hotchpotch/wikipedia-multilingual-ir-pairs huggingface dataset:
مدخل إلى النسبية العامة من النسبية الخاصة إلى النسبية العامة
خلال استكشافه للتكافؤ بين الجاذبية والتسارع بالإضافة إلى دور القوى المدية، اكتشف أينشتاين عدة تشابهات مع هندسة الأسطح. وعلى سبيل المثال، الانتقال من الإطار المرجعي القصوري (الذي تسقط فيه الجسيمات الحرة عبر خطوط مستقيمة بسرعات ثابتة) إلى الإطار المرجعي الدوار (والذي يتطلب إدخال مفاهيم أخرى مناظرة للقوى الوهمية لتفسير حركة الجسيمات فيه)؛ وتتشابه هذه الحالة مع الانتقال من النظام الإحداثي الديكارتي (الذي تكون خطوطه الإحداثية مستقيمةً) إلى نظام الإحداثيات المنحنية (والذي تكون خطوطه الإحداثية غير مستقيمة).
هناك تشابه أعمق يربط بين القوى المدية وإحدى خواص الأسطح المعروفة بالانحناء. بالنسبة لمجالات الجاذبية، وعند اختيار إطار مرجعي في حالة سقوط حر، يمكن لغياب أو وجود القوى المدية تحديد ما إذا كان تأثير الجاذبية يمكن إزالته. وعلى نحو مشابه، يمكن لغياب أو وجود الانحناء تحديد ما إذا كان السطح مكافئًا لسطح مستوٍ. وفي صيف 1912، ألهمت هذه التشابهات أينشتاين حتى بحث عن صيغة هندسية للجاذبية.
عادةً ما كانت العناصر الأساسية للهندسة؛ النقاط، والخطوط، والمثلثات، تُعرَّف في مكان ثلاثي الأبعاد أو على أسطح ثنائية الأبعاد. وفي عام 1907، قدم هيرمان مينكوفسكي، أستاذ الرياضيات السابق لأينشتاين بالمعهد السويسري الفيدرالي للتكنولوجيا، ما يُعرف بفضاء مينكوفسكي، وهي صيغة هندسية لنظرية النسبية الخاصة لأينشتاين، والتي لم تتضمن المكان فحسب؛ بل تضمنت الزمن أيضًا. كانت الكينونة الأساسية لهذه الهندسة الجديدة زمكانًا رباعي الأبعاد. وبالتالي، فإن مدارات الأجرام المتحركة منحنيات في الزمكان؛ ومدارات الأجرام التي تتحرك بسرعات ثابتة دون تغيير اتجاهها تمثل خطوطًا مستقيمةً.
طُورت هندسة الأسطح المنحنية العامة في أوائل القرن التاسع عشر بواسطة كارل فريدريش غاوس. وعُممت هذه الهندسة بدورها على الأفضية ذات الأبعاد الأعلى في الهندسة الريمانية التي وضعها برنارد ريمان خلال خمسينيات القرن التاسع عشر. وبمساعدة الهندسة الريمانية، صاغ أينشتاين وصفًا هندسيًا للجاذبية، واستبدل في هذا الوصف زمكان مينكوفسكي بزمكان آخر منحنٍ ومشوه، تمامًا مثل اعتبار الأسطح المنحنية تعميمًا للأسطح المستوية العادية. تستخدم المخططات التضمينية لرسم الزمكان المنحني في السياقات التعليمية.
وبعدما أدرك صحة صيغته الهندسية، استغرق أينشتاين ثلاث سنوات أخرى حتى يجد حجر الأساس المفقود لنظريته؛ وهي المعادلات التي تصف كيف تؤثر المادة على انحناء الزمكان. وبعد صياغته لما يُعرف الآن بمعادلات أينشتاين، أو بتعبير أدق؛ معادلات أينشتاين للمجال، قدم أينشتاين نظريته الجديدة للجاذبية في عدة جلسات علمية بالأكاديمية البروسية للعلوم في أواخر 1915، لينتهي منها في عرضه الأخير لنظريته يوم 25 نوفمبر 1915.
مدخل إلى النسبية العامة الهندسة والجاذبية
اقتباسًا من جون ويلر، يمكن تلخيص نظرية أينشتاين الهندسية للجاذبية كما يلي: يحكم الزمكان كيفية حركة المادة؛ بينما تحكم المادة كيفية انحناء الزمكان. سنتناول ما يعنيه هذا التلخيص في الأقسام الثلاثة التالية، التي تستكشف حركة الجسيمات المعروفة بجسيمات الاختبار، وتبحث حول أي من خواص المادة يمكن اعتبارها مصدرًا للجاذبية، وأخيرًا معادلات أينشتاين التي تربط بين هذه الخواص للمادة مع انحناء الزمكان.
