نظریه نسبیت آلبرت انیشتین، یکی از مشهورترین نظریه‌ها در علم فیزیک است، اما درک عمیق آن برای بسیاری از افراد دشوار است. این نظریه، در واقع شامل دو بخش مجزا اما مرتبط است: نسبیت خاص و نسبیت عام.

نسبیت خاص، نخستین بار مطرح شد و بعدها به عنوان حالت خاصی از نظریه جامع‌ترِ نسبیت عام در نظر گرفته شد.

نسبیت عام، نظریه‌ای در مورد گرانش است که آلبرت انیشتین بین سال‌های 1907 تا 1915 توسعه داد و پس از آن، افراد بسیاری در تکمیل آن سهیم بودند. این نظریه، دیدگاه ما را نسبت به گرانش و ساختار فضا-زمان به کلی تغییر داد.

مفاهیم کلیدی در نظریه نسبیت

نظریه نسبیت انیشتین بر پایه مفاهیم متعددی استوار است که درک آن‌ها برای فهم کامل این نظریه ضروری است. مهم‌ترین این مفاهیم عبارتند از:

• نظریه نسبیت خاص انیشتین: بررسی رفتار موضعی اجسام در دستگاه‌های مرجع لخت (اینرسی). این نظریه معمولاً در سرعت‌هایی نزدیک به سرعت نور اهمیت پیدا می‌کند. در واقع نسبیت خاص به ما نشان می دهد که چگونه سرعت نور، زمان و فضا را تحت تاثیر قرار می دهد.
• تبدیلات لورنتس: معادلات تبدیلی که برای محاسبه تغییرات مختصات در نسبیت خاص استفاده می‌شوند. این تبدیلات، اساس محاسبات مربوط به اتساع زمان و انقباض طول را تشکیل می‌دهند.
• نظریه نسبیت عام انیشتین: نظریه‌ای جامع‌تر که گرانش را به عنوان پدیده‌ای هندسی ناشی از خمیدگی دستگاه مختصات فضا-زمان در نظر می‌گیرد. این نظریه شامل دستگاه‌های مرجع غیرلخت (شتاب‌دار) نیز می‌شود. به عبارتی گرانش ناشی از جرم اجسام، فضا-زمان را خمیده کرده و باعث ایجاد نیروی گرانش می شود.
• اصول بنیادین نسبیت: مجموعه‌ای از اصول که پایه‌های نظریه نسبیت را تشکیل می‌دهند و در هر دو نسبیت خاص و عام کاربرد دارند. این اصول، شالوده درک ما از جهان هستی هستند.

نسبیت کلاسیک: نگاهی سنتی به حرکت

نسبیت کلاسیک، که ابتدا توسط گالیله و سپس توسط نیوتن تکمیل شد، به تبدیلات ساده بین یک جسم متحرک و یک ناظر در دستگاه مرجع لخت دیگر می‌پردازد. برای مثال، تصور کنید در یک قطار در حال حرکت راه می‌روید. سرعت شما نسبت به فردی که بیرون قطار ایستاده است، برابر با مجموع سرعت شما نسبت به قطار و سرعت قطار نسبت به آن فرد خواهد بود. در اینجا، شما، قطار و ناظر، هر کدام در یک دستگاه مرجع لخت متفاوت قرار دارید.

اما این دیدگاه با مسئله نور دچار چالش شد. در قرن نوزدهم، اعتقاد بر این بود که نور به صورت موج در ماده‌ای جهانی به نام اتر منتشر می‌شود. اتر می‌توانست به عنوان یک دستگاه مرجع جداگانه در نظر گرفته شود. با این حال، آزمایش مشهور مایکلسون-مورلی نتوانست حرکت زمین نسبت به اتر را شناسایی کند و هیچ‌کس نمی‌توانست این نتیجه را توضیح دهد. به نظر می‌رسید که تفسیر کلاسیک از نسبیت در مورد نور دچار مشکل است و این زمینه را برای ظهور تفسیری جدید توسط انیشتین فراهم کرد.

