عندما نفكر في الجاذبية ، فإننا عادة ما نفكر فيها كقوة بين الكتل. عندما تخطو على مقياس ، على سبيل المثال ، يمثل الرقم الموجود على المقياس قوة سحب جاذبية الأرض على كتلتك ، مما يمنحك وزناً. من السهل تخيل قوة جاذبية الشمس التي تمسك الكواكب في مداراتها ، أو قوة الجاذبية لثقب أسود. من السهل فهم القوى على أنها دفعات وشد.
لكننا نفهم الآن أن الجاذبية كقوة ليست سوى جزء من ظاهرة أكثر تعقيدًا وصفتها نظرية النسبية العامة. في حين أن النسبية العامة هي نظرية أنيقة ، فهي خروج جذري عن فكرة الجاذبية كقوة. كما قال كارل ساجان ذات مرة ، 'تتطلب الادعاءات غير العادية أدلة غير عادية ،' ونظرية أينشتاين هي ادعاء غير عادي للغاية. لكن اتضح أن هناك العديد من التجارب غير العادية التي تؤكد انحناء المكان والزمان.
يكمن مفتاح النسبية العامة في حقيقة أن كل شيء في مجال الجاذبية يسقط بنفس المعدل. قف على القمر واسقط مطرقة وريشة ، وسوف يفعلون ضرب السطح في نفس الوقت . وينطبق الشيء نفسه على أي كائن بغض النظر عن كتلته أو تركيبته المادية ، وهذا ما يعرف بمبدأ التكافؤ.
نظرًا لأن كل شيء يسقط بالطريقة نفسها بغض النظر عن كتلته ، فهذا يعني أنه بدون نقطة مرجعية خارجية ، يكون لكل من مراقب عائم حر بعيدًا عن مصادر الجاذبية ومراقب سقوط حر في مجال الجاذبية لجسم ضخم نفس التجربة . على سبيل المثال ، يبدو رواد الفضاء في المحطة الفضائية كما لو كانوا يسبحون بدون جاذبية. في الواقع ، جاذبية الأرض على المحطة الفضائية هي تقريبًا بنفس قوة الجاذبية على السطح. الفرق هو أن المحطة الفضائية (وكل ما بداخلها) تتساقط. المحطة الفضائية في المدار ، مما يعني أنها تسقط حرفياً حول الأرض.
محطة الفضاء الدولية التي تدور حول الأرض. الائتمان: ناسا
هذا التكافؤ بين التعويم والسقوط هو ما استخدمه أينشتاين لتطوير نظريته. في النسبية العامة ، الجاذبية ليست قوة بين الكتل. وبدلاً من ذلك ، فإن الجاذبية هي نتيجة تشوه المكان والزمان في وجود الكتلة. بدون قوة التأثير عليه ، يتحرك الجسم في خط مستقيم. إذا قمت برسم خط على ورقة ، ثم لويت الورقة أو ثنيها ، فلن يظهر الخط مستقيماً بعد ذلك. بالطريقة نفسها ، ينحني المسار المستقيم للجسم عندما ينحني الزمان والمكان. هذا يفسر سبب سقوط جميع الكائنات بنفس المعدل. تقوم الجاذبية بإلتواء الزمكان بطريقة معينة ، لذلك تنحني المسارات المستقيمة لجميع الأجسام بنفس الطريقة بالقرب من الأرض.
إذن ما نوع التجربة التي يمكن أن تثبت أن الجاذبية هي تشوه الزمكان؟ ينبع المرء من حقيقة أن الضوء يمكن أن ينحرف بواسطة كتلة قريبة. غالبًا ما يُقال إنه نظرًا لأن الضوء ليس له كتلة ، فلا ينبغي أن ينحرف عن طريق قوة الجاذبية للجسم. هذا ليس صحيحًا تمامًا. نظرًا لأن الضوء يحتوي على طاقة ، وكتلة النسبية الخاصة والطاقة متكافئة ، فإن نظرية الجاذبية لنيوتن تتنبأ بأن الضوء سينحرف قليلاً عن طريق كتلة قريبة. الفرق هو أن النسبية العامة تتوقع انحرافها بمقدار الضعف.
وصف تجربة إدينجتون من أخبار لندن المصورة (1919).
لاحظ آرثر إدينجتون هذا التأثير لأول مرة في عام 1919. سافر إدينجتون إلى جزيرة برينسيبي قبالة ساحل غرب إفريقيا لتصوير كسوف كلي. كان قد التقط صورا لنفس المنطقة من السماء في وقت ما في وقت سابق. من خلال مقارنة صور الكسوف والصور السابقة لنفس السماء ، كان إدينجتون قادرًا على إظهار الموقف الظاهري للنجوم التي تحولت عندما كانت الشمس قريبة. مقدار الانحراف المتفق عليه مع أينشتاين ، وليس نيوتن. منذ ذلك الحين ، شهدنا تأثيرًا مشابهًا حيث ينحرف ضوء الكوازارات والمجرات البعيدة بفعل الكتل الأقرب. غالبًا ما يشار إليه باسم عدسة الجاذبية ، وقد تم استخدامه لقياس كتل المجرات ، وحتى رؤية تأثيرات المادة المظلمة.
