ما هو الدليل على نظرية النسبية لأينشتاين؟

لقد أُثبتت نظرية ألبرت أينشتاين النسبية الشهيرة في العالم الحقيقي، وقد تم قياسها في الكسوف، والمجرات المشوهة، وحتى في بنية الكون.

جميعنا نعلم ونحب نظرية الجاذبية المفضلة للعالم : النسبية العامة (GR)،التي طبخها ألبرت أينشتاين أول مرة بنفسه في إنجاز رائع استغرق سبع سنوات لإكمالِه، وقدمت رؤى مذهلة حول كيفية عمل العالم.

من السهل بما فيه الكفاية أن نذكر جوهر النظرية في بيانين كبيرين:” المادة والطاقة يبينان للزمكان كيفية الانحناء، وهذا الانحناء في الزمكان يدل المادة على كيفية التحرك .”لكن الميكانيكا الحالية تستعمل 10 معادلات عظيمة لوصفها، بالإضافة إلى صعوبة كل واحدة وكذلك شدة ارتباطها مع المعادلات الأخرى، [نظرية أينشتاين للنسبية العامة: تفسير مبسط].

ولِكوننا مشككين جيدين،لا ينبغي لنا أن نؤمن بهذا التشابك في الرياضيات للوهلة الأولى، حتى لو أنها لم تكن من دماغ أحد سوى اينشتاين، بل بدلًا من ذلك فنحن نحتاج دليلًا، دليلًا جيدًا.

من بين كل ملامح نظريته الجديدة، كان أينشتاين فخورًا بقدرته على شرح تفاصيل مدار عطارد. يمتلك هذا الكوكب الأعمق مدارًا بيضاويًا تقريبًا، وهذا الشكل البيضاوي يدور ببطء حول الشمس. وبعبارة أخرى، فإن المكان الذي يكون فيه عطارد أبعد ما يكون عن الشمس، يتغير ببطء مع مرور الوقت.

إذا قمت بتطبيق جاذبية نيوتونية بسيطة على نظام الشمس – عطارد، فإن هذا التغير مع مرور الوقت، والذي يطلق عليه اسم الاستباقية، لا يظهر وجهة نظر إسحاق نيوتن على أنها غير مكتملة.

وبمجرد أن تضيف في الجاذبية اللطيفة دافعًا و تغييرًا بسبب الكواكب الأخرى، يمكن شرح كل البادئة تقريبًا ولكن ليس كلها.

وبحلول أوائل القرن العشرين، كانت المشكلة معروفة في ديناميكيات النظام الشمسي، ولكنها لم تسبب كثيرًا من الجدل، لقد أضافها معظم الناس إلى قائمة متزايدة باستمرار لـ “أشياء غريبة بعض الشيء لا يمكننا شرحها عن الكون” وافترضنا أننا سنجد حلاً دنيوياً في يومٍ من الأيام.

لكن أينشتاين لم يكن معظم الناس، واعتَقد أن عطارد كان يعطيه دليلًا .عندما استطاع ، بعد سنوات من المحاولات، يثني عضلات نِسبيته العامة ويشرح على وجه التحديد الشذوذات المدارية في عطارد، فقد عرف أنه قام أخيرًا بكسر الشفرة التثاقلية.

ضوء الانحناء

بل أن يضع أينشتاين اللمسات الأخيرة على النسبية العامة، وصل إلى بعض الإنجازات المذهلة حول طبيعة الجاذبية. إذا كنت معزولاً في صاروخ يتسارع بسرعة 1G على نحو سلس وثابت ـ مما يوفر نفس التسارع كما الأمر بالنسبة لجاذبية الأرض ــ فإن كل شيء في مختبرك سوف يعمل تمامًا كما يحدث على سطح الكوكب، حسب أينشتاين.

ستسقط الأجسام على السطح بنفس سرعة سقوطها على كوكب الأرض، ستبقى أقدامك مرتبطة بقوة على الأرض، إلخ.

هذا التكافؤ بين الجاذبية (كما هو معروف على الأرض) والتسارع (كما تمت تجربته على الأرض) دفع (كالكلمات المتقاطعة) آينشتاين إلى الأمام لتطوير نظريته. لكن المُخبأ في هذا السيناريو هي فكرة مدهشة، تخيل شعاعًا من الضوء يدخل النافذة على الجانب الأيسر لسفينة الفضاء. في الوقت الذي يعبر فيه الضوء سفينة الفضاء للخروج، أين سيكون الضوء؟

من وجهة نظر مراقب خارجي، فإن الجواب واضح. يسافر الضوء في خط مستقيم تمامًا، متعامد مع مسار الصاروخ. و خلال الوقت الذي يمر فيه الضوء، يدفع الصاروخ نفسه إلى الأمام. ثم يدخل الضوء إلى الصاروخ عبر نافذة واحدة ـ لنَقل، بالقرب من الحافة ويخرج بالقرب من القاع، بالقرب من المحركات.

من داخل المركبة الفضائية، تبدو الأمور غريبة. لكي يدخل الضوء من نافذة بالقرب من الحافة ويخرج بالقرب من المحركات، يجب أن يكون مسار الشعاع منحنيًا. في الواقع، هذا بالضبط ما تتم رؤيته.

وبما أن الجاذبية هي نفسها تمامًا مثل التسارع، فيجب إذن أن يتبع الضوء مسارات منحنية حول أجسام ضخمة.

من الصعب ملاحظة هذا بشكلٍ تجريبي، لأنك تحتاج إلى كتلة كبيرة وبعض الضوء يمر بالقرب من السطح للحصول على تأثير قابل للملاحظة. لكن كسوف الشمس عام 1919 أثبت أنه الفرصة المناسبة، وجدت بعثة قادها السير آرثر ادينجتون Arthur Eddington التحول الدقيق لضوء النجوم البعيدة الذي تنبأت بها نظرية اينشتاين الوليدة. [كيف ساعد كسوف الشمس الكلي إثبات صحة كلام اينشتاين حول النسبية].

رؤية اللون الأحمر

تظهر نتيجة أخرى مثيرة للاهتمام من تجارب التفكير الإبداعي حول النسبية العامة يعتمد هذا الاستنتاج على تأثير دوبلر الجيد التقليدي، لكنه يطبق على سيناريو غير مألوف.

إذا كان هناك شيء ما يتحرك بعيدًا عنك، فإن الصوت الذي ينتجه سيصبح ذو طول موجة أكثر امتدادًا ، حيث يتحول إلى ترددات أقل ــ وهذا هو تأثير دوبلر. وينطبق نفس الشيء على الضوء: فالسيارة التي تبتعد عنك تبدو أكثر احمرارًا من أي وقت مضى عما لو كانت السيارة ثابتة. (كلما كان الضوء أحمرًا كلما كان التردد منخفضًا). فيمكن للشرطة أن تستفيد من هذا التحول عن طريق إطفاء الضوء عن سيارتك لإلقاء القبض عليك بسرعة. في المرة القادمة التي يتم فيها سحبك، يمكنك استخدام الفرصة للتفكير في طبيعة الجاذبية.

لذا، إذا كان التحرك يغير طول الموجة الضوئية، فإن ذلك يمكن أن يحدث للتسارع أيضًا : سيشهد قليل من الضوء الذي يسافر من أسفل إلى أعلى الصاروخ المتسارع انزياحًا أحمرًا. وفي ظل النسبية العامة، فإن ما يسري على التسارع ينطبق على الجاذبية. هذا صحيح: سيَنتقل الضوء المنبعث من سطح الأرض إلى ترددات حمراء كلما اتجه إلى الأعلى.

لقد استغرق الأمر بضعة عقود لإثبات هذا التوقع بشكلٍ قاطع، لأن التأثير صغير للغاية. ولكن في عام 1959، اقترح كل من روبيرت بووند Robert Pound وغلين ريبكا Glen Rebka تصميمًا وصنعوا ونفذوا تجربة مكنتهم من قياس الانزياح الأحمر للضوء أثناء تنقله في مختبر جيفرسون بجامعة هارفارد.

لا تتوقف أبدًا عن الاختبار

حتى مع كل هذه الأدلة، نستمر في وضع النسبية العامة للاختبار. أي علامة على وجود صدع في عمل آينشتاين الرائع من شأنه أن يشعل تطور نظرية جديدة للجاذبية، وربما يمهد الطريق لكشف الطبيعة الكمية الكاملة لتلك القوة. هذا شيء لا نفهمه على الإطلاق.

ولكن في جميع الأمور، يمر GR بنَجَاحٍ بَاهِر. من الأقمار الصناعية الحساسة إلى العدسات الجاذبية، من مدارات النجوم حول الثقوب السوداء العملاقة إلى تموج الموجات الجاذبية وتطور الكون نفسه، ومن المرجح أن يستمر إرث أينشتاين لبعض الوقت.

ترجمة: شروق الخمسي

المصادر: 1