24.3: Uchunguzi wa Uhusiano Mkuu

Malengo ya kujifunza

Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:

• Eleza mwendo usio wa kawaida wa Mercury karibu na Jua na kuelezea jinsi uwiano wa jumla unavyoelezea tabia iliyoonekana
• Kutoa mifano ya ushahidi kwa mionzi ya mwanga kuwa bent na vitu vingi, kama ilivyotabiriwa na nadharia ya jumla ya relativity kuhusu warping ya spacetime

Nini Einstein alipendekeza ilikuwa kitu kidogo kuliko mapinduzi makubwa katika ufahamu wetu wa nafasi na wakati. Ilikuwa nadharia mpya ya mvuto, ambayo molekuli huamua curvature ya spacetime na kwamba curvature, kwa upande wake, udhibiti jinsi vitu hoja. Kama mawazo yote mapya katika sayansi, bila kujali ni nani anayewaendeleza, nadharia ya Einstein ilipaswa kupimwa kwa kulinganisha utabiri wake dhidi ya ushahidi wa majaribio. Hii ilikuwa changamoto kabisa kwa sababu madhara ya nadharia mpya yalikuwa dhahiri tu wakati umati ulikuwa mkubwa kabisa. (Kwa raia wadogo, ilihitaji mbinu za kupima ambazo hazipatikani mpaka miongo kadhaa baadaye.)

Wakati molekuli kupotosha ni ndogo, utabiri wa jumla wa relativity lazima kukubaliana na yale yanayotokana na sheria ya Newton ya gravitation zima, ambayo, baada ya yote, imetutumikia admirably katika teknolojia yetu na katika kuongoza probes nafasi kwa sayari nyingine. Katika eneo la kawaida, kwa hiyo, tofauti kati ya utabiri wa mifano miwili ni ya hila na vigumu kuchunguza. Hata hivyo, Einstein aliweza kuonyesha ushahidi mmoja wa nadharia yake ambayo inaweza kupatikana katika data zilizopo na kupendekeza mwingine ambayo ingeweza kupimwa miaka michache baadaye.

Mwendo wa Mercury

Kati ya sayari katika mfumo wetu wa jua, Mercury huzunguka karibu na Jua na hivyo huathirika zaidi na kuvuruga kwa muda wa nafasi zinazozalishwa na wingi wa Jua. Einstein alijiuliza kama upotofu huo unaweza kuzalisha tofauti inayoonekana katika mwendo wa Mercury ambao haukutabiriwa na sheria ya Newton. Ilibadilika kuwa tofauti ilikuwa ya hila, lakini ilikuwa dhahiri huko. Muhimu zaidi, ilikuwa tayari imepimwa.

Mercury ina obiti yenye duaradufu sana, hivyo ni takriban theluthi mbili tu mbali na Jua kwenye perihelion jinsi ilivyo kwenye aphelion (maneno haya yalifafanuliwa katika sura juu ya Orbits na Gravity). Madhara ya mvuto (kupotosha) ya sayari nyingine kwenye Mercury huzalisha mapema ya mahesabu ya perihelion ya Mercury. Hii inamaanisha kwamba kila perihelion mfululizo hutokea katika mwelekeo tofauti kidogo kama inavyoonekana kutoka Jua (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{1}\) Mercury ya Wobble. Mhimili mkubwa wa obiti ya sayari, kama vile Mercury, huzunguka angani kidogo kwa sababu ya kupotosha mbalimbali. Katika kesi ya Mercury, kiasi cha mzunguko (au orbital precession) ni kidogo zaidi kuliko inaweza kuhesabiwa na nguvu za mvuto zilizofanywa na sayari nyingine; tofauti hii inaelezewa kwa usahihi na nadharia ya jumla ya relativity. Mercury, kuwa sayari iliyo karibu na Jua, ina obiti yake iliyoathiriwa zaidi na kupigwa kwa muda wa nafasi karibu na Jua. Mabadiliko kutoka obiti hadi obiti yamekuwa yamepanuliwa sana kwenye mchoro huu.

Kwa mujibu wa mvuto wa Newton, nguvu za mvuto zilizofanywa na sayari zitasababisha perihelion ya Mercury kuendeleza kwa sekunde 531 za arc (arcsec) kwa karne. Katika karne ya kumi na tisa, hata hivyo, ilibainika kuwa mapema halisi ni 574 arcsec kwa karne. Tofauti hiyo ilielezwa kwanza mwaka 1859 na Urbain Le Verrier, codiscoverer wa Neptune. Kama vile tofauti katika mwendo wa Uranus iliwawezesha wanaastronomia kugundua uwepo wa Neptune, hivyo ilidhaniwa kuwa tofauti katika mwendo wa Mercury inaweza kumaanisha kuwepo kwa sayari ya ndani isiyojulikana. Wanaastronomia walitafuta sayari hii karibu na Jua, hata wakitoa jina: Vulcan, baada ya mungu wa moto wa Kirumi. (Jina baadaye litatumika kwa sayari ya nyumbani ya tabia maarufu kwenye show maarufu ya televisheni kuhusu usafiri wa nafasi ya baadaye.)

Lakini hakuna sayari iliyowahi kupatikana karibu na Jua kuliko Mercury, na tofauti ilikuwa bado inasumbua wanaastronomia wakati Einstein alikuwa akifanya mahesabu yake. General relativity, hata hivyo, anatabiri kwamba kutokana na curvature ya spacetime kuzunguka Sun, perihelion ya Mercury inapaswa kuendeleza kidogo zaidi kuliko inavyotabiriwa na mvuto wa Newton. Matokeo yake ni kufanya mhimili mkubwa wa obiti ya Mercury uzunguke polepole angani kwa sababu ya mvuto wa Jua pekee. Utabiri wa uwiano wa jumla ni kwamba mwelekeo wa perihelion unapaswa kubadilika na arcsec 43 ya ziada kwa karne. Hii ni inashangaza karibu na tofauti aliona, na alimpa Einstein ujasiri mwingi kama yeye juu nadharia yake. Mapema ya relativistic ya perihelion baadaye pia yalionekana katika njia za asteroids kadhaa ambazo huja karibu na jua.

