نسبیت عام به زبان ساده؛ سفری به درون یکی از شگفت‌انگیزترین نظریه‌های فیزیک

سقوط هر جسمی به‌سمت زمین معادل ساکن بودن جسم و شتاب گرفتن زمین به سمت آن است. این دیدگاه نشان می‌دهد که شتاب و گرانش می‌توانند به‌طور مشابه و معادل هم، عمل کنند. اجازه دهید این موضوع را کمی بازتر کنیم و با مثال توضیح دهیم.

هنگام سقوط، گرانش، تنها نیرویی است که بر جسم وارد می‌شود (گرانش را برحسب عادت و درک بهتر، نیرو در نظر گرفتیم). در این حالت، جسم به سمت زمین شتاب می‌گیرد، اما ازآنجاکه هیچ تماس و فشاری از سمت زمین وجود ندارد، جسم هیچ وزنی احساس نمی‌کند. در غیاب نیروی مقاومت هوا، سقوط جسم را می‌توانیم سقوط آزاد در نظر بگیریم. این حالت، مشابه شرایط بی‌وزنی در فضا است.

گرانش و شتاب دو روش مختلف برای توضیح یک مفهوم هستند. این همان جایی است که اینشتین به درک بزرگی دست یافت. او فهمید که شتاب، کلید اتصال گرانش با نظریه‌ی نسبیت است، زیرا این دو، معادل یکدیگر هستند. فردی را در اتاقِ بدون پنجره‌ای تصور کنید که روی ترازو ایستاده است و وزن خود را اندازه می‌گیرد.

فرض کنید فرد، داخل اتاق روی زمین و وزن او برابر ۷۰ کیلوگرم است. حال فرد در اتاقی مشابه، در فضا قرار می‌گیرد. اتاق می‌تواند در فضاپیمایی باشد که با شتاب ۹٫۸ متر بر مجذورثانیه (شتابی برابر با شتاب گرانش زمین) به سمت بالا حرکت می‌کند و از زمین دور می‌شود.

حال اگر فرد در این حالت روی ترازو بایستد، چه اتفاقی می‌افتد؟ ترازو چه عددی را نشان می‌دهد؟ ترازو، وزن فرد را باز هم عدد ۷۰ کیلوگرم نشان می‌دهد. درست مثل زمانی که روی زمین است. در این حالت، اگر فرد نداند که در فضاپیما قرار دارد، به‌راحتی می‌تواند تصور کند که روی زمین است. اینشتین به این موضوع فکر کرد و از خودش پرسید آیا راهی برای تشخیص تفاوت بین شتاب و گرانش وجود دارد؟ او برای پاسخ به این پرسش، آزمایشی خیالی طراحی کرد.

فردِ داخل فضاپیما، به‌جای ایستادن روی ترازو، با چراغ قوه یا لیزر، سمت دیگر اتاق را روشن می‌کند. منبع نور در ارتفاع مشخصی از کف فضاپیما قرار دارد. فرد با دستگاه اندازه‌گیری بسیار دقیقی، ارتفاع نورِ تابیده شده را روی دیوار روبرو اندازه می‌گیرد.

ارتفاع به‌دست آمده، اندکی کمتر از ارتفاع منبع نور تا کف است. چرا؟ اتاق داخل فضاپیما با شتاب ۹٫۸ متر بر مجذورثانیه (همان شتاب گرانش زمین) به سمت بالا حرکت می‌کند. درنتیجه، هنگام حرکت نور از یک سمت اتاق به سمت دیگر (هرچند در زمانی بسیار کوتاه)، کف اتاق به سمت بالا جابجا می‌شود. بنابراین، به‌نظر می‌رسد که مسیر نور کمی خم شده است. این خمیدگی به دلیل شتاب اتاق است، نه به خاطر خود نور.

فردِ داخل فضاپیما، پس از بازگشت به زمین، آزمایش مشابهی را انجام می‌دهد. شاید فکر کنید نور باید مستقیم به سمت دیگر اتاق برود و هیچ تفاوتی در ارتفاع وجود نداشته باشد. این تصور از نظر عقلی درست به نظر می‌رسد. اما اینشتین با این نظر موافق نبود، زیرا در این حالت اصل هم‌ارزی نقض می‌شود؛ شتابِ اتاقِ داخل فضاپیما نباید هیچ تفاوتی با اثر گرانش روی زمین داشته باشد.

اینشتین به این نتیجه رسید که نور باید در حضور میدان گرانشی خم شود. اما چطور ممکن است؟ مگر نور همیشه کوتاه‌ترین مسیر را بین دو نقطه طی نمی‌کند؟ اینجا بود که اینشتین به نکته‌ای کلیدی رسید؛ نور همچنان کوتاه‌ترین مسیر را طی می‌کند، اما شاید کوتاه‌ترین مسیر دیگر یک خط مستقیم نباشد!

