يتم تحديد انحناء الزمكان بالقرب من أي جسم ضخم من خلال الجمع بين الكتلة والمسافة إلى مركز الكتلة. من الضروري مراعاة المعلمات الأخرى ، مثل السرعة والتسارع ومصادر الطاقة الأخرى.تخبر المادة الفضاء كيف تنحني ، والمساحة المنحنية تخبر المادة كيف تتحرك. هذا هو المبدأ الأساسي للنسبية العامة لأينشتاين ، التي ربطت لأول مرة ظاهرة مثل الجاذبية مع الزمكان والنسبية. ضع الكتلة في أي مكان في الكون ، وستتفاعل المساحة المحيطة بها بالانحناء. ولكن إذا قمت بإزالة الكتلة أو تحريكها ، فما الذي يتسبب في "سقوط الزمكان في مكانه" ، بافتراض موقف غير مشوه؟ يطرح قارئنا مثل هذا السؤال:
تعلمنا أن الكتلة تشوه الزمكان ، وانحناء الزمكان حول الكتلة يفسر الجاذبية - على سبيل المثال ، جسم في مدار حول الأرض يتحرك في الواقع في خط مستقيم ملقى في الزمكان المنحني. لنفترض أن هذا منطقي ، ولكن عندما تتحرك كتلة (مثل الأرض) عبر الزمكان وتنحني ، فلماذا لا يبقى الزمكان منحنيًا؟ ما هي الآلية التي تعمل على تقويم هذا الامتداد الزماني عندما تتحرك الكتلة؟
ترتبط الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام بهذا السؤال ، ويمكن أن تساعدك الإجابة في الواقع على فهم كيفية عمل الجاذبية.
يجب أن يؤخذ انحناء الفضاء ، الذي تعطيه له الكواكب والشمس في نظامنا الشمسي ، في الاعتبار في أي عمليات رصد يمكن أن تقوم بها سفينة فضائية أو مرصد آخر. لا يمكن تجاهل آثار النسبية العامة ، حتى الأصغر.قبل مئات السنين من آينشتاين ، كان نيوتن أفضل نظرية للجاذبية لدينا. كان مفهوم الكون من نيوتن بسيطًا ومباشرًا وفلسفيًا لم يرضي الكثيرين. وذكر أن أي كتلتين من الكون ، بغض النظر عن موقعهما ومسافةهما ، يجتذبان بعضهما البعض على الفور بمساعدة قوة متبادلة ، تعرف باسم الجاذبية. كلما زاد حجم كل جسم ، زادت القوة ، وكلما كانت موجودة ، قل القوة (تناقص مع مربع المسافة). ينطبق هذا على جميع أجسام الكون ، وقانون
نيوتن للجاذبية الكونية ، على عكس جميع البدائل الأخرى الموجودة ، تزامنت بشكل مثالي مع الملاحظات.
استند قانون نيوتن للجاذبية الكونية ، الذي حلت محله نظرية النسبية لأينشتاين ، إلى العمل الفوري للقوى عن بعدلكنه قدم فكرة لا يستطيع العديد من أعظم العقول في ذلك الوقت قبولها: مفهوم العمل عن بعد. كيف يمكن لشيئين يقعان في نهايات مختلفة من الكون أن يؤثرا فجأة على الفور؟ كيف يمكنهم التفاعل على مسافة بعيدة بحيث لا يوجد شيء بينهما؟ لم يستطع ديكارت قبول هذا المفهوم ، وبدلاً من ذلك صاغ مفهومًا آخر ، حيث كانت هناك بيئة تنتشر فيها الجاذبية. ادعى أن الكون مليء بنوع من المادة ، وعندما تتحرك الكتلة من خلاله ، فإنه يحل المادة ويخلق الدوامات - كانت هذه نسخة مبكرة من الأثير. كانت هذه النظرية الأولى في سلسلة طويلة مما سيطلق عليه فيما بعد
نظريات الجاذبية الميكانيكية (أو الحركية) .
في نسخة جاذبية ديكارت ، كان الفضاء مليئًا بالأثير ، ولم يكن سوى إزاحته هو الذي يفسر الجاذبية. لم تؤد هذه الفكرة إلى صياغة الجاذبية التي تزامنت مع الملاحظات.بالطبع ، تبين أن مفهوم ديكارت خاطئ. تحدد فائدة النظرية الفيزيائية المصادفة مع التجربة ، وليس استعدادنا لمعايير جمالية معينة. عندما ظهرت GTR ، غيرت بشكل جذري الصورة التي رسمتها قوانين نيوتن. على سبيل المثال:
- لم يكن الزمان والمكان مطلقا ونفس الشيء في كل مكان ، ولكنهما كانا مرتبطين ويتصرفان بشكل مختلف للمراقبين الذين يتحركون بسرعات مختلفة في أماكن مختلفة.
- لا تعمل الجاذبية على الفور ، ولكنها تتحرك بسرعة محدودة - بسرعة الضوء.
- لا تتحدد الجاذبية بشكل مباشر بالكتلة والموضع ، ولكن بواسطة انحناء الفضاء ، والذي يتم تحديده بدوره بواسطة كل الكتلة والطاقة في الكون.
لم تختفي الحركة عن بعد ، ولكن تم استبدال "قوة العمل على مسافة غير محدودة عبر الفضاء الثابت" لنيوتن بانحناء الزمكان.
يعني انحناء الزمكان أن الساعات الموجودة أعمق في بئر الجاذبية - وبالتالي في الفضاء المنحني بقوة أكبر - تعمل بسرعة مختلفة عن الساعات الموجودة في مساحة أقل عمقًا وأقل انحناءً.إذا اختفت الشمس فجأة عن الكون ، لما عرفناها لبعض الوقت. لم تكن الأرض ستطير في خط مستقيم ؛ ستستمر في الدوران حول موقع الشمس لمدة 8 دقائق و 20 ثانية أخرى. الجاذبية لا تتحدد بالكتلة ، بل بتقوس الفضاء ، الذي يتحدد بمجموع كل المادة والطاقة الموجودة فيه.
إذا قمت بإزالة الشمس ، فسوف ينتقل الفضاء من حالة منحنية إلى حالة مسطحة ، ولكن هذا التحول لا يحدث على الفور. الزمكان نسيج ، ويجب أن يتم الانتقال في شكل حركة حادة ترسل موجات كبيرة جدًا - جاذبية - من خلال الكون ، والتي تنتشر من خلاله مثل التموجات على سطح البركة.
كل موجة تنتشر في وسط أو في فراغ لها سرعة انتشار. لا توجد سرعة لانهائية ، ومن الناحية النظرية ، يجب أن تتوافق سرعة انتشار موجات الجاذبية مع السرعة القصوى المسموح بها في الكون: سرعة الضوء.يتم تحديد سرعة انتشار الموجات بنفس الطريقة التي يتم بها تحديد سرعة كل شيء في نظرية النسبية: طاقتها وكتلتها. نظرًا لأن موجات الجاذبية ليس لها كتلة ، ولكن لديها طاقة محدودة ، يجب أن تتحرك بسرعة الضوء. وهذا يعني أن الأرض ليست مرتبطة بشكل مباشر بموقع الشمس في الفضاء - فهي مرتبطة بالمكان الذي كانت الشمس فيه قبل أكثر من 8 دقائق بقليل.
يظهر إشعاع الجاذبية في كل مرة عندما تتحرك كتلة في مدار حول آخر ، وبالتالي تنخفض المدارات لفترة طويلة إلى حد ما. في وقت ما في المستقبل ، ستسقط الأرض في شكل حلزوني إلى ما تبقى من الشمس ، إذا لم يكن هناك أي جسد قبل أن يرميها خارج المدار. ترتبط الأرض بالمكان الذي كانت فيه الشمس منذ حوالي 8 دقائق ، وليس بالمكان الذي توجد فيه حاليًا.هذا غريب ، وربما مشكلة ، لأننا درسنا النظام الشمسي بشكل جيد. إذا كانت الأرض مرتبطة بموقع الشمس ، الذي احتلته قبل 8 دقائق وفقًا لقوانين نيوتن ، فلن تتزامن مدارات الكواكب مع الملاحظات. ومع ذلك ، يختلف GRT في جانب آخر. بالنسبة للحسابات ، من الضروري مراعاة سرعة تحرك الكوكب في المدار حول الشمس.
على سبيل المثال ، الأرض ، لأنها تتحرك أيضًا ، بمعنى آخر ، "ركوب" على هذه الموجات التي تنتقل عبر الفضاء ، ولا تسقط في المكان الذي نشأت فيه من قبل. هناك ظاهرتان جديدتان في الموارد الوراثية تميزهما بشدة عن النيوتونية: يتأثر إدراك الجسم للجاذبية بسرعة كل جسم ، بالإضافة إلى التغيرات في مجال الجاذبية.
نسيج الزمكان ، مع حدوث موجات وتشوهات بسبب وجود الكتل. نسيج الفضاء ، بالطبع ، منحني ، ولكن عندما تتحرك الكتلة عبر مجال جاذبية متغير ، تحدث الكثير من الأشياء المثيرة للاهتمام.إذا كنت ترغب في حساب انحناء الزمكان في أي وقت في الفضاء ، فإن GR تتيح لك القيام بذلك ، لكنك تحتاج إلى معرفة شيء ما أولاً. أنت بحاجة إلى معرفة موقع جميع كتل الكون وحجمها وتوزيعها ، تمامًا كما طالب نيوتن. بالإضافة إلى ذلك ، تحتاج إلى معلومات حول ما يلي:
- كيف تتحرك هذه الجماهير وتتحرك
- كيف يتم توزيع جميع أشكال الطاقة الأخرى التي لا تنتمي إلى الكتلة ،
- كيف يتحرك الجسم الذي تراقب منه في مجال الجاذبية المتغير ،
- وكيف يتغير انحناء الفضاء بمرور الوقت.
وفقط مع هذه المعرفة الإضافية يمكننا حساب انحناء الفضاء عند نقطة معينة في المكان والزمان.
يتم تحديد تطور الزمكان وعمل الجاذبية ليس فقط من خلال موقع وحجم الجماهير ، ولكن أيضًا من خلال كيفية تحركهما بالنسبة لبعضهما البعض وتسريعهما في مجال الجاذبية المتغير.هذا الانحناء واستقامة لها تكاليفها. لا يمكن للأرض المتسارعة أن تتحرك فقط في مجال الجاذبية المتغير للشمس دون عواقب. كانت موجودة ، على الرغم من صغرها ، ويمكن قياسها. على عكس نظرية نيوتن ، التي تنص على أن الأرض يجب أن تصف قطعًا بيضاويًا مغلقًا يتحرك حول الشمس ، تتوقع GR أن هذا القطع الناقص يجب أن يخضع لعملية استباقية بمرور الوقت ، وسوف ينخفض المدار ببطء. قد تتجاوز الفترة الزمنية التي سيحدث فيها هذا العمر الحالي للكون ، ولكن مع ذلك ، لن يبقى المدار مستقرًا لفترة تعسفية.
حتى قبل قياس موجات الجاذبية ، كانت هذه هي الطريقة الرئيسية لقياس سرعة الجاذبية. ليس على مثال الأرض ، ولكن على سبيل المثال نظام ذو معلمات متطرفة ، حيث يمكن ملاحظة التغيير في المدار بسهولة: نظام من جسمين في مدار قريب ، أحدهما على الأقل نجم نيوتروني.
أسهل طريقة لمعرفة هذا التأثير هي إذا كان جسم ضخم يتحرك بسرعة متغيرة بسرعة في مجال جاذبية قوي ومتغير. وهذه الظروف تعطينا أنظمة النجوم الثنائية للنجوم النيوترونية! ينبعث واحد أو اثنان من هذه النجوم الدوارة نبضات مرئية على الأرض في كل مرة يمر فيها محور النجم عبر خط الرؤية. إن توقعات نظرية أينشتاين عن الجاذبية حساسة للغاية لسرعة الضوء ، لدرجة أنه حتى بعد ملاحظة النجم النابض الأول ، نظام
PSR 1913 + 16 الثنائي ، الذي تم اكتشافه في الثمانينيات (
نظام Hals-Taylor الثنائي ) ، فرضنا قيودًا على سرعة الجاذبية ، والتي تزامنت مع سرعة الضوء ضمن خطأ القياس 0.2٪ فقط!
يعتمد معدل الانخفاض في مدار النجم المزدوج بشكل قوي على سرعة الجاذبية والمعلمات المدارية للنظام الثنائي. استخدمنا بيانات النجم النابض الثنائي لتحديد سرعة الجاذبية وتعادلها بسرعة الضوء بدقة 99.8٪فقط من خلال مثال هذه النجوم النابضة المزدوجة تعلمنا أن سرعة الجاذبية تقع في حدود 2.993 × 10
8 - 3.003 × 10
8 م / ث. هذا يؤكد GTR ويستبعد الجاذبية النيوتونية والبدائل الأخرى. لكن آلية تشرح لماذا لا ينحني الفضاء عندما تتركه الكتلة التي كانت في مكان ما ؛ GR ليس تفسيرا لذلك. إن الكتلة التي تتحرك بسرعة من خلال مجال الجاذبية المتغير سوف تشع الطاقة ، وستكون هذه الطاقة موجات ، تعرف باسم موجات الجاذبية ، تمر عبر مسألة الزمكان. تحدث العودة إلى حالة توازن غير مشوهة بشكل طبيعي. لا يتطلب المزيد من التوضيح ، GR هو كل شيء. [
عندما سُئل نيوتن عن طبيعة الجاذبية ، أجاب: أنا لا أقوم بفرضية / تقريبًا. perev. ]