مدخل إلى النسبية العامة الهندسة والجاذبية
لتخطيط التأثير الثقالي لأحد الأجسام، من المفيد التفكير فيما يُطلق عليه الفيزيائيون جسيمات الاختبار أو الفحص؛ وهي الجسيمات التي تتأثر بالجاذبية ولكنها صغيرة وخفيفة للغاية لدرجة تسمح لنا بإهمال تأثيرها الثقالي الخاص. وفي غياب الجاذبية والقوى الخارجية الأخرى، تتحرك جسيمات الاختبار في خطوط مستقيمة بسرعة ثابتة. وفي لغة الزمكان، يمكن القول بأن هذه الجسيمات تتحرك على طول خطوط العالم المستقيمة في الزمكان. أما في وجود الجاذبية، سيكون الزمكان غير إقليدي، أي منحنيًا، وفي الزمكان المنحني لن تكون خطوط العالم المستقيمة موجودةً. وبدلًا من ذلك، ستتحرك جسيمات الاختبار على طول خطوط تعرف بخطوط الجيوديسي، وهي خطوط «مستقيمة قدر الإمكان»، أي أنها ستتبع أقصر طريق ممكن بين نقطة البداية ونقطة النهاية، مع أخذ الانحناء في الاعتبار.
مدخل إلى النسبية العامة الهندسة والجاذبية
ويوجد تشابه بسيط: في علم الجيوديسيا، وهو علم قياس مساحة وشكل الأرض، يعتبر الخط الجيوديسي أقصر طريق بين نقطتين على سطح الأرض. وتقريبًا، سيكون هذا الطريق قطاعًا من دائرة كبيرة، مثل خط الطول أو خط الاستواء. وهذه المسارات ليست مستقيمةً بالتأكيد، ببساطة لأنها مجبرة على اتباع انحناء سطح الأرض. ومع ذلك، فهي مستقيمة قدر الإمكان مع خضوعها لهذا الانحناء.
مدخل إلى النسبية العامة الهندسة والجاذبية
تختلف خواص الخطوط الجيوديسية عن خواص الخطوط المستقيمة. وعلى سبيل المثال، على السطح المستوي، لن تلتقي الخطوط المتوازية أبدًا، ولكن لن يكون هذا صحيحًا بالنسبة للخطوط الجيوديسية؛ فعلى سبيل المثال، تتوازى خطوط الطول عند منطقة الاستواء، ولكنها تتقاطع عند القطبين. وبشكل مماثل، تعتبر خطوط العالم لجسيمات الاختبار في حالة السقوط الحر خطوطًا جيوديسيةً بالزمكان، وهي أكثر الخطوط استقامةً في الزمكان. ولكن ما زالت هناك اختلافات كبيرة بين الخطوط الجيوديسية والخطوط المستقيمة حقًا التي يمكن تتبعها في الزمكان الخالي من الجاذبية بالنسبية الخاصة. ففي النسبية الخاصة، تظل خطوط الجيوديسي المتوازية متوازيةً. أما في مجال الجاذبية مع تأثيراته المدية، لن يكون ذلك صحيحًا بشكل عام. وعلى سبيل المثال، إذا كان هناك جسمان ساكنان في البداية بالنسبة لبعضهما البعض، ثم أُسقطا في مجال جاذبية الأرض، سيتحرك الجسمان باتجاه بعضهما البعض مع سقوطهما نحو مركز الأرض.
مدخل إلى النسبية العامة الهندسة والجاذبية
تعتبر الاجسام التي نراها في حياتنا اليومية (الناس، والسيارات، والمنازل، وحتى الجبال) ذات كتلة ضئيلة مقارنةً بالأجرام الفلكية. وعندما يتعلق الأمر بهذه الأجسام، ستكون القوانين التي تحكم سلوك جسيمات الاختبار كافيةً لوصف ما يحدث. وبشكل ملحوظ، يجب التأثير على جسيمات الاختبار بقوة خارجية حتى تنحرف عن مسارها الجيوديسي. يبذل الكرسي الذي يجلس عليه أي شخص قوةً خارجيةً عليه للأعلى، لتمنعه من السقوط الحر نحو مركز جاذبية الأرض، وبالتالي، ستحول هذه القوة دون اتباعه لخط جيوديسي، وهو ما كان سيحدث لولا وجود مادة بين هذا الشخص ومركز جاذبية الأرض. وبهذه الطريقة، تفسر النسبية العامة الجاذبية التي نتأثر بها بشكل يومي على سطح الأرض؛ ليس بأنها قوة جاذبة تسحبنا إلى الأسفل، ولكن بأنها قوى خارجية تدفعنا إلى الأعلى. تدفع هذه القوى جميع الأجسام الساكنة على سطح الأرض عن مساراتها الجيوديسية التي كانت ستتبعها لولا وجود هذه القوى. أما بالنسبة لمادة الأجرام ذات التأثير الثقالي الكبير الذي لا يمكن إهماله، تعتبر قوانين الحركة أكثر تعقيدًا نوعًا ما مقارنةً بجسيمات الاختبار، ولكن يظل مبدأ أن الزمكان يحكم كيفية حركة المادة صحيحًا.