مقدمه‌ای بر نسبیت خاص

در سال 1905، آلبرت انیشتین مقاله‌ای با عنوان "در مورد الکترودینامیک اجسام متحرک" در مجله‌ی Annalen der Physik منتشر کرد. این مقاله، نظریه نسبیت خاص را بر اساس دو اصل موضوعه کلیدی ارائه داد. این دو اصل، سنگ بنای درک نوین ما از فضا، زمان و حرکت هستند.

اصول موضوعه انیشتین در نسبیت خاص

نظریه نسبیت خاص انیشتین بر دو اصل موضوعه اساسی بنا شده است:

اصل نسبیت (اصل اول): قوانین فیزیک برای تمام دستگاه‌های مرجع لخت یکسان هستند.

اصل ثبات سرعت نور (اصل دوم): نور همواره در خلاء (فضای خالی) با سرعت ثابت c منتشر می‌شود، و این سرعت مستقل از وضعیت حرکتی منبع نور است.

در واقع، مقاله اصلی انیشتین، این اصول را به صورت دقیق‌تر و با استفاده از ریاضیات بیان می‌کند.

اغلب تصور می‌شود که اصل دوم شامل این نکته نیز هست که سرعت نور در خلاء در تمام دستگاه‌های مرجع برابر c است. اما این نتیجه، از دو اصل موضوعه به دست می‌آید و بخشی از خود اصل دوم نیست.

اصل اول نسبتاً بدیهی به نظر می‌رسد. اما اصل دوم، انقلابی در فیزیک ایجاد کرد. انیشتین پیش از این، در مقاله‌اش درباره اثر فوتوالکتریک، نظریه فوتونی نور را مطرح کرده بود که وجود اتر را غیرضروری می‌ساخت. بنابراین، اصل دوم، نتیجه‌ای از حرکت فوتون‌های بدون جرم با سرعت c در خلاء بود. اتر دیگر نقشی به عنوان یک دستگاه مرجع لخت "مطلق" نداشت و نه تنها غیرضروری، بلکه از نظر کیفی در نسبیت خاص بی‌فایده بود.

هدف اصلی مقاله انیشتین، آشتی دادن معادلات ماکسول در الکترومغناطیس با حرکت الکترون‌ها در سرعت‌های نزدیک به سرعت نور بود. نتیجه این مقاله، معرفی تبدیلات مختصات جدیدی به نام تبدیلات لورنتس بین دستگاه‌های مرجع لخت بود. در سرعت‌های پایین، این تبدیلات تقریباً با مدل کلاسیک یکسان بودند، اما در سرعت‌های بالا، نزدیک به سرعت نور، نتایج کاملاً متفاوتی را به همراه داشتند.

پیامدهای نسبیت خاص

نسبیت خاص با اعمال تبدیلات لورنتس در سرعت‌های بالا (نزدیک به سرعت نور)، پیامدهای متعددی را به دنبال دارد. از جمله این پیامدها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• اتساع زمان (شامل پارادوکس دوقلوها)
• انقباض طول
• تبدیل سرعت
• جمع نسبیتی سرعت‌ها
• اثر دوپلر نسبیتی
• همزمانی و همگام‌سازی ساعت‌ها
• تکانه نسبیتی
• انرژی جنبشی نسبیتی
• جرم نسبیتی
• انرژی کل نسبیتی

علاوه بر این، با انجام محاسبات جبری ساده بر روی مفاهیم فوق، می‌توان به دو نتیجه مهم دیگر نیز دست یافت که شایسته ذکر جداگانه هستند.

رابطه جرم و انرژی

انیشتین نشان داد که جرم و انرژی از طریق فرمول مشهور E=mc2 با یکدیگر مرتبط هستند. این رابطه به طور تراژیکی در جنگ جهانی دوم، زمانی که بمب‌های هسته‌ای انرژی آزاد شده از جرم را در هیروشیما و ناگازاکی به نمایش گذاشتند، به جهانیان ثابت شد.

سرعت نور: یک محدودیت کیهانی

هیچ جسمی با جرم نمی‌تواند با شتاب به سرعت دقیق نور برسد. اجسام بدون جرم، مانند فوتون‌ها، می‌توانند با سرعت نور حرکت کنند (البته فوتون‌ها در واقع شتاب نمی‌گیرند، زیرا همواره دقیقاً با سرعت نور حرکت می‌کنند).

