تعتبر نظرية النسبية العامة هي لبنة أساسية في الفيزياء الحديثة، وهي تشرح الجاذبية بناءً على الطريقة التي يمكن بها للفضاء أن “ينحني”، وهي تربط بين قوة الجاذبية والهندسة المتغيرة للزمكان.
النسبية العامة هي في الأساس نظرية الجاذبية، والفكرة الأساسية فيها أنه بدلاً من أن تكون قوة غير مرئية تجذب الأشياء إلى بعضها البعض، فإن الجاذبية هي انحناء أو تشويه للفضاء، كلما زاد حجم الجسم، زاد تشوه المساحة المحيطة به.
على سبيل المثال الشمس ضخمة بما يكفي لتشوه الفضاء عبر نظامنا الشمسي، وهي تشبه إلى حد ما الطريقة التي تلتوي بها كرة ثقيلة على لوح مطاطي، نتيجة لذلك تتحرك الأرض والكواكب الأخرى في مسارات منحنية (مدارات) حولها.
استقر ألبرت أينشتاين على نظريته “العامة” في عام 1915، بعد عقد من توصله إلى نظرية النسبية “الخاصة” التي طبقت سرعة الضوء العالمية على افتراض أن قوانين الفيزياء تظل كما هي داخل أي إطار مرجعي معين.
عندما حاول أينشتاين تطبيق الكتل المتسارعة على نظريته الخاصة، أدرك أن الأشياء ذات الكتلة يجب أن تؤثر بطريقة ما على الأبعاد المحيطة (الزمكان) بطريقة يبدو أن الجسم يتصرف كما لو كان قادرًا على جذب كتل أخرى.
كما لو أن المادة تثقل كاهل نسيج الزمكان الذي تجلس فيه، مما يخلق “منحنيًا ” يتسبب في انزلاق مادة أخرى قريبة نحوه.
المعادلات الرياضية لنظرية النسبية العامة لأينشتاين التي تم اختبارها مرارًا وتكرارًا هي حاليًا الطريقة الأكثر دقة للتنبؤ بتفاعلات الجاذبية، لتحل محل تلك التي طورها إسحاق نيوتن قبل عدة قرون.
بقدر ما النسبية العامة مفيدة، ليس لدينا حتى الآن نظريات مكافئة في نظريات المجال الكمي بسبب عدم التوافق الكبير، على سبيل المثال، تمتلك ميكانيكا الكم طرقًا لأخذ مفاهيم مثل اللانهاية في الاعتبار، ولكن إذا حاولنا فعل الشيء نفسه مع النسبية العامة، فإن الرياضيات تؤدي إلى تنبؤات لا معنى لها. ويظل تطوير “نسخة” فيزياء الكم للنسبية العامة هدفًا مستمرًا للفيزياء الحديثة.
انحناء الزمكان يجبر الكواكب على الدوران في شكل قطع ناقص مفتوحة تدور. يكون هذا التأثير أكثر وضوحًا كلما اقترب الكوكب من الشمس، وهذا يفسر سبب ملاحظة هذه التأثيرات لأول مرة في مدار عطارد.
انحناء الزمكان يعني أن مسار الضوء ينحرف حول الأجسام الضخمة. يُعرف هذا التأثير باسم عدسة الجاذبية، ويمكن أن يؤثر على شكل مخروط الضوء للحدث، مما يسمح للضوء بالانتقال إلى مناطق محظورة سابقًا.
تعمل عدسة الجاذبية على تكبير الصورة وإشراقها، كما يمكن أيضًا عرض نفس الصورة أكثر من مرة حيث ينحرف الضوء في اتجاهات مختلفة. أظهر إدينجتون أن الضوء ينحرف حول الشمس في عام 1919.
عندما تتحرك الأجسام الضخمة عبر الزمكان، فإنها تغير انحناءها وسيتبدد هذا التغيير من الأجسام بسرعة الضوء، مما يخلق ” تموجات ” في الزمكان مثل التموجات على البركة. تُعرف هذه التموجات بموجات الجاذبية.
اكتشف العلماء في LIGO (مرصد مقياس التداخل بالليزر لموجات الجاذبية) بالتعاون العلمي و Virgo Collaboration دليلًا على موجات الجاذبية من زوج من الثقوب السوداء المدمجة في عام 2016.
نظام نجمي ثنائي يحتوي على نجمين نيوترونيين. تخلق النجوم النيوترونية منحنيات في الزمكان بينما تدور حول بعضها البعض، وتتبدد هذه المنحنيات بسرعة الضوء، مما يؤدي إلى تكوين موجات.
تحدث الثقوب السوداء عندما يصبح جسم ما ضخمًا لدرجة أنه حتى الضوء لا يمكنه الهروب من بئر الجاذبية. نحن نعلم الآن أن الثقوب السوداء الهائلة تتواجد في مركز معظم المجرات، بما في ذلك مجرتنا. هذه كتلة الشمس بملايين المرات.
كلما زاد حجم الجسم، زاد انحناء الزمكان، وزاد انحدار بئر الجاذبية. عندما يكون الجسم ضخمًا لدرجة أنه حتى الضوء، الذي ليس له كتلة، لا يمكنه الهروب من البئر، يُعرف الجسم باسم “الثقب الأسود”.
إذا كانت الكتلة منحنية الفضاء، فإنها ستؤدي أيضًا إلى انحناء الوقت، وفي عام 1949 اقترح عالم الرياضيات النمساوي كورت جودل أن السفر عبر الزمن ممكن لأن المنحنيات المغلقة التي تشبه الزمن يمكن أن تحدث.
هذه هي المناطق التي يكون فيها الوقت منحنيًا بحيث يجد المراقب نفسه في وقت مبكر. السفر عبر الزمن ينتهك مفهومنا عن السببية، ولذا لا يزال هناك الكثير من الجدل حول ما إذا كان ذلك ممكنًا.
بحلول عام 1907 توقع أينشتاين بالفعل أن الجاذبية ستخلق تأثيرًا مشابهًا لتأثير دوبلر. توقع أينشتاين أنه من وجهة نظر المراقب الثابت، سيظهر الضوء على أنه انزياح أحمر بينما يتحرك نحو قوة جاذبية قوية. يتوافق هذا التغيير مع حقيقة أن الوقت يبدو أنه يعمل بشكل أبطأ للمراقبين في مجال جاذبية أقوى.
يرتبط الوقت “المناسب” أو الوقت الثابت ( t ) بالوقت النسبي المقاس بشيء يتحرك باتجاه أو بعيدًا عن مجال الجاذبية ( t rel).
Δ ر rel =Δ ر√1 -2 جرامRC 2
وقد لوحظ تمدد زمن الجاذبية لأول مرة في عام 1971 عندما طار الفيزيائيان الأمريكيان جوزيف هافيل وريتشارد كيتنغ أربع ساعات ذرية مرتين حول العالم على متن طائرة تجارية، ثم قارنوا وقتهم بالساعات المتبقية على الأرض.
يجب أن تأخذ جميع أنظمة الملاحة عبر الأقمار الصناعية بما في ذلك أنظمة تحديد المواقع العالمية (GPS) آثار تمدد وقت الجاذبية في الاعتبار، يعني تمدد زمن الجاذبية أن الضوء يظهر أكثر احمرارًا أثناء تحركه نحو مجال الجاذبية.
اقترح أينشتاين أن النسبية العامة تدحض فكرة نيوتن بأن المكان والزمان موجودان بشكل مستقل عن المادة والطاقة كنوع من المواد، مشيرًا إلى أن النسبية العامة “تزيل آخر بقايا الموضوعية المادية من المكان والزمان”.
هذا لأن الزمكان بشكل عام لم يعد يعتبر خلفية تحدث فيها الأحداث. بدلاً من ذلك، يتأثر الزمكان بما يحتويه ويتم وصف جميع الأحداث التي يمكن ملاحظتها بواسطة موتر متري ولكن لا يوجد نظام إحداثيات فريد.
يعني الاختيار تعسفي أنه يمكن وصف الشكل الفعلي للزمكان بعدة طرق مختلفة تعطي جميعها نفس النتائج التي يمكن ملاحظتها. لا توجد تجربة يمكن أن تميز بينهما. إذا كان الزمكان مادة حقيقية، فمن المفترض أن يختار أحد هذه الأشكال وهذا يؤدي إلى حجة “الثقب”.
توضح حجة الثقب أنه إذا قبلت أن أنظمة الإحداثيات تمثل الطبيعة الحقيقية للزمكان، فلا يوجد سبب لعدم وجود “ثقب”، حيث يتبع الزمكان فجأة نظام إحداثيات آخر.
لا توجد طريقة لتحديد متى ستظهر فجوة لأن كلا النظامين متطابقان من الناحية الملاحظة، ولذا يجب على مؤيدي الزمكان المطلق أن يقبلوا أن النسبية العامة تمتلك نفس عدم اليقين الموضوعي مثل ميكانيكا الكم. إذا أزلنا فكرة أن الزمكان مطلق، فلن نواجه هذه المشكلة.
بالنسبة لأينشتاين كانت النتيجة المذهلة للنسبية العامة هي إظهارها أن شكل الكون يعتمد على كثافة طاقته. هذا يعني أنه إذا لم يتم توزيع كل الكتلة في الكون بشكل كافٍ، فسوف يقع كل شيء في النهاية على نفسه، وسينتهي الكون بـ “أزمة كبيرة”.
ابتكر أينشتاين الثابت الكوني لموازنة هذه القوة وخلق كون ثابتًا.
في عام 1922، أظهر عالم الرياضيات الروسي ألكسندر فريدمان أنه من الممكن أيضًا أن الكون يتمدد. يمكن أن يحدث هذا إذا بدأ بكثافة ودرجة حرارة عالية جداً. إذا كان الأمر كذلك، وإذا كانت الكتلة موزعة بشكل متقطع جدًا، فستستمر المادة في التفكك إلى الأبد.
أثبت إدوين هابل أن الكون يتوسع في عام 1929. يُعتقد الآن أن الكون سوف يتمدد إلى الأبد بسبب الطاقة المظلمة، التي تم اكتشافها في عام 1998. ويمكن الإطلاع على مزيد من المعلومات من هنا.
نسخة للطباعة