مدخل إلى النسبية العامة الهندسة والجاذبية
في وصف نيوتن للجاذبية، تنتج قوى الجاذبية من المادة. وبشكل أكثر دقةً، تنتج هذه القوى من خاصية محددة للأجسام المادية؛ وهي الكتلة. وفي نظرية أينشتاين ونظريات الجاذبية الأخرى المرتبطة بها، ينتج الانحناء الموجود عند كل نقطة في الزمكان من أي مادة موجودة. وهنا أيضًا، تعتبر الكتلة خاصيةً رئيسيةً في تحديد التأثير الثقالي للمادة. وفي النظرية النسبية للجاذبية، لا يمكن للكتلة أن تكون المصدر الوحيد للجاذبية؛ إذ تربط النسبية الكتلة بالطاقة، والطاقة بالزخم.
يعتبر التكافؤ بين الكتلة والطاقة، المُعبر عنه في الصيغة E=mc2، أشهر نتائج النسبية الخاصة. ففي النسبية، تعتبر الكتلة والطاقة طريقتين مختلفتين لوصف كمية فيزيائية واحدة. وإذا كان النظام الفيزيائي يتضمن طاقةً، فسيتضمن أيضًا كتلةً مناظرةً، والعكس صحيح. وتحديدًا، تساهم جميع خواص أي جسم المرتبطة بالطاقة، مثل درجة حرارته أو طاقة ارتباط الأنظمة مثل الأنوية والجزئيات، في كتلة هذا الجسم، وبالتالي يمكن اعتبارها مصدرًا للجاذبية.
مدخل إلى النسبية العامة الهندسة والجاذبية
في النسبية الخاصة، ترتبط الطاقة ارتباطًا وثيقًا مع الزخم. وتمامًا مثل اعتبار المكان والزمن، في هذه النظرية، جانبين مختلفين لكيان أكثر شمولًا يُعرف بالزمكان؛ تعتبر الطاقة والزخم مجرد جانبين مختلفين لكمية موحدة رباعية الأبعاد، يطلق عليها الفيزيائيون الزخم الرباعي. ونتيجةً لذلك، فإذا كانت الطاقة مصدرًا للجاذبية، سيكون الزخم مصدرًا لها أيضًا. وسيكون نفس الشيء صحيحًا بالنسبة للكميات التي ترتبط مباشرةً بالطاقة والزخم، والتي تُعرف بالضغط الداخلي والتوتر. وإجمالًا، يمكن اعتبار كلًا من الكتلة، والطاقة، والزخم، والضغط، والتوتر مصادر للجاذبية في النسبية العامة؛ فهي الخواص التي تحكم بها المادة كيفية انحناء الزمكان. وفي الصيغة الرياضياتية للنظرية، تعتبر هذه الكميات مجرد جوانب لكمية فيزيائية أكثر شمولًا تُعرف بموتر الطاقة والزخم.
مدخل إلى النسبية العامة الهندسة والجاذبية
تعتبر معادلات أينشتاين محورًا للنسبية العامة. فهي تقدم صيغةً دقيقةً للعلاقة بين هندسة الزمكان وخواص المادة، باستخدام لغة الرياضيات. وبشكل ملموس، صيغت هذه المعادلات باستخدام مفاهيم الهندسة الريمانية، والتي تُوصَف فيها الخواص الهندسية للمكان (أو الزمكان) بكمية تسمى المترية. ترمز المترية إلى المعلومات اللازمة لحساب المفاهيم الهندسية الأساسية للمسافة والزوايا في المكان المنحني (أو الزمكان).
يقدم السطح الكروي، مثل سطح الأرض، مثالًا بسيطًا. يمكن وصف موقع أي نقطة على السطح باستخدام إحداثيين؛ خط العرض الجغرافي، وخط الطول الجغرافي. وبخلاف الإحداثيات الديكارتية للسطح المستوي، لا تتماثل الاختلافات الإحداثية مع المسافات الفعلية على السطح، فكما يظهر في الشكل على اليسار: تبلغ المسافة التي يقطعها شخص ما عند خط الاستواء يتحرك 30 درجةً على خطوط الطول غربًا (الخط الأرجواني) 3300 كيلومتر تقريبًا، بينما تغطي حركة شخص آخر عند خط عرض 55 درجةً، ويتحرك 30 درجةً على خطوط الطول غربًا (الخط الأزرق) مسافة 1900 كيلومتر فقط. وبالتالي، لا تقدم الإحداثيات معلومات كافيةً لوصف هندسة السطح الكروي، أو هندسة أي مكان أو زمكان آخر أكثر تعقيدًا في الواقع. وهذه هي المعلومات التي ترمز إليها المترية بدقة، وهي دالة مُعرفة عند كل نقطة من نقاط السطح (أو المكان، أو الزمكان) وتربط بين الاختلافات الإحداثية والاختلافات في المسافة. يمكن حساب أي من الكميات الهامة الأخرى في الهندسة، مثل طول أي منحنى أو الزاوية الناتجة عن التقاء منحنيين معًا، باستخدام هذه الدالة المترية.
