نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه ششم

اهداف جلسه:

• آشنایی با نسبیت عام
• آشنایی با بررسی نظریه نسبیت عام
• آشنایی با نتایج نظریه نسبیت عام

وسایل مورد نیاز:

• اینترنت پر سرعت
• پارچه مربع شکل بزرگ
• توپ بزرگ
• توپ کوچک

مقدمه

در جلسه گذشته با زندگی نامه دانشمند بزرگ آلبرت اینشتین و هم چنین نظریه نسبیت خاص او آشنا شدید. چند سال بعد از ارایه نظریه نسبیت خاص، اینشتین با مطالعات فراوان و هم چنین بررسی و اصلاح نظریه نیوتون در زمینه گرانش، به ارایه نظریه‌ نسبیت عام پرداخت. در این جلسه به بررسی نظریه نسبیت عام خواهیم پرداخت.

6-1 نسبیت عام
ده سال بعد از ارایه نظریه نسبیت خاص توسط اینشتین، وی به اصلاح نظریه نیوتون درباره گرانش پرداخت تا آن را با اصول نسبیت تطبیق دهد و نهایتاً به ارایه نظریه‌ نسبیت عام انجامید. نیوتون فرض كرد كه نیروى گرانش، به طور لحظه اى عمل مى كند، نظر او این بود كه اعمال جاذبه خورشید  بر زمین محتاج زمان نیست، و برهم كنش هاى گرانشى حتى در فواصل نامحدود ستارگان در یك لحظه روى مى دهند.

اینشتین به نادرست بودن این نظر پى برد، چرا كه هیچ بر هم كنشى (و همچنین هیچ جسمى) نمى تواند سریع تر از سرعت نور انتشار یابد، از این رو تكمیل نظریه جدیدى را درباره ى گرانش آغاز كرد كه در آن هم سرعت انتشار گرانش همان سرعت نور (000، 300 كیلومتر در ثانیه) باشد و هم بتواند حركت هاى سیارات را به خوبى نظریه نیوتون توضیح دهد.

وى در این راستا لازم دید فضاى سه بعدى را كنار بگذارد و چنین مطرح كند كه میدان گرانشى در فضا، مثلاً میدان ناشى از وجود خورشید، به اعوجاجى در فضا مى انجامد كه شدت آن به میزان جرم جسم بستگى دارد.

افزون بر این، اینشتین دریافت كه در معادلات خود، زمان را به عنوان بعد چهارم به كار گیرد از این رو گفت: زمان مى تواند به انحناى فضا خمیده باشد، زیرا میدان گرانشى خورشید در فضا فرو رفتگى ایجاد مى كند كه خورشید در ته آن فرو رفتگى قرار دارد. یعنى هرچه جرم جسم بیش تر باشد به فرو رفتگى بزرگ ترى در فضا مى انجامد و هر جسمى كه به قدر كافى به این فرو رفتگى نزدیك شود مجبور است مسیر خود را تغییر دهد، اگر حركت جسم بسیار آرام و كاملاً به طرف مركز فرو رفتگى باشد به درون حفره فرورفتگى مى افتد و در ته آن ساكن مى شود، مثلاً اگر متحركى به سوى خورشید حركت كند با نزدیك تر شدن به خورشید شتاب مى گیرد و به درون آن سقوط مى كند.

اما اگر جسم به هنگام حركت به سوى خورشید سرعت كافى داشته باشد، خورشید را پشت سر مى گذارد، اما مسیر آن خط راست نخواهد بود، جسم موقعى كه از فرو رفتگى عبور مى كند مستقیم ترین مسیر ممكن را طى مى كند، اما آشكار است كه این خط نمى تواند خط مستقیم باشد، زیرا صفحه اى كه جسم در آن حركت مى كند خمیده است.