اما برای یک جسم فیزیکی دارای جرم، سرعت نور یک حد نهایی است. انرژی جنبشی در سرعت نور به بی‌نهایت میل می‌کند، بنابراین هرگز نمی‌توان با شتاب به آن رسید.

برخی اشاره کرده‌اند که یک جسم می‌تواند به طور نظری با سرعتی بیشتر از سرعت نور حرکت کند، به شرطی که برای رسیدن به آن سرعت شتاب نگرفته باشد. با این حال، تاکنون هیچ جسم فیزیکی چنین ویژگی‌ای را نشان نداده است.

پذیرش نسبیت خاص در جامعه علمی

در سال 1908، ماکس پلانک اصطلاح "نظریه نسبیت" را برای توصیف این مفاهیم به کار برد، زیرا نسبیت نقش کلیدی در آن‌ها ایفا می‌کرد. البته در آن زمان، این اصطلاح تنها به نسبیت خاص اشاره داشت، زیرا هنوز نسبیت عامی وجود نداشت.

نظریه نسبیت انیشتین بلافاصله توسط فیزیکدانان به طور کامل پذیرفته نشد، زیرا بسیار نظری و خلاف شهود به نظر می‌رسید. زمانی که او جایزه نوبل سال 1921 را دریافت کرد، به طور خاص برای حل مسئله اثر فوتوالکتریک و به دلیل "مشارکت‌هایش در فیزیک نظری" بود. نسبیت هنوز آنقدر بحث‌برانگیز بود که نتوان به طور مشخص به آن اشاره کرد.

با گذشت زمان، پیش‌بینی‌های نسبیت خاص به اثبات رسید. به عنوان مثال، نشان داده شده است که ساعت‌هایی که در سراسر جهان پرواز می‌کنند، به میزانی که توسط نظریه پیش‌بینی شده بود، کند می‌شوند.

ریشه‌های تبدیلات لورنتس

آلبرت انیشتین تبدیلات مختصاتی مورد نیاز برای نسبیت خاص را ایجاد نکرد. در واقع نیازی به این کار نبود، زیرا تبدیلات لورنتس مورد نیاز او از قبل وجود داشتند. انیشتین در استفاده از کارهای قبلی و انطباق آن‌ها با شرایط جدید استاد بود. او این کار را با تبدیلات لورنتس انجام داد، همانطور که از راه حل پلانک در سال 1900 برای فاجعه فرابنفش در تابش جسم سیاه برای ایجاد راه حل خود برای اثر فوتوالکتریک و در نتیجه توسعه نظریه فوتونی نور استفاده کرده بود.

این تبدیلات در واقع اولین بار توسط جوزف لارمور در سال 1897 منتشر شدند. نسخه کمی متفاوت نیز یک دهه قبل‌تر توسط ولدمار وویگت منتشر شده بود، اما نسخه او دارای توان دو در معادله اتساع زمان بود. با این حال، هر دو نسخه از معادله تحت معادله ماکسول تغییرناپذیر نشان داده شدند.

ریاضیدان و فیزیکدان هندریک آنتون لورنتس ایده "زمان محلی" را برای توضیح همزمانی نسبی در سال 1895 پیشنهاد کرد و به طور مستقل شروع به کار بر روی تبدیلات مشابه برای توضیح نتیجه پوچ در آزمایش مایکلسون-مورلی کرد. او تبدیلات مختصات خود را در سال 1899 منتشر کرد، ظاهراً هنوز از انتشار لارمور اطلاعی نداشت و در سال 1904 اتساع زمان را اضافه کرد.

در سال 1905، هنری پوانکاره فرمول‌بندی‌های جبری را اصلاح کرد و آن‌ها را به لورنتس نسبت داد و نام "تبدیلات لورنتس" را بر آن‌ها نهاد، بنابراین شانس لارمور برای جاودانگی در این زمینه را تغییر داد. فرمول‌بندی پوانکاره از این تبدیل، اساساً با فرمول‌بندی که انیشتین از آن استفاده می‌کرد، یکسان بود.