يمكن استخدام الدالة المترية ومعدل تغيرها بين نقطة وأخرى لتحديد كمية هندسية تسمى موتر انحناء ريمان، والذي يصف بالضبط كيفية انحناء متعدد الشعب الريماني، وهو الزمكان في نظرية النسبية، عند كل نقطة. وطبقًا لما ذُكر بالفعل، يحدد محتوى المادة في الزمكان كميةً أخرى، وهي موتر الطاقة والزخم T، ويعني مبدأ أن «الزمكان يحكم كيفية حركة المادة، والمادة تحكم كيفية انحناء الزمكان» أن هاتين الكميتين يجب أن تكونا على علاقة ببضعهما البعض. صاغ أينشتاين هذه العلاقة باستخدام موتر انحناء ريمان والمترية لتحديد كمية هندسية أخرى G، وهي ما تُعرف الآن بموتر أينشتاين، والذي يصف بعض جوانب طريقة انحناء الزمكان. تنص معادلة أينشتاين على ما يلي:
عند مضاعف ثابت، تتناسب الكمية G (التي تقيس الانحناء) مع الكمية T (التي تقيس محتوى المادة). إذ إن G هو ثابت الجذب العام لنيوتن، وc هي سرعة الضوء من النسبية الخاصة.
غالبًا ما يُشار إلى هذه المعادلة بصيغة الجمع، أي معادلات أينشتاين، إذ تُحدَّد كل كمية من الكميتين G وT بواسطة عدة دوال لإحداثيات الزمكان، وتساوي المعادلات كلًا من هذه الدوال المركبة. يصف حل هذه المعادلات هندسةً معينةً للزمكان؛ فعلى سبيل المثال، يصف حل شوارزشيلد هندسة ما حول الكتلة الكروية غير الدوارة مثل النجوم والثقوب السوداء، بينما يصف حل كير الثقب الأسود الدوار. ولا تزال هناك حلول أخرى يمكن أن تصف الموجات الثقالية، أو الكون المتمدد في حل فريدمان-لوميتر-روبرتسون-ووكر. ويعتبر زمكان مينكوفسكي غير المنحني أبسط الحلول، وهو الزمكان الذي وُصف بواسطة النسبية الخاصة.
مدخل إلى النسبية العامة التجارب
لا توجد نظرية علمية صحيحة بشكل بديهي؛ إذ تعتبر كل نظرية نموذجًا يجب أن يخضع للفحص عبر التجربة. قُبل قانون نيوتن للجاذبية بسبب تفسيره لحركة الكواكب والأقمار في المجموعة الشمسية بدقة كبيرة. ومع تحسن دقة القياسات التجريبية تدريجيًا، ظهرت بعض التناقضات مع تنبؤات نيوتن، وفُسرت تلك التناقضات في نظرية النسبية العامة. وبشكل مماثل، يجب فحص تنبؤات النسبية العامة بالتجربة أيضًا، وابتكر أينشتاين بنفسه ثلاثة اختبارات تُعرف الآن بالاختبارات الكلاسيكية للنظرية:
مدخل إلى النسبية العامة التجارب
تتنبأ الجاذبية النيوتونية بأن المدار الذي يسلكه كوكب واحد حول نجم كروي تمامًا يجب أن يكون إهليجيًا. وتتنبأ نظرية أينشتاين بمنحنى أكثر تعقيدًا؛ إذ يرى أن الكوكب يتصرف وكأنه يدور في مدار إهليجي أيضًا، ولكن في الوقت نفسه، يدور هذا المدار الإهليجي ككل ببطء حول النجم. وفي الشكل على اليسار، يظهر المدار الإهليجي الذي تنبأ به نيوتن باللون الأحمر، بينما يظهر المدار الذي تنبأ به أينشتاين باللون الأزرق. وبالنسبة لكوكب يدور حول الشمس، يُعرف الانحراف عن مدارات نيوتن بانحراف الحضيض الشمسي الشاذ. كان أول قياس لهذا التأثير خاص بكوكب عطارد، ويرجع إلى عام 1859. كانت أكثر القياسات دقةً لهذا التأثير حتى يومنا هذا، لكوكب عطارد والكواكب الأخرى، قائمةً على القياسات التي نُفذت بين 1966 و1990، باستخدام المراصد الراديوية. تتنبأ النسبية العامة بانحراف الحضيض الشمسي الشاذ بشكل صحيح لجميع الكواكب التي يمكن قياس هذا التأثير عندها بشكل دقيق، وهي عطارد، والزهرة، والأرض.