يُعرف جزء آخر من الأدلة بتجربة التأخير الزمني. كتلة الشمس تحجب الفضاء القريب منها ، وبالتالي فإن الضوء المار بالقرب من الشمس لا ينتقل في خط مستقيم تمامًا. بدلاً من ذلك ، فإنه ينتقل على طول مسار منحني قليلاً أطول قليلاً. هذا يعني أن الضوء القادم من كوكب على الجانب الآخر من النظام الشمسي من الأرض يصل إلينا في وقت متأخر قليلاً عما كنا نتوقعه بخلاف ذلك. كان القياس الأول لهذا التأخير الزمني في أواخر الستينيات من قبل إيروين شابيرو. ارتدت إشارات الراديو من كوكب الزهرة من الأرض عندما كان الكوكبان على جانبي الشمس تقريبًا. كان التأخير المقاس لرحلة الإشارات ذهابًا وإيابًا حوالي 200 ميكروثانية ، تمامًا كما تنبأت النسبية العامة. يُعرف هذا التأثير الآن باسم تأخير وقت Shapiro ، وهذا يعني أن متوسط سرعة الضوء (كما يحدده وقت السفر) أبطأ قليلاً من سرعة الضوء اللحظية (الثابتة دائمًا).
التأثير الثالث هو موجات الجاذبية. إذا انحرفت النجوم في الفضاء حولها ، فإن حركة النجوم في نظام ثنائي يجب أن تخلق تموجات في الزمكان ، على غرار الطريقة التي يمكن أن يؤدي بها تحريك إصبعك في الماء إلى حدوث تموجات على سطح الماء. عندما تشع موجات الجاذبية بعيدًا عن النجوم ، فإنها تأخذ بعض الطاقة من النظام الثنائي. هذا يعني أن النجمين يقتربان تدريجياً من بعضهما البعض ، وهو تأثير يُعرف باسم إلهام. عندما يكون النجمان ملهماً ، تصبح الفترة المدارية لهما أقصر لأن مداريهما يصبحان أصغر.
اضمحلال فترة النجم النابض مقارنة بالتنبؤ (منحنى متقطع). بيانات من هولس وتايلور ، رسمها المؤلف.
بالنسبة للنجوم الثنائية العادية ، يكون هذا التأثير صغيرًا جدًا بحيث لا يمكننا ملاحظته. ولكن في عام 1974 اكتشف عالمان فلك (هالس وتايلور) نجمًا نابضًا مثيرًا للاهتمام. النجوم النابضة تدور بسرعة حول النجوم النيوترونية التي تشع نبضات راديوية في اتجاهنا. عادةً ما يكون معدل نبضات النجوم النابضة منتظمًا جدًا. لاحظ هولس وتايلور أن معدل هذا النجم النابض بالتحديد سوف يتسارع قليلاً ثم يتباطأ قليلاً بمعدل منتظم. أظهروا أن هذا الاختلاف كان بسبب حركة النجم النابض أثناء دورانه حول نجم. كانوا قادرين على تحديد الحركة المدارية للنجم النابض بدقة شديدة ، بحساب الفترة المدارية في غضون جزء من الثانية. عندما لاحظوا النجم النابض على مر السنين ، لاحظوا أن مدته المدارية تقصر تدريجياً. النجم النابض مصدر إلهام بسبب إشعاع موجات الجاذبية ، تمامًا كما كان متوقعًا.
رسم توضيحي لمسبار الجاذبية ب. الائتمان: فريق Gravity Probe B ، ستانفورد ، ناسا
أخيرًا هناك تأثير يُعرف باسم سحب الإطار. لقد رأينا هذا التأثير بالقرب من الأرض نفسها. لأن الأرض تدور ، فهي لا تنحني الزمكان من خلال كتلتها فحسب ، بل إنها تحرف الزمكان حولها بسبب دورانها. يُعرف هذا الالتواء في الزمكان بسحب الإطار. التأثير ليس كبيرًا جدًا بالقرب من الأرض ، ولكن يمكن قياسه من خلال تأثير Lense-Thirring. في الأساس ، يمكنك وضع جيروسكوب كروي في المدار ، ومعرفة ما إذا كان محور دورانه يتغير. إذا لم يكن هناك سحب إطار ، فيجب ألا يتغير اتجاه الجيروسكوب. إذا كان هناك سحب للإطار ، فإن الالتواء الحلزوني للمكان والوقت سيؤدي إلى تحرك الجيروسكوب ، وسيتغير اتجاهه ببطء بمرور الوقت.
نتائج مسبار الجاذبية ب. الائتمان: فريق Gravity Probe B ، NASA.
لقد أجرينا بالفعل هذه التجربة باستخدام قمر صناعي يُعرف باسم Gravity Probe B ، ويمكنك رؤية النتائج في الشكل هنا. كما ترون ، يتفقون جيدًا.
تظهر كل من هذه التجارب أن الجاذبية ليست مجرد قوة بين الكتل. الجاذبية بدلا من ذلك هي تأثير المكان والزمان. تم بناء الجاذبية في شكل الكون ذاته.
فكر في ذلك في المرة القادمة التي تخطو فيها على الميزان.
