات در مدار عطارد
مدار از سیاره تیر به گفته ناسا، به تدریج در طول زمان به دلیل انحنای فضا-زمان به دور خورشید عظیم جابجا می شود.
به عنوان نزدیکترین سیاره به خورشید، حضیض عطارد (نقطه نزدیکترین نقطه مدارش به خورشید) در طول زمان جهت کمی متفاوت را دنبال خواهد کرد. طبق پیش‌بینی‌های نیوتن، نیروهای گرانشی در منظومه شمسی باید شتاب عطارد را افزایش دهند (تغییر جهت مداری آن) در 5600 ثانیه قوس در هر قرن اندازه‌گیری می‌شود (1 ثانیه قوس برابر با 1/3600 درجه است). با این حال، یک اختلاف 43 ثانیه قوسی در هر قرن وجود دارد، چیزی که نظریه نسبیت عام انیشتین را توضیح می دهد. با استفاده از نظریه فضا-زمان منحنی انیشتین، تقدم حضیض عطارد باید کمی بیشتر از پیش بینی نیوتن پیش برود، زیرا سیارات در مدار بیضی ایستا به دور خورشید نمی چرخند.
البته، چندین مقاله علمی منتشر شده از اواسط قرن بیستم، صحت محاسبات انیشتین را برای تقدم حضیض عطارد تأیید کرده است.
پس از میلیاردها سال، این نوسان حتی می تواند باعث شود که درونی ترین سیاره با خورشید یا یک سیاره برخورد کند.
فضا-زمان قاب لغزشی در اطراف اجسام در حال چرخش
چرخش یک جسم سنگین، مانند زمین، باید فضا-زمان اطراف آن را منحرف و منحرف کند. در سال 2004، ناسا کاوشگر گرانشی B (GP-B) را پرتاب کرد. به گفته ناسا، محورهای ژیروسکوپ های دقیق کالیبره شده ماهواره در طول زمان بسیار کمی منحرف شدند، نتیجه ای که با نظریه اینشتین سازگار است.
فرانسیس اوریت، محقق ارشد پروژه Gravity Probe-B از دانشگاه استنفورد، در بیانیه‌ای از ناسا درباره این مأموریت گفت: زمین را طوری تصور کنید که انگار در عسل غوطه‌ور شده است.
همانطور که سیاره می چرخد، عسل به دور آن می چرخد، و فضا و زمان نیز همینطور. GP-B دو مورد از عمیق ترین پیش بینی های انیشتین در مورد جهان را تایید کرده است که پیامدهای گسترده ای برای تحقیقات اخترفیزیکی دارد.
انتقال گرانشی به سرخ
که در تابش الکترومغناطیسی یک جسم کمی در یک میدان گرانشی کشیده شده است. به امواج صوتی ساطع شده توسط آژیر یک وسیله نقلیه اضطراری فکر کنید. هنگامی که وسیله نقلیه به سمت ناظر حرکت می کند، امواج صوتی فشرده می شوند، اما زمانی که دور می شوند، کشیده می شوند یا به رنگ قرمز تغییر می کنند. پدیده‌های مشابهی که به عنوان اثر داپلر شناخته می‌شوند در امواج نور در همه فرکانس‌ها رخ می‌دهند.
در دهه 1960، طبق گفته انجمن فیزیک آمریکا، فیزیکدانان رابرت پاوند و گلن ربکا، پرتوهای گاما را ابتدا به پایین و سپس به دیوار برج دانشگاه هاروارد پرتاب کردند. پاوند و ربکا دریافتند که پرتوهای گاما به دلیل اعوجاج های ناشی از گرانش، فرکانس کمی تغییر می دهند.