مدخل إلى النسبية العامة التجارب
طبقًا للنسبية العامة، لا يسير الضوء في خطوط مستقيمة عندما ينتشر في مجال جاذبية. وبالتالي، ينحرف الضوء عن مساره في وجود الأجرام الضخمة. وتحديدًا، ينحرف ضوء النجوم عن مساره بسبب مروره بالقرب من الشمس، ما يؤدي إلى انحرافات ظاهرية تصل إلى 1.75 ثانية قوسية في مواقع النجوم بالسماء (تبلغ الثانية القوسية 1/3600 من الدرجة). وفي إطار الجاذبية النيوتونية، يمكن تقديم حجة إرشادية تفيد بانحراف الضوء بنصف هذا المقدار. يمكن اختبار التنبؤين المختلفين من خلال رصد النجوم القريبة من الشمس خلال الكسوف الشمسي. وبهذه الطريقة، أكدت بعثة استكشافية بريطانية إلى أفريقيا الغربية في عام 1919، بقيادة آرثر إدينغتون، صحة تنبؤ أينشتاين وخطأ التنبؤات النيوتونية عبر رصد كسوف مايو 1919 الشمسي. لم تكن نتائج إدينغتون دقيقةً بشكل كبير؛ ولكن أكدت عمليات الرصد التالية لانحراف الضوء الصادر من النجوم الزائفة البعيدة بسبب الشمس، والتي استخدمت تقنيات عالية الدقة لعلم الفلك الراديوي، صحة نتائج إدينغتون بدقة أفضل بشكل كبير، ويرجع أول هذه القياسات إلى عام 1967، ويرجع آخر تحليل شامل لهذا التأثير إلى عام 2004.
مدخل إلى النسبية العامة التجارب
قِيس الانزياح الأحمر الجذبوي لأول مرة بمعدات مختبرية عام 1959 بواسطة باوند وريبيكا. ويمكن رؤية هذه الظاهرة أيضًا في القياسات الفيزيائية الفلكية، خاصةً الضوء الهارب من القزم الأبيض «الشعرى اليمانية ب». وقِيس تأثير تمدد الزمن الثقالي المرتبط بهذه الظاهرة عبر نقل ساعات ذرية إلى ارتفاعات تتراوح بين عشرات وعشرات الآلاف من الكيلومترات (أول مرة كانت في 1971 بواسطة هافيليه وكيتينج؛ وكانت أدق مرة حتى يومنا هذا بواسطة مسبار الجاذبية أ الذي أُطلق عام 1976).
ومن هذه الاختبارات، عُرف فقط تقدم الحضيض الشمسي لكوكب عطارد قبل نشر أينشتاين لنظرية النسبية بشكل نهائي في 1916. وانطلق أينشتاين إلى النجومية العالمية بعد التأكيد التجريبي التالي لتنبؤاته الأخرى، خاصةً قياسات انحراف الضوء بفعل الشمس عام 1919. وبررت هذه التجارب الثلاث تبني نظرية النسبية العامة بدلًا من نظرية نيوتن، بالإضافة إلى عدد من النظريات المقترحة الأخرى البديلة للنسبية العامة.
مدخل إلى النسبية العامة التجارب
تتضمن الاختبارات الأخرى للنسبية العامة القياسات الدقيقة لتأثير شابيرو أو تأخر الزمن الجذبوي للضوء، والذي قِيس عام 2002 بواسطة مسبار كاسيني الفضائي. تركز مجموعة من الاختبارات على التأثيرات التي تنبأت بها النسبية العامة لسلوك أجهزة الجيروسكوب التي تتحرك في الفضاء. اختُبر التأثير الجيوديسي، وهو من ضمن هذه التأثيرات، بواسطة تجربة المجال الليزري القمري، وهي قياسات عالية الدقة للمدار القمري. وأيضًا، هناك تأثير آخر متعلق بالكتل الدوارة يُعرف بتباطؤ الإطار المرجعي. اختُبر كل من التأثير الجيوديسي وتباطؤ الإطار المرجعي في تجربة بواسطة «مسبار الجاذبية ب»، وهو قمر اصطناعي أُطلق عام 2004، مع نتائج تؤكد النسبية بنحو 0.5% و15% على الترتيب، وذلك حتى ديسمبر 2008.
مدخل إلى النسبية العامة التجارب
وفقًا للمعايير الكونية، تعتبر الجاذبية عبر المجموعة الشمسية ضعيفةً. ولأن الاختلافات بين تنبؤات نظريات أينشتاين ونيوتن تظهر في أوضح صورةً لها عندما تكون الجاذبية قويةً، لطالما اهتم الفيزيائيون باختبار التأثيرات النسبية المختلفة في نظام يتميز بمجالات جاذبية قوية نسبيًا. وأصبح ذلك متاحًا بفضل عمليات الرصد الدقيقة للنوابض الثنائية. ففي مثل هذا النظام النجمي، يدور نجمان نيوترونيان مرتفعا الكثافة بشكل كبير في مدار حول بعضهما البعض. ويكون إحداهما على الأقل نجمًا نابضًا، وهو جرم فلكي يطلق حزمةً قويةً من الموجات الراديوية. تضرب هذه الحزم كوكب الأرض على فترات منتظمة، بشكل مشابه لظهور الشعاع الضوئي الدوار للمنارة كومضات بالنسبة للمراقب، إذ يمكن ملاحظتها في صورة سلسلة منتظمة من النبضات الضوئية. تتنبأ النسبية العامة بوجود بعض الانحرافات المعينة عن هذا التتابع المنتظم في النبضات الراديوية. فعلى سبيل المثال، عند مرور موجة راديوية بالقرب من أحد النجوم النيوترونية، يجب أن تنحرف هذه الموجة عن مسارها بفعل مجال جاذبية هذا النجم. وتتقارب الأنماط المرصودة لهذه النبضات مع الأنماط التي تنبأت بها النسبية العامة بشكل مثير للإعجاب.
