لماذا النسبية صحيحة: الدليل على نظرية أينشتاين

البرت اينشتاين

تم إثبات نظرية النسبية الشهيرة لألبرت أينشتاين في العالم الحقيقي ، وتم قياسها بالكسوف والمجرات المشوهة وحتى بنية الكون. (رصيد الصورة: ناسا)





بول سوتر هو عالم فيزياء فلكية في جامعة ولاية أوهايو وكبير العلماء في مركز العلوم COSI . سوتر هو أيضا مضيف ' اسأل رائد فضاء ' و ' راديو الفضاء ، ويؤدي AstroTours حول العالم. ساهم سوتر بهذا المقال في أصوات الخبراء في ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights.

نعلم جميعًا ونحب نظرية الجاذبية المفضلة في العالم: النسبية العامة (GR) ، التي أعدها ألبرت أينشتاين بنفسه لأول مرة في إنجاز رائع استغرق سبع سنوات لإكماله وتقديمه. رؤى مذهلة في كيفية عمل العالم.

من السهل بما يكفي تحديد الجوهر المجرد للنظرية في عبارات بليغة: 'المادة والطاقة تخبر الزمكان كيف ينحني ، وانحناء الزمكان يخبر المادة كيف تتحرك.' لكن الميكانيكا الفعلية تأخذ 10 معادلات ضخمة لوصفها ، مع كل واحدة صعبة للغاية ومترابطة بشكل كبير مع المعادلات الأخرى. [نظرية أينشتاين للنسبية العامة: شرح مبسط]



بصفتنا متشككين جيدين ، لا ينبغي لنا أن نصدق على الفور هذا التشابك في الرياضيات للوهلة الأولى ، حتى لو جاء من دماغ أي شخص آخر غير أينشتاين. بدلا من ذلك ، نحن بحاجة إلى أدلة. دليل جيد.

رسول الله

من بين كل ميزات نظريته الجديدة ، كان أينشتاين فخورًا بقدرته على شرح تفاصيل مدار عطارد. هذا الكوكب الأعمق له مدار إهليلجي قليلاً ، وهذا القطع الناقص يدور ببطء شديد حول الشمس. بمعنى آخر ، المكان الذي يكون فيه عطارد أبعد ما يكون عن الشمس يتغير ببطء مع مرور الوقت.

إذا قمت بتطبيق الجاذبية النيوتونية البسيطة على نظام الشمس-عطارد ، فإن هذا يتغير بمرور الوقت ، تسمى الاستباقية ، لا تظهر - وجهة نظر إسحاق نيوتن غير مكتملة. بمجرد إضافة دفع الجاذبية اللطيف والتعديل والتبديل بسبب الكواكب الأخرى ، يمكن تفسير كل المقدار تقريبًا ... ولكن ليس كل شيء. بحلول أوائل القرن العشرين ، كانت مشكلة معروفة في ديناميكيات النظام الشمسي ، ولكنها لم تسبب الكثير من الجدل. أضافه معظم الناس إلى القائمة المتزايدة باستمرار من 'الأشياء الغريبة قليلاً التي لا يمكننا شرحها حول الكون' وافترضوا أننا سنجد حلاً عاديًا يومًا ما.



لكن أينشتاين لم يكن معظم الناس ، وكان يعتقد أن عطارد كان يعطيه فكرة. عندما تمكن ، بعد سنوات من المحاولات ، من استعراض عضلاته النسبية العامة وشرح بدقة الشذوذ المداري لعطارد ، كان يعلم أنه قد فكك أخيرًا رمز الجاذبية.

ضوء الانحناء

قبل أن يضع أينشتاين اللمسات الأخيرة على الموارد الوراثية الكبيرة ، توصل إلى بعض الإدراك المذهل حول طبيعة الجاذبية. إذا كنت معزولًا على متن سفينة صاروخية تتسارع بسرعة 1 جرام على نحو سلس وثابت - مما يوفر نفس التسارع مثل جاذبية الأرض - فكل شيء في مختبرك سيتصرف تمامًا كما سيتصرف على سطح الكوكب ، حسب ما قاله أينشتاين. ستسقط الأجسام على الأرض بنفس سرعة سقوط الأجسام على الأرض ؛ ستبقى قدميك مثبتتين بإحكام على الأرض ، وما إلى ذلك.

هذا التكافؤ بين الجاذبية (كما حدث على الأرض) والتسارع (كما حدث في الصاروخ) دفع أينشتاين إلى الأمام لتطوير نظريته. لكن مختبئًا في هذا السيناريو هو رؤية مدهشة. تخيل شعاع من الضوء يدخل نافذة على الجانب الأيسر من سفينة الفضاء. بحلول الوقت الذي يعبر فيه الضوء سفينة الفضاء للخروج ، أين سيكون؟



من منظور مراقب خارجي ، الجواب واضح. ينتقل الضوء في خط مستقيم تمامًا ، عموديًا على مسار الصاروخ. أثناء مرور الضوء ، دفع الصاروخ نفسه للأمام. سوف يدخل الضوء بعد ذلك إلى الصاروخ من إحدى النوافذ - على سبيل المثال ، بالقرب من طرفه - ويخرج بالقرب من القاع ، بالقرب من المحركات.

