##فصل ۷: آزمایش‌های تجربی از جدایی کلی
در فصل‌های گذشته، ما دیدیم که نظریه کلی اینشتین درباره جداسازی چگونه درک ما از گرانش، فضا و زمان را به طور کامل تغییر داد. این نظریه تعدادی پیش‌بینی نابهنگام کننده که از جدایی نیوتونی فاصله می‌گیرند، مانند خمیدن نور ستاره‌ای توسط خورشید، پیش‌انحراف مدار مریخ و شرایط دیدن قرمز شدن گرانشی نور را ارائه می‌کند. در این فصل، ما به بررسی جزئیات این پیش‌بینی‌ها خواهیم پرداخت و شواهد مشاهده‌ای که در طول قرن‌های گذشته برای آزمایش جدایی کلی جمع‌آوری شده است را بررسی خواهیم کرد. ما با سه "آزمون کلاسیک" که از سوی خود اینشتین پیشنهاد شده بود شروع می‌کنیم و سپس به آزمایش‌های مدرن‌تری پرداخته می‌شود که شامل پدیده‌های مانند عدسی‌گری جاذبه، امواج جاذبه و سیاه چال‌ها می‌شود. همانطور که خواهیم دید، جدایی کلی هر یک از این آزمون‌ها را با درجه‌بندی موفقیت بیشتری پشت‌سر گذاشته است و موقعیت آن به عنوان بهترین نظریه گرانش تا کنون مثبت شده است.
##سه آزمون کلاسیک
به تازگی پس از انتشار نظریه کلی اینشتین درباره جدایی در سال ۱۹۱۵، او سه آزمون مشاهده ای پیشنهاد کرد که می‌توانستند بافتاً این نظریه را تایید یا واکنش علیه آن را ارائه کنند. این آزمون‌ها که به عنوان "آزمون‌های کلاسیک" جدایی کلی شناخته می‌شدند عبارت بودند از:
- پیش‌انحراف خورشید مریخ
- خمیدگی نور ستاره توسط خورشید
- قرمزشدن گرانشی نور
بیایید هر یک از این آزمون‌ها را به ترتیب بررسی کنیم.
پیش‌انحراف خورشید مریخ
سیاره مریخ یک مدار بسیار بیضوی دور خورشید را دارد که حلقه نزدیکی (پیرایه) آن در هر مدار کمی پیش می‌گردد. طبق جداسازی نیوتونی، این پیش‌انحراف کاملا توسط دمشان‌های جاذبه سیاره‌های دیگر در نظر گرفته شده است. با این حال، مشاهدات دقیق در قرن ۱۹ نشان داد که یک اختلاف کوچک وجود دارد: پیرایه مریخ حدود ۴۳ ثانیه‌قوس در هر قرن نسبت به نظریه نیوتون پیشرفت می‌کند.
این ناهنجاری مریخ روزگارانی است که همکاری نجومی برای دهه‌ها گیج کرده بود و برخی حتی وجود سیاره‌ای پنهان ("وولکان") در نزدیکی خورشید را برای توجیه آن پیشنهاد کرده بودند. اما در سال ۱۹۱۵، اینشتین نشان داد که نظریه کلی اینشتین به طور طبیعی برای پیش‌انحراف اضافی مریخ توجیهی دارد. طبق GR، خمیدگی زمان‌فضا دور خورشید باعث می‌شود که مدار مریخ هر قرن ۴۳ ثانیه‌قوس اضافه پیشرفت کند و با مشاهدات مطابقت کامل داشته باشد.
این موفقیت چشمگیری برای نظریه‌ی اینشتین بود. اینهان را توجیه کرد و شواهد قدرتمندی را در ارتباط با وجود خمیدگی زمان‌فضا ارائه داد. امروزه، پیش‌انحراف خورشید مریخ به عنوان یکی از استوانه‌های مشاهده‌ای کلیدی جدایی کلی در نظر گرفته می‌شود.
خمیدگی نور ستاره توسط خورشید
یکی دیگر از پیش‌بینی‌های جدایی کلی این است که نور باید توسط میدان‌های گرانشی خمیده شود. طبق نظریه، یک پرتو نور ستاره‌ای که نزدیک به خورشید عبور می‌کند باید با یک زاویه کوچک خم شود و این خمیدگی دو برابر بزرگی نیوتونی باید پیش‌بینی شود.
اینشتین درک کرد که این اثر می‌تواند در یک خسوف کلی خورشیدی آزمایش شود، وقتی که ستارگان نزدیک به خورشید در آسمان روز کهن مشاهده می‌شوند. با مقایسه موقعیت ظاهری ستارگان در طول خسوف با موقعیت‌های طبیعی آنها در شب، نجومدانان می‌توانستند خمیدگی را اندازه‌گیری کرده و ببینند آیا آن با پیش‌بینی GR مطابقت داشته باشد یا خیر.
اولین تلاش برای اندازه‌گیری این اثر در طول خسوف کلی خورشید در سال ۱۹۱۹ توسط دو تیم که تحت رهبری نجوم‌دان بریتانیایی آرتور ادینگتون قرار داشتند صورت گرفت. یکی از تیم‌ها به جزیره پرنسیپه از سواحل آفریقا سفر کرد، در حالی که دیگری به سوبرال، برزیل سفر کرد. با وجود چالش‌هایی که به خاطر هوا و تجهیزات ایجاد شد، هر دو تیم موفق شدند خسوف را تصویربرداری کنند و موقعیت ستارگان را اندازه‌گیری کنند.
هنگام تجزیه و تحلیل نتایج، نشان داد که نور ستارگان واقعاً توسط خورشید خم می‌شود و مقدار آن به طور نزدیکی با پیش‌بینی اینشتین مطابقت دارد. خبر در سراسر جهان منتشر شد و اینشتین را به شهرت بین‌المللی رساند. خمیدگی نور ستارگان توسط خورشید به عنوان یک دلیل تایید‌کننده شدید جدایی کلی و وجود زمان‌فضای خمیده در نظر گرفته شد.
از سال ۱۹۱۹، آزمون خمیدگی نور چندین بار با دقت بیشتر، با استفاده از تلسکوپ‌های رادیویی و همچنین تلسکوپ‌های نوری تکرار شده‌است. دقیق‌ترین اندازه‌گیری‌ها تا کنون، با استفاده از اثر میسباور و ساعت‌های اتمی صورت گرفته‌است. در دهه ۱۹۶۰، رابرت پاند و گلن ربکا قرمز شدن پرتوهای گاما را هنگام صعود و نزول در یک برج ۲۲ متری در دانشگاه هاروارد اندازه‌گیری کردند و GR را تا ۱٪ تایید کردند.تجربیات بعدی با استفاده از ساعت هیدروژن منجر به برآورده سازی قرمز شدن در چند بخش در ۱۰^(-5) شده‌است شیفت قرمز گرانشی، نه تنها یک آزمون کلیدی برای نسبیت عام است، بلکه آن را مربوط به ماهواره های GPS نیز می‌کند، که به دلیل جاذبه زمین، تغییر قابل توجهی را در شیفت قرمز تجربه می¬کنند. بدون اصلاح این تأثیر، ناوبری GPS هر روز به اندازه چند کیلومتر اشتباه خواهد بود.
آزمون‌های مدرن نسبیت عام
هر چند سه آزمون کلاسیک تست قوی اولیه برای نسبیت عام فراهم کردند، اما بسیاری از آزمون¬های بیشتر از آن به ساخت و انجام در قرنی که از انتشار نظریه اینشتین می¬گذرد، توسعه یافته است. این آزمون¬های مدرن نسبیت عام در حوزه¬های جدید و مطالعه¬ی گسترده¬تری فعالیت می¬کنند و از تکنولوژی¬های پیشرفته که در روزهای اینشتین وجود نداشتند، بهره¬برداری می¬کنند.
لنزینگ گرانشی
یکی از پیش‌بینی¬های چشمگیر نسبیت عام پدیده لنزینگ گرانشی است. همانطور که یک عدسی شیشه‌‌ای پرتوهای نوری را که از انسده‌گاه عبور می‌کنند، خم می‌کند، یک شیء جسمانی (مانند کهکشان یا خوشه کهکشان) ممکن است مسیر نور از یک منبع پس‌زمینه را خم کند و به عنوان یک "لنز گرانشی" عمل کند.
سه رژیم اصلی لنزینگ گرانشی وجود دارد:
-
لنزینگ قوی: وقتی لنز به‌مقدار کافی جسم جرمی دارد و به‌همان اندازه بهنجار است تا بتواند تصاویر چندگانه، قوسها یا حلقه‌هایی از منشأ پس‌زمینه ایجاد کند، این رویداد رخ می‌دهد. اولین لنز قوی در سال 1979 کشف شد، به‌صورت دو سنگ کوارز واقعیت‌اش در واقع دو تصویر از یک کوارز بودن که توسط یک کهکشان جلوبینی آن لنز شد. اکنون صدها لنز قوی شناخته شده‌اند و آنها یک روشی برای نقشه‌برداری توزیع ماده‌ی تاریک و آزمون نسبیت عام در مقیاس‌های کیلوپارسک فراهم می‌کنند.
-
لنزینگ ضعیف: این یک تأثیر پُرجزئی است که در هنگامی رخ می‌دهد که جرم لنزینگ قوی کافی برای ایجاد چند تصویر نباشد، اما هنوز شکل کهکشانهای پس‌زمینه را تغییر می¬دهد. با تجزیه و تحلیل آماری این اشتباهات شکل در مناطق گسترده ¬ای از آسمان، نجومدانان می¬توانند ساختار بزرگ ¬مقیاس جهان را نقشه ¬برداری کنند و نسبیت عام را در مقیاس‌های کیهانی آزمایش کنند. در سال¬های اخیر، لنزینگ ضعیف به عنوان یک مدل اصلی در کیهانشناسی مورد استفاده قرار گرفته است و نتایج دقیق¬تری در نظر گرفته شده است.
-
لنزینگ میکروی: این زمانی رخ می‌دهد که یک شیء جمع و جور (مانند یک ستاره یا سیاره) در جلوی یک ستاره پس‌زمینه قرار می‌گیرد و باعث روشن‌شدن موقت آن به‌علت لنز کردن می‌شود. لنزینگ میکروی در کشف سیاره‌های برونسیار و در آزمایش جمعیت سیاه چاله‌ها و سایر اجسام تاریک در کهکشان ما استفاده شده است. همچنین، یک آزمون نسبیت عام در مقیاس ستاره‌ای را فراهم می‌کند.
لنزینگ گرانشی تأییدهای چشمگیر نسبیت عام بوده است. تعداد، توزیع و خواص سیستم¬های لنز شده با پیش‌بینی¬های نسبیت عام در تطبیق عالی قرار دارند و محدودیت¬های سنگینی را بر تئوری¬های جایگزین گذاشته اند.
موج‌های گرانشی
شاید جذاب‌ترین پیشرفت در آزمون نسبیت عام در سال¬های اخیر، کشف مستقیم موج¬های گرانشی باشد. این موج‌ها لرزش ¬هایی در نسیج اسپیس-زمان ایجاد می¬کنند که ناشی از سرعت دادن به جرم¬هاست و با سرعت نور در انتشار به‌صورت فروکش می‌روند. اینشتین در سال 1916 وجود موج¬های گرانشی را پیش‌بینی کرد، اما به دلیل شدت بسیار کم آنها، مشکوک بود که هرگز تشخیص داده شوند.
صد سال بعد، اززیش مشاهده¬گر موج¬های گرانشی ویژوآبراسنوم اینترفرومتری (LIGO) در اندازه¬گیری اختلالات بسیار کمکننده¬شده توسط موج¬های گرانشی سرعت انتقال میدان‌توپولوژی اسپیس-زمان را اندازه¬گیری کرد. اولین تشخیص، که در سپتامبر 2015 صورت گرفت، از ادغام دو سیاهچاله در فاصله 1.3 میلیارد سال نوری دور رخ داد. نمودار مشاهده شده با دقتی در حد چند درصد با پیش‌بینی¬های نسبیت عام همخوانی داشت، نتیجه¬ای تحسین¬برانگیز از تئوری در رژیم بازده بالا و سرعت بالا بود.
از آن زمان به بعد، ده¬ها رویداد دیگر موج¬های گرانشی توسط لیگو و موازی¬اوستای اروپایی آن شناسایی شده¬اند. این شامل ادغام سیاهچاله‌های دودویی، ادغام ستاره‌های نوترونی و حتی ادغام یک ستاره نوترونی-سیاهچاله ممکن است. هر رویداد، آزمون جدیدی از نسبیت عام در شرایط اقتصادی بوده و تا کنون تئوری با قابلیت¬های برجسته‌ای با موفقیت اساسی گذر کرده است.
چشم‌انداز بینش‌شناسی موج¬های گرانشی یک پنجره تازه را در هستی باز کرده‌است و به ما اجازه می‌دهد نواحی و رویدادهایی را که بر شعاع تشعشع الکروماگنتی نامرئی هستند، تحقیق کنیم. همچنین، برخی از سخت¬ترین آزمون¬های نسبیت عام را تا کنون فراهم کرده است، که تأیید می¬کند که سیاهچاله¬ها، انتشار موج‌های گرانشی با سرعت نور و قاعده¬ی «عدم موازنه» (که از طریق آن سیاهچاله¬ها کاملاً توسط جرم، بار و چرخش خود تعیین شده¬اند) وجود دارند.
شواهد مشاهده‌ای برای سیاه‌چاله‌ها
سیاه‌چاله‌ها احتمالاً بیشترین و غامض‌ترین پیش‌بینی¬های نسبیت عام هستند. این مناطق از اسپیس-زمان به طوری تغییر شکل می‌دهند که هیچ چیز، حتی نور، نمی‌تواند از داخل خط‌مرزرویداد فرار کند. سیاهچاله¬ها نتیجه ¬مستقیم معادلات اینشتین هستند، اما برای سال¬های زیادی به‌عنوان یک شگرد ریاضی به‌جای یک واقعیت فیزیکی در نظر گرفته می¬شدند.
اما امروزه، شواهد مشاهده¬ای بی‌انکاری برای وجود سیاه چاله وجود دارد. این شواهد از چندین سردرگمنده گوناگون به‌دست می‌آیند:
-
دوتایی‌های اشعه‌ایکس: این سیستم ها شامل یک سیاهچاله یا ستاره‌ی نوترونی است که ماده را از یک ستاره همراه خود جذب می‌کند. با تجمع و گرم شدن ماده، پرتوهای اشعه‌ایکسی تولید می‌شوند که توسط تلسکوپ‌ها می‌توانند تشخیص داده شوند. ویژگی¬های این اشعه‌های اشعه‌ایکس، به ویژه وزولیته سریع و انرژی¬های بالا، شواهد قوی برای وجود یک شیء کوچک همچون یک سیاهچاله فشرده را ارائه می‌دهد.
-
سیاهچاله های فوق‌جرمی: در مرکز بیشتر کهکشان¬ها، شامل کهکشان راه شیری ما، هرچند شیء های متمرکزی با جرم میلیون ها تا میلیاردهای برابر جرم خورشید وجود دارند. این اشیاء بسیار جرمی و متمرکز هستند که اجزای جمعیت ستاره یا سایر اشیاء شناخته شده را توضیح نمی دهد و مشخصات آنها با آنچه انتظار می رود برای سیاه چاله های فوق جرمی همخوانی دارد. بهترین شواهد از مشاهدات ستاره ها در دور انتظار کهکشانی از مرکز کهکشان به دست آمده است که به نجومدانان اجازه می دهد جرم و اندازه شیء مرکزی را با دقت بسیار بالا اندازه گیری کنند.
جذبه‌های گرانشی
در بخش قبل، اشاره شد که سیگنال‌های موج گرانشی که توسط لیگو و ویرگو شناسایی شده‌اند، با پیش‌بینی‌ها برای ادغام سیاه‌چاله‌ها همخوانی دارند. جرم‌ها، چرخش‌ها و ویژگی‌های دیگری که از این سیگنال‌ها استنباط می‌شوند، با سیاه‌چاله‌ها یکسان بوده و با دیگر اجسام فشرده مانند ستاره‌های نوترون همخوانی ندارند.
تلسکوپ افق رویداد
در سال ۲۰۱۹، همکاری تلسکوپ افق رویداد، تصویر مستقیم اولین سیاهچاله را منتشر کرد. با اتصال تلسکوپ‌های رادیویی در سراسر جهان برای تشکیل یک تلسکوپ مجازی به اندازه زمین، آنها توانستند افق رویداد سیاهچاله فوق‌جرم در مرکز کهکشان M87 را حل کنند. اندازه و شکل سایه سیاهچاله به تطابق پیش‌بینی‌های کلیه نسبیت عمومی معدنی بود که تأیید بصری شگفت‌انگیزی از نظریه را فراهم می‌کند.
شواهد مشاهداتی برای وجود سیاه‌چاله‌ها اکنون به حدی قوی است که وجود آنها به عنوان یک شک نزدیک محسوب می‌شود. آنها بعضی از سخت‌ترین آزمون‌های نسبیت عمومی را ارائه می‌دهند که نظریه را در مناطق خمیدگی شدید و سرعت‌های بالا بررسی می‌کنند. تاکنون، نسبیت عمومی، همه این آزمون‌ها را پشت سر گذاشته و وضعیت نسبیت به عنوان بهترین نظریه گرانشی ما را تقویت کرده است.
نتیجه‌گیری
یک قرن پس از تأسیس، نسبیت عمومی همچنان دقیق‌ترین و بهترین نظریه گرانشی ماست. از آزمون‌های کلاسیکی که از سوی آینشتاین پیشنهاد شدند تا مشاهدات پیشرفته موج گرانشی و سیاهچاله، این نظریه به آزمون‌های دقیق تر و سخت‌گیرانه‌تری تحت‌کرده است و هر بار پیروزانه به نتایج خاتمه می‌دهد.
تأیید نسبیت عمومی نه تنها یک پیروزی برای خود نظریه است، بلکه یک پیروزی برای روش علمی به طور کلی است. نسبیت عمومی پیش‌بینی‌های جسورانه و متضادی از جاذبه نیوتنی و مفهوم مشترک را در بر داشت. اما زمانی که این پیش‌بینی‌ها توسط آزمایش‌ها و مشاهدات به دقت طراحی شده، آزمون گردیدند، به عنوان درست تأیید شدند. این همان چیزی است که علم به معنای وجود و پیش‌بینی‌های قابل آزمون است و طبیعت به عنوان قاضی نهایی حقیقت عمل می‌نماید.
البته، هیچ نظریه علمی هرگز کامل یا نهایی نیست. همچنان سوالات باز و مسائل برخی امرها تاکنون پاسخ داده نشده‌اند.