متنوع

طفل أينشتاين: كيف استقرت النسبية بمرور الوقت؟

طفل أينشتاين: كيف استقرت النسبية بمرور الوقت؟

ألبرت أينشتاين (1879 - 1955) هو ما يمكن أن نطلق عليه "اسم العائلة" ، ولسبب وجيه. بفضل المساهمات الهائلة التي قدمها في مجالات علمية متعددة على مدار حياته ، أصبح اسم أينشتاين نفسه مرادفًا للعبقرية.

صورة العالم ذو الشعر الأبيض مع الموقف الغريب ، هذا بسببه أيضًا. حتى أولئك الذين ليسوا على دراية جيدة بالفيزياء أو علم الكونيات أو ميكانيكا الكم من المرجح أن يتعرفوا على مصطلح النسبية (أو المعادلة الأنيقة E = mc²).

ذات صلة: نظرية أينشتاين للنسبية العامة لا تزال قائمة حتى الآن

يمكن القول إن هذه النظرية ، التي أحدثت ثورة في فهمنا للكون ، هي مساهمة أينشتاين الأكثر عمقًا واستمرارية. وعلى الرغم من اقتراح النسبية منذ أكثر من قرن من الزمان ، إلا أنها لا تزال قيد الاختبار والتحقق منها حتى يومنا هذا. ولكن اولا، خلفية صغيرة...

ربما يكون ما هو أقل شهرة هو حقيقة أن أينشتاين لم يصوغ مصطلح النسبية. يعود الفضل في ذلك إلى Galileo Galilee (1564-1642) الذي اقترح المفهوم (المعروف أيضًا باسم Galilean Invariance) كطريقة للدفاع عن نموذج مركزية الكون للكون.

سفينة جاليليو

كجزء من ترويجه لنموذج مركزية الشمس ، جادل جاليليو بأن قوانين الحركة هي نفسها في جميع إطارات القصور الذاتي. أصبح هذا معروفًا باسم النسبية الجليل (أو الثبات) ، والتي يتم تلخيصها على النحو التالي:

"[أ] راصدان يتحركان بسرعة واتجاه ثابتين فيما يتعلق ببعضهما البعض سيحصلان على نفس النتائج لجميع التجارب الميكانيكية."

وصف هذا المبدأ لأول مرة في أطروحته عام 1632 حوار حول النظامين العالميين الرئيسيين، والذي كان دفاعه عن نموذج مركزية الشمس لكوبرنيكوس. للتوضيح ، استخدم مثالًا لسفينة تسير بسرعة ثابتة على مياه ناعمة.

يرى جاليليو أنه لن يكون واضحًا ما إذا كانت السفينة تتحرك أم ثابتة ، إلى مراقب أسفل السطح. علاوة على ذلك ، إذا قام الشخص الموجود على سطح السفينة بإسقاط كرة على قدمه ، فيبدو أنها تسقط مباشرة لأسفل (في حين أنها في الواقع ستسافر للأمام بالسفينة عند سقوطها).

كانت هذه الحجة وسيلة لإظهار كيف يمكن أن تتحرك الأرض عبر الفضاء (أي تدور حول الشمس) ، لكن المراقبين الواقفين على سطحها لن يكونوا على علم بها على الفور.

وبالمثل ، يُقال أيضًا إن جاليليو أجرى تجارب على الأجسام المتساقطة حيث أسقط كرات ذات كتلة مختلفة من برج بيزا المائل.

بينما يُعتقد أن هذه القصة ملفقة ، لاحظ جاليليو أن الأجسام ذات الكتل المختلفة ستنخفض باتجاه الأرض بنفس السرعة عند إطلاقها من نقطة مرتفعة.

كان هذا مخالفًا للاعتقاد (الأرسطي) التقليدي بأن السرعة التي يسقط بها الجسم تعتمد على كتلته. أضاف جاليليو أيضًا أن الأجسام ستحتفظ بسرعتها ما لم تعيق قوة خارجية تلك السرعة.

ستستمر هذه الملاحظات في إلهام العالم الموسوعي البريطاني إسحاق نيوتن ، الذي سيلخص هذه الملاحظات بشكل جميل في نظام واحد سيظل اتفاقية مقبولة لعدة قرون (تُعرف فيما بعد باسم الفيزياء النيوتونية).

