24.3: اختبارات النسبية العامة
- Page ID
- 197674
أهداف التعلم
في نهاية هذا القسم، ستكون قادرًا على:
- وصف الحركة غير العادية لعطارد حول الشمس وشرح كيف تفسر النسبية العامة السلوك الملحوظ
- قدِّم أمثلة على الأدلة التي تشير إلى أن أشعة الضوء تنحني بفعل الأجسام الضخمة، كما تنبأت بذلك نظرية النسبية العامة حول تزييف الزمكان
ما اقترحه أينشتاين لم يكن أقل من ثورة كبيرة في فهمنا للمكان والزمان. لقد كانت نظرية جديدة للجاذبية، حيث تحدد الكتلة انحناء الزمكان وهذا الانحناء بدوره يتحكم في كيفية تحرك الأجسام. مثل كل الأفكار الجديدة في العلوم، بغض النظر عمن يقوم بتطويرها، كان لابد من اختبار نظرية أينشتاين من خلال مقارنة تنبؤاتها بالأدلة التجريبية. كان هذا تحديًا كبيرًا لأن تأثيرات النظرية الجديدة كانت واضحة فقط عندما كانت الكتلة كبيرة جدًا. (بالنسبة للكتل الصغيرة، تطلب الأمر تقنيات قياس لن تصبح متاحة إلا بعد عقود.)
عندما تكون الكتلة المشوهة صغيرة، يجب أن تتفق تنبؤات النسبية العامة مع تلك الناتجة عن قانون نيوتن للجاذبية العالمية، والذي، على كل حال، قد خدمنا بشكل مثير للإعجاب في تقنيتنا وفي توجيه المسابير الفضائية إلى الكواكب الأخرى. لذلك، في المنطقة المألوفة، تكون الاختلافات بين تنبؤات النموذجين دقيقة ويصعب اكتشافها. ومع ذلك، تمكن أينشتاين من إثبات واحد لنظريته يمكن العثور عليه في البيانات الموجودة واقتراح دليل آخر سيتم اختباره بعد بضع سنوات فقط.
ذا موشن أوف ميركوري
من بين الكواكب في مجموعتنا الشمسية، يدور عطارد بالقرب من الشمس وبالتالي فهو الأكثر تأثرًا بتشويه الزمكان الناتج عن كتلة الشمس. تساءل أينشتاين عما إذا كان التشويه قد ينتج اختلافًا ملحوظًا في حركة عطارد لم يتنبأ به قانون نيوتن. اتضح أن الفرق كان طفيفًا، لكنه كان بالتأكيد موجودًا. الأهم من ذلك، تم قياسه بالفعل.
يحتوي الزئبق على مدار بيضاوي للغاية، بحيث أنه يبعد حوالي الثلثين فقط عن الشمس عند الحضيض كما هو عند الأوج (تم تعريف هذه المصطلحات في الفصل الخاص بالمدارات والجاذبية). تنتج تأثيرات الجاذبية (الاضطرابات) للكواكب الأخرى على عطارد تقدمًا ملموسًا لحضيض عطارد. ما يعنيه هذا هو أن كل حضيض متعاقب يحدث في اتجاه مختلف قليلاً كما هو موضح من الشمس (الشكل\(\PageIndex{1}\)).
وفقًا للجاذبية النيوتونية، ستؤدي قوى الجاذبية التي تمارسها الكواكب إلى تقدم حضيض عطارد بنحو 531 ثانية من القوس (arcsec) في كل قرن. ولكن في القرن التاسع عشر، لوحظ أن التقدم الفعلي هو 574 قسًا في الثانية لكل قرن. تمت الإشارة إلى التناقض لأول مرة في عام 1859 من قبل أوربان لو فيرييه، مكتشف شفرة نبتون. مثلما سمحت التناقضات في حركة أورانوس لعلماء الفلك باكتشاف وجود نبتون، لذلك كان يُعتقد أن التناقض في حركة عطارد يمكن أن يعني وجود كوكب داخلي غير مكتشف. بحث علماء الفلك عن هذا الكوكب بالقرب من الشمس، حتى أنهم أطلقوا عليه اسمًا: فولكان، تيمنًا بإله النار الروماني. (سيتم استخدام الاسم لاحقًا لكوكب موطن شخصية مشهورة في برنامج تلفزيوني شهير حول السفر إلى الفضاء في المستقبل.)