بر این اساس، نور هنگام حركت از مجاورت یك جسم پرجرم مانند خورشید منحرف مى شود و ناگزیر به فرو رفتگى فضا-زمان كه ناشى از جرم خورشید است مى افتد. زمانی كه نور از طرف دیگر بیرون مى آید و به سوى زمین رهسپار مى شود راستاى آن تغییر مى یابد. لیكن(گرچه نظریه نسبیت عام انیشتین هنوز بهترین و مقبول ترین نظریه در مورد فضا-زمان و گرانش است)، در این هندسه رسیدن نورهایى كه از میلیاردها سال نورى خبر مى دهند معلوم نیست چند میلیارد سال آن را باید در فرو رفتگى ها و چاله ها، راه خود را منحرف كنند و مسیر منحنى را بپیمایند تا وارد كهكشان ما گردند و از آنجا به زمین ما برسند تا ما بر اساس آن سن و تاریخ جهان را ارزیابى كرده و به نقطه آغازین آن برسیم.

برای کسب اطلاع بیشتر فیلم زیر را مشاهده نمایید.
 

6-2 بررسی نظریه نسبیت عام
دریافت نظریه نسبیت عام در نگاه اول دشوار و غیر قابل باور به نظر می رسید. از سال 1916، آزمایش های متعددی برای بررسی نظریه نسبیت عام اینشتین انجام گرفته که تاکنون همه ی آنها حاکی از درستی این نظریه بوده است. برخورد علمی با هر نظریه جدید، با این پرسش آغاز می شود که: این نظریه ی جدید چه چیزی را پیشگویی می کند که پیش تر انتظار آن نمی رفت و یا نظریه های دیگر قادر به پیشگویی آن نبودند.

یکی از پیشگویی های نظریه نسبیت عام این است که نور به هنگام عبور از مجاورت یک جسم پر جرم منحرف می شود. برای مثال، نور ستاره ای دور دست را در نظر بگیرید که از کنار خورشید می گذرد، چون نور باید از کنار خورشید عبور کند به ناچار به فرورغفتگی فضا-زمان که ناشی از جرم خورشید است، می افتد. زمانی که نور از طرف دیگر بیرون می آید و مثلاً به سوی زمین رهسپار می شود، راستای مسیر آن تغییر می کند.

ماه در حرکت خود بر گرد زمین، گاهی کاملاً جلوی نور خورشید را می‌گیرد و گرفت کامل روی می‌دهد. این فرصتی گران بها است که طبیعت برای آزمودن نظریه اینشین در اختیار دانشمندان قرار داده است. هنگام گرفت کامل، مشاهده و اندازه ‌گیری مکان ظاهری ستارگان نزدیک به قرص خورشید امکان ‌پذیر می‌شود، از این رو می ‌توان بررسی کرد که آیا انحراف نور آنها در مجاورت خورشید با مقدار پیشگویی شده مطابقت دارد؟ البته طبق فیزیک سماوی، مکان ظاهری این ستارگان باید همان مکانی باشد که در اوقات دیگر سال و هنگامی که خورشید در سر راه نور آنها نیست، اندازه گیری می‌شود.

سه سال پس از انتشار نظریه‌ نسبیت عام از سوی اینشتین، گروهی از ستاره‌شناسان انگلیسی در آفریقا و برزیل، گرفت کامل خورشید را مشاهده کردند و با اندازه گیری مکان ستارگانی که از آنها عکس ‌برداری کرده بودند، با خوشحالی اعلام داشتند که پیشگویی اینشتین درست است و مکان همه این ستارگان، درست به اندازه‌ای که وی پیشگویی کرده، جابه جا شده بود.

نظریه نسبیت عام، هنوز بهترین و مقبول ترین نظریه در مورد فضا، زمان و گرانش است. از سال 1916 فیزیک دانان زیادی سعی کردند تا نظریه های دیگری برای توضیح پدیده های جهان بیابند، اما تاکنون هیچ یک از این نظریه ها، جایگزین راه حل اینشتین نشده است.

اینشتین در 40 سال آخر عمر خود سعی داشت که نظریه خود را با یافتن اصولی عام یا با فرمول بندی که تمام فیزیک را دربرگیرد و شامل چگونگی برهم کنش ذرات اتمی باشد، کامل کند. اما در این کار توفیق نیافت. اگر چنین اصل ساده ای وجود داشته باشد، باید در انتظار دانشمند دیگری بود تا همچون اینشتین، برای تفسیر آنچه در پیرامون خود می بینیم و می سنجیم، راهی نو پیش پای ما بگذارد.

برای کسب اطلاع بیشتر فیلم زیر را مشاهده نمایید.
 