تفاحة نيوتن

خلال أواخر القرن السابع عشر ، استخدم السير إسحاق نيوتن (1642 - 1726/27) هذا المبدأ وملاحظات جاليليو حول الجاذبية لتطوير قوانين الحركة الثلاثة وقانون الجاذبية الكونية. تنص القوانين الثلاثة على أن:

  1. الجسد الساكن سيبقى في حالة راحة ، والجسد المتحرك سيبقى في حالة حركة ، ما لم تتصرف به قوة خارجية غير متوازنة. يشار إلى هذا على أنه قانون القصور الذاتي.
  2. القوة تساوي الكتلة مضروبة في التسارع ، معبرًا عنها رياضيًا كـ f (t) = m ⋅ a (t) - حيث f هي القوة ، t هي الوقت ، m كتلة ، و a تسارع.
  3. لكل فعل في الطبيعة يوجد رد فعل مساوٍ ومعاكس - على سبيل المثال إذا مارس الكائن A قوة على الكائن B ، فإن الكائن B أيضًا يمارس قوة مساوية على الجسم A.

وسعت قوانين نيوتن الثلاثة بشكل فعال قوة الجاذبية إلى ما وراء الأرض وجادلت بأن نفس القوة التي تسبب سقوط التفاحة من الشجرة تؤدي أيضًا إلى دوران القمر حول الأرض ، وتدور الكواكب حول الشمس.

في غضون ذلك ، يخبرنا الجاذبية الكونية أن كل جسم في الكون يجذب أجسامًا أخرى بقوة تتناسب طرديًا مع ناتج كتلها وتتناسب عكسًا مع مربع المسافة بينهما.

رياضيا ، يتم التعبير عن هذا كـ F = G م1م2/ ص² ، أين F هي قوة الجاذبية بين جسمين ، م1 و م2 هي كتل الأشياء ، ص هي المسافة بينهما ، و جي هو ثابت الجاذبية.

تحتوي هذه النظريات دائمًا على استنتاجين حول طبيعة المكان والزمان. الأول ، أن الإطار بالقصور الذاتي هو نقطة مرجعية إلى "الفضاء المطلق". ثانيًا ، أن جميع إطارات القصور الذاتي تشترك في وقت عالمي. بمعنى آخر ، الزمان والمكان مطلقان ومنفصلان.

لم تواجه الفيزياء النيوتونية أي مشاكل خطيرة حتى أواخر القرن التاسع عشر / أوائل القرن العشرين. بفضل الاكتشافات العديدة التي تم إجراؤها في مجال الفيزياء الذرية ودون الذرية ، أصبحت طبيعة المادة والطاقة والزمان والمكان موضع تساؤل.

في النهاية ، كان الفيزيائي النظري الذي يعيش في سويسرا (ويعمل في مكتب براءات الاختراع) هو الذي سيقدم نظرية من شأنها أن تثبت أنها ثورية. لم يكن هذا سوى ألبرت أينشتاين ، الذي جاءت نظريته في النسبية في جزأين.

الأول ، نظريته في النسبية الخاصة ، تناولت الكهرومغناطيسية وسلوك الضوء (فيما يتعلق بالمكان والزمان). الثاني ، النسبية العامة ، تناول مجالات الجاذبية (فيما يتعلق بالمكان والزمان).

النسبية الخاصة

في عام 1905 ، اختبر أينشتاين ما أسماه annus mirabilis ("العام المعجزة") الذي نشر فيه العديد من الأوراق الرائدة أثناء عمله في مكتب براءات الاختراع في برن ، سويسرا.

قبل ذلك ، كان العلماء يتصارعون مع التناقضات الموجودة بين فيزياء نيوتن والقوانين التي تحكم الكهرومغناطيسية (جزء من المجال الناشئ لميكانيكا الكم).

تميزت هذه الأعمال بعمل الفيزيائيين التاسع عشر والعشرين جيمس كليرك ماكسويل (1831-1879) وهندريك أنطون لورنتز (1853-1928) - على وجه التحديد ، معادلات ماكسويل وقانون قوة لورنتز.

معادلات ماكسويل هي مجموعة من المعادلات التفاضلية التي توفر نموذجًا رياضيًا لكيفية تصرف الكهرباء والمغناطيسية والظواهر ذات الصلة. في جوهرها ، يعبرون عن كيفية انتشار المجالات الكهربائية والمغناطيسية المتقلبة بسرعة ثابتة (ج) في الفراغ.

من ناحية أخرى ، تصف قوة لورنتز القوة الكهرومغناطيسية المؤثرة على جسيم مشحون أثناء تحركه عبر مجال كهربائي ومغناطيسي. في حين أن مجالات البحث هذه تصف بدقة كيفية تصرف الموجات الكهربائية والمغناطيسية ، إلا أنها لم تكن متوافقة مع الفيزياء النيوتونية - التي كانت لا تزال سائدة في ذلك الوقت.