ترتبط مجموعة محددة من الملاحظات بتطبيقات عملية ومفيدة بشكل واضح، تُعرف باسم أنظمة الملاحة عبر الأقمار الاصطناعية، مثل نظام التموضع العالمي (GPS) المستخدم في الملاحة ومتابعة الوقت. تعتمد هذه الأنظمة على مجموعتين من الساعات الذرية؛ مجموعة على متن الأقمار الاصطناعية التي تدور حول الأرض، ومجموعة من الساعات المرجعية الثابتة على سطح الأرض. تتنبأ النسبية العامة أن كل مجموعة من هاتين المجموعتين من الساعات ستتحرك بمعدل مختلف بشكل طفيف عن المجموعة الأخرى؛ بسبب الاختلاف في حركة ساعات كل مجموعة عن الأخرى، وهو تأثير تنبأت به النسبية الخاصة بالفعل، بالإضافة أيضًا إلى اختلاف موقع كل مجموعة عن الأخرى في مجال جاذبية الأرض. ولضمان دقة هذا النظام، يجب إبطاء الساعات الموجودة على الأقمار الاصطناعية بعامل نسبي، أو إدخال هذا العامل النسبي ضمن خوارزمية التقييم. وبالتالي، تعتبر الاختبارات الخاصة بدقة هذا النظام، خاصةً القياسات الشاملة التي ساهمت في تحديد التوقيت العالمي المنسق (UTC)، دليلًا على صحة التنبؤات النسبية.
فحص عدد من الاختبارات الأخرى صحة نسخ مختلفة من مبدأ التكافؤ؛ فبكل ما تحمله الكلمة من معنى، يمكن اعتبار جميع قياسات تمدد الزمن الثقالي اختبارات لنسخة ضعيفة من هذا المبدأ، وليست للنسبية العامة نفسها. وحتى الآن، اجتازت النسبية العامة كافة الاختبارات الرصدية بنجاح.
مدخل إلى النسبية العامة التطبيقات الفيزيائية الفلكية
تلعب النماذج القائمة على النسبية العامة دورًا هامًا في الفيزياء الفلكية؛ كما أن نجاح هذه النماذج دليلًا آخر على صحة النظرية.
نظرًا لانحراف الضوء عند مروره عبر مجال الجاذبية، من الممكن للضوء الصادر عن أحد الأجرام البعيدة أن يصل إلى المراقب في صورة مسارين أو أكثر. وعلى سبيل المثال، يمكن أن يمر الضوء الصادر من أحد الأجرام السحيقة مثل النجوم الزائفة عبر أحد جوانب إحدى المجرات الضخمة لينحرف مساره بشكل طفيف حتى يصل إلى مراقب على سطح الأرض، وينحرف أيضًا الضوء المار عبر الجانب الآخر لنفس المجرة؛ وبالتالي، سيصل هذا الضوء الصادر من نفس الجرم إلى نفس المراقب ولكن من اتجاه مختلف بعض الشيء. ونتيجةً لذلك، سيرى هذا المراقب نفس الجرم بمكانين مختلفين في سماء الليل. ويعتبر هذا النوع من التبئير معروفًا في المجالات الخاصة بالعدسات البصرية، وبالتالي، يُعرف التأثير الثقالي المسبب لهذه الظاهرة بعدسة الجاذبية.
مدخل إلى النسبية العامة التطبيقات الفيزيائية الفلكية
يستخدم علم الفلك الرصدي آثار عدسة الجاذبية باعتبارها أداةً هامةً للاستدلال على خواص الجرم المُسبب لهذه العدسة. وحتى في الحالات التي لا يكون فيها هذا الجرم مرئيًا بشكل مباشر، يمكن لشكل الصورة الظاهرة عبر عدسة الجاذبية الناتجة عنه تقديم معلومات حول توزيع كتلته المسؤولة عن انحراف الضوء. وتحديدًا، تقدم عدسة الجاذبية طريقةً لقياس توزيع المادة المظلمة التي لا يصدر عنها أي ضوء، ما يجعل رصدها معتمد فقط على آثارها الثقالية. وتعتبر عمليات الرصد على المستوى الكبير أحد أهم التطبيقات لهذه الظاهرة بشكل خاص، إذ تنتشر الكتل المسببة لهذه العدسات عبر قطاع كبير من الكون المرصود، وبالتالي يمكن استخدامها للحصول على المعلومات حول تطور كوننا وخواصه على المستوى الكبير.