این تبدیلات به یک سیستم مختصات چهار بعدی اعمال می‌شوند، با سه مختصات فضایی (x، y و z) و یک مختصات زمانی (t). مختصات جدید با یک آپستروف مشخص می‌شوند، به طوری که x' به صورت x-پریم تلفظ می‌شود. در مثال زیر، سرعت در جهت xx' با سرعت u است:

x' = ( x - ut ) / sqrt ( 1 - u2 / c2 )
y' = y

z' = z

t' = { t - ( u / c2 ) x } / sqrt ( 1 - u2 / c2 )

این تبدیلات در درجه اول برای اهداف نمایشی ارائه شده‌اند. کاربردهای خاص آن‌ها به طور جداگانه مورد بررسی قرار خواهند گرفت. عبارت 1/sqrt (1 - u2/c2) به قدری در نسبیت ظاهر می‌شود که با نماد یونانی گاما (γ) در برخی نمایش‌ها نشان داده می‌شود.

لازم به ذکر است که در مواردی که u << c (سرعت بسیار کمتر از سرعت نور)، مخرج اساساً به sqrt(1) تقلیل می‌یابد که فقط 1 است. گاما (γ) نیز در این موارد 1 می‌شود. به طور مشابه، عبارت u/c2 نیز بسیار کوچک می‌شود. بنابراین، اتساع فضا و زمان در سرعت‌های بسیار کمتر از سرعت نور در خلاء به هیچ وجه قابل توجه نیستند.

پیامدهای تبدیلات لورنتس در نسبیت خاص

اعمال تبدیلات لورنتس در سرعت‌های بالا (نزدیک به سرعت نور) در نسبیت خاص، منجر به پیامدهای شگفت‌انگیزی می‌شود، از جمله:

• اتساع زمان (شامل پارادوکس معروف دوقلوها)
• انقباض طول
• تبدیل سرعت
• جمع نسبیتی سرعت‌ها
• اثر دوپلر نسبیتی
• همزمانی و همگام‌سازی ساعت‌ها
• تکانه نسبیتی
• انرژی جنبشی نسبیتی
• جرم نسبیتی
• انرژی کل نسبیتی

جنجال لورنتس و انیشتین: آیا انیشتین مدیون دیگران است؟

برخی معتقدند که بخش عمده‌ای از کار واقعی نسبیت خاص قبل از ارائه آن توسط انیشتین انجام شده بود. مفاهیم اتساع زمان و همزمانی برای اجسام متحرک از قبل وجود داشت و ریاضیات آن توسط لورنتس و پوانکاره توسعه یافته بود. برخی حتی تا آنجا پیش می‌روند که انیشتین را دزد علمی می‌نامند.

تا حدی این اتهامات درست هستند. مطمئناً "انقلاب" انیشتین بر شانه‌های بسیاری از کارهای دیگر بنا شده بود و انیشتین اعتبار بسیار بیشتری برای نقش خود نسبت به کسانی که کارهای سخت را انجام دادند، کسب کرد.

با این حال، باید در نظر داشت که انیشتین این مفاهیم اساسی را گرفت و آن‌ها را بر یک چارچوب نظری سوار کرد که آن‌ها را نه صرفاً ترفندهای ریاضی برای نجات یک نظریه در حال مرگ (یعنی اتر)، بلکه به عنوان جنبه‌های اساسی طبیعت به خودی خود تبدیل کرد. مشخص نیست که لارمور، لورنتس یا پوانکاره قصد چنین اقدام جسورانه‌ای را داشتند یا خیر و تاریخ، انیشتین را به خاطر این بینش و جسارت پاداش داده است.

تکامل نسبیت عام: از نسبیت خاص تا گرانش هندسی

در نظریه سال 1905 آلبرت انیشتین (نسبیت خاص)، او نشان داد که در میان دستگاه‌های مرجع لخت، هیچ دستگاه "ارجح" وجود ندارد. توسعه نسبیت عام تا حدی به عنوان تلاشی برای نشان دادن این بود که این موضوع در میان دستگاه‌های مرجع غیرلخت (یعنی شتاب‌دار) نیز صادق است.