كانت هذه التناقضات واضحة بشكل خاص عندما يتعلق الأمر بكيفية انتقال الضوء من نقطة أو أخرى. بحلول القرن التاسع عشر ، تمكن العلماء من حساب سرعة الضوء بناءً على تجارب باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية.

أدى ذلك إلى إدراك أن الضوء كان ، في الواقع ، موجة كهرومغناطيسية ويتصرف بالمثل. لسوء الحظ ، قدم هذا عددًا من المشكلات النظرية. مثل أي نوع آخر من الموجات (مثل الصوت) ، فإن الظواهر تحتاج إلى وسيط لتنتشر.

بحلول الافتتاح بحلول القرن العشرين ، كان الإجماع العلمي هو أن الضوء ينتقل عبر وسط متحرك في الفضاء ، وبالتالي تم جره على طول هذا الوسط. من أجل تفسير ذلك ، افترض العلماء أن الفضاء كان مليئًا بـ "الأثير المضيء" الغامض.

باختصار ، هذا يعني أن سرعة الضوء - 299،792،458 م / ث (300،000 كم / ث ، 186،000 م / ث) - كانت مجموع سرعته عبر الأثير زائد سرعة هذا الأثير. بمعنى آخر ، لم تكن سرعة الضوء (كما تم قياسها) مطلقة وتعتمد على الوسط الذي تستخدمه في الانتشار.

كانت نتيجة ذلك إما أن الأثير نفسه يمكن سحبه عن طريق تحريك المادة ، أو نقله معه. لسوء الحظ ، لم يكن هذا متسقًا مع النتائج التجريبية وقدم العديد من المشكلات النظرية.

على سبيل المثال ، قامت تجربة Fizeau Water Tube (1851) بقياس سرعة الضوء أثناء انتقاله عبر الماء. إذا كانت النظرية الحالية لانتشار الضوء صحيحة ، فقد أظهرت التجربة انخفاضًا ملحوظًا في السرعة.

وبينما أظهرت النتائج أن الضوء الذي ينتقل عبر وسط ما كان عرضة للسحب ، فإن التأثير لم يكن بالقدر المتوقع. أسفرت التجارب الأخرى عن نتائج مماثلة ، مثل فرضية فريسنل لسحب الأثير الجزئي وتجارب السير جورج ستوكس.

ترك هذا العلماء في حيرة من أمرهم. في عام 1905 ، عالج أينشتاين هذه التناقضات من خلال بحثه الأساسي ، "في الديناميكا الكهربائية للأجسام المتحركة " ("Zur Elektrodynamik bewegter Körper").

في ذلك ، جادل أينشتاين بأن سرعة الضوء (ج) في الفراغ ثابت ، بغض النظر عن الإطار المرجعي بالقصور الذاتي للمصدر أو المراقب. أصبح هذا معروفًا باسم نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين ، والتي غالبًا ما يتم تلخيصها بمعادلة بسيطة E = mc² (أين ه هي الطاقة ، م هو الكتلة و ج هي سرعة الضوء).

ستقلب هذه النظرية قرونًا من العقيدة العلمية وستكون رائدة بسبب بساطتها ، وكيف حلت التناقضات بين الكهرومغناطيسية والميكانيكا الكلاسيكية.

أولاً ، قامت بتسوية معادلات ماكسويل للكهرباء والمغناطيسية مع قوانين ميكانيكا نيوتن. كما أنها قامت بتبسيط الرياضيات عن طريق التخلص من التفسيرات الدخيلة وجعل وجود الأثير غير ضروري.

قدمت نظرية أينشتاين أيضًا فكرة أنه عندما اقترب الجسم من سرعة الضوء ، حدثت تغييرات كبيرة فيما يتعلق بالزمكان. يتضمن ذلك تمدد الوقت ، حيث يتباطأ إدراك الوقت للمراقب كلما اقترب منه ج.

كل هذا من شأنه أن يقلب الميكانيكا الكلاسيكية رأساً على عقب. بينما يعتقد التفكير التقليدي أن المادة والطاقة منفصلان ، اقترحت نظرية أينشتاين بشكل أساسي أن كلاهما كانا تعبيرين عن نفس الواقع.

بعبارة أخرى ، لا يمكن للمرء أن يتحرك في الفضاء دون أن يتحرك عبر الزمن أيضًا.

النسبية العامة

بين عامي 1907 و 1915 ، بدأ أينشتاين في التفكير في كيفية تطبيق نظريته في النسبية الخاصة على مجالات الجاذبية. كان هذا حجر عثرة آخر للعلماء المعاصرين ، الذين بدأوا يلاحظون أن قانون نيوتن للجاذبية العالمية له حدود.

هنا أيضًا ، لوحظ وجود تناقضات بفضل الاختراقات في مجال الكهرومغناطيسية. على سبيل المثال ، في عام 1865 ، نشر جيمس كليرك ماكسويل أعماله الرئيسية ، "نظرية ديناميكية للمجال الكهرومغناطيسي ".

في نهاية هذه الورقة ، أدلى بالتعليقات التالية حول الجاذبية:

"بعد تتبع تأثير الوسط المحيط كلاً من عوامل الجذب والتنافر المغناطيسية والكهربائية ، ووجدنا أنها تعتمد على المربع العكسي للمسافة ، فإننا بطبيعة الحال قادرين إلى الاستفسار عما إذا كانت جاذبية الجاذبية ، التي تتبع نفس القانون من المسافة ، لا يمكن عزوها أيضًا إلى عمل الوسط المحيط ".

ومع ذلك ، اعترف ماكسويل أن هذا أثار مفارقة. بشكل أساسي ، يعني جذب الأجسام المتشابهة أن طاقة الوسط المحيط ستنخفض في وجود هذه الوسائط. دون العثور على سبب للجاذبية ، اعترف ماكسويل أنه غير قادر على حل هذا.

في عامي 1900 و 1905 ، وضع لورنتز وعالم الرياضيات هنري بوانكاريه نظرية مفادها أن الجاذبية يمكن أن تكون مرتبطة بانتشار الضوء ، وهو ما ردد صدى ما يجادله أينشتاين في النهاية مع نظريته في النسبية العامة.

في عام 1907 ، نشر أينشتاين الأول في سلسلة من المقالات التي تسعى لحل هذه المشكلات. بعنوان "حول مبدأ النسبية والاستنتاجات المستخلصة منه"، تناول أينشتاين كيف يمكن أن تنطبق قاعدة النسبية الخاصة أيضًا على التسارع.

في هذه الورقة ، اقترح أينشتاين مبدأ التكافؤ ، والذي ينص على أن كتلة الجاذبية متطابقة مع كتلة القصور الذاتي. ولتوضيح ذلك أوضح أن تسارع الأجسام نحو مركز الأرض بمعدل 1 ز (ز = 9.81 م / ث2) يعادل تسارع الجسم المتحرك بالقصور الذاتي الذي يمكن ملاحظته على صاروخ في الفضاء الحر يتم تسريعه بمعدل 1ز. وبالتالي ، فإن السقوط الحر هو في الواقع قصور ذاتي ولا يختبر المراقب أي مجال جاذبية نتيجة لذلك.

في هذا الصدد ، جادل أينشتاين في أن المكان والزمان - الذي أكدت الفيزياء الكلاسيكية أيضًا أنهما منفصلان - كانا تعبيرين عن الشيء نفسه.

بحلول عام 1911 ، توسع أينشتاين في ورقته البحثية عام 1907 بورقة بحثية جديدة بعنوان "في تأثير الجاذبية على انتشار النور ". في هذا ، تنبأ أن الجسم الذي كان يتسارع بعيدًا عن مصدر الجاذبية سيختبر وقتًا أسرع من الجسم الذي كان جالسًا في مجال جاذبية غير متغير.

تُعرف هذه الظاهرة باسم تمدد زمن الجاذبية ، حيث يختلف إدراك الوقت اعتمادًا على مسافة المراقب من كتلة الجاذبية أو الموقع داخل مجال الجاذبية.

في نفس المقال ، تنبأ بانحناء الضوء في مجال الجاذبية والانزياح الأحمر الثقالي (المعروف أيضًا باسم انزياح دوبلر). الأول هو نتيجة لمبدأ التكافؤ ، حيث يتأثر مرور الضوء بانحناء الزمكان ويعتمد انحرافه على كتلة الجسم المعني.

يتعلق الأخير بالضوء الذي يترك جسمًا ضخمًا (مثل نجم بعيد أو مجرة) والذي يتم إزاحته بعد ذلك نحو الطرف الأحمر من الطيف بسبب فقدان الطاقة من أجل الهروب من حقول الجاذبية (المزيد حول ذلك أدناه).