ولكن لم يتم العثور على أي كوكب أقرب إلى الشمس من عطارد، وكان التناقض لا يزال يزعج علماء الفلك عندما كان أينشتاين يقوم بحساباته. ومع ذلك، تتنبأ النسبية العامة بأنه بسبب انحناء الزمكان حول الشمس، يجب أن يتقدم حضيض عطارد عطارد بشكل طفيف أكثر مما تنبأت به الجاذبية النيوتونية. والنتيجة هي جعل المحور الرئيسي لمدار عطارد يدور ببطء في الفضاء بسبب جاذبية الشمس وحدها. تنبؤ النسبية العامة هو أن اتجاه الحضيض يجب أن يتغير بمقدار 43 قسًا إضافيًا في القرن. هذا قريب بشكل ملحوظ من التناقض الملحوظ، وأعطى أينشتاين الكثير من الثقة أثناء تقدمه لنظريته. كما لوحظ التقدم النسبي للحضيض لاحقًا في مدارات العديد من الكويكبات التي تقترب من الشمس.
انحراف ضوء النجوم
كان الاختبار الثاني لأينشتاين شيئًا لم تتم ملاحظته من قبل، وبالتالي سيوفر تأكيدًا ممتازًا لنظريته. نظرًا لأن الزمكان يكون أكثر انحناءًا في المناطق التي يكون فيها مجال الجاذبية قويًا، فإننا نتوقع أن يبدو الضوء المار بالقرب من الشمس وكأنه يتبع مسارًا منحنيًا (الشكل\(\PageIndex{2}\))، تمامًا مثل مسار النمل في قياسنا. حسب أينشتاين من نظرية النسبية العامة أن ضوء النجوم الذي يرعى سطح الشمس فقط يجب أن ينحرف بزاوية 1.75 قوس ثانية. هل يمكن ملاحظة مثل هذا الانحراف؟
نواجه «مشكلة تقنية» صغيرة عندما نحاول تصوير ضوء النجوم القريب جدًا من الشمس: الشمس هي مصدر ساطع للغاية لضوء النجوم نفسه. ولكن أثناء الكسوف الكلي للشمس، يتم حجب الكثير من ضوء الشمس، مما يسمح بتصوير النجوم القريبة من الشمس. في ورقة بحثية نُشرت خلال الحرب العالمية الأولى، اقترح أينشتاين (يكتب في مجلة ألمانية) أن الملاحظات الفوتوغرافية أثناء الكسوف يمكن أن تكشف عن انحراف الضوء الذي يمر بالقرب من الشمس.
تتضمن هذه التقنية التقاط صورة للنجوم قبل ستة أشهر من الكسوف وقياس موقع جميع النجوم بدقة. ثم يتم تصوير نفس النجوم أثناء الكسوف. هذا هو الوقت الذي يتعين فيه على ضوء النجوم السفر إلينا عن طريق التفاف الشمس والتحرك عبر الزمكان المشوه بشكل ملحوظ. كما يُرى من الأرض، ستبدو النجوم الأقرب إلى الشمس وكأنها «في غير مكانها» - بعيدًا قليلاً عن مواقعها العادية كما تم قياسها عندما لا تكون الشمس قريبة.
وصلت نسخة واحدة من تلك الورقة، التي مرت عبر هولندا المحايدة، إلى عالم الفلك البريطاني آرثر إس إدينجتون، الذي لاحظ أن الكسوف المناسب التالي كان في 29 مايو 1919. نظم البريطانيون بعثتين لمراقبته: واحدة في جزيرة برينسيبي، قبالة سواحل غرب إفريقيا، والأخرى في سوبرال، في شمال البرازيل. على الرغم من بعض المشاكل المتعلقة بالطقس، حصلت كلتا البعثتين على صور فوتوغرافية ناجحة. لقد تم بالفعل تهجير النجوم التي شوهدت بالقرب من الشمس، ووفقًا لدقة القياسات، التي بلغت حوالي 20٪، كانت التحولات متسقة مع تنبؤات النسبية العامة. أكدت التجارب الأكثر حداثة مع موجات الراديو المتجهة بالقرب من الشمس أن عمليات النزوح الفعلية تقع في حدود 1٪ مما تتنبأ به النسبية العامة.
كان تأكيد النظرية من خلال بعثات الكسوف في عام 1919 انتصارًا جعل أينشتاين مشهورًا عالميًا.
ملخص
في مجالات الجاذبية الضعيفة، تتفق تنبؤات النسبية العامة مع تنبؤات قانون نيوتن للجاذبية. ومع ذلك، في ظل الجاذبية القوية للشمس، تضع النسبية العامة تنبؤات تختلف عن الفيزياء النيوتونية ويمكن اختبارها. على سبيل المثال، تتنبأ النسبية العامة بأن موجات الضوء أو الراديو ستنحرف عند مرورها بالقرب من الشمس، وأن الموقع الذي يوجد فيه عطارد عند نقطة الحضيض سيتغير بمقدار 43 قسًا في الثانية لكل قرن حتى لو لم تكن هناك كواكب أخرى في النظام الشمسي لتشوش مداره. تم التحقق من هذه التوقعات من خلال الملاحظة.