کائنات مجموعه‌ای از کهکشان‌ها و اجرام سماوی هستند که بحشی از فضا را اشغال می‌کنند، مکان مشخصی دارند و با سرعت مشخصی حرکت می‌کنند. این اجرام همزمان با آنکه هر یک دارای سه بعد مشخص هستند، در یک فضا حرکت می‌کنند. این دو فاکتور به طور وابسته قابل محاسبه و اندازه گیری است. این داستان نسبیت عام و سیبی است که تنها نخستین بار انیشتین آن را دید.
شاید لازم باشد مثالی بیاوریم. خورشید، ستاره مرکزی منظومه شمسی ما با سرعت ۹۵۰ هزار کیلومتر در ساعت در حال حرکت در فضا است. همچنین با نگاهی دیگر می‌توانیم بگوییم در روز نخست فصل بهار در صورت فلکی بره (Aries) و یا در محلی مشخص در مدار حرکتی خود به دور مرکز کهکشان در حرکت است. در واقع این نگاه نسبیت عام به کیهان شناسی است.
در مقابل می‌توانیم کائنات را یک سامانه واحد و پیوسته درنظر بگیریم که از سیستم موجی ساخته و تحت یک تابع موج فعالیت می‌کند. این نگاه، نگاه کوانتومی به کیهان شناختی است. در نگاه نسبیت اشیاء را مستقل از یکدیگر (دارای مکان و ابعاد خاص خود) در نظر می‌گیریم ولی در نگاه کوانتومی همه اجرام پیوسته به یکدیگر یک سامانه واحد را تشکیل می‌دهند (به عبارت دیگر تابع موج را برای هیچ جرمی به طور مستقل نمی‌نویسیم) در مجموع می‌توان گفت کیهان شناسی نسبیت ، گسسته و کیهان شناسی کوانتومی، پیوسته است.
نسبیت در کیهان شناسی
نسبیت خاص انیشتین بر این موضوع استوار است که وجود اتر درخشان (Ether) و محیط اتری نه تنها ضرورتی ندارد که کاملا بیهوده است. او در سال ۱۹۲۰ و در دانشگاه لیدن (Leiden) هلند در خصوص اتر و نسبیت خاص عنوان کرد:
اتر نسبیت عام یک واسطه ویژگی‌های مکانیکی و حرکتی است، ولی در مشخص کردن رخداد‌های الکتورمغناطیسی و مکانیکی نقش ایفا می‌کند.
بنابراین نسبیت عام تئوری مرتبط با اتر است. اتر ویژگی‌هایی مشخص و قردادی است که در عین حال با هم متضاد است. با این حال نظریه نسبت وجود اتر را نمی‌پذیرد.
فیزیک مدرن در دو ساختار اصلی پیوسته یعنی موج و اتر و ساخار‌های گسسته، یعنی ذرات است. کیهان شناسی، نسبیت را در نسبیت عام مطرح می‌کند و ساختار‌های پیوسته را باید از نسبیت عام نتیجه گرفت.
در کتاب “عالم انیشتین” نوشته نایجل کالدر (Nigel Calder) آمده است:
ادراک انسان از جهان متاثر از گرانش، و حرکت با سرعت‌های بسیار زیاد است. مبنای نسبیت عام گرانش و یا جاذبه، و مبنای نسبیت خاص حرکت در سرعت‌های بسیار زیاد است. ظواهر تغییر می‌کند، اما قوانین فیزیک پایدار است. تحقیق در اثبات وجود سیاهچاله‌ها، عملی بودن عقاید انیشتین را ثابت می‌کنند.
به طور کلی می‌توان گفت اساس کیهان شناسی انیشتین نیروی گرانش یا جاذبه، توضیح آن، چگونگی شکل هندسی فضا و اثرات ناشی از این نظریه است. کیهان شناسی انیشتین بر اصول و معادلاتی استوار است که در سال ۱۹۱۷ به انتشار رسید. به طور خلاصه می‌توان این نظر را به صورت گسترش همیشه کائنات توضیح داد.
مهمترین مسئله‌ای که در کیهان شناسی انیشتین به آن پرداخته می‌شود، موضوع گرانش است. در ادامه این مطلب تکراتو را همراهی کنید تا به تفصیل این موضوع را شرح دهیم.