در سال 1907، انیشتین اولین مقاله خود را در مورد اثرات گرانشی بر نور در چارچوب نسبیت خاص منتشر کرد. در این مقاله، انیشتین "اصل هم‌ارزی" خود را شرح داد، که بیان می‌کرد مشاهده یک آزمایش بر روی زمین (با شتاب گرانشی g) با مشاهده یک آزمایش در یک موشک که با شتاب g حرکت می‌کند، یکسان خواهد بود. اصل هم‌ارزی را می‌توان به صورت زیر فرمول‌بندی کرد:

ما [...] هم‌ارزی فیزیکی کامل یک میدان گرانشی و شتاب متناظر سیستم مرجع را فرض می‌کنیم.

به قول انیشتین یا، متناوباً، همانطور که یک کتاب فیزیک مدرن آن را ارائه می‌دهد:

هیچ آزمایشی موضعی وجود ندارد که بتوان برای تشخیص بین اثرات یک میدان گرانشی یکنواخت در یک دستگاه مرجع لخت غیر شتاب‌دار و اثرات یک دستگاه مرجع یکنواخت شتاب‌دار (غیرلخت) انجام داد.

مقاله دومی در این زمینه در سال 1911 منتشر شد، و تا سال 1912 انیشتین به طور فعال در تلاش بود تا یک نظریه عام نسبیت را تصور کند که نسبیت خاص را توضیح دهد، اما همچنین گرانش را به عنوان یک پدیده هندسی نیز تبیین کند.

در سال 1915، انیشتین مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیل را منتشر کرد که به عنوان معادلات میدان انیشتین شناخته می‌شوند. نسبیت عام انیشتین جهان را به عنوان یک سیستم هندسی از سه بعد فضایی و یک بعد زمانی به تصویر کشید. وجود جرم، انرژی و تکانه (که به طور جمعی به عنوان چگالی جرم-انرژی یا تنش-انرژی اندازه‌گیری می‌شوند) منجر به خم شدن این سیستم مختصات فضا-زمان شد. بنابراین، گرانش در امتداد "ساده‌ترین" یا کم‌انرژی‌ترین مسیر در این فضا-زمان منحنی حرکت می‌کرد.

ریاضیات نسبیت عام: ارتباط خمیدگی فضا-زمان و جرم-انرژی

به ساده‌ترین بیان ممکن، و با حذف پیچیدگی‌های ریاضیاتی، انیشتین رابطه زیر را بین خمیدگی فضا-زمان و چگالی جرم-انرژی یافت:

(خمیدگی فضا-زمان) = (چگالی جرم-انرژی) * 8πG / c4

این معادله یک تناسب مستقیم و ثابت را نشان می‌دهد. ثابت گرانشی، G، از قانون گرانش نیوتن می‌آید، در حالی که وابستگی به سرعت نور، c، از نظریه نسبیت خاص انتظار می‌رود. در حالت چگالی جرم-انرژی صفر (یا نزدیک به صفر) (یعنی فضای خالی)، فضا-زمان تخت است. گرانش کلاسیک یک حالت خاص از تجلی گرانش در یک میدان گرانشی نسبتاً ضعیف است، جایی که عبارت c4 (یک مخرج بسیار بزرگ) و G (یک صورت بسیار کوچک) اصلاح خمیدگی را کوچک می‌کنند.

باز هم، انیشتین این را از ناکجاآباد نیاورد. او به شدت با هندسه ریمانی (یک هندسه نااقلیدسی که توسط ریاضیدان برنهارد ریمان سال‌ها قبل توسعه یافته بود) کار کرد، اگرچه فضای حاصل یک منیفولد لورنتزی 4 بعدی بود تا یک هندسه ریمانی صرف. با این حال، کار ریمان برای تکمیل معادلات میدان خود انیشتین ضروری بود.

مفهوم نسبیت عام: گرانش به عنوان خمیدگی فضا-زمان

برای درک بهتر نسبیت عام، تصور کنید یک ملحفه یا قطعه‌ای کشسان را صاف کشیده‌اید و گوشه‌های آن را محکم به چند پایه متصل کرده‌اید. حالا شروع به قرار دادن اشیاء با وزن‌های مختلف روی ملحفه کنید. جایی که چیزی بسیار سبک قرار می‌دهید، ملحفه کمی زیر وزن آن به سمت پایین خم می‌شود. اما اگر چیزی سنگین قرار دهید، خمیدگی حتی بیشتر خواهد بود.

فرض کنید یک جسم سنگین روی ملحفه نشسته است و شما جسم سبک‌تری را روی ملحفه قرار می‌دهید. خمیدگی ایجاد شده توسط جسم سنگین‌تر باعث می‌شود جسم سبک‌تر در امتداد منحنی به سمت آن "سر بخورد" و سعی کند به نقطه‌ای از تعادل برسد که دیگر حرکت نکند. (البته در این مورد، ملاحظات دیگری نیز وجود دارد - یک توپ به دلیل اثرات اصطکاکی و غیره، بیشتر از یک مکعب سر می‌خورد.)

این شبیه به نحوه توضیح گرانش توسط نسبیت عام است. خمیدگی یک جسم سبک تأثیر زیادی بر جسم سنگین ندارد، اما خمیدگی ایجاد شده توسط جسم سنگین است که از شناور شدن ما در فضا جلوگیری می‌کند. خمیدگی ایجاد شده توسط زمین، ماه را در مدار نگه می‌دارد، اما در عین حال، خمیدگی ایجاد شده توسط ماه به اندازه‌ای است که بر جزر و مدها تأثیر بگذارد.

اثبات نسبیت عام: شواهدی از کیهان

تمام یافته‌های نسبیت خاص از نسبیت عام نیز پشتیبانی می‌کنند، زیرا این دو نظریه سازگار هستند. نسبیت عام همچنین تمام پدیده‌های مکانیک کلاسیک را توضیح می‌دهد، زیرا آن‌ها نیز سازگار هستند. علاوه بر این، چندین یافته از پیش‌بینی‌های منحصر به فرد نسبیت عام پشتیبانی می‌کنند:

• تقدیم حضیض مداری عطارد
• انحراف گرانشی نور ستارگان
• انبساط جهان (به شکل ثابت کیهان‌شناختی)
• تاخیر در بازتاب امواج رادار
• تابش هاوکینگ از سیاهچاله‌ها

اصول بنیادی نسبیت

• اصل عام نسبیت: قوانین فیزیک باید برای همه ناظران یکسان باشند، صرف نظر از اینکه شتاب داشته باشند یا نه.
• اصل هموردایی عام: قوانین فیزیک باید در همه سیستم‌های مختصات یک شکل داشته باشند.
• حرکت لختی، حرکت ژئودزیکی است: خطوط جهانی ذراتی که تحت تأثیر نیروها قرار نمی‌گیرند (یعنی حرکت لختی) ژئودزیک‌های شبه‌زمانی یا پوچ فضا-زمان هستند. (این بدان معناست که بردار مماس یا منفی یا صفر است.)
• ناوردایی لورنتس موضعی: قوانین نسبیت خاص به طور موضعی برای همه ناظران لخت اعمال می‌شوند.
• خمیدگی فضا-زمان: همانطور که توسط معادلات میدان انیشتین توصیف شده است، خمیدگی فضا-زمان در پاسخ به جرم، انرژی و تکانه منجر به این می‌شود که تأثیرات گرانشی به عنوان نوعی حرکت لختی در نظر گرفته شوند.

اصل هم‌ارزی، که آلبرت انیشتین از آن به عنوان نقطه شروع نسبیت عام استفاده کرد، به عنوان نتیجه‌ای از این اصول ثابت می‌شود.

نسبیت عام و ثابت کیهان‌شناسی: اشتباه بزرگ انیشتین و بازگشت دوباره

در سال 1922، دانشمندان کشف کردند که استفاده از معادلات میدان انیشتین در کیهان‌شناسی منجر به انبساط جهان می‌شود. انیشتین که به یک جهان ایستا اعتقاد داشت (و بنابراین فکر می‌کرد معادلