الفصل 7: التجارب التجريبية لنظرية النسبية العامة
في الفصول السابقة، رأينا كيف أن نظرية النسبية العامة لأينشتاين غيرت بشكل جذري فهمنا للجاذبية والمكان والزمان. تقدم النظرية عددًا من التوقعات البارزة التي تختلف عن الجاذبية النيوتونية، مثل انحناء ضوء النجوم بواسطة الشمس، وتقدم مدار عطارد، واحمرار الضوء الجاذبي. في هذا الفصل، سوف نتعمق في هذه التوقعات وندرس الأدلة الملاحظات التي تم تجميعها على مدار القرن الماضي لاختبار النسبية العامة. سنبدأ بثلاثة "اختبارات كلاسيكية" اقترحها أينشتاين نفسه، ثم ننتقل إلى اختبارات أكثر حداثة تنطوي على ظواهر مثل عدسة الجاذبية، والموجات الجاذبة، والثقوب السوداء. كما سنرى، اجتازت النسبية العامة كل اختبار بنجاح، وتم تعزيز مكانتها كأفضل نظرية للجاذبية حتى الآن.
الاختبارات الكلاسيكية الثلاثة
بعد أيام قليلة من نشر أينشتاين نظريته العامة للنسبية في عام 1915، اقترح ثلاث اختبارات ملاحظة يمكن أن تؤكد أو تدحض النظرية. وقد أصبحت هذه الاختبارات، التي أطلق عليها "الاختبارات الكلاسيكية" للنسبية العامة، على النحو التالي:
- تقدم مدار نقطة الاقتراب الأرضية لعطارد
- انحراف ضوء النجوم بواسطة الشمس
- احمرار الضوء الجاذبي
دعنا ندرس كل من هذه الاختبارات بالتفصيل.
تقدم مدار نقطة الاقتراب الأرضية لعطارد
يحتوي كوكب عطارد على مدار كهماوي عالي الإلباسة حول الشمس، حيث يتقدم أقرب اقتراب (نقطة الاقتراب الأرضية) بمقدار صغير في كل مدار. وفقًا للجاذبية النيوتونية، يجب أن يتم حساب هذا التقدم بالكامل بواسطة التأثيرات الجاذبية للكواكب الأخرى. ومع ذلك، كشفت الملاحظات الدقيقة في أواخر القرن التاسع عشر عن اختلاف بسيط: كانت نقطة الاقتراب الأرضية لعطارد تتقدم بمقدار حوالي 43 زاوية قوسية في القرن الواحد أكثر مما توقعته نظرية نيوتن.
لقد أحدث هذا الاختلال إحباطًا للفلكيين لعقود، واقترح البعض حتى وجود كوكب غير مرئي ("فولكان") بالقرب من الشمس لشرحه. لكن في عام 1915، أظهر أينشتاين أن نظريته العامة للنسبية تفسر بشكل طبيعي تقدم عطارد المفرط. وفقًا للنظرية العامة للنسبية، يتسبب انحناء الزمان المحيط بالشمس في تقدم مدار عطارد بمقدار إضافي قدره 43 زاوية قوسية في القرن، وذلك وفقًا للملاحظات.
كانت هذه انتصارًا كبيرًا لنظرية أينشتاين. فقد شرح لغزًا قديمًا وقدم أدلة مقنعة على وجود انحناء الزمان. في الوقت الحاضر، يُعتبر تقدم مدار نقطة الاقتراب الأرضية لعطارد أحد الركائز الملاحظة الأساسية للنسبية العامة.
انحراف ضوء النجوم بواسطة الشمس
تتنبأ النسبية العامة أيضًا بأن يتم انحراف الضوء بواسطة الحقول الجاذبية. وفقًا للنظرية، يجب أن يتم انحراف شعاع ضوء النجم عند مروره بالقرب من الشمس بزاوية صغيرة، وأن يكون الانحراف ضعف ما يتوقعه الجاذبية النيوتونية.
أدرك أينشتاين أنه يمكن اختبار هذا التأثير أثناء حدوث كسوف شمسي كلي، عندما تصبح النجوم بالقرب من الشمس مرئية في سماء النهار المظلمة. من خلال مقارنة المواقع الظاهرية للنجوم خلال الكسوف بمواقعها الطبيعية في الليل، يمكن للفلكيين قياس الانحراف ومشاهدة ما إذا كان يتطابق مع توقعات النسبية العامة.
تمت المحاولة الأولى لقياس هذا التأثير خلال كسوف شمسي كلي في عام 1919، بواسطة بعثتين قادهما عالم الفلك البريطاني آرثر إدنجتون. سافر أحد الفريقين إلى جزيرة برنسيب قبالة ساحل أفريقيا، بينما ذهب الفريق الآخر إلى سوبرال في البرازيل. على الرغم من التحديات التي تسببها الطقس والمعدات، نجح الفريقان في تصوير الكسوف وقياس مواقع النجوم.
