فیلم #گرانش از دید #نسبیت_عام

@Cosmos_language

نظریه #نسبیت

قسمت ششم: آزمایشات تجربی #نسبیت_عام

1- #انحراف_نور:
اگر #گرانش واقعاً همان طور که نسبیت عام توصیفش می‌کرد خمیدگی فضا-زمان می‌بود، پس در نزدیکی اجسام پر جرم باید مسیر نور منحرف می‌شد. می‌دانیم که نور همیشه در خط راست حرکت می‌کند و از طرفی نسبیت عام به ما می‌گوید نزدیک اجسام پر جرم، فضا-زمان خم می‌شود. اگر فضا-زمان را مانند صفحه‌ای در نظر بگیریم که خطوط راست و موازی (مثل کاغذ شطرنجی) پوشانده شده است و یک جسم سنگین وسط این صفحه قرار دهیم به طوری که فرورفتگی‌ای در وسط صفحه ایجاد شود، آنگاه خطوطی که پیش از این کاملا راست بودند، با به وجود آمدن فرورفتگی در صفحه، دیگر راست نخواهند بود و خمیده می‌شوند. نور به طور طبیعی در خط راست حرکت می‌کند، ولی اگر فضایی که نور در حال حرکت در آن است منحنی شود، آنگاه مسیر نور نیز منحنی خواهد شد. این پدیده در قانون گرانش نیوتن پیش‌بینی نشده بود و طبق قانون نیوتن، نور به دلیل نداشتن جرم، نمی‌تواند تحت تأثیر گرانش قرار گیرد. این پیش‌بینی نخستین بار در سال 1919 میلادی، در خورشید گرفتگی کلی آزمایش شد. در هنگام گرفت کامل وقتی ماه قرص خورشید را پوشاند، اخترشناسان از ستاره‌های پیرامون خورشید عکس گرفتند، اندازه‌گیری‌های دقیق بعدی نشان دادند که ستارگان به همان میزان اندکی که نظریه‌ی نسبیت عام پیش‌بینی کرده بود، از مکان همیشگی‌شان جابه‌جا شده بودند و این مهر تأییدی بر نسبیت عام بود (تصویر شماره 1).

2- #حرکت_تقدیمی مدار عطارد:
در فیزیک نیوتنی یک سامانه دو جسمی تشکیل شده از یک جسم منزوی که به دور یک جسم کروی می‌گردد، یک بیضی تشکیل می‌دهند که جسم کروی در کانون آن قرار دارد. نقطهٔ حضیض (نقطه‌ای که در آن دو جسم نزدیکترین فاصله را پیدا می‌کنند) ثابت است. عواملی در منظومه شمسی هستند که باعث حرکت تقدیمی (چرخشی) نقطهٔ حضیض سیارات به دور خورشید می‌شوند (تصویر شماره 2). علت اصلی، حضور سیارات دیگر است که مدار یکدیگر را مغتشش می‌کنند. عامل دیگر که اثر آن جزئی‌تر است، پهن‌شدگی خورشید در دو قطب آن است. ولی اندازه‌گیری‌ها نشان می‌داد که نرخ واقعی حرکت تقدیمی با مقدار محاسبه شده توسط نظریه نیوتن، به اندازه 43 ثانیه قوسی در هر قرن استوایی تفاوت دارد. در نسبیت عام، این حرکت تقدیمی اضافی، با دخالت گرانش از طریق خمش فضا-زمان توضیح داده شد. انیشتین نشان داد که پیش‌بینی‌های نسبیت عام با میزان انتقال حضیض خورشیدی کاملاً منطبق است. این عامل قدرتمندی در پذیرش نسبیت بود.

3- #اتساع_زمان_گرانشی:
طبق نسبیت عام، وجود جرم فضا-زمان را خم می‌کند و باعث می‌شود مانند چیزی که در «فیلم گرانش از دید نسبیت عام» دیدید، فضا-زمان کش بیاید و در آن فرورفتگی ایجاد شود. هر چه جرم بیشتر باشد فضا-زمان بیشتر کش می‌آید؛ و همچنین هر چه چگالی جسم بیشتر باشد، حداقل فاصله‌ای که میتوان بدون وارد شدن به داخل جسم از آن داشت کمتر شده و انحنای فضا-زمان در نزدیکی سطح جسم بیشتر میشود. مانند تصویر شماره 3 که در آن جرم هر سه کره یکسان است و فقط در چگالی (تراکم جرم) با یکدیگر تفاوت دارند. وقتی می‌گوییم «فضا-زمان کش می‌آید»، یعنی در مجاورت جسم پر جرم، فضا و زمان هر دو کش می‌آیند. کش آمدن فضا موجب پدیده انحراف نور می‌شود که در پیش‌بینی اول در موردش گفتیم، اما کش آمدن زمان نیز باعث ایجاد پدیده اتساع زمان گرانشی می‌شود (تصویر شماره 4). کش آمدن زمان به معنای کندتر سپری شدن آن است. به عبارت دیگر، هر چه جرم بیشتر باشد یا فاصله ما از جرم ایجاد کننده میدان گرانشی ‌کم‌تر باشد، میدان گرانشی قوی‌تر است و در نتیجه زمان کندتر سپری می‌شود. برعکس هر چه جرم کم‌تر باشد یا فاصله ما از جسم دارای جرم بیشتر باشد، زمان سریع‌تر سپری می‌شود. این موضوع توسط نظریه گرانش نیوتن پیش‌بینی نشده بود. ساعت‌هایی که درون ماهواره‌های GPS قرار دارند، به دلیل فاصله بیشتر از سطح زمین، در میدان گرانشی ضعیف‌تری به سر می‌برند و به همین دلیل حدود 41 میکرو ثانیه در هر شبانه روز از ساعت‌هایی که روی زمین داریم جلو می‌افتند. برای حل این مشکل، کامپیوتری در این ماهواره‌ها وجود دارد که مدام ساعت ماهواره را عقب می‌کشد تا با ساعت‌های روی زمین هماهنگ باشند.

@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language

4- #انتقال_به_سرخ_گرانشی:
همان طور که در پست #اثر_داپلر دیدید، با دور شدن چشمه گسیل کننده موج از ناظر، طول موج منبسط می‌شد و رنگ نور به سرخ میل می‌کرد. برعکس با نزدیک شدن چشمه‌ گسیل کننده موج به ناظر، طول موج منقبض می‌شد و رنگ نور به آبی میل می‌کرد. اما علاوه بر حرکت چشمه موج، عامل دیگری نیز می‌تواند باعث انبساط طول موج شود. بر خلاف دیدگاه نظریه گرانش نیوتن، وقتی نور از یک جسم پر جرم دور می‌شود، بر خلاف جهت کشش جاذبه گرانشی حرکت می‌کند و این یعنی برای حرکت کردن باید کار انجام دهد و انجام کار به معنای کاهش انرژی پرتو است و کاهش انرژی پرتو همواره با کاهش فرکانس و افزایش طول موج همراه است (تصویر شماره 5). این پدیده توسط محققان به دقت اندازه‌گیری شد و درستی آن مورد تأیید قرار گرفت.

5- #امواج_گرانشی:
نسبیت عام پیش‌بینی می‌کند که نوسان اجرام سنگین، باعث ایجاد موجی در فضا-زمان می‌شود که به آن موج گرانشی گفته می‌شود. پدیده‌ای که در نظریه نیوتن پیش‌بینی نشده بود. ادغام دو سیاهچاله یا گردش دو ستاره نوترونی به دور هم، از جمله حوادثی هستند که می‌توانند امواج گرانشی نسبتاً قوی و قابل آشکارسازی‌ را منتشر کنند (تصویر شماره 6)، هر چند آشکارسازی امواج گرانشی به شدت کار دشواری است. زمانی که امواج گرانشی به زمین می‌رسند، سیاره را بسیار خفیف منقبض و منبسط می‌کنند (تصویر شماره 7). آشکار ساز امواج گرانشی Ligo یک تداخل سنج مایکلسون-مورلی است که از دو لوله طولانی تشکیل شده. پرتو لیزر درون این لوله‌ها تابیده می‌شود و پس از رسیدن به انتهای لوله، بازتاب می‌گردد. سپس در محل تقاطع دو لوله، پرتوها به یکدیگر می‌رسند و توسط یک آشکارساز، طرح تداخلی آن‌ها ثبت می‌شود. اگر امواج گرانشی به زمین برخورد کنند، کره زمین منقبض و منبسط می‌شود و در نتیجه طول این دو لوله نیز با الگوی مخالف هم، کوتاه و بلند می‌شود و این تغییرات طول، باعث ایجاد تغییر در طرح تداخلی پرتوهای لیزر می‌گردد که قابل مشاهده است (تصویر شماره 8). در همین چند سال اخیر، امواج کرانشی برای اولین بار با همین شیوه مشاهده شدند و وجودشان به صورت تجربی تأیید شد.

@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language

تصویر شماره 1

@Cosmos_language

تصویر شماره 2

@Cosmos_language

تصویر شماره 3

@Cosmos_language

تصویر شماره 4

@Cosmos_language

تصویر شماره 5

@Cosmos_language

تصویر شماره 6

@Cosmos_language

تصویر شماره 7

@Cosmos_language

تصویر شماره 8

@Cosmos_language

نظریه #نسبیت

قسمت هفتم: #نسبیت_عام و #کرمچاله

پس از ارائه نظریه نسبیت‌ عام، کار ریاضی‌دانان شروع شد! نسبیت عام بر خلاف مفهوم ساده‌اش، پیچیدگی‌های ریاضی بسیاری دارد. #انیشتین می‌گوید: «از وقتی ریاضی‌دانان شروع به بالا رفتن از سر و کول نظریه نسبیت کرده‌اند، دیگر خودم هم از آن سر در نمی‌آورم!» برای حل معادلات انیشتین، راه‌های زیادی وجود دارد. بعضی از این راه‌ها، بر وجود پدیده‌هایی دلالت دارد که بسیار عجیب هستند. انیشتین متوجه چیز عجیبی در معادلات نسبیت عام خود شده بود. چیزی که می‌توانست چگالی و گرانش بینهایت داشته باشد! به عقیده انیشتین چنین چیزی نمی‌توانست تشکیل شود و در جهان به عنوان یک جسم حقیقی وجود داشته باشد. انیشتین معتقد بود باید مکانیزمی در طبیعت وجود داشته باشد که از شکل‌گیری این اجسام جلوگیری کند. اما امروز میدانیم که انیشتین اشتباه می‌کرد و مکانیزمی برای جلوگیری از تشکیل این اجسام وجود ندارد؛ زیرا هم اکنون هزاران مورد از این اجسام را در داخل و خارج از کهکشانمان یافته‌ایم! این اجسام "سیاهچاله"ها هستند (تصویر شماره 1 و فیلم سیاهچاله). پست کامل در مورد چگونگی شکل گیری سیاهچاله در بین پست‌های قبلی کانال وجود دارد. اما به طور کلی سیاهچاله جسمی در فضاست که چگالی بینهایت و گرانش بینهایت دارد. مرکز یک سیاهچاله، نقطه‌ای به نام #Singularity (#تکینگی) است که به دلیل پدیده اتساع زمان گرانشی، زمان در نقطه تکینگی مطلقاً وجود ندارد و اصلاً نمی‌گذرد. تکینگی نقطه‌ای از فضا با طول، عرض و ارتفاع صفر (به گفته دانشمندان نظریه نسبیت، مطلقاً صفر و به گفته دانشمندان نظریه کوانتوم، عدد بسیار کوچک و نزدیک به صفر) که تمام جرم سیاهچاله در آن نقطه متمرکز شده است و باعث ایجاد چگالی بینهایت و در نتیجه گرانش بینهایت می‌شود. کره‌ای به مرکز تکینگی به نام #Event_Horizon (#افق_رویداد) وجود دارد که شعاع آن برابر با فاصله‌ای از تکینگی است که در آن فاصله سرعت مورد نیاز یرای فرار از گرانش، برابر با سرعت نور است (تصویر شماره 2 و 3). یعنی برای فرار از گرانش سیاهچاله، در بیرون از افق رویداد به سرعتی کمتر از نور، دقیقاً روی مرز افق رویداد به سرعتی برابر با نور و در درون افق رویداد به سرعتی بیشتر از نور نیاز داریم. از آنجا که پس از رد شدن از افق رویداد دیگر سرعت نور نیز برای فرار از گرانش کافی نیست، پس هیچ چیز حتی خود نور نیز نمی‌تواند از درون افق رویداد به بیرون بازگردد. از نظر تئوری، هر چیزی می‌تواند تبدیل به سیاهچاله شود. فقط کافیست که جرم آن را ثابت نگه داریم و حجمش را کم کنیم. یعنی با فشرده کردن جرم هر چیزی در فضایی کوچک، می‌توان آن را تبدیل به یک سیاهچاله کرد. اولین بار شخصی به نام #شوارتزشیلد کشف کرد که هر جسمی دارای شعاعی است که اگر تمام جرم آن جسم را درون آن شعاع فشرده کنیم، جسم تبدیل به سیاهچاله می‌شود. به این شعاع، #شعاع_شوارتزشیلد می‌گویند (تصویر شماره 4).
اما ریاضیات نسبیت عام به ما می‌گوید که چیز عجیب دیگری نیز باید وجود داشته باشد. چیزی که بدون آن، مفهوم سیاهچاله به نوعی ناقص است. چیزی که هنوز به طور تجربی مشاهده نشده است. چیزی به نام #سفید_چاله. سفید چاله دقیقاً برعکس سیاهچاله عمل می‌کند. سفید چاله دافعه گرانشی شدیدی دارد و دارای تکینگی و افق رویداد است. هیچ چیز نمی‌تواند از افق رویداد سیاهچاله بیرون بیاید اما افق رویداد سفید چاله کاملاً برعکس است. هیچ چیز نمی‌تواند وارد آن شود! سفید چاله‌ها فقط یک راه حل ریاضی هستند و ممکن است اصلاً وجود فیزیکی نداشته باشند، اما اگر سفید چاله‌‌ها واقعاً وجود داشته باشند، انتظار می‌رود که تکینگی هر سفید چاله‌ای، به تکینگی یک سیاهچاله متصل باشد (تصویر شماره 5) و هر چیزی که سیاهچاله به درون خود می‌کشد، از سفید چاله به بیرون پرتاب شود. وجود سفید چاله و رابطه بین آن با سیاهچاله، اولین بار به طور مشترک توسط آلبرت #انیشتین و ناتان #روزن از معادلات استخراج شد. به رابطه میان سیاهچاله و سفید چاله (یعنی بلعیده شدن ماده توسط سیاهچاله و بیرون ریخته شدن آن توسط سفیدچاله) "#کرمچاله" یا "پل انیشتین-روزن" گفته می‌شود (تصویر شماره 6)

