اکتشافاتی که درستی نظریه‌های اینشتین را تایید می‌کنند

اولین تصویر سیاه‌چاله

وجود سیاه‌چاله‌ها به‌عنوان اجرامی فوق چگال که حتی نور هم نمی‌تواند از آن‌ها بگریزد، به‌نوعی نظریه نسبیت عام اینشتین را ثابت می‌کند. این اجرام باعث ایجاد شدیدترین خمیدگی‌ها در بافت فضازمان می‌شوند و گرانش بسیار بالایی دارند.

نظریه نسبیت عام اینشتین، گرانش را به‌عنوان پیامدی از خمیدگی فضازمان توصیف می‌کند؛ به‌ویژه که هرچقدر جرمی سنگین‌تر باشد، خمیدگی فضازمان هم بیشتر است و باعث می‌شود اجرام کوچک‌تر به داخل آن سقوط کنند. این نظریه همچنین وجود سیاه‌چاله‌ها را پیش‌بینی می‌کند که باعث خمیدگی شدید فضازمان می‌شوند.

وقتی پژوهشگرها تلسکوپ ایونت هورایزن (EHT) را برای ثبت اولین تصویر سیاه‌چاله به‌کار بردند، ثابت کردند در بسیاری از موارد حق با اینشتین بوده است. برای مثال هر سیاه‌چاله دارای نقطه‌ای بی‌بازگشت به نام افق رویداد است که باید تقریبا دایره‌ای و براساس جرم سیاه‌چاله، اندازه‌ای پیش‌بینی‌پذیر داشته باشد. تصویر تاریخ‌ساز تلسکوپ ایونت هورایزن نشان داد این پیش‌بینی دقیقا درست بوده است.

پژواک سیاه‌چاله

ستاره‌شناس‌ها با کشف الگوی عجیبی از پرتوی ایکس در نزدیکی سیاه‌چاله‌ای در فاصله‌ی ۸۰۰ میلیون سال نوری از زمین، درستی نظریه‌ی سیاه‌چاله‌های اینشتین را ثابت کردند. پژوهشگرها علاوه بر تابش پرتو ایکس قابل انتظار که از مقابل سیاه‌چاله چشمک می‌زند، «پژواک‌های درخشان» پیش‌بینی‌شده‌ی پرتوی ایکس را که از پشت سیاه‌چاله ساطع می‌شود، کشف کردند. از آنجا که سیاه‌چاله فضازمان را در اطراف خود خم می‌کند، این تابش پشتی از روی زمین مشاهده‌پذیر است.

امواج گرانشی

نظریه‌ی نسبیت عام همچنین نوسان‌های عظیم در بافت فضازمان یا امواج گرانشی را شرح می‌دهد. این امواج حاصل ادغام سنگین‌ترین اجرام جهان مثل سیاه‌چاله‌ها یا ستاره‌های نوترونی هستند. فیزیکدان‌ها با استفاده از آشکارسازی ویژه به نام رصدخانه‌ی موج گرانشی تداخل‌سنج لیزری (LIGO) وجود امواج گرانشی را در سال ۲۰۱۵ تأیید کردند و از آن زمان ده‌ها نمونه‌ی دیگر از این امواج را کشف کردند که ثابت می‌کنند باز هم حق با اینشتین بوده است.

همراهان سیاه‌چاله‌ای لرزان

بررسی امواج گرانشی می‌تواند رازهای زیادی را درباره‌ی اجرام دوردست آشکار کند. فیزیک‌دان‌ها با بررسی امواج گرانشی منتشرشده از یک جفت سیاه‌چاله‌ی در حال برخورد در سال ۲۰۲۲، تأیید کردند که اجرام سنگین در مدارشان با چرخیدن و نزدیک‌شدن به یکدیگر می‌لرزند و دارای حرکت تقدیمی هستند که این مشاهده دقیقا منطبق با پیش‌بینی‌های اینشتین است.

ستاره اسپیروگراف رقصان

دانشمندان پس از بررسی ستاره‌ای در مدار سیاه‌چاله‌ی کلان‌جرم راه شیری به مدت ۲۷ سال، نظریه‌ی حرکت تقدیمی اینشتین را در عمل دیدند. ستاره‌ی یادشده به جای حرکت ثابت روی یک مدار بیضی‌شکل، پس از تکمیل دو مدار کامل دور سیاه‌چاله در الگویی گل‌مانند پیش می‌رود. این حرکت پیش‌بینی‌های اینشتین درباره‌ی حرکت جرم کوچک در اطراف جرمی غول‌پیکر را ثابت می‌کند.

ستاره نوترونی کِشنده چارچوب

فقط سیاه‌چاله‌ها نیستند که فضازمان را در اطراف خود خم می‌کنند؛ بلکه بقایای فوق‌متراکم ستاره‌های مرده هم قادر به انجام این کار هستند. در سال ۲۰۲۰، فیزیکدان‌ها بررسی کردند که چگونه ستاره‌ای نوترونی در ۲۰ سال گذشته به دور یک کوتوله سفید (دو نوع ستاره‌ی نابودشده) چرخیده و انحرافی طولانی‌مدت در نحوه‌ی چرخش دو جرم به دور یکدیگر به‌وجود آمده است.

به نقل از پژوهشگرها، انحراف ایجادشده احتمالا ناشی از پدیده‌ای به نام «کشش چارچوب» بوده است؛ بدین معنا که کوتوله سفید به‌اندازه‌ی کافی فضا زمان را کشیده بود تا مدار ستاره نوترونی را در طول زمان اندکی تغییر دهد. این مسئله بار دیگر صحت پیش‌بینی‌های نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین را ثابت می‌کند.

ذره‌بین گرانشی

به نقل از اینشتین، اگر جسمی به اندازه‌ی کافی سنگین باشد باید فضازمان را به گونه‌ای خم کند که نور دوردست منتشر شده از پشت آن جسم به صورت بزرگ‌نمایی‌شده (از زاویه زمینی) ظاهر شود. این پدیده همگرایی گرانشی نامیده می‌شود و کاربرد گسترده‌ای برای بزرگنمایی اجرام جهان ژرف دارد.

اولین تصویر میدان ژرف تلسکوپ فضایی جیمز وب هم با پدیده‌ی همگرایی گرانشی به وجود آمده است. در این عکس که یک خوشه‌ی کهکشانی در فاصله‌ی ۴٫۶ میلیارد سال نوری را نشان می‌دهد، از همگرایی گرانشی برای بزرگنمایی نور کهکشان‌هایی در فاصله‌ی بیش از ۱۳ میلیارد سال نوری استفاده شده است.

حلقه اینشتین

یک نوع پدیده‌ی همگرایی گرانشی به‌قدری درخشان است که فیزیکدان‌ها نمی‌توانند نام دیگری جز اینشتین را به آن منسوب کنند. وقتی نور یک جرم دوردست به شکل هاله‌ای بی‌نقص در اطراف جسم سنگین پیش‌زمینه بزرگنمایی شود، دانشمندان به این پدیده حلقه‌ی اینشتین می‌گویند. این اجرام شگفت‌انگیز در کل فضا وجود دارند و ستاره‌شناس‌ها و دانشمندان از آن‌ها عکس‌برداری کرده‌اند.

جهان متغیر

با حرکت نور در جهان، طول موج آن به شیوه‌های مختلفی کشیده می‌شود که به این پدیده انتقال به سرخ می‌گویند. مشهورترین انتقال به سرخ به دلیل انبساط کیهان به وجود می‌آید. اینشتین عددی به نام ثابت کیهانی را برای این انبساط ظاهری در معادله‌هایش پیشنهاد داد.

با این‌حال اینشتین همچنین نوعی انتقال به سرخ گرانشی را پیش‌بینی کرده بود. این پدیده زمانی رخ می‌دهد که نور انرژی خود را در مسیر حرکتش به دلیل فضازمان ایجادشده از اجرام سنگین مثل کهکشان‌ها از دست می‌دهد. پژوهشی شامل نور صدها هزار کهکشان دوردست در سال ۲۰۱۱ ثابت کرد که انتقال به سرخ گرانشی در واقعیت همان‌گونه که اینشتین حدس می‌زد، وجود دارد.

اتم‌ها در حرکت

به‌نظر می‌رسد نظریه‌های اینشتین در قلمرو فیزیک کوانتوم نیز صادق است. نسبیت نشان می‌دهد که سرعت نور در خلأ ثابت است؛ به عبارتی، فضا از هر جهت باید یکسان به نظر برسد. در سال ۲۰۱۵ پژوهشگرها ثابت کردند که این پدیده در کوچک‌ترین مقیاس هم صدق می‌کند. آن‌ها برای رسیدن به این نتیجه، انرژی دو الکترون را که در جهات مختلف در هسته‌ی اتم حرکت می‌کردند، اندازه گرفتند. تفاوت انرژی بین الکترون‌ها صرف‌نظر از جهت حرکتشان ثابت می‌ماند و همین مسئله، نظریه اینشتین را ثابت می‌کند.

محدودیت سرعت جهانی

معادله‌ی معروف اینشتین E=mc^2 دارای متغیر c یا همان سرعت نور در خلأ است. نور به شکل‌های مختلف از رنگین‌کمانی که انسان می‌تواند ببیند تا امواج رادیویی که داده‌های فضاپیما را مخابره می‌کنند، وجود دارد. بااین‌حال به گفته‌ی اینشتین، نور باید از محدودیت سرعت ۳۰۰هزار کیلومتر بر ثانیه پیروی کند؛ بنابراین حتی اگر دو ذره‌ی نور دارای مقادیر مختلف انرژی باشند، درنهایت با سرعت یکسانی حرکت می‌کنند.

ثبات سرعت نور در فضا هم ثابت شده است. در سال ۲۰۰۹، تلسکوپ فضایی پرتوی گامای فرمی ناسا دو فوتون را در یک لحظه‌ی یکسان کشف کرد که انرژی یکی از آن‌ها میلیون‌ها برابر دیگری بود. هر دو فوتون از منطقه‌ای پرانرژی در نزدیکی برخورد دو ستاره‌ی نوترونی در حدود ۷ میلیارد سال پیش سرچشمه گرفته بودند. ستاره‌ی نوترونی به بقایای بسیار چگال یک ستاره‌‌ی مرده گفته می‌شود. بر اساس برخی نظریه‌های دیگر، فضازمان بافتی کف‌مانند دارد که می‌تواند از سرعت ذرات پرانرژی بکاهد، با این‌حال رصدهای فرمی منطبق با ادعای اینشتین بودند.

فواره‌های نسبیتی

تصویرسازی هنری بالا قرص برافزایشی اطراف سیاه‌چاله را نمایش می‌دهد که در آن، منطقه‌ی داخلی دیسک دچار حرکت تقدیمی شده است. حرکت تقدیمی به این معنی است که مدار اطراف سیاه‌چاله در اطراف جسم مرکزی تغییر جهت می‌دهد.

تصویر فوق از تلسکوپ فضایی اسپیتزر، کهکشان مسیه ۸۷ (M87) را در طیف فروسرخ نمایش می‌دهد که دارای سیاه‌چاله‌ای کلان‌جرم در مرکز است. در اطراف این سیاه‌چاله، گاز بسیار داغ و همچنین دو فواره از ماده قرار دارند که در دو جهت مخالف به داخل فضا منتشر می‌شوند.

یکی از فواره‌ها که در سمت راست تصویر دیده می‌شود، دقیقا در جهت زمین قرار دارد. دلیل افزایش درخشش آن‌ هم انتشار نور از ذراتی است که با سرعتی نزدیک به نور در جهت ناظر حرکت می‌کنند. به این پدیده پرتوی نسبیتی گفته می‌شود.

در مقابل، فواره‌ی دیگر در تمام طول موج‌ها نامرئی است زیرا با سرعتی نزدیک به سرعت نور از ناظر دور می‌شود. جزئیات عملکرد چنین فواره‌هایی هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است و دانشمندان برای سرنخ‌های بیشتر به بررسی سیاه‌چاله‌ها ادامه خواهند داد.

