نویسنده و گردآورنده : شهرام خبیر
فضا – زمان – حرکت
پیش بینی دیگر نسبیت عام آنست که در نزدیکی یک جسم دارای جرم مثل زمین، گذشت زمان کند می شود.
این امر ناشی از رابطه میان انرژی نور و بسامد آن است (یعنی تعداد امواج در هر ثانیه ): هر چه انرژی بیشتر باشد فرکانس بیشتر می شود. وقتی نور در میدان گرانشی زمین به سمت بالا می رود، انرژی از دست میدهد و بنابراین بسامدش کاهش می یابد. (یعنی فاصله زمانی بین دو تاج موج متوالی بیشتر می شود.) به نظر کسی که در ارتفاع بالاست، رویدادها در آن پائین کندتر اتفاق میافتند. این پیشگویی در سال ١٩٦٢ به محک آزمایش گذاشته شد و نظریه روسپید از آب درآمد. آزمایش بوسیلهٔ دوساعت دقیق که در بالا و پائین برجی نصب شده بود، انجام گردید. ساعتی که در پائین قرار داشت و به زمین نزدیکتر بود، در انطباق کامل با نظریه نسبیت عام، کندتر از دیگری کار می کرد. امروزه با توجه به ساختن جهت یابهای دقیق که براساس علائم دریافتی از ماهواره ها کار می کنند، تفاوت سرعت ساعتها در ارتفاعات مختلف نسبت به زمین اهمیت عملی قابل توجهی پیدا کرده است. چنانچه پیش بینهای نسبیت عام را نادیده بیانگاریم، در محاسبه مقصد چندین مایل خطا خواهیم کرد.
قانون حرکت نیوتن مفهوم مکان مطلق را بی اعتبار ساخت و نظریه نسبیت فاتحه زمان مطلق را خواند. دو فرد دو قلو را درنظر بگیرید. فرض کنید یکی از آنها راه کوهستان در پیش گیرد و در قله کوهی مسکن گزیند و دیگری در ساحل دریا اقامت کند. اولی زودتر از دومی پیر خواهد شد. بنابراین اگر روزی یکدیگر را ملاقات کنند، یکی از دیگری سالخورده تر است. البته اختلاف سنی آنها ناچیز است، اما اگر یکی از دوقلوها سوار بر فضاپیمائی شود و با سرعتی نزدیک به سرعت نور برای مدتی مدید عزم سفر کند، اختلاف سنی آنها بسیار زیادتر خواهد گردید. وقتی مسافر ما به زمین بازگردد، از دیگری بسیار جوان تر خواهد بود. این قضیه به پارادوکس دوقلوها معروف است، اما پارادوکس برای کسانی که هنوز در ته دل خود به مفهوم زمان مطلق باور دارند. در نظریه نسبیت هیچ زمان مطلق واحدی وجود ندارد، در عوض هر کس برای خود واحد زمانی دارد که به مکان او و چگونگی حرکتش وابسته است.
پیش از سال ۱۹۱۵، فضا و زمان قلمروهای ثابتی انگاشته می شدند که رویدادها در آنها شکل میگرفتند، اما آنها از رویدادها تأثیر نمی پذیرفتند. این امر حتی در مورد نسبیت خاص نیز صادق بود. اجسام حرکت میکردند، نیروها به کار جاذبه یا دافعه مشغول بودند، اما زمان و مکان تأثیر ناپذیر و بی اعتنا امتداد می یافتند. همه بطور طبیعی می پنداشتند که فضا و زمان تا ابد ادامه خواهند یافت.
اما در پرتو نظریه نسبیت عام، وضع کاملاً فرق کرده است. فضا و زمان اینک کمیتهائی پویا هستند: وقتی جسمی حرکت میکند یا نیروئی اعمال می شود، انحنای فضا و زمان را تغییر میدهد و ساختمان فضا- زمان به نوبه خود شیوه حرکت اجسام و اعمال نیروها را متأثر می سازد. فضا و زمان نه تنها تأثیر گذارند بلکه از آنچه در پهنه هستی رخ میدهد، متأثر می شوند. همانطور که بدون مفاهیم فضا و زمان نمیتوان از رویدادهای جهان سخن گفت، در نسبیت عام سخن از فضا و زمان فراتر از مرزهای جهان بی معناست. این معرفت و آگاهی تازه از فضا و زمان در دهه های بعدی، نظرگاه ما از جهان را دستخوش دگرگونی و انقلاب نمود. مفهوم کهن جهانی اساساً تغییرناپذیر، که احتمالاً همواره وجود داشته است و برای همیشه به موجودیت خود ادامه میدهد، جای خود را به تصویری پویا و گسترش یابنده از جهان داد، جهانی که ظاهراً در زمانی معین آغاز شده و ممکن است در زمان معینی در آینده پایان یابد. این انقلاب موضوع فصل بعدی است. و سالها بعد، همین موضوع نقطه آغاز کار من در فیزیک نظری شد. راجر پن روز– و من نشان دادیم که نظریه نسبیت عام انشتین، متضمن آغازی ناگزیر برای جهان و پایانی احتمالی برای آنست.
۳
جهان گسترش یابنده
اگر یک شب که هوا صاف است و از ماه خبری نیست به آسمان بنگریم، احتمالاً زهره، مریخ، مشتری، وکیوان را درخشنده تر از دیگر ستارگان و سیارات خواهیم یافت. تعداد بسیار زیادی ستاره نیز که درست مثل خورشید خودمان هستند، در دوردست ها پرتوافشانی می کنند. بنظر می رسد برخی ازین ستارگان ثابت، با حرکت زمین در مدار خود، اندکی وضعیت خود را نسبت به یکدیگر تغییر میدهند: در حقیقت آنها به هیچ وجه ثابت نیستند! این بدلیل آنست که این ستارگان بطور نسبی در نزدیکی ما قرار دارند. چون زمین به گرد خورشید میگردد، ما از وضعیت های مختلف، آنها را در زمینه ستارگان دوردست تر رؤیت می کنیم. این پدیده از خوش اقبالی ماست چرا که ما را قادر میسازد مستقیماً فاصلهٔ این ستارگان را از زمین حساب کنیم: هر چه بما نزدیکتر باشند، بنظر بیشتر جابجا می شوند. نزدیکترین ستاره بنام پراکسیما سنتوری (قنطروس)، چهار سال نوری (تقریباً چهار سال طول میکشد تا نور آن بما برسد ) یا در حدود بیست و سه میلیون میلیون مایل از ما فاصله دارد. بیشترستارگانی که با چشم غیر مسلح دیده میشوند در ناحیه ای از فضا به شعاع چندصد سال نوری از ما پراکنده اند. برای مقایسه می توان گفت خورشید ما تنها هشت دقیقه نوری از ما فاصله دارد! ستارگان مرئی ظاهراً در سراسر آسمان شبانگاهی پراکنده اند، اما در واقع به طور مشخص همگی اعضای گروه واحدی هستند که ما آن را راه شیری نام نهاده ایم. تا سال ۱۷۵۰، بعضی ستاره شناسان بر آن بودند که نمود و ظهور راه شیری را تنها به شرطی میتوان توجیه نمود که بیشتر ستارگان مرنی، در مجموعه دایره مانند واحدی قرار داشته باشند. یک نمونه ازین مجموعه همان چیزی است که ما اینک کهکشان مارپیچی می نامیم. تنها چند دهه بعد، سرویلیام هرشل ستاره شناس، در رهگذر فهرست کردن موقعیت و فاصله تعداد وسیعی از ستارگان که متضمن زحمت و تلاش بسیار بود، ایده بالا را مورد تأیید قرار داد. با اینهمه، این فکر تنها در اوایل قرن اخیر پذیرش عام یافت.
تصویر نوین ما از جهان از سال ١٩٢٤ شروع به شکل گرفتن کرد. در آن سال ستاره شناس آمریکایی ادوین هابل نشان داد که کهکشان ما تنها کهکشان جهان نیست. کهکشانهای بسیار دیگری نیز در عالم هست که ما بین آنها نواحی خالی وسیعی قرار گرفته است. برای اثبات این موضوع، لازم بود فاصله کهکشانهای دیگر از زمین محاسبه شود. این کهکشانها چندان از زمین دور بودند که برخلاف ستارگان نزدیکتر، واقعاً ثابت به نظر می رسیدند. ازینرو هابل ناگزیر بود که برای تعیین فاصله ها از روش های غیر مستقیم بهره گیرد. روشنائی ظاهری یک ستاره بدو عامل وابسته است: چقدر نور تشعشع میکند (درخشندگی) و چقدر از ما فاصله دارد. ما می توانیم روشنائی ظاهری و فاصله ستارگان نزدیک بخود را اندازه بگیریم و از این طریق درخشندگی شان را بدست آوریم. برعکس، اگر ما درخشندگی ستارگان دیگر کهکشانها را بدانیم، با اندازه گیری روشنائی ظاهری آنان، فاصله شان را تعیین می نمائیم. هابل دریافت که برخی انواع ستارگان که باندازه کافی به ما نزدیک هستند، همواره درخشندگی ثابتی دارند، بنابراین مدلل ساخت که اگر ما چنین ستارگانی در دیگر کهکشانها یافتیم، میتوانیم فرض کنیم که درخشندگی شان برابر با درخشندگی ستارگان مشابه خود در کهکشان ماست -به این ترتیب فاصله آنها بدست می آید. اگر بتوانیم این عملیات را برای تعدادی از ستارگان یک کهکشان تکرار کنیم، و محاسبات ما همواره فاصله یکسانی را نشان دهد، می توانیم از صحت برآورد خود تا حدی مطمئن باشیم.
به این ترتیب، ادوین هابل فواصل نه کهکشان را محاسبه نمود. امروز میدانیم که کهکشان ما یکی از چند صدهزار ملیون کهکشانی است که بکمک تلسکوپ های مدرن دیده شده اند، و هر کهکشان خود چند صد هزار ملیون ستاره در بر دارد. شکل ۳-۱ تصویر کهکشان مارپیچی ای را نشان میدهد که به گمان ما شبیه تصویر کهکشان ما برای ناظری در یک کهکشان دیگر است. ما در کهکشانی زندگی میکنیم که قطر آن تقریباً یکصد هزار سال نوری است و همواره در حال چرخش است؛ ستارگان واقع در بازوهای مارپیچی اش، هر چند صدمیلیون سال یکبار حول مرکزش یکدور می زند. خورشید ما ستاره ای معمولی، زردرنگ و میان جثه است که در نزدیکی لبه داخلی یکی از بازوهای مار پیچ قرار دارد. بیگمان از زمان ارسطو و بطلمیوس که زمین را مرکز عالم میپنداشتیم، راهی بس دراز طی کرده ایم!
ستارگان چنان از ما دورند که باندازه سرسوزنی بنظر می رسند. ما قادر به دیدن شکل و اندازه آنها نیستیم. پس چطور میتوانیم انواع مختلف آنها را دسته بندی کنیم؟
بخش اعظم ستارگان، تنها دارای یک وجه تمایز قابل رؤیت میباشند – رنگ نورشان . نیوتن دریافت که نور خورشید هنگام عبور از یک قطعه شیشه به شکل مثلث، بنام منشور، به رنگهای متشکله خود (طیف نوری )تجزیه می شود، مثل رنگین کمان. هرگاه تلسکوپ را برستاره یا کهکشانی متمرکز نمائیم، بطور مشابهی میتوانیم طیف نور آن ستاره یا کهکشان را مشاهده نمائیم. ستارگان مختلف، طیفهای مختلف دارند، اما هرگاه نور منتشر شده از یک جسم گداخته سرخ را مورد بررسی قرار دهیم، رنگهای طیف نوری آن همواره نسبتاً روشن بنظر می رسند. (در واقع، نور گسیل شده از یک شیئ کدر که در اثر گرما گداخته و سرخ شده باشد، طیف مشخصی دارد که تنها به درجه حرارت جسم بستگی دارد- طیف گرمائی. در نتیجه با مطالعه طیف نوری یک ستاره میتوانیم درجه حرارت آن را تعیین کنیم.)
علاوه بر این، برخی رنگهای بسیار خاص، در طیف نوری ستارگان وجود ندارد و این رنگها از ستاره به ستاره متفاوت است. از سوی دیگر می دانیم که هر عنصر شیمیائی، مجموعه مشخصی از رنگهای خاص را جذب میکند. بنابراین با مقایسه آنها با رنگهائی که از طیف نوری ستارگان حذف شده اند، بطور دقیق میتوانیم عناصر موجود در جو یک ستاره را تعیین نماییم.
ادامه دارد…