@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language

تصویر شماره 1

@Cosmos_language

فیلم سیاهچاله

@Cosmos_language

تصویر شماره 2

@Cosmos_language

تصویر شماره 3

@Cosmos_language

تصویر شماره 4

@Cosmos_language

تصویر شماره 5

@Cosmos_language

تصویر شماره 6

@Cosmos_language

نظریه #نسبیت

قسمت هشتم: #کرمچاله‌

از نظر تئوری، کرمچاله‌ها تونلی در فضا-زمان هستند که با خم کردن فضا-زمان، امکان سفر در مکان و زمان را محیا می‌کنند. اما در واقعیت کمی پیچیده‌تر از این است. اگر پس از باز شدن یک کرمچاله‌ کوچک‌ترین ماده‌ای حتی یک تک ذره بنیادی وارد آن شود، بلافاصله کرمچاله از بین می‌رود و این مشکلی بزرگ برای سفر از طریق کرمچاله است. برای باز نگه داشتن کرمچاله و جلوگیری از فروپاشی آن انرژی بسیار زیادی نیاز است تا یک جسم بتواند سالم و سلامت از داخل آن رد شود و کرمچاله دچار فروپاشی نشود. علاوه بر اینکه مقدار بسیار زیادی انرژی برای این کار لازم است، نوع این انرژی نیز متفاوت است. انرژی معمولی نمی‌تواند کرمچاله را باز نگه دارد و برای این کار نیاز به انرژی منفی داریم. این نوع انرژی از نظر تئوری وجود دارد اما تا تولید آن راه درازی در پیش است. اما اخیراً دکتر "لوک بوچر" از دانشگاه کمبریج، نظریه‌ای را مطرح کرده است که می‌گوید اگر کرمچاله‌‌ای بسیار طولانی‌تر از ضخامتش باشد، انرژی پایه‌ای خلأ که به "انرژی کازیمیر" معروف است می‌تواند طول عمر کرمچاله را بسیار بیشتر از حد طبیعی آن کند. اما باز هم طول عمرشان آنقدر بالا نمی‌رود که شخصی یا ماده‌ای بتواند از درون آن رد شود و تنها می‌توان پالس‌های الکترومغناطیسی را از درون آن‌ها منتقل کرد.
"#کف_کوانتومی" یکی از اثرات #گرانش_کوانتومی است که تنها در مقیاس‌های طولی بسیار کوچک از مرتبه #طول_پلانک خود را نشان می‌دهد (تصویر شماره 1). این کف شبکه‌ای فرضی از کرمچاله‌هایی است که مدام به وجود می‌آیند و از بین می‌روند و قوانین حاکم بر آن‌ها، قوانین گرانش کوانتومی است که درک ما از آن تقریباً صفر است! این کف ماهیتی احتمالاتی دارد، یعنی در هر لحظه‌ای احتمال مشخصی وجود دارد که این کف شکل مشخصی داشته باشد و احتمال دیگری است که در همان لحظه شکل و فرم دیگری داشته باشد و این احتمال‌ها مدام در تغییر هستند و این کف واقعا کوچک است؛ طول معمول برای کرمچاله‌ای در این مجموعه آن چیزی است که از آن به نام "طول پلانک" یاد می‌شود یعنی معادل یک صدم یک میلیاردم یک میلیاردم هسته‌ی یک اتم! امیدواریم بتوانیم راهی بیابیم تا این کرمچاله‌های کوانتومی را رشد دهیم تا به اندازه‌ای در بیایند که یک انسان یا حتی یک سفینه بتواند از آن عبور کند. کرمچاله‌ها علاوه بر اینکه با ایجاد خمیدگی در فضا-زمان باعث از بین رفتن فاصله بین دو نقطه A و B می‌شوند (حتی اگر A و B میلیاردها سال نوری از هم دور باشند) و امکان سفر بین دو نقطه دلخواه از فضا را در کسری از ثانیه فراهم می‌کنند، امکان انجام #سفر_در_زمان نیز دارند. پس اگر روزی بشر بتواند راهی برای تولید و باز نگه داشتن کرمچاله‌ها پیدا کند می‌تواند در کسری از ثانیه به هر مکانی در جهان یا هر زمانی از عمر کیهان سفر کند (البته در مورد سفر به کذشته، به علت تناقض‌های ذاتی و پیچیدگی‌های خاص، بین دانشمندان بحث‌های بر سر امکان یا عدم امکان آن وجود دارد). اما کاربرد کرمچاله‌ها فقط محدود به جهان خودمان نمی‌شود! از طریق کرمچاله‌ها می‌توان حتی به جهان‌های دیگر نیز تونل زد و در صورتی که جهانمان غیر قابل سکونت شود، می‌توانیم با استفاده از کرمچاله به جهان دیگری مهاجرت کنیم (سکانس عبور از کرمچاله فیلم #Interstellar).

@Cosmos_language
https://telegram.me/Cosmos_language

تصویر شماره 1

@Cosmos_language