نیروی جاذبه نسبیتی
داستان آیزاک نیوتن و سقوط سیب را از فیزیک دوران دبیرستان به خاطر بیاورید. می‌توان گفت شگفتی و در ادامه آن تفکر نیوتن بود که منجر به کشف نیروی گرانش شد. نیوتن با خود اندیشید که چرا سیب به جای آنکه به سوی آسمان برود به سمت زمین سقوط کرد. با وجود اینکه نیوتن با استفاده از این جرقه به جاذبه عمومی کائنات پی برد، اما نتوانست ماهیت این نیرو را تعیین کند.
می‌دانیم که جاذبه با توان دوم فاصله نسبت عکس دارد. همچنین می‌دانیم که این همان نیرویی است که منجر می‌شوند سیارات به دور خورشید و اقمار به دور سیارات خود گردش داشته باشند، اما به راستی ماهیت این نیرو چیست؟ دانشمندان بسیاری پس از عصر انیشتین به تحقیق پیرامون این موضوع پرداختند.
بیشتر بخوانید : ﺗﻔﺎﻭﺕ اﻣﻮاﺝ ﮔﺮاﻧﺸﻲ ﺑﺎ اﻣﻮاﺝ ﮔﺮاﻧﺶ یا جاذبه ﺩﺭ ﭼﻴﺴﺖ؟
در فیزیک امروزی می‌گوییم مادامی که زمین سیب را به سوی خودش می‌کشد، سیب نیز به نوبه خود سیاره زمین را به سوی خودش می‌کشد، اما این کشش بدلیل آنکه جرم سیب نسبت به زمین بسیار اندک است، قابل توجه نیست.
در کتاب “از نیوتن تا ادراکات فوق حسی” نوشته لارنس لوشان، نوشته شده است:
نیوتن اگر امروز زنده بود، به جای دیدن سقوط یک سیب از درخت، سقوط سه سیب از درخت را می‌دید. یک سیب سفت و قرمز و آبدار و گرد که چشم او آن را می‌بیند و بوی خوب او را با شامه حس می‌کند و طعم آن را می‌چشد. سیب دومی سیبی است که از فضای خاص و از خصوصیات انفرادی و ویژه پر شده است. این فضا مملو از نواحی بسیار بسیار کوچکی است که دارای بار، جرم و ایستایی (اینرسی) است که با سرعت باورنکردنی حرکت می‌کند. سیب سوم سیبی است که از درخت به زمین نمی‌افتد، در واقع سیب سوم سیاره زمین است که به روی سیب سقوط می‌کند.
قوانین نسبیت انیشتین و کوانتوم مکس پلانک امروزه دید ما را نسبت شناخت کائنات آنچنان تغییر داده است که می‌دانیم هر سه این موارد هم‌ارز یکدیگر هستند.
آلبرت انیشتین معتقد است آن چیزی که منجر شد سیب به روی زمین سقوط کند، آن چیزی که زمین را به دور خورشید و اقمار سیارات را به دور آنان می‌گرداند، نیروی جاذبه نیست. به عبارت دیگر چیزی به نام نیروی جاذبه صرفا یک توهم است. آنچه چنین امری را موجب می‌شود ساختار هندسی فضا یا به عبارتی منحنی فضاست. این منحنی می‌تواند چنان نیروی عظیمی بوجود آورد که حیات انسان را به خطر بیاندازد.
پس از آنکه انیشتین در ۱۹۱۶ توانست نسبیت خاص خود را با قانون جهانی گرانش تلفیق و تئوری نسبیت عام را منتشر کند، اثبات کرد که اجرام هرچه جرم بیشتری داشته باشند، انحنای بیشتری در صفحه فضا-زمان ایجاد می‌کنند. او پیشگویی‌های زیادی را مطرح کرد؛ همگرایی گرانشی، که توسط صلیب انیشتین (کوزاری در صورت فلکی اسب بالدار) به اثبات رسید، انتقال به سرخ گرانشی و سرانجام امواج گرانشی که شناسایی آنها نوبل ۲۰۱۷ را برای تیم رصدخانه لایگو به ارمغان آورد، همگی شواهدی از قانون نسبیت عام به شمار می‌روند.