كانت هذه الحجج مؤثرة بشكل خاص لأنه (على عكس ما جادله أينشتاين في عام 1907) يمكن التحقق منها من خلال الملاحظات الفلكية. استمر أينشتاين في كتابة العديد من الأوراق البحثية في السنوات القادمة موسعًا نظرياته عن الجاذبية ، وبحلول عام 1915 ، بدأ قبولها.

منذ ذلك الوقت ، تم تأكيد النسبية العامة من خلال تجارب متعددة وأصبحت مركزية في الفيزياء الفلكية الحديثة. سيلعب دورًا في تطوير نظريات الثقوب السوداء والتوسع الكوني والطاقة المظلمة والجوانب الأخرى لعلم الكونيات الحديث.

كيف تم اختبار (وتأكيد) النسبية؟

اجابة قصيرة: تسع طرق من الأحد!

اجابة طويلة: واصل القراءة...

تم اختبار كل من النسبية الخاصة (SR) والنسبية العامة (GR) مرارًا وتكرارًا على مدار القرن الماضي وتم تأكيدهما مرارًا وتكرارًا.

في الواقع ، حتى قبل أن يقترح أينشتاين نظريته في SR ، كان هناك أساس تجريبي لها (وهو ما دفعه في النهاية إلى تطوير نظريته). علاوة على ذلك ، لم يستغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن يتبنى العلماء نظرياته لتحقيق المزيد من الاختراقات.

ولكن في الحقيقة فقط في العقود التي انقضت منذ اقتراح النسبية ، تم فحص واختبار نظريات أينشتاين بدقة. في الواقع ، عزز الكثير مما تعلمه علماء الفلك عن كوننا منذ أن اقترح أينشتاين SR و GR نظرياته.

مقدمة عطارد للحضيض الشمسي

بالنسبة للمبتدئين ، حل GR مشكلة كان علماء الفلك يحاولون حلها منذ عام 1859 ، وهي الطبيعة الغريبة لمدار عطارد. لقرون ، اعتمد علماء الفلك على ميكانيكا نيوتن لحساب مدار عطارد حول الشمس.

في حين أن هذه الميكانيكا يمكن أن تفسر الانحراف المركزي لمدار الكوكب ، إلا أنها لا تستطيع تفسير سبب تحول النقطة التي وصل فيها عطارد إلى الحضيض (أبعد نقطة في مداره) حول الشمس بمرور الوقت.

عُرفت هذه المشكلة باسم "مقدمة الحضيض" عند عطارد ، والتي لم تكن منطقية وفقًا للفيزياء الكلاسيكية ، حيث تم إصلاح نقطة الحضيض في أي نظام ثنائي الجسم ، وفقًا لنيوتن.

تم اقتراح عدد من الحلول ، لكنها تميل إلى تقديم مشاكل أكثر مما تم حلها. ومع ذلك ، فإن نظرية أينشتاين عن GR - حيث يتم التوسط في الجاذبية من خلال انحناء الزمكان - تتفق مع المقدار الملحوظ من تحول الحضيض.

كانت تلك واحدة من أولى تنبؤات أينشتاين ، ولكنها بالتأكيد ليست الأخيرة ، والتي سيتم إثباتها. وفيما يلي بعض أكثر...

الثقوب السوداء وموجات الجاذبية

تتمثل إحدى تنبؤات الموارد الجينية في أن كتلة مضغوطة بدرجة كافية يمكن أن تشوه الزمكان إلى النقطة التي سيتوقف فيها الوقت داخل حدودها الخارجية (ويعرف أيضًا باسم أفق الحدث) وتصبح قوانين الفيزياء غير قابلة للتمييز عن بعضها البعض.

والنتيجة هي أن قوة الجاذبية ستتجاوز في الواقع سرعة الضوء ، مما يجعل هذه الكتلة المدمجة "الجسم الأسود" المثالي - مما يعني أنه لا يمكن لأي إشعاع كهرومغناطيسي (بما في ذلك الضوء) الهروب منه.

بينما كان العلماء قد وضعوا نظرية حول هذه الكتل من قبل ، كان كارل شوارزشيلد أول من اقترح وجود "ثقوب سوداء" كحل لـ GR. في عام 1916 ، قام بحساب نصف القطر الذي يجب أن تحققه الكتلة لتصبح ثقبًا أسود (يُعرف فيما بعد باسم شوارزشيلد راديوس).

لعقود من الزمان ، ظلت الثقوب السوداء تثير الفضول العلمي. ولكن بحلول الستينيات من القرن الماضي ، والتي يشار إليها غالبًا باسم "العصر الذهبي للنسبية العامة" ، بدأ البحث في الموارد الوراثية والظواهر الكونية في إظهار تأثير الثقوب السوداء.

بحلول سبعينيات القرن الماضي ، اكتشف علماء الفلك أن مصدرًا لاسلكيًا في مركز مجرة ​​درب التبانة (Sagittarius A *) يحتوي أيضًا على مكون مشرق ومضغوط للغاية. إلى جانب الملاحظات اللاحقة للبيئة المحيطة ، أدى ذلك إلى النظرية القائلة بأن Sag A * كان في الواقع ثقبًا أسود فائق الكتلة (SMBH).

منذ ذلك الحين ، لاحظ علماء الفلك أن معظم المجرات الضخمة لها نوى نشطة مماثلة تجعلها تتألق بشكل ساطع في موجات الراديو والأشعة تحت الحمراء والأشعة السينية وأشعة غاما. تم العثور على بعضها يحتوي على نفاثات من المواد شديدة الحرارة قادمة من نوىها والتي تمتد لملايين السنين الضوئية.

في عام 2016 ، أعلن علماء من مرصد موجات الجاذبية بالليزر (LIGO) أنهم قاموا بأول اكتشاف على الإطلاق لموجات الجاذبية. هذه الظاهرة ، التي تنبأت بها في الأصل GR ، هي في الأساس تموجات في الزمكان ناتجة عن أحداث كارثية.

يتضمن ذلك أحداثًا مثل الثقوب السوداء الثنائية أو اندماج النجوم النيوترونية ، أو اندماج الثقوب السوداء مع النجوم النيوترونية ، أو التصادم بين الأجسام المدمجة الأخرى. منذ عام 2016 ، تم اكتشاف أحداث متعددة لموجات الجاذبية.

في 10 أبريل 2019 ، أعلن المشروع العلمي التعاوني المعروف باسم Event Horizon Telescope (EHT) عن أول صورة مباشرة على الإطلاق لأفق الحدث المحيط بمركز SMBH - الموجود في قلب Messier 87.

الثابت الكوني والطاقة المظلمة

كانت النتيجة الأخرى للمعادلات الميدانية للنسبية هي أن الكون إما أن يكون في حالة توسع أو حالة تقلص. من الغريب أن هذا لم يكن جيدًا مع أينشتاين ، الذي فضل الاعتقاد بأن الكون ثابت ومستقر.

لمعالجة هذا الأمر ، تصور أينشتاين قوة من شأنها "كبح الجاذبية" ، وبالتالي ضمان عدم انهيار الكون على نفسه. وقد أطلق على هذه القوة اسم "الثابت الكوني" ، والذي مثله علميًا بالحرف لامبا (Λ).

ومع ذلك ، في عام 1929 ، حل عالم الفلك الأمريكي إدوين هابل المشكلة بفضل اكتشافه للمجرات المجاورة. بعد قياس الانزياح نحو الأحمر ، اكتشف أن غالبية المجرات في الكون كانت تبتعد عن مجراتنا.

باختصار ، كان الكون في حالة توسع ، أصبح معدله يُعرف باسم ثابت هابل. قبل أينشتاين بلطف الاكتشاف وادعى أن الثابت الكوني كان "أكبر خطأ" في حياته المهنية.

ومع ذلك ، بحلول التسعينيات ، كان علماء الفلك قادرين على إجراء أرصاد أبعد وأبعد في الكون (وبالتالي أبعد في الزمن). يبدو أن هذه الملاحظات تكشف أن معدل تمدد الكون يتزايد بالفعل.

وفقًا للنظرية الحالية ، من أقدم فترة يمكن ملاحظتها في الكون (حوالي مليار سنة بعد الانفجار العظيم) إلى حوالي عشرة مليارات سنة بعد الانفجار العظيم ، كانت الجاذبية تهيمن على الكون وتوسع ببطء.

ولكن منذ أربعة مليارات عام ، كانت الهياكل الكبيرة في الكون متباعدة بدرجة كافية بحيث أصبحت الطاقة المظلمة هي القوة المهيمنة وبدأ كل شيء يتحرك بشكل أسرع. تم العثور على قوة آينشتاين الغامضة التي "كبحت الجاذبية"!

دليل تجريبي على النسبية

منذ عام 1905 ، تم إجراء مئات التجارب ذات النطاق والتنوع المذهلين والتي أكدت SR. وشمل ذلك العديد من التجارب التي أكدت أن الضوء كان موحد الخواص (أي له نفس الخصائص عند قياسه في كل اتجاه).