Uchafuzi wa Starlight

Jaribio la pili la Einstein lilikuwa kitu ambacho hakijawahi kuzingatiwa kabla na ingekuwa hivyo kutoa uthibitisho bora wa nadharia yake. Kwa kuwa spacetime ni zaidi ikiwa katika mikoa ambapo uwanja mvuto ni nguvu, tunataka kutarajia mwanga kupita sana karibu na jua kuonekana kufuata njia ikiwa (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)), kama ile ya ant katika mlinganisho wetu. Einstein mahesabu kutoka nadharia ya jumla ya relativity kwamba mwanga wa nyota tu kuchunga uso wa Sun lazima deflected na angle ya 1.75 arcsec. Je, kufuta vile kunaweza kuzingatiwa?

Kielelezo\(\PageIndex{2}\) Curvature ya Njia za Mwanga karibu na Jua.Starlight kupita karibu na Jua ni deflected kidogo na “warping” ya spacetime. (Uchafuzi huu wa mwanga wa nyota ni mfano mmoja mdogo wa uzushi unaoitwa gravitational lensing, ambayo tutajadili kwa undani zaidi katika Mageuzi na Usambazaji wa Galaxies.) Kabla ya kupita kwa Jua, mwanga kutoka nyota ulikuwa unasafiri sawa na makali ya chini ya takwimu. Ilipopita karibu na Jua, njia ilibadilishwa kidogo. Tunapoona nuru, tunadhani boriti ya nuru imekuwa ikisafiri katika njia moja kwa moja katika safari yake, na hivyo tunapima nafasi ya nyota kuwa tofauti kidogo na nafasi yake ya kweli. Kama tungeiangalia nyota wakati mwingine, wakati Jua halipo njiani, tungepima msimamo wake wa kweli.

Tunakutana na “tatizo la kiufundi” ndogo tunapojaribu kupiga picha ya mwanga wa nyota ukikaribia sana na Jua: Jua ni chanzo cha mwanga wa nyota yenyewe. Lakini wakati wa kupatwa kwa jua kwa jumla, mwanga mwingi wa Jua umezuiwa nje, kuruhusu nyota zilizo karibu na Jua kupigwa picha. Katika karatasi iliyochapishwa wakati wa Vita Kuu ya Dunia, Einstein (akiandika katika jarida la Kijerumani) alipendekeza kuwa uchunguzi wa picha wakati wa kupatwa unaweza kuonyesha uharibifu wa mwanga unaopita karibu na jua.

Mbinu hii inahusisha kuchukua picha ya nyota miezi sita kabla ya kupatwa na kupima nafasi ya nyota zote kwa usahihi. Kisha nyota hizo zinapigwa picha wakati wa kupatwa. Huu ndio wakati mwanga wa nyota unapaswa kusafiri kwetu kwa kupiga jua na kuhamia kwa njia ya muda mfupi. Kama inavyoonekana kutoka Dunia, nyota zilizo karibu zaidi na Jua zitaonekana kuwa “nje ya mahali” —mbali kidogo na nafasi zao za kawaida kama ilivyopimwa wakati Jua haliko karibu.

Nakala moja ya karatasi hiyo, iliyopitia Holland ya neutral, ilifikia mwanaastronomia wa Uingereza Arthur S. Eddington, ambaye alibainisha kuwa kupatwa kwa kufaa kwa pili kulikuwa tarehe 29 Mei 1919. Waingereza waliandaa safari mbili za kuchunguza: moja kwenye kisiwa cha Príncipe, mbali na pwani ya Afrika Magharibi, na nyingine huko Sobral, kaskazini mwa Brazil. Licha ya matatizo fulani na hali ya hewa, safari zote mbili zilipata picha za mafanikio. Nyota zilizoonekana karibu na jua zilikuwa zimehamishwa, na kwa usahihi wa vipimo, ambavyo vilikuwa karibu 20%, mabadiliko yalikuwa sawa na utabiri wa uwiano wa jumla. Majaribio ya kisasa zaidi na mawimbi ya redio yanayosafiri karibu na Jua yamehakikishia kuwa uhamisho halisi ni ndani ya 1% ya kile ambacho relativity ya jumla inatabiri.

Uthibitisho wa nadharia na safari za kupatwa mwaka 1919 ilikuwa ushindi ambao ulifanya Einstein kuwa mtu Mashuhuri wa dunia.

Muhtasari

Katika mashamba dhaifu ya mvuto, utabiri wa uwiano wa jumla unakubaliana na utabiri wa sheria ya Newton ya mvuto. Hata hivyo, katika mvuto mkubwa wa Jua, uwiano wa jumla hufanya utabiri ambao hutofautiana na fizikia ya Newton na inaweza kupimwa. Kwa mfano, relativity ya jumla inatabiri kwamba mawimbi ya mwanga au redio yatafutwa wakati yanapita karibu na Jua, na kwamba nafasi ambapo Mercury iko kwenye perihelion ingebadilika kwa arcsec 43 kwa karne hata kama hapakuwa na sayari nyingine katika mfumo wa jua ili kupotosha obiti yake. Utabiri huu umehakikishiwa na uchunguzi.