امواج گرانشی
انیشتین پیش بینی کرد که رویدادهای خشونت آمیز مانند برخورد دو سیاهچاله، امواجی را در فضا-زمان ایجاد می کند که به امواج گرانشی معروف هستند. و در سال 2016، رصدخانه امواج گرانشی تداخل سنج لیزری (LIGO) اعلام کرد که برای اولین بار چنین سیگنالی را شناسایی کرده است.
این افتتاحیه در 14 سپتامبر 2015 انجام شد. LIGO، متشکل از امکانات دوگانه در لوئیزیانا و واشنگتن، اخیراً ارتقا یافته و در مرحله کالیبره شدن قبل از آنلاین شدن بود. اولین کشف آنقدر بزرگ بود که به گفته گابریلا گونزالس، سخنگوی وقت LIGO، چندین ماه تجزیه و تحلیل طول کشید تا تیم مطمئن شود که یک سیگنال واقعی است، نه یک اشتباه.
متصل: انرژی فانتوم و گرانش تاریک: توضیحی از سمت تاریک کیهان
او در نشست 228 انجمن نجوم آمریکا در ژوئن 2016 گفت: "در اولین کشف بسیار خوش شانس بودیم که بسیار واضح بود."
از آن زمان، دانشمندان به سرعت امواج گرانشی را ثبت کردند. به گفته مسئولان برنامه، طبق گفته رصدخانه امواج گرانشی با تداخل سنج لیزری، در مجموع، LIGO و همتای اروپایی آن Virgo در مجموع 50 موج گرانشی را شناسایی کرده اند.
این برخوردها شامل رویدادهای غیرعادی مانند برخورد با جسمی است که دانشمندان نمی توانند به طور قطعی آن را سیاهچاله یا ستاره نوترونی تشخیص دهند، ادغام ستارگان نوترونی همراه با انفجار درخشان، برخورد سیاهچاله های نامتناسب و غیره.
رصد ستارگان نوترونی
مطالعه ای در سال 2021 که در مجله Physical Review X منتشر شد، چندین پیش بینی انیشتین را با مشاهده یک منظومه تپ اختری دوتایی در فاصله 2400 سال نوری از زمین به چالش کشید. هر یک از هفت پیش‌بینی نظریه نسبیت عام توسط این مطالعه تأیید شد.
تپ اخترها نوعی ستاره نوترونی هستند که به نظر می رسد در اثر تشعشعات الکترومغناطیسی ضربان دارند و از قطب های مغناطیسی خود ساطع می شوند.
سوژه‌های تپ‌اختر آزمایش‌شده بسیار سریع می‌چرخند - حدود 44 بار در ثانیه - و 30 درصد جرم‌تر از خورشید هستند، اما فقط 15 مایل (حدود 24 کیلومتر) قطر دارند که آنها را فوق‌العاده چگال می‌کند. این بدان معنی است که جاذبه گرانشی آنها بسیار زیاد است، به عنوان مثال، در سطح یک ستاره نوترونی، گرانش حدود 1 میلیارد بار قوی تر از جاذبه آن به زمین است. این امر ستارگان نوترونی را به یک شی عالی برای آزمایش برای به چالش کشیدن پیش‌بینی‌های نظریه‌های اینشتین، مانند توانایی گرانش در خم کردن نور تبدیل می‌کند.
پروفسور اینگرید استایرز از دانشگاه بریتیش کلمبیا در ونکوور گفت: «ما توزیع رادیوفوتون‌های ساطع شده از یک فانوس فضایی، یک تپ‌اختر و حرکت آنها را در میدان گرانشی قوی یک تپ‌اختر همراه ردیابی می‌کنیم».
ما برای اولین بار می بینیم که سرعت نور نه تنها به دلیل انحنای شدید فضا-زمان در اطراف ماهواره کاهش می یابد، بلکه نور با زاویه کوچک 0.04 درجه منحرف می شود که ما می توانیم آن را تشخیص دهیم. استیرز می افزاید: «تا به حال چنین آزمایشی در چنین انحنای فضا-زمان بالایی انجام نشده بود.