تأخیر سیگنال‌های رادیویی بر اثر گرانش خورشید

فضاپیماهای کاوشگر سیاره‌ها نیز نظریه‌ی نسبیت عام را ثابت کرده‌اند. از آنجا که فضاپیما با استفاده از نور به شکل امواج رادیویی با زمین ارتباط برقرار می‌کند، فرصت خوبی است که ببینیم جسمی سنگین مانند خورشید چگونه مسیر نور را تغییر می‌دهد.

در سال ۱۹۷۰، آزمایشگاه پیش‌رانش جت ناسا اعلام کرد که کاوشگرهای مارینر ۶ و ۷ که مانور پرواز از ارتفاع کم مریخ را در سال ۱۹۶۹ کامل کردند، آزمایش‌هایی را با استفاده از سیگنال‌های رادیویی انجام دادند که منطبق با نظریه‌ی اینشتین است. دو کاوشگر مارینر با استفاده از شبکه‌ی فضایی عمیق ناسا (DSN) صدها اندازه‌گیری رادیویی را به این منظور انجام دادند. پژوهشگرها زمان صرف‌شده برای حرکت رفت و برگشت سیگنال‌های رادیویی از بشقاب DSN به گلدستون کالیفرنیا را محاسبه کردند.

همان‌طور که اینشتین پیش‌بینی کرده بود، به دلیل گرانش خورشید تأخیری در زمان مسیر کلی وجود دارد. برای مارینر ۶، حداکثر تأخیر برابر با ۲۰۴ میکروثانیه بود که بسیار کمتر از یک ثانیه است و دقیقا با پیش‌بینی‌های نظریه‌ی اینشتین سازگار است.

سطح‌نشین‌های وایکینگ در سال ۱۹۷۹ آزمایش‌های دقیق‌تری را انجام دادند. سپس در سال ۲۰۰۳، گروهی از دانشمندان از فضاپیمای کاسینی ناسا برای تکرار اندازه‌گیری‌های رادیویی با دقت ۵۰ برابر وایکینگ استفاده کردند. نظریه اینشتین از تمام این آزمایش‌ها سربلند بیرون آمد.

اثبات از مدار زمین

ناسا در سال ۲۰۰۴، فضاپیمایی به نام حسگر گرانش بی (GP-B) را برای ایفای نقش نظریه‌ی اینشتین در مدار زمین پرتاب کرد. بر اساس نظریه، زمین به‌عنوان جسمی چرخان باید بافت فضا زمان را در اطراف خود بکشد و نور را با گرانشش خم کند.

فضاپیمای یادشده دارای چهار ژیروسکوپ بود و در جهت ستاره‌ی آی‌ام اسب بالدار (IM Pegasi) در حین چرخش روی قطب‌های زمین قرار داشت. بر اساس این آزمایش اگر حق با اینشتین نبود، ژیروسکوپ‌ها همیشه در جهتی یکسان قرار می‌گرفتند؛ اما دانشمندان در سال ۲۰۱۱، اعلام کردند تغییرات اندکی را در مسیر ژیروسکوپ‌ها به دلیل گرانش زمین احساس کردند که به دلیل خمیدگی فضازمان به وجود می‌آید.

استثنا: اینشتین درباره حرکت شبح‌وار در یک فاصله اشتباه می‌کرد

در پدیده‌ای موسوم به درهم‌تنیدگی کوانتومی به نظر می‌رسد ذرات به هم متصل می‌توانند در فاصله‌های دوردست سریع‌تر از نور با یکدیگر ارتباط برقرار کنند و هنگام اندازه‌گیری تنها یک وضعیت را اشغال می‌کنند. اینشتین از این پدیده متنفر بود و آن را به شکل تمسخر‌آمیزی «حرکت شبح‌وار در یک فاصله» نامید. او بر این باور بود که هیچ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند و صرف‌نظر از اینکه اجسام را اندازه‌گیری کنیم یا نکنیم، تمام اجسام دارای یک وضعیت هستند.

با این‌حال پژوهشگرها بر اساس آزمایشی جهانی که طی آن میلیون‌ها ذره‌ی درهم‌تنیده در سراسر جهان اندازه‌گیری شدند، به این نتیجه رسیدند که ذرات تنها در شرایط اندازه‌گیری یک وضعیت را اشغال می‌کنند نه پیش از آن.