لكن من داخل المركبة الفضائية ، تبدو الأمور غريبة. لكي يدخل الضوء إلى نافذة بالقرب من الحافة ويخرج بالقرب من المحركات ، يجب أن يكون مسار الشعاع منحنيًا. في الواقع ، هذا بالضبط ما تراه.

وبما أن الجاذبية هي بالضبط مثل التسارع ، يجب أن يتبع الضوء مسارات منحنية حول الأجسام الضخمة.

من الصعب ملاحظة هذا بشكل تجريبي ، لأنك تحتاج إلى الكثير من الكتلة وبعض الضوء الذي يمر بالقرب من السطح للحصول على تأثير يمكن اكتشافه. لكن الكسوف الشمسي عام 1919 أثبت أنه الفرصة المناسبة ، ووجدت رحلة استكشافية بقيادة السير آرثر إدينجتون التحول الدقيق لضوء النجوم البعيد الذي تنبأت به نظرية أينشتاين الوليدة. [ كيف ساعد الكسوف الكلي للشمس في إثبات صحة أينشتاين حول النسبية ]

رؤية الأحمر

تنبثق نتيجة أخرى مثيرة للاهتمام من تجارب الفكر الإبداعي المحيطة بالنسبية العامة. يعتمد هذا الاستنتاج على تأثير دوبلر القديم الجيد ، لكنه يُطبق على سيناريو غير مألوف.

إذا كان هناك شيء يتحرك بعيدًا عنك ، فسيتمدد الصوت الذي ينتجه ، ويتحول إلى ترددات أقل - وهذا هو تأثير دوبلر. وينطبق الشيء نفسه على الضوء: تبدو السيارة التي تبتعد عنك أكثر احمرارًا قليلاً مما لو كانت السيارة متوقفة. (الضوء الأحمر ، كلما انخفض التردد).

يمكن لرجال الشرطة الاستفادة من هذا التحول عن طريق ارتداد الضوء عن سيارتك لإمساكك بسرعة. في المرة التالية التي يتم فيها إيقاف سيارتك ، يمكنك استغلال الفرصة للتفكير في طبيعة الجاذبية.

لذلك ، إذا غيرت الحركة الطول الموجي للضوء ، فإن التسارع يمكن أن يحدث أيضًا: القليل من الضوء الذي ينتقل من أسفل إلى أعلى صاروخ متسارع سيشهد الانزياح الأحمر . وتحت GR ، فإن ما يتعلق بالتسارع ينطبق على الجاذبية. هذا صحيح: الضوء المنبعث من سطح الأرض سيتحول إلى ترددات أكثر احمرارًا كلما اتجهت نحو الأعلى.

لقد استغرق الأمر بضعة عقود لإثبات هذا التوقع بشكل قاطع ، لأن التأثير ضئيل للغاية. ولكن في عام 1959 ، اقترح روبرت باوند وجلين ريبكا وصمما وبنايا ونفذا تجربة مكنتهما من قياس الانزياح الأحمر للضوء أثناء انتقاله بضع طوابق إلى مختبر جيفرسون بجامعة هارفارد.

لا تتوقف عن الاختبار أبدًا

حتى مع كل هذه الأدلة ، ما زلنا نضع النسبية العامة على المحك. إن أي علامة على حدوث صدع في عمل أينشتاين الرائع من شأنه أن يطلق شرارة تطوير نظرية جديدة للجاذبية ، وربما يمهد الطريق لكشف الطبيعة الكمومية الكاملة لتلك القوة. هذا شيء لا نفهمه على الإطلاق حاليًا.

ولكن من جميع النواحي ، يمر GR بألوان متطايرة ؛ من الأقمار الصناعية الحساسة إلى عدسات الجاذبية ، من مدارات النجوم حول الثقوب السوداء العملاقة تموجات موجات الجاذبية و تطور الكون في حد ذاته ، من المرجح أن يستمر إرث أينشتاين لبعض الوقت.

تعلم المزيد من خلال الاستماع إلى الحلقة بجدية ، ما هي الجاذبية؟ (الجزء 2)' على بودكاست 'اسأل رائد فضاء' ، متاح على اي تيونز وعلى الويب في http://www.askaspaceman.com . بفضل Andrew P. ، Joyce S. ، @ Luft08 ، Ben W. ، Ter B. ، Colin E ، Christopher F. ، Maria A. ، Brett K. ، bryguytheflyguy ،MarkRiepe ، Kenneth L. ، Allison K. ، Phil B. وshrenic_shah للأسئلة التي أدت إلى هذه القطعة! اطرح سؤالك الخاص على Twitter باستخدام #AskASpaceman أو باتباع Paul تضمين التغريدة و facebook.com/PaulMattSutter . تابعنا تضمين التغريدة و موقع التواصل الاجتماعي الفيسبوك و + Google . المقالة الأصلية بتاريخ موقع guesswhozoo.com .