6-3 نتیجه نظریه نسبیت عام
اما از نظریه نسبیت عام که اینشتین ارائه داد نتایجی حاصل می شود که به برخی از آنها می پردازیم. نکته اول برخی از پیش‌بینی‌های نسبیت عام به میزان قابل‌توجهی با پیش‌بینی‌های فیزیک کلاسیک تفاوت دارند؛ به ویژه آن‌هایی که مرتبط با گذر زمان، هندسهٔ فضا، حرکت اجسام در سقوط آزاد و انتشار نور هستند.
نکته دوم با در نظر گرفتن نظریه نسبیت عام نظریه انفجار بزرگ با اشكالات متعدد به ویژه با نامعلومى سن جهان روبه رو است. همچنین انبساط جهان از حیث ماهیت انبساط، مركز و عامل آن هنوز به صورت یک تئورى است و هیچ دلیل قانع كننده اى بر آن به دست نیامده است.
نکته سوم مدل هندسه اقلیدسى از سوى اصل پنجم، دو بعدى بودن و ... مخدوش شمرده شده و كوشش هاى دانشمندان در استدلالى كردن آن به نتیجه اى نرسیده است.
بیش تر دانشمندان آغاز پیدایش و آفرینش جهان را "انفجار بزرگ "می دانند. 250 میلیون سال پس از آغاز انبساط، ماده ى جهان باید به كره غول آسایى تجزیه شده باشد كه آهسته آهسته در فرایند كلى انبساط، جدا جدا و كوچك شده اند، این در حالى است كه در طى پنج دقیقه اول انبساط، ماده باید كاملاً به صورت مخلوطى از پروتون، نوترون و الكترون ها تجزیه شده باشد.
و بنابر برخى از نظریه ها، پنج دقیقه پس از پیدایش ماده باید به اندازه كافى سرد شده باشد كه نوترون ها و پروتون ها توانسته باشند به صورت هسته هاى مختلطى دوترون ( h1)، تریتون (h1)، ترآلفا (He3) و آلفا (He4) و غیره مجتمع گردند، این فرایند باید تنها نزدیك 30 دقیقه طول كشیده باشد.
این در حالى است كه براى بسیارى اشخاص، بیان چیزى كه پنج میلیارد سال پیش (آغاز پیدایش جهان مادى)روى داده و آن هم فقط نیم ساعت طول كشیده است به طور كلى نامفهوم به گوش مى خورد. در نهایت به این نتیجه می رسیم كه اسرار پنهان و ناپیدا به قدرى زیاد است كه به گفته ى لاپلاس فرانسوى:"هر چه پهنه ى اكتشافى فراختر شود مرزهاى نامعلوم نیز دورتر مى رود"

تکلیف1:  آیا می توانید با وسایلی که در بخش "وسایل مورد نیاز" در اختیار دارید و همچنین اطلاعاتی که در متن درس آمده، فرورفتگی فضا-زمان را شبیه سازی کنید؟ ماکت خود را به صورت گزارش تصویری برای ما ارسال نمایید.

تکلیف2:  درباره نظریه "گرانش نیوتون" تحقیق و بررسی نموده و نتایج را به صورت خلاصه برای ما ارسال نمایید.

محل بازدید/ اردو/ خرید:  برای کسب اطلاع بیش تر در زمینه علم نجوم و آشنایی با آسمان شب، از مرکز نجوم آماتوری آلاشت بازدید نمایید. آدرس و اطلاعات کامل این مجموعه را در آدرس زیر مشاهده نمایید.

http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=182821

منابع مطالعه:  آدرس اینترنتی زیر اطلاعات مفیدی در زمینه نظریه نسبیت عام در اختیارتان قرار خواهد داد.

http://www.tebyan.net/newindex.aspx?pid=189165

بخش پژوهش های دانش آموزی سایت تبیان

تهیه: الهام گارسچی _ تنظیم: علی سرمدی

مطالب مرتبط

نظریه نسبیت و سیاهچاله ها - جلسه اول
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه دوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه سوم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه چهارم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه پنجم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه ششم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هفتم
نظریه نسبیت و سیاهچاله ها – جلسه هشتم