تعتبر الموجات الثقالية أحد النتائج المباشرة لنظرية أينشتاين، وهي تشوهات في هندسة الزمكان تنتشر بسرعة الضوء، ويمكن اعتبارها تموجات في الزمكان. ويجب ألا نخلط بينها وبين موجات الجاذبية في ديناميكا الموائع، والتي تعتبر مفهومًا مختلفًا عنها.
مدخل إلى النسبية العامة التطبيقات الفيزيائية الفلكية
في فبراير 2016، أعلن فريق المرصد المتقدم للموجات الثقالية بالتداخل الليزري (LIGO) عن تمكنه من رصد الموجات الثقالية بشكل مباشر من حدث اندماج ثقبين أسودين.
مدخل إلى النسبية العامة التطبيقات الفيزيائية الفلكية
وبشكل غير مباشر، رُصد تأثير الموجات الثقالية في عمليات رصد بعض النجوم الثنائية المعينة. تتكون هذه الثنائيات من نجمين يدوران حول بعضهما البعض، ومع دورانهما، يفقدا طاقتهما تدريجيًا عبر إطلاق الموجات الثقالية. وبالنسبة للنجوم العادية مثل الشمس، ستكون الطاقة المفقودة ضئيلةً للغاية لنتمكن من رصدها، ولكن رُصد ذلك الفقد في الطاقة عام 1974 في نابض ثنائي يُسمى PSR1913+16. وفي هذا النظام الثنائي، يكون أحد النجمين نجمًا نابضًا. وسيترتب على هذا النظام نتيجتان: يعتبر النجم النابض جرمًا ذا كثافة عالية للغاية يُعرف باسم النجم النيوتروني، وتكون الموجات الثقالية الناتجة عنه أكبر بكثير من النجوم العادية. وأيضًا، يصدر النابض حزمةً ضيقةً من الإشعاع الكهرومغناطيسي من قطبيه المغناطيسيين. ومع دوران النابض، تمشط حزمته الإشعاعية كوكب الأرض، إذ يُرصد على هيئة سلسلة منتظمة من النبضات الراديوية، بنفس الطريقة التي ترى بيها السفينة الومضات المنتظمة للضوء الصادر من الشعاع الدوار للمنارة. يمكن اعتبار هذا النمط المنتظم من النبضات الراديوية «ساعةً» عالية الدقة. إذ يمكن استخدامه لحساب وقت الفترة المدارية للثنائي النجمي، ويتفاعل هذا النمط بحساسية كبيرة مع تشوهات الزمكان الموجودة حوله مباشرةً.
مدخل إلى النسبية العامة التطبيقات الفيزيائية الفلكية
حصل مكتشفا الثنائي PSR1913+16، وهما راسل هالس وجوزيف تيلور، على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1993. ومنذ هذه اللحظة، رُصدت العديد من الثنائيات النابضة. وكان أهم هذه الثنائيات ما كان كلا نجميه نابضًا؛ فهذه الثنائيات تقدم اختبارات دقيقةً للنسبية العامة.
حاليًا، يوجد عدد من المراصد الأرضية العاملة للموجات الثقالية، كما توجد مهمة أخرى قيد التطوير لإطلاق مرصد فضائي لهذه الموجات، وهو هوائي مقياس التداخل الليزري الفضائي (LISA). ستعمل هذه المهمة مع مهمة «ليزا باثفايندر» السابقة لها، والتي أُطلقت عام 2015. يمكن استخدام عمليات رصد الموجات الثقالية للحصول على المعلومات حول الأجرام عالية الكثافة مثل النجوم النيوترونية والثقوب السوداء، بالإضافة أيضًا إلى فحص حالة الكون المبكر عند أجزاء من الثانية بعد الانفجار العظيم.
مدخل إلى النسبية العامة التطبيقات الفيزيائية الفلكية
عندما تتركز المادة إلى منطقة من الفضاء عالية الكثافة بما يكفي، تتنبأ النسبية العامة بتكون ثقبًا أسود، وهي منطقة من الفضاء تتميز بتأثير ثقالي قوي للغاية لدرجة تمنع الضوء نفسه من الإفلات. يُعتقد أن بعض الأنواع المعينة من الثقوب السوداء تمثل الحالة النهائية في تطور النجوم الضخمة. ومن ناحية أخرى، يُفترض أن الثقوب السوداء الفائقة، التي تبلغ كتلتها ملايين أو مليارات الكتل الشمسية، توجد في أنوية أغلب المجرات، وأنها تلعب دورًا هامًا في النماذج الحالية لكيفية تشكل المجرات على مدار مليارات السنين الماضية.