عند تحليل النتائج، أظهرت أن ضوء النجوم ينحرف بالفعل بواسطة الشمس، وأن قيمة هذا الانحراف تتطابق بشكل وثيق مع توقعات أينشتاين. جعلت هذه الأخبار عناوين الصحف في جميع أنحاء العالم ورفعت أينشتاين إلى الشهرة العالمية. نُظر إلى انحراف ضوء النجوم بواسطة الشمس على أنه تأكيد مثير للنسبية العامة ووجود انحناء الزمان.
منذ عام 1919، تكرر اختبار انحراف الضوء عدة مرات باستخدام دقة متزايدة، باستخدام أجهزة الاستشعار السماوية وأجهزة المراقبة البصرية والمطيافية. وقد أثبتت القياسات الأكثر دقة حتى الآن، التي تم إجراءها باستخدام تداخلية قاعدة طويلة جدًا (VLBI)، صحة النسبية العامة بدقة تصل إلى 0.02%.
احمرار الضوء الجاذبي
ينطوي الاختبار الكلاسيكي الثالث للنسبية العامة على احمرار الضوء الجاذبي. وفقًا للنسبية العامة، يجب أن يتم احمرار الضوء الذي يتم انبعاثه في حقل جاذبية (أي طول موجته يجب أن يزيد) عندما يتسلق من البئر الكامنة. وكلما زادت الحقل الجاذبية، زادت قوة الاحمرار.
اقترح أينشتاين أن يمكن قياس هذا الاحمرار الجاذبي باستخدام خطوط طيفية من الشمس. يجب أن يتم احمرار الضوء الذي يتم انبعاثه من ذرات في الغلاف الجوي للشمس قليلاً مقارنة بنفس الخطوط المنتجة في مختبر على الأرض، بسبب الحقل الجاذبية القوي للشمس.
تبين أن قياس هذا الاحمرار الجاذبي كان تحديًا كبيرًا، بسبب الحاجة إلى طيفية دقيقة للغاية ووجود تأثيرات أخرى يمكن أن تغير خطوط الطيف (مثل تحول دوبلر من دوران الشمس). تم إجراء أول قياس ناجح لهذا الاحمرار الجاذبي في عام 1925 من قبل والتر آدامز، باستخدام مطياف على تلسكوب بقطر 100 بوصة في مشتريات مرصد ماونت ويلسون. وجد آدامز احمراراً جاذبياً كان متطابقًا مع توقعات أينشتاين، على الرغم من وجود عدم التأكد الكبير.
تم إجراء اختبارات أدق للاحمرار الجاذبي منذ ذلك الحين باستخدام تأثير موسباور وساعات ذرية. في ستينيات القرن العشرين، قام روبرت باوند وغلين ريبكا بقياس احمرار أشعة غاما تسلك عمودًا بارتفاع 22 مترًا على برج في جامعة هارفارد، مما أكد صحة النسبية العامة بدقة تصل إلى 1%. وقد أثبتت التجارب التي أجريت فيما بعد باستخدام ساعات الهيدروجين الموجهة بصواريخ صحة الاحمرار بدقة تصل إلى عدة أجزاء في 10^5. يمثل التحرك الأحمر الجاذبية ليس فقط اختبارًا رئيسيًا للنظرية النسبية العامة ، بل أيضًا قضية عملية بالنسبة لأقمار نظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ، حيث يتعرضون لتحرك أحمر كبير نتيجة لجاذبية الأرض. بدون تصحيح لهذا التأثير ، ستكون الملاحة عبر نظام تحديد المواقع العالمي غير صحيحة بمقدار عدة كيلومترات يوميًا.
اختبارات حديثة للنظرية النسبية العامة
في حين أن الاختبارات الكلاسيكية الثلاثة قدمت أول أدلة قوية على النظرية النسبية العامة ، فقد تم وضع المزيد من الاختبارات وتنفيذها في القرن منذ نشر نظرية أينشتاين. تستكشف هذه الاختبارات الحديثة نظرية الجاذبية العامة في نطاقات وأنظمة جديدة ومتطرفة ، وتستفيد من التقنيات المتقدمة التي لم يكن يحلم بها في عصر أينشتاين.
عدسة الجاذبية
إحدى التنبؤات الأكثر إثارة للدهشة في نظرية النسبية العامة هي ظاهرة عدسة الجاذبية. تمامًا كما تعتل العدسة الزجاجية الأشعة الضوئية المارة من خلالها ، يمكن لجسم ضخم (مثل مجرة أو تجمع مجرات) أن يحني مسار الضوء القادم من مصدر خلفي ، عمل على أن يكون "عدسة جاذبة".
