تجربه‌هایی از خمیدگی فضا ـ زمان

دیدارنیوز _ سروش زمانی مقدم: در میان انواع برهمکنش‌های شناخته شده فیزیکی، بی‌شک یکی از خاص‌ترین آن‌ها برهمکنش گرانشی است.

بدین سبب ارائه "نظریه نسبیت عام"، تنها برای توصیف گرانش، همواره به عنوان یکی از نقاط اوج فیزیک قرن بیستم، در کنار نظریه مکانیک کوانتوم شناخته می‌شود.

اما به راستی علت تمایز گرانش از سایر برهمکنش‌های فیزیکی چیست؟

در واقع توصیف گرانش، به عنوان یک برهمکنش استثنایی و پر رمز و راز، برخلاف سایر برهمکنش ها، از حدود نظریه نسبیت "خاص" فراتر می‌رود و به صورت هندسی و با کمک "انحنای فضا-زمان" انجام می‌شود.

این در حالی است که همه نیرو‌های دیگر، در چارچوب برهمکنش‌های ذرات بنیادی و در بستر فضا-زمان تخت نظریه نسبیت خاص توصیف می‌شوند.

بیشتر بخوانید: نسبیت عام، پیوند فیزیک و کیهانشناسی

در واقع ساختار این نظریه با تکیه بر مفاهیم هندسی پیچیده‌ای با نام "هندسه ریمانی" بنا شد که حداقل در دوران ارائه این دستاورد بزرگ بشری، در سایر نظریه‌های فیزیکی نقشی نداشتند و در نتیجه در ابتدا این طور تصور می‌شد که گویا تلاش برای درک نسبیت عام، سعی در پیمودن مسیری در وادی دیگری غیر از فیزیک است!

لذا علل زیربنایی و ریاضیاتی این نظریه از یکسو، و عدم امکان فنی برگزاری آزمون‌هایی برای راستی آزمایی تجربی آن از سوی دیگر، از جمله دلایلی بودند که نه تنها باعث شدند که جایزه نوبل اینشتین را به دلیل دیگری غیر از نظریه نسبیت به او اعطاء کنند، بلکه سبب ساز آن شدند که تا حدود چهل سال پس از ارائه نسبیت عام، این نظریه موفق، آن طور که باید جدی گرفته نشود!

اغراق آمیز نخواهد بود اگر ادعا کنیم که نقطه عطف و تحول در نگرش فیزیکدانان نسبت به این نظریه، پس از به کارگیری آن در پژوهش‌های فیزیک ستاره‌های نوترونی و سیاهچاله‌ها حاصل شد.

این دو همان حوزه‌هایی هستند که اتفاقا غول درونی این نظریه و وجه متمایز آن از دیگر نظریه ها، یعنی فضا-زمان خمیده ریمانی، بیشتر از هر کجای دیگری در کیهان بزرگ مقیاس که صحنه عرض اندام این نظریه است، خود را به رخ می‌کشد و پنجه در پنجه فیزیکدانان می‌اندازد!

بیشتر بخوانید: اینشتین؛ تصویر کیهان بی‌انتها روی فرمول‌های کوچک

در نتیجه درک مفهوم اثرات فضا-زمان خمیده و توصیف هندسی این فضا-زمان غیر تخت، بی شک از مهمترین گام‌هایی است که می‌توان برای فهم اصولی نظریه نسبیت عام برداشت.

در واقع دریافتن اهمیت هندسی توصیف نسبیت عام و ارتباط این نظریه با مباحث هندسی، زیربنای موفقیت‌های این نظریه در توضیح دقیق اثراتی همچون "انحراف نور" و "انتقال حضیض عطارد" است.

لازم به ذکر است که البته انتقال حضیض عطارد، از حدود ۱۶۰ سال پیش معلوم بود، اما توضیح دقیق آن تنها با نظریه نسبیت عام امکان پذیر شد و یکی از بزرگترین موفقیت‌های این نظریه را رقم زد!

در این بررسی هندسی همچنین درخواهیم یافت که بعضی از پایه ای‌ترین تعاریف و اصول ما، همچون تعریف ما از "خط مستقیم" نیز دگرگون خواهد شد، چرا که مسیر پرتو‌های نور در میدان گرانش خمیده است و در نتیجه باید در آنچه که به عنوان تعریف یک خط راست می‌شناسیم، تجدید نظر کرد!

به عنوان یک مثال جالب، بحثمان را با بررسی رفتار امواج الکترومغناطیسی، در میدان گرانش، که در تجربه‌ای خاص، "اثر شاپیرو" نامیده می‌شود، پی می‌گیریم.

این اثر، در واقع یکی از آزمون‌های مهم نسبیت عام نیز می‌باشد.

در این بررسی، که وابسته به دقت ساعت‌های اتمی نیز هست، فرستنده ای، پرتو راداری را مثلا از زمین، به سمت سیاره زهره یا هر سیاره دیگری می‌فرستد و مدت زمان سفر رفت و برگشت پرتو رادار را پس از رسیدن پرتو به زهره و انعکاس آن از زهره و بازگشت دوباره آن به زمین اندازه می‌گیرد.