يعتبر سقوط المادة في الأجسام عالية الكثافة أحد أكفأ الآليات لإطلاق الطاقة في صورة إشعاع، ويُعتقد أن سقوط المادة في الثقوب السوداء مسؤول عن بعض أسطع الظواهر الفلكية التي يمكن تصورها. تعتبر النجوم الزائفة والأنوية المجرية النشطة من بين أبرز الأمثلة التي يهتم بها علماء الفلك بشكل كبير. وفي ظل الظروف الصحيحة، يمكن لسقوط المادة وتراكمها حول الثقوب السوداء أن يؤدي إلى تشكل تدفقات مادية، والتي تقذف حزمًا مركزةً من المادة بعيدًا إلى الفضاء بسرعات تقترب من سرعة الضوء.
مدخل إلى النسبية العامة التطبيقات الفيزيائية الفلكية
يوجد العديد من الخواص التي تجعل الثقوب السوداء أفضل المصادر الواعدة للموجات الثقالية. وأحد أهم هذه الأسباب كون الثقوب السوداء أعلى الأجرام الفلكية كثافةً، والتي يمكن أن تدور حول بعضها البعض كجزء من نظام ثنائي؛ ونتيجةً لهذه الظاهرة، تعتبر الموجات الثقالية الصادرة عن هذه الأنظمة قويةً بشكل خاص. ويوجد سبب آخر نابع مما يُعرف بنظريات تفرد الثقب الأسود: فمع الوقت، تحتفظ الثقوب السوداء بمجموعة ضئيلة فقط من السمات المميزة لها بصرف النظر عن شكلها الهندسي المبدئي، وأصبحت هذه النظريات معروفةً باسم نظريات «انعدام الشعر». وعلى سبيل المثال، لن يؤدي انهيار مكعب افتراضي من المادة، على المدى الطويل، إلى تكون ثقبًا أسود مكعب الشكل. وبالتالي، لن نتمكن من تمييز هذا الثقب الأسود عن الثقب الذي تكون بفعل انهيار كتلة كروية. وخلال انتقاله إلى الشكل الكروي، سيُصدر الثقب الأسود، الناتج عن انهيار كتلة ذات شكل أكثر تعقيدًا، موجات ثقاليةً.
تعتبر قابلية تطبيق النسبية العامة على الكون بشكل كلي أحد أهم جوانب هذه النظرية. فمن أهم النقاط الرئيسية أن كوننا يبدو وأنه نشأ على خطوط في غاية البساطة، وذلك على المستويات الكبيرة؛ إذ تقترح كافة عمليات الرصد، في المتوسط، أن بنية الكون يجب أن تكون متماثلةً تقريبًا بصرف النظر عن موقع المراقب أو اتجاه الرصد؛ فالكون نظام متجانس تقريبًا وموحد الخواص. يمكن وصف هذه الأكوان البسيطة نسبيًا عبر الحلول البسيطة لمعادلات أينشتاين. وُضعت النماذج الكونية الحالية للكون عبر دمج هذه الحلول البسيطة للنسبية العامة مع النظريات التي تصف خواص المحتوى المادي للكون، والتي تُعرف بالديناميكا الحرارية، والفيزياء النووية، وفيزياء الجسيمات. وطبقًا لهذه النماذج، نشأ كوننا الحالي من حالة مرتفعة الكثافة والحرارة بشكل كبير، الانفجار العظيم، قبل 14 مليار سنة تقريبًا، وظل الكون يتمدد منذ ذلك الحين.
يمكن تعميم معادلات أينشتاين من خلال إضافة مصطلح آخر يُعرف باسم الثابت الكوني. وعند وجود هذا المصطلح، يمكن أن نعتبر الفضاء الفارغ نفسه مصدرًا للثقالة التجاذبية (أو أقل شيوعًا، التنافرية). وضع أينشتاين هذا المصطلح أول مرة في ورقته العلمية الرائدة حول الكونيات عام 1917، بدافع محدد للغاية؛ إذ كان الاعتقاد الكوني المعاصر يجعل الكون ثابتًا، وبالتالي كان هذا المصطلح الإضافي ضروريًا لوضع نماذج لأكوان ثابتة في إطار نظرية النسبية العامة. وعندما اتضح أن الكون ليس ثابتًا، ولكنه كون متمدد؛ تخلى أينشتاين سريعًا عن هذا المصطلح الإضافي. ومع ذلك، فمنذ نهاية تسعينيات القرن العشرين، أشارت الأدلة الفلكية إلى تمدد كوني متسارع يتزايد بانتظام، ومتسق مع ثابت كوني أو متسق، بشكل مكافئ، مع نوع محدد وموجود في كل مكان من الطاقة المظلمة.
مدخل إلى النسبية العامة الأبحاث العلمية الحديثة
نجحت النسبية العامة بشكل كبير في تقديم إطار للنماذج الدقيقة التي تصف مجموعةً رائعةً من الظواهر الفيزيائية. ومن ناحية أخرى، يوجد العديد من الأسئلة غير المحلولة والمثيرة للاهتمام، وخاصةً أن النظرية ككل تكاد تكون غير مكتملة بشكل مؤكد.