بیشتر بخوانید : نظریه نسبیت عام انیشتین ؛ داستان یک پیشگویی علمی
حالتی را تصور کنید که یک سنگ را به انتهای یک نخ می‌بندیم و آن را می‌چرخانیم. مطابق نظریه نیوتن، آنچه موجب می‌شود این سنگ در مدار خودش به دور انتهای دیگر نخ گردش داشته باشد، همان نیروی جاذبه‌ای است که زمین را در مداری به دور خورشید حفظ می‌کند، اما در نسبیت عام چنین نیروی وجود ندارد.
در واقع زمین مسیر حرکت خود را در منحنی فضا طی می‌کند. در بحث کیهان شناسی، مهمترین بخش نسبیت عام آنجاست که امواج گرانش و پراکنش ماده در فضا، در ساختار هندسی فضا-زمان انحنا ایجاد می‌کند و به آن پیچ و تاب می‌دهد. خمش نور کنار اجرام ابرجرم، کاهش سرعت‌ها، کاهش سرعت حرکت ظاهری نور، وجود جذر و مد و وجود سیاهچاله‌ها همگی توسط انحنای فضا-زمان توجیه می‌شوند.
مطابق نظریه نسبیت، اجرامی سماوی سنگین مانند خورشید و یا سیارات اطرافش در صفحه فضا-زمان انحنا یا خمش ایجاد می‌کنند، در نتیجه در فضا-زمان پیچ و تاب ایجاد می‌شود. به دلیل این خمیدگی فضا-زمان است که اجرام آسمانی در مدارهایی دایره‌ای حرکت می‌کنند و نور در اطراف اجرام پرجرم تغییر مسیر می‌دهد. نیروی جاذبه یا گرانش نیز در نتیجه همین انحناست.
در کتاب اخترشناسان نوشته دونالد گلد اسمیت تعریف مختصر و موجزی از نسبیت عام آورده شده است:
ماده با ایجاد خمیدگی در فضا، جاذبه را بوجود می‌آورد و فضا به ماده می‌گوید که چگونه باید حرکت کند.
اما اشاره کردیم که انیشتین جاذبه را نیرو نمی‌داند و آن را قسمتی از ساختار فضا و رفتار آن تعریف می‌کند. قطاری را درنظر بگیرید که در مسیری در حال حرکت است، این قطار در حالت عادی نمی‌تواند منحرف شود، چرا که تابع ریل‌های خود است. حرکت سیارات به دور ستارگان در مداری بیضوی شکل نیز تقریبا به همین شکل است.
مسیر بیضوی آنها توسط ستاره در فضا ایجاد شده است و آنها خواه ناخواه باید در آن مسیر بیضوی شکل حرکت داشته باشند. به عبارت دیگر هرکجای کائنات که جرمی سنگین نظیر یک ستاره وجود داشته باشد، به دلیل انحنایی که در ساختار فضا بوجود می‌آورد، فضای اطراف خود را خمیده می‌کند. این امر موجب می‌شود اجرام اطراف به سمت آن جذب شوند.
در کیهان شناسی انیشتین نور همواره به خط راست حرکت می‌کند مگر زمانی که در نتیجه وجود اجرام سنگینی که در فضا-زمان انحنا ایجاد می‌کنند، مسیری منحنی را طی می‌کنند.
تئوری نسبیت انیشتین و خمیدگی فضا-زمان اطراف اجرام سنگین، پیشگویی و کشف سیاهچاله‌ها و امواج گرانشی را منتج شد. یعنی می‌توان سیاهچاله‌ها را اثر مهم نسبیت عام دانست. در ادامه سعی می‌کنیم مختصرا سیاهچاله‌ها را بر اساس گفته‌هایی که داشتیم شرح دهیم. در مطلب زیر عناوین بیشتری را در مورد سیاهچاله‌ها ملاحظه کنید.
بیشتر بخوانید : سیاهچاله چیست؟ تعاریف، نظریات و حقایق
توده‌های ماده در فضا به دلیل وجود نیروی گرانش رو به سوی مرکز خود دچار انقباض و فشردگی می‌شوند و در آنجا فرو می‌ریزند.
به عنوان مثال بیایید به ستاره‌ها توجه کنیم. می‌دانیم که در اثر سوختن و شکافته شدن هسته‌های هیدروژن و تبدیل آنها به هلیوم و در نهایت تبدیل شدن هلیوم به عناصر سنگین‌تر، گرمای زیاد و اشعه آزاد می‌شود. میان این فرآیند و نیروی جاذبه ستاره مذکور تناسب وجود دارد.
زمانی که جرم یک ستاره از آستانه یک چهارم جرم خورشید کمتر باشد، در پایان عمرش می‌تواند به صورت یک کوتوله سفید درآید که از هسته‌های اتم آهن متشکل است، به طوری که فشار شدید گرانشی همه الکترون‌های آن را آزاد می‌کند. این الکترون‌های آزاد در مجموع فشاری را وارد می‌کنند که از فشردگی و انقباض بیشتر جلوگیری می‌کنند.
کوتوله‌های سفید اجرامی بسیار چگال هستند، به عنوان مثال یک کوتوله سفید با جرمی معادل جرم خورشید، هم اندازه زمین خواهد بود. کوتوله‌های سفید سرانجام سرد و تیره می‌شوند و کوتوله‌های سیاه را پدید می‌آورند.
اما ستارگانی که بیش از یک چهارم جرم خورشید جرم دارند، بیشتر فشرده و چگال می‌شوند و ستاره‌های نوترونی را بوجود می‌آورند. در یک انفجار ستاره ابرنواختر (Supernova)، فشار ناگهانی به قسمت داخلی ستاره سبب می‌شود الکترون به درون هسته رانده شوند و با پروتون‌ها درآمیزند و نوترون‌ها را پدید آورند. سپس هسته‌ها نیز در هم فشرده می‌شوند و یک هسته نوترونی بسیار بزرگ را بوجود می‌آورند. این هسته تقریبا تمام ستاره را شامل می‌شود.
بیشتر بخوانید : ابرنواختر چیست؟ ؛ تاریخچه ، تعریف و تصاویری از سوپرنواها
اگر جرم چنین ستاره‌ای از سه برابر جرم خورشید کمتر باشد، فشردگی بیشتر آن توسط فشار نوترونی و نیروهای هسته‌ای کنترل می‌شود. در چنین وضعی ستاره به جرمی در شعاع ۱۰ کیلومتر فشرده می‌شود. برای درک بهتر آن تصور کنید یک قاشق چایخوری یک میلیون تن وزن داشته باشد.
حالت دیگر زمانی است که ستاره بیش از سه برابر خورشید جرم داشته باشد. در چنین حالتی فشار الکترون‌ها و نوترون‌ها نمی‌توانند در برابر گرانش و جاذبه فوق‌العاده بالای ستاره مقاومت کنند. در نتیجه این ستاره در یک نقطه فشرده می‌شود و یک سیاهچاله را پدید می‌آورد.
در کتاب “تاریخچه زمان” از استیون هاوکینگ نوشته شده است:
چون ستاره‌ای منقبض و فشرده شود، میدان گرانشی در سطح آن قوی‌تر شده و مخروط‌های نوری بیشتر به درون خم می‌شوند. از این رو گریز پرتو نور از ستاره دشوارتر می‌شود و به چشم یک ناظر دوردست، نور تارتر و سخت‌تر جلوه خواهد نمود. عاقبت، وقتی ستاره به اندازه معینی منقبض شد و شعاع آن به اندازه بحرانی رسید، میدان گرانشی در سطح آن بسیار نیرومند می‌شود که دیگر مجالی برای گریختن نور باقی نمی‌ماند. در این صورت است که ستاره تبدیل به یک سیاهچاله می‌شود.
هر سیاهچاله دارای یک افق رویداد است. به علت وجود میدان جاذبه شدیدی که دارد همه اجرام اطراف خود را به سمت سیاهچاله می‌کشد و همچنین اجازه خروج از آن را نیز نمی‌دهند. نکته جالب اینجاست که سیاهچاله‌ها می‌توانند راهی برای خروج از جهان به حساب بیایند.
همچنین شاید سیاهچاله‌ها راهی برای تحقق رویای سفر در زمان باشند، اگر صفحه‌ی فضا-زمان دچار انحنایی بسیار بزرگ شود و صفحه‌ای دولایه را همراه با یک سیاهچاله و یک سفیدچاله ایجاد کند، کانالی تحت عنوان کرمچاله بوجود خواهد آمد که می‌توان از آن برای انتقال جرم و داده استفاده کرد. با این همه تئوری‌ها و پارادوکس‌های زیادی در خصوص پدیده احتمالا دور از دسترس سفر در زمان وجود دارد.
بیشتر بخوانید : سفر در زمان ؛ نظریات، پارادوکس‌های زمانی و احتمالات آن
دانشمندان معتقد هستند که گذشت زمان درون یک سیاهچاله برعکس زمان ما رخ می‌دهد. به عبارت دیگر اگر فضانوردی به درون سیاهچاله‌ای وارد شود و بتواند از تاثیر گرانش بر روی خودش جلوگیری کند، با گذشت زمان نه تنها پیر نمی‌شود، بلکه ظاهری جوانتر پیدا می‌کند!
اگر بخواهیم فنی‌تر بگوییم قانون آنتروپی در درون سیاهچاله به قانون “نگانتروپی” تبدیل می‌شود. به عبارت بهتر هر جرمی با گذشت زمان به جای آنکه مطابق قانون آنتروپی انرژی خود را از دست بدهد، پیر و بی‌نظم شود، مطابق قانون نگانتروپی انرژی کسب می‌کند و جوان می‌شود.
اما پرسش اینجاست که چگونه از لحاظ فیزیکی می‌توان سفر به درون سیاهچاله را توجیح کرد. رابرت نمیروف (Robert J. Nemiroff) استاد دانشگاه تکنولوژی میشیگان اینطور پاسخ می‌دهد:
غیر ممکن است گه یک انسان به نزدیک یک ستاره با گرانش بالا سفر کند. بنابراین ما نمی‌توانیم به ستاره‌ای مانند خورشید نزدیک شویم، صرف نظر از حرارت و تشعشعات مضر خورشید، گرانش شدید سطح آن برای انسان مشکل ساز خواهد بود، چون اگر انسان در سطح ستاره نوترونی که دارای جاذبه شدید است فرود بیاید، جاذبه شدید انسان و سفینه فضایی او را کاملا صاف کرده و بر روی سطح آن دراز می‌کند. دراز کشیدن انسان کمکی به او نمی‌کند، چون فضای ستاره آن چنان منحنی است و فضا چنان جاذبه‌ای ایجاد می‌کند که شخص بر سطح ستاره پهن می‌شود.
سیاهچاله مانند ستاره‌های معمولی چرخش ندارد و به علت چگالی شدید سیاهچاله، این ستاره دارای یک سطح کروی فوتونی است. همچنین یک افق رویداد نیز دارد. افق رویداد یعنی اینکه هر شیء‌ای را که به افق آن یا میدان جاذبه آن نزدیک شود به سرعت به درون خود می‌کشد و برای لحظه‌ای جسم از نظر ناظر ناپدید می‌شود.
جاذبه خارجی سیاهچاله نسبت به افق رویداد با متریک شوارتشیلد اندازه‌گیری می‌شود. در کتاب “روح، این ناشناخته” نویسنده ژان شارون (Jean-Émile Charon) فضای داخلی یک سیاهچاله را با فضای درون الکترون‌ها مقایسه می‌کند. از این جهت که الکترون به دلیل جاذبه خودش همانند سیاهچاله فضا را به روی خودش می‌بندد و همان مختصات هندسی را نیز دارد. جالب است بدانید کیهان شناسان امروزه به ستارهچاله‌های اتمی اشاره می‌کنند که در سراسر کائنات وجود دارند.
بیشتر بخوانید :
- امواج گرانشی حاصل از برخورد دو ستاره نوترونی برای اولین بار ثبت شدند
- سفیدچاله چیست ؛ اثباتی دیگر برای قوانین نسبیت
- کرم چاله چیست؟
.
منبع : رازها و رمز‌های کیهان