او سطح خمیده‌ی زمین را به‌عنوان مثال در نظر گرفت. اگر روی سطح زمین حرکت کنید، کوتاه‌ترین مسیر بین دو نقطه‌ی دورافتاده، دیگر یک خط مستقیم نیست، بلکه مسیری منحنی است که انحنای زمین را دنبال می‌کند. بنابراین، شاید گرانش باعث خمیدگی فضا می‌شود. برطبق این دیدگاه، فضا در حضور جرم و انرژی، خمیده خواهد شد. مسیر مستقیم نور در چنین فضایی به یک مسیر منحنی تبدیل می‌شود.

همان‌طور که توضیح دادیم در نظریه‌ نسبیت عام، گرانش به‌عنوان یک نیروی جاذب بین دو جسم عمل نمی‌کند. بلکه، اجسام به دلیل جرم خود، فضازمان اطرافشان را خمیده می‌کنند. این خمیدگیِ فضازمان بر حرکت اجسام تاثیر می‌گذارد و مسیر حرکت آن‌ها را تغییر می‌دهد. به‌عبارت دیگر، اجسام به‌جای حرکت در مسیرهای مستقیم، در فضازمانِ خمیده شده در اطراف جرم‌های مختلف، حرکت می‌کنند.

درنتیجه، خمیدگی فضازمان در اطراف هر جسمی که جرم دارد، مهم‌ترین ایده‌ در نسبیت عام است. برای درک بهتر این مفهوم، می‌توانیم جهان را به‌شکل شبکه‌ای عظیم و گسترده از فضازمان، به‌صورت نشان داده شده در تصویر زیر، در نظر بگیریم؛ مانند یک تار عنکبوت بی‌انتها. حضور جسمی با جرم بسیار زیاد داخل این شبکه، مشابهِ قرار دادن وزنه‌ای روی پارچه‌ای کشیده است.

اجسام به‌صورت طبیعی تمایل دارند روی خط مستقیم حرکت کنند. به‌عنوان مثال، اگر سیبی را داخل فضا و دور از اجرام آسمانی رها کنیم، روی خط مستقیم و با سرعت ثابت به حرکت خود ادامه می‌دهد. حال اگر همان سیب را در نزدیکی جسمی با جرم زیاد، مانند زمین، رها کنیم، چه اتفاقی رخ می‌دهد؟ ازآنجاکه جرم زمین بسیار زیاد است، فضازمان اطراف خود را خمیده می‌کند. در اثر این خمیدگی، مسیرهایی که در حالت عادی باید مستقیم باشند، از مسیر مستقیم منحرف می‌شوند.

حال وقتی سیبی را در نزدیکی زمین رها کنیم، از نگاه ما، سیب منحنی‌ای را به‌صورت نشان داده شده در تصویر زیر طی می‌کند. اما در حقیقت، مسیر حرکت سیب مستقیم است. این مسیر، در فضازمان خمیده‌ی اطراف زمین، به‌تدریج به سطح زمین نزدیک می‌شود.

تا اینجا فهمیدیم که گرانش نتیجه‌ی خمیدگی فضازمان است که در اطراف اجسام با جرم‌های مختلف ایجاد می‌شود. برای درک بهتر این موضوع، دو حالت زیر را در نظر بگیرید:‌

• سطح صاف و مسطح: دو نفر را در نظر بگیرید که روی سطحی کاملاً صاف، روی دو خط موازی و مستقیم، به‌سمت بالا حرکت می‌کنند. در این حالت، دو فرد هرگز به هم نزدیک نخواهند شد، زیرا مسیرهایشان کاملاً مستقیم و بدون انحراف است.

• سطح منحنی مانند زمین: حالا همان دو نفر را تصور کنید که روی سطح کره‌ی زمین روی دو خط مستقیم به سمت شمال حرکت می‌کنند. اگرچه هر دو نفر مسیر مستقیم خود را طی می‌کنند، اما در نهایت در قطب شمال به هم می‌رسند. چرا؟ به‌دلیل انحنای سطح زمین، مسیرهای به ظاهر مستقیم آن‌ها، در واقع خمیده‌ هستند.

درنتیجه، گرانش از خمیدگی فضازمان ایجاد می‌شود. این‌گونه به‌نظر می‌رسد که اجسام به سمت یکدیگر جذب و مسیرهای حرکتِ آن‌ها به‌تدریج به هم نزدیک می‌شود. اما در واقعیت، این پدیده به دلیل خمیدگی خطوط مستقیمی است که اجسام روی آن‌ها حرکت می‌کنند.

برای درک عمیق‌تر نسبیت عام و مفهوم گرانش، به یکی از شگفت‌انگیزترین اجرام کیهانی نگاهی می‌اندازیم: سیاه‌چاله‌ها.

سیاه‌چاله‌ها از شگفت‌انگیزترین پدیده‌های کیهان‌شناسی به شمار می‌آیند و به‌طور دقیق در چارچوب نظریه نسبیت عام اینشتین توصیف می‌شوند. این اجرام فوق‌العاده چگال، جرمی عظیم دارند که تمامی آن در نقطه‌ای با حجم تقریباً صفر و چگالی بی‌نهایت، به‌نام تکینگی گرانشی، متمرکز شده است. در این نقطه، ساختار فضازمان به‌قدری خمیده می‌شود که قوانین فیزیک، به شکلی که می‌شناسیم، قادر به توصیف کامل آن را نیستند.