از طرفی، بر طبق نظریه نسبیت عام، فضا-زمان اطراف خورشید خمیده و غیر تخت است و در نتیجه اگر پرتو مذکور در مسیر رفت و برگشتی خود از زمین به زهره و بالعکس، به اندازه کافی از نزدیکی خورشید عبور کند، پیش بینی‌های نظری حاکی از آن خواهد بود که زمان این رفت و برگشت، طولانی‌تر از همین زمان مبتنی بر محاسبات مکانیک کلاسیک نیوتنی می‌باشد!

جالب توجه است که علیرغم آنکه میدان گرانشی خورشید، در کنار زمین، در حدود ۲۰۰ بار ضعیف‌تر می‌شود، اما باز هم می‌توان با تقریب بسیار خوبی، از میدان گرانشی زمین در مقابل میدان گرانشی خورشید، صرفنظر کرد!

با این حال، "کندی ساعتها" در میدان گرانشی و همچنین "مسیر طولانی‌تر نور"، همزمان، در این نتیجه سهم دارند!
‌
می‌توان نشان داد که برای پرتویی که کاملا از لبه خورشید گذر کند، ازدیاد زمان رفت و برگشت، نسبت به پیش بینی زمان نیوتونی، در حدود ۲۴۰ میکروثانیه خواهد بود!

این میزان تاخیر زمانی، از آن جهت حایز اهمیت است که با توجه سرعت نور، این میزان ازدیاد مدت سفر، معادل با ازدیاد ظاهری فاصله بین زمین و زهره به اندازه ۳۶ کیلومتر خواهد بود!

لازم به ذکر است که این نتیجه با دقتی معادل %۳ صادق است و در نتیجه هیچ شکی در قبول خمیدگی فضا-زمان نسبیتی در این نتیجه باقی نمی‌ماند.
 برای درک بهتر این موضوع باید به این نکته توجه کرد که %۳ دقت در این اندازه گیری بدان معنا می‌باشد که فاصله بین زمین و زهره، با تقریب حدود یک کیلومتر معین شده است!

در ادامه با بینشی که نسبت به فضا-زمان خمیده بدست آوردیم، می‌توانیم حالت‌هایی را که در ابتدای بحثمان به آن‌ها اشاره کردیم در نظر بگیریم و به توصیف فضا-زمان‌های خمیده‌تر در مجاورت اجرام بسیار چگالی همچون ستاره‌های نوترونی یا سیاهچاله‌ها بپردازیم.

در مثالی که بصورت خلاصه و با عنوان "اثر شاپیرو" بیان شد، و یا مثال‌های دیگری از این دست، همچون انحراف پرتو نور در مجاورت ستارگانی همچون خورشید، که از دیگر آزمون‌های تجربی نسبیت عام و تایید کننده فضا-زمان نسبیت عامی است، خمیدگی و انحراف از هندسه تخت، از مرتبه بزرگی برابر با "ده به توان منفی شش" است و در نتیجه آشکارسازی چنین اثراتی در گرو استفاده از دستگاه‌های بسیار حساسی همچون ساعت اتمی است.

اما علیرغم آنکه می‌دانیم که به علت گرانش شدید یک ستاره نوترونی، با قطری تنها در حدود ۲۰ کیلومتر، هیچ یک از شکل‌های شناخته شده حیات نمی‌تواند روی آن شکل بگیرد، بیایید "فرض کنیم" که می‌توانستیم بر روی یک ستاره نوترونی زیست کنیم!
‌
می‌توان نشان داد که در مقابل مقدار ده به توان منفی شش در حالت قبل، انحراف از هندسه تخت اقلیدسی در این حالت، از مرتبه‌ای به بزرگی یک بود!

آنچه که در ابتدای امر به وضوح می‌توان ذکر کرد آن است که در آنجا دیگر برای درک خمیدگی فضا-زمان نیازی به ابزار‌های سنجش پیچیده نداشتیم و نتایج خاص زندگی کردن در چنان فضایی در زندگی روزمره مان نیز مشهود می‌بود.

ذکر نکاتی برای درک این میزان شدید گرانش و خمیدگی فضا-زمان، از زبان مرحوم پروفسور رومان سکسل جالب توجه خواهد بود.

وی ذکر می‌کند که تصور چنین حالتی نباید آنقدر نیز سخت باشد، چرا که تنها لازم است که مرتبه بزرگی تجربه‌هایی را که در موردش می‌دانیم، میلیون‌ها بار بزرگتر و چشمگیرتر کنیم تا بتوانیم آن‌ها را از حیطه سنجش‌های دقیق دستگاه‌های اندازه گیری، به حوزه تجربیات روزمره زندگی مان انتقال دهیم.

در ادامه ایشان ذکر کرده اند که می‌توان به ستاره نوترونی به دید یک چشمه حیات نگریست، زیرا هرچه به ستاره نوترونی نزدیک‌تر باشیم، جوان‌تر مانده و کمتر پیر می‌شویم و در نتیجه در زیرزمین یک خانه فرضی در آن محل، امور روزانه در مقایسه با یک ساکن آسمانخراش در آن ستاره، بسیار کندتر پیش می‌روند!

برخلاف زمین، ثروتمندان دیگر در آپارتمان‌های بالای کوه و یا آسمانخراش‌ها زندگی نمی‌کنند، چرا که در آنجا همه چیز با سرعتی سرسام آور انجام خواهد شد و این شامل تپش قلب سریعتر و عمر کوتاهتر آنان نسبت به ساکنین خانه‌هایی در ارتفاع کمتر نیز خواهد شد.

اما جملگی ساکنین فرضی این ستاره نوترونی قطعا تمایل دارند که محل کار خود را در ارتفاعات بالادست انتخاب کنند چرا که کلیه کار‌های سریع در آنجا انجام خواهد شد و این در حالی خواهد بود که چنین کارمندان خوش بختی، پس از مراجعت به خانه‌های پایین دست خود درخواهند یافت که علیرغم اتمام ساعت کاریشان در آن روز، تنها دقایقی از آن روز در خانه شان سپری شده است!

البته آن‌ها از بابت پرداختی حقوقشان، مشکلی با کارفرما‌های خود ندارند چرا که به اندازه انجام کار یک روز کامل خسته خواهند شد و به اندازه یک روز کامل هم پیرتر خواهند شد، اما ساعات استراحت و وقت آزاد بیشتری در خانه خود خواهند داشت!

در ستاره نوترونی اثرات "انتقال به سرخ" نیز بسیار شدیدتر است و این موضوع تجربیات جالبی را نسبت به زندگی در زمین، برایمان به ارمغان می‌آورد.

به نقل از رومان سکسل، وقتی در این ستاره نوترونی، سیب سرخ رسیده‌ای را که کنار پایتان افتاده است بر می‌دارید، آن را سبز و کال می‌یابید چرا که تنها انتقال به سرخ باعث سرخ و رسیده به نظر آمدن آن شده بود!

بیشتر بخوانید: ساختارهای متفاوت جهان‌های فیزیکی

از طرفی تجربه رانندگی نیز در آن محیط متفاوت از آن چیزیست که به آن عادت داریم.

مثلا چراغ‌های راهنمایی در سر چهارراه‌ها تنها سه لامپ قرمز خواهند داشت که در ارتفاعات مختلف نصب شده اند. نور بالاترین چراغ‌ها به سبب "انتقال به آبی" سبز دیده خواهند شد و این در حالیست که نور چراغ‌های میانی، زرد دیده می‌شوند.

اما به نقل از ایشان، شاید جالب توجه‌ترین تجربه در آن مکان این باشد که برای دیدن پشت سرتان نیاز به هیچ آیینه‌ای نخواهید داشت چراکه انحراف شدید نور در فضای به شدت خمیده اطراف و مسیر دایروی نور به دور ستاره، برایمان مقدور می‌سازد که نه تنها پشت سر خود، بلکه دور تا دور ستاره را نیز رویت کنیم!

همچنین به جهت خمش نور در فضای اطراف ستاره می‌توانیم اجرامی را که در بیرون از آن و در پشت سر آن ستاره قرار دارند را نیز مشاهده کنیم!

در نتیجه کلیه اثرات بصری مذکوری که با کمی اغراق و خیال پردازی ذکر شدند، مجموعه‌ای از تغییر شکل‌ها را بصورت سرابی در زندگی انسان به وجود می‌آورند.

آنگاه بی شک دستگاه ادراکی ما وظایف بازشناختی جدیدی را خواهند داشت و تعاریف خط مستقیم، صفحه و تحلیل‌های هندسی، روند دیگری را طی خواهند کرد.

در نتیجه حتی فیزیکدانان ساکن در یک ستاره نوترونی نیز، لااقل در ابتدا، اختلاف نظر‌های زیادی با فیزیکدانان زمینی خواهند داشت.

در انتها شاید این پرسش نیز که از طرف استاد سکسل مطرح شده است در خور توجه باشد که به واقع تغییرات گرانش و میزان خمیدگی فضا-زمان در یک ستاره نوترونی، چه تحولاتی در تاریخ علوم عقلی و تمدنی نوع بشر فرضی ساکن در آن محیط می‌توانست ایجاد کند؟ و تحولات هندسی و علم فیزیک در آن محیط چه مسیری را می‌توانست طی کند؟

پاسخ به این پرسش‌ها و تفکر در مورد چنین زندگی خیالی، لزوما ما را برای زندگی در یک ستاره نوترونی مهیا نخواهد کرد، اما قطعا در پیشبرد علم فیزیک و گسترش درک ما از گرانش و مفاهیم هندسی آن در زمین بسیار موثر خواهد بود!