وتشمل هذه التجربة Michelson-Morley Experiment (MMX) في عام 1887 ، والتي كانت تهدف إلى قياس سرعة الضوء في اتجاهات متعامدة باستخدام مقياس التداخل - وهو جهاز يتم فيه دمج مصدرين من مصادر الضوء لإنشاء نمط تداخل.

كان الغرض من هذا هو اكتشاف الحركة النسبية للمادة (في هذه الحالة ، الأرض) من خلال "الأثير المضيء". كانت التجربة فاشلة لأنها أظهرت عدم وجود فرق كبير بين سرعة الضوء في اتجاه مدار الأرض وسرعة الضوء في الزوايا القائمة.

أجريت تجارب مماثلة في أوائل القرن العشرين باستخدام أجهزة وأدوات مختلفة ذات حساسية متزايدة ، ولكن جميعها أنتجت نفس النتيجة (فارغة).

بحلول النصف الأخير من القرن العشرين ، أجريت تجارب باستخدام الليزر لقياس تماثل الضوء. تضمنت هذه التجارب قياس سرعة الضوء في اتجاه واحد وذهابًا وإيابًا واستخدام كلاً من الأجسام الثابتة والمتحركة.

مرة أخرى ، حصلت هذه التجارب على نتائج فارغة ، والتي تتوافق مع SR. بالمقارنة مع التجارب التي لا يمكن أن تؤكد وجود أو تأثير "الأثير" ، يظل حل أينشتاين الأكثر أناقة وشمولية حتى الآن.

من حيث النسبية العامة (GR) ، تم إجراء حملات مراقبة واسعة النطاق تظهر آثارها المتوقعة في العمل. على سبيل المثال ، في عام 2017 ، أظهر فريق من علماء الفلك الأوروبيين كيف أن عشرين عامًا من رصد القوس A * - الثقب الأسود الفائق الكتلة (SMBH) في مركز مجرتنا - أكد التنبؤات التي قدمها أينشتاين و GR.

باستخدام بيانات من التلسكوب الكبير جدًا (VLT) التابع للمرصد الأوروبي الجنوبي في تشيلي ، والتلسكوبات الأخرى ، راقبوا ثلاثة نجوم تدور حول القوس A * ولاحظوا تأثيرها على انحرافها.

ما وجدوه هو أن أحد النجوم (S2) يتبع مدارًا بيضاويًا بشكل خاص حول SMBH والذي يستغرق 15.6 عامًا لإكماله. في أقرب وقت لها ، تصل إلى مسافة 120 ضعف المسافة بين الشمس والأرض (120 AU). كانت هذه الانحرافات في المدار متوافقة مع الموارد الوراثية.

العدسة الجاذبية والانزياح الأحمر

بعد فترة وجيزة من اقتراح أينشتاين لنظريته حول كيفية تصرف الزمكان في وجود مجال الجاذبية ، سنحت فرصة لاختباره. في عام 1919 ، علم علماء الفلك أن كسوفًا كليًا للشمس سيحدث في 29 مايو ، مما أتاح فرصة.

حث آينشتاين وعالم الفلك الألماني إروين فينلي-فروندليش العلماء من جميع أنحاء العالم على اختبار GR من خلال قياس انحراف الضوء خلال هذا الحدث.

قبل السير آرثر إدينجتون ، عالم الفلك البريطاني ومحاور العلوم والذي كان بارعًا في شرح مفاهيم مثل النسبية ، التحدي وقام برحلة استكشافية إلى جزيرة برينسيبي (قبالة ساحل غينيا الاستوائية ، إفريقيا).

أثناء الكسوف ، تم حجب أشعة الشمس بسبب وجود القمر ، مما جعل النجوم من حوله مرئية. التقط إدينجتون صورًا لهذه النجوم وأكد أن مسار ضوءها قد تغير بسبب تأثير الجاذبية للشمس.

في السابع من نوفمبر عام 1919 ، الأوقات نشر نتائج حملته تحت عنوان: "ثورة في العلوم - نظرية جديدة للكون - أفكار نيوتونية تمت الإطاحة بها".

هذا التأثير ، حيث يتأثر مرور الضوء بجسم كبير ، أدى إلى ظهور الطريقة المعروفة باسم "عدسة الجاذبية". يتضمن ذلك الاعتماد على وجود جرم سماوي كبير (نجوم ، مجرات ، عناقيد مجرية ، ثقوب سوداء ، إلخ) لمراقبة الأشياء الموجودة خلفها.

في الواقع ، وجد علماء الفلك أنه عندما يكون هناك محاذاة شبه مثالية بين مصدر الضوء وعدسة الجاذبية والمراقب ، يتشوه الضوء إلى حلقة - والتي يشار إليها الآن باسم "حلقة أينشتاين".

وقد لوحظ هذا التأثير بانتظام من قبل علماء الفلك ، خاصة مع نشر التلسكوبات الفضائية مثل هابل. مثال جيد على ذلك حدث في عام 2018 ، حيث استخدم فريق من العلماء الدوليين مجموعة مجرات لمشاهدة أبعد نجم فردي تم رصده على الإطلاق (يُدعى إيكاروس ، يقع على بعد 9 مليارات سنة ضوئية).

دليل آخر يؤكد النسبية العامة هو الطريقة التي يتم بها تمدد الإشعاع الكهرومغناطيسي من خلال وجود مجال الجاذبية. هذه هي الظاهرة المذكورة آنفًا والمعروفة باسم "الانزياح الأحمر" ، حيث يؤدي تأثير مجال الجاذبية إلى زيادة الطول الموجي للضوء.

بعبارة أخرى ، يتم إزاحة الضوء المنبعث من جسم سماوي بعيد (نجم ، أو مجرة ​​، أو عنقود مجري) باتجاه النهاية الحمراء للطيف. يتم بعد ذلك استخدام مدى الانزياح نحو الأحمر لحساب مدى تأثير مجال الجاذبية عليه.

يستخدم الانزياح الأحمر أيضًا على نطاق واسع لقياس المعدل الذي يتوسع به الكون منذ أن تمدد الضوء القادم من المجرات البعيدة بفعل الفضاء المتداخل بين مصدر الضوء والمراقب.

ومع ذلك ، فقد تم استخدامه أيضًا كطريقة لاختبار الموارد الوراثية ؛ على وجه الخصوص ، عند مراقبة سلوك الضوء في وجود ثقب أسود. ومن الأمثلة الجيدة على ذلك أيضًا الملاحظات التي تم إجراؤها لنجم يدور حول القوس A *.

يتكون الفريق المسؤول من أعضاء تعاون GRAVITY ، الذين استخدموا VLT لمراقبة S2 أثناء مروره أمام الثقب الأسود - والذي حدث في مايو 2018. في أقرب نقطة في مداره ، كان النجم داخله. 20 مليار كيلومتر (12.4 مليار ميل) من SMBH وتتحرك بمعدل ثلاثة بالمائة تقريبًا من سرعة الضوء.

تماشيًا مع GR ، لاحظ الفريق انزياحًا أحمر جاذبيًا أدى إلى زيادة حدّة كلما اقترب S2 من القوس A *. شد مجال الجاذبية الشديد للثقب الأسود الطول الموجي لضوء النجم وجعله يتجه نحو النهاية الحمراء للطيف.

عندما بدأ أينشتاين حياته المهنية كعالم فيزياء نظرية ، كان يدخل عالمًا على وشك الثورة. تم التشكيك في الاتفاقيات القديمة بسبب التناقضات مع الاكتشافات الجديدة التي قدمت جميع أنواع المشاكل.

عندما وافته المنية ، ترك أينشتاين وراءه إرثًا لا مثيل له تقريبًا في تاريخ العلم. قدم توليفًا للنظريات القديمة والجديدة وخلق فهمًا جديدًا لكيفية تفاعل الزمكان والمادة والطاقة.

علاوة على ذلك ، كان رائدًا في الاختراقات التي من شأنها أن تؤدي إلى المزيد من الثورات في العلوم. واليوم ، بعد مرور أكثر من مائة عام ، ما زالت نظرياته صامدة وتستمر في إثراء فهمنا للكون.

  • ويكيبيديا - النسبية العامة
  • ناسا - قوانين نيوتن للحركة
  • ناسا - 100 عام من النسبية العامة
  • ويكيبيديا - اختبارات النسبية العامة
  • جامعة سانت أندروز - النسبية العامة
  • علماء جدد - خبير فوري: النسبية العامة
  • مركز الفيزياء - النسبية الجليل وسفينة جاليليو
  • المرصد التربوي - أسس التجربة للنسبية الخاصة


شاهد الفيديو: لغز اينشتاين الذي حير العالم لا يستطيع حله سوى 2% من البشر! (ديسمبر 2021).