هناك ثلاثة أنظمة رئيسية لعدسة الجاذبية:
-
عدسة قوية: يحدث ذلك عندما يكون العدسة ضخمة بما فيه الكفاية ومحاذية بما فيه الكفاية لإنتاج صور متعددة أو أقواس أو حلقات للمصدر الخلفي. تم اكتشاف أول عدسة قوية في عام 1979 ، على شكل نجمين نابضين بالتباعد نفسه ، تم عدسنتهما بواسطة مجرة في الجزء الأمامي. تعرف الآن المئات من العدسات القوية ، وتوفر وسيلة لرسم توزيع المادة المظلمة واختبار النظرية النسبية العامة على مقياس الكيلوبارسك.
-
عدسة ضعيفة: يحدث هذا التأثير الأكثر دقة عندما تكون كتلة العدسة ضعيفة بما فيه الكفاية لإنتاج صور متعددة ، ولكنه ما زال يشوه أشكال المجرات الخلفية. من خلال تحليل هذه التشويهات الشكلية بشكل إحصائي على مناطق واسعة في السماء ، يمكن للفلكيين رسم الهيكل الكبير للكون واختبار النظرية النسبية العامة على مقياسها الكوني. أصبحت العدسة الضعيفة واحدة من أدوات الكشف الرئيسية في علم الكون في السنوات الأخيرة ، مع استطلاعات رئيسية مثل استطلاع طاقة الظلام واستطلاع الكيلومترات التي تقدم قياسات أكثر دقة تدريجياً.
-
عدسة الميكرو: يحدث هذا التأثير عندما يمرون جسم مدمج (مثل نجمة أو كوكب) أمام نجم خلفي ، مما يتسبب في إضاءة مؤقتة له بسبب عدسة. تم استخدام عدسة الميكرو لاكتشاف الكواكب خارج المجموعة الشمسية واختبار سكان الثقوب السوداء وغيرها من الكائنات المظلمة في مجرتنا. كما يوفر اختبارًا للنظرية النسبية العامة على مقياس النجم.
حققت عدسة الجاذبية بعض التأكيدات الأكثر إثارة للدهشة للنظرية النسبية العامة حتى الآن. إن عدد وتوزيع وخصائص الأنظمة المعدسة متطابقة بشكل ممتاز مع توقعات النظرية النسبية العامة ، وقد وضعت قيودًا صارمةً على النظريات البديلة للجاذبية.
الموجات الجاذبية
ربما أكثر التطورات إثارة للشغف في اختبار النظرية النسبية العامة في السنوات الأخيرة هو اكتشاف الموجات الجاذبية مباشرة. هذه هي ردود الفعل التموجية في نسيج الزمكان نفسه ، التي تنتجها الكتل المسرعة وتنتشر إلى الخارج بسرعة الضوء. تنبأ أينشتاين بوجود الموجات الجاذبة في عام 1916 ، ولكنه شكك في أنه سيتم اكتشافها أبدًا بسبب تأثيرها الضئيل للغاية.
بعد قرن من الزمان ، نجح المرصد الليزري لاعتراض الموجات الجاذبية (LIGO) في قياس التشوهات الزمانية الصغيرة التي تنتجها موجات جاذبية تمر بها. جاء اكتشاف الأول ، الذي تم في سبتمبر 2015 ، من اندماج نجمين أسودين كانا على بعد 1.3 مليار سنة ضوئية. تطابقت الموجة المرصودة مع توقعات النظرية النسبية العامة بدقة تصل إلى بضعة في المئة ، مما يؤكد النظرية بشكل رائع في نطاق الحقل القوي وسرعة عالية.
منذ ذلك الحين ، تم اكتشاف عشرات من أحداث الموجات الجاذبية بواسطة LIGO ونظيرتها الأوروبية ، Virgo. تضمنت هذه الأحداث دمج الثقوب السوداء ، وثنائيات النجمات النيوترونية ، وحتى احتمال مزج نجم أبيض وثقب سوداء. توفر كل حدث اختبارًا جديدًا للنظرية النسبية العامة تحت ظروف متطرفة ، وحتى الآن اجتازت النظرية الاختبارات بنجاح.
فحص الفلك بواسطة الموجات الجاذبة فتح نافذة جديدة كليًا على الكون ، مما يتيح لنا استكشاف مناطق وأحداث لا تُرى بالإشعاع الكهرومغناطيسي. كما قدمت بعضًا من أكثر الاختبارات الصارمة للنظرية النسبية العامة حتى الآن ، مؤكدة التنبؤات الرئيسية مثل وجود الثقوب السوداء ، وانتشار الموجات الجاذبية بسرعة الضوء ، ونظرية "عدم الشعر" (التي تنص على أن الثقوب السوداء يتم تدوينها تمامًا من خلال كتلتها وشحنتها ودورانها).
الأدلة الملاحظة على وجود الثقوب السوداء
ثقوب السوداء ربما هي التوقعات الأكثر تطرفًا وغامضًا لنظرية النسبية العامة. هذه هي مناطق في الزمكان حيث يصبح الانحناء قويا لدرجة أن شيئًا ، بل ولا حتى الضوء ، لا يمكن أن يفلت من داخل الحدث الحدودي لها. ثقوب السوداء هي نتيجة مباشرة من معادلات أينشتاين ، ولكن لسنوات عديدة اعتبرت تلك مجرد منحنى رياضي بدلاً من واقع فيزيائي.
ومع ذلك ، اليوم ، هناك أدلة ملموسة جدًا على وجود ثقوب السوداء. تأتي هذه الأدلة من عدة خطوط مختلفة من البحث:
-
جمعيات الأشعة السينية: هذه هي الأنظمة التي يقوم فيها الثقب الأسود أو النجم النيوتروني بسحب المادة من نجم رفيق. مع زحف المادة وتسخينها ، تنبعث منها أشعة الأشعة السينية يمكن اكتشافها بواسطة التلسكوبات. توفر خصائص هذه الانبعاثات الأشعة السينية ، خاصة التقلب السريع والطاقات العالية المشاركة ، أدلة قوية على وجود جسم مدمج مثل الثقب الأسود.
-
ثقوب السوداء العملاقة: في مراكز معظم المجرات ، بما في ذلك مجرتنا الدرب اللبني الخاصة ، توجد أجسام مدمجة بكتل ملايين إلى مليارات مرة كتلة الشمس. هذه الكائنات هي ذات كتلة وكفاءة مضغوطة للغاية لدرجة أنه لا يمكن شرحها بواسطة تجمعات النجوم أو كائنات معروفة أخرى ، وخصائصها تتطابق مع توقعات لثقوب السوداء العملاقة. تأتي أفضل الأدلة من الملاحظات للنجوم التي تدور حول المركز الكوني ، مما سمح للفلكيين بقياس كتلة وحجم الكائن المركزي بدقة كبيرة.
-
الموجات الجاذبية: كما ذكر أعلاه، فإن إشارات الموجات الجاذبية التي اكتشفتها مشروع لايجو وفيرجو تتطابق مع التوقعات المتعلقة باندماج الثقوب السوداء. الكتل والدوران والخصائص الأخرى المستنتجة من هذه الإشارات متسقة مع الثقوب السوداء وغير متسقة مع كائنات مدمجة أخرى مثل نجوم النيوترون.
-
تلسكوب حدث الأفق: في عام 2019، أطلق تعاون تلسكوب حدث الأفق أول صورة مباشرة لثقب أسود. من خلال ربط التلسكوبات الإذاعية حول العالم لتشكيل تلسكوب افتراضي بحجم الأرض، تمكنوا من حل حدث الأفق للثقب الأسود الضخم في مركز مجرة M87. لقد تطابقت الحجم والشكل المرصود لظل الثقب الأسود مع توقعات النسبية العامة، مما يوفر تأكيدًا بصريًا مثيرًا للدهشة للنظرية.
أصبحت الأدلة الملاحظة على وجود الثقوب السوداء قوية لدرجة أن وجودها يعتبر شبه مؤكد. إنها توفر بعضًا من أكثر التجارب التي تفحص نظرية النسبية العامة بشدة وسرعة عالية. حتى الآن، اجتازت نظرية النسبية العامة جميع هذه الاختبارات، مما يعزز مكانتها كأفضل نظرية للجاذبية.
الاستنتاج
بعد قرن من وجودها، لا تزال نظرية النسبية العامة هي أكثر نظريات الجاذبية دقة واختبارًا. من الاختبارات الكلاسيكية المقترحة بواسطة أينشتاين إلى المراقبات الحديثة للموجات الجاذبية والثقوب السوداء، تم اخضاع النظرية لاختبارات دقيقة وصارمة تزايداً، وكانت مُنتصرة في كل مرة.
تأكيد النسبية العامة ليس فقط انتصارًا للنظرية نفسها، بل انتصارًا للمنهج العلمي ككل. قدمت النسبية العامة توقعات جريئة ومضادة للتوقعات التقليدية والشيء المنطقي. ومع ذلك، عندما تم اختبار هذه التوقعات من خلال تجارب ومراقبات مصممة بعناية، تبين أنها صحيحة. هذه هي جوهر العلم: تقديم توقعات قابلة للفحص والسماح للطبيعة بأن تكون القاضي النهائي للحقيقة.
بالطبع، لا تكتمل أبدًا أي نظرية علمية، ولا يزال هناك العديد من الأسئلة المفتوحة والقضايا غير المجابة.