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:
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.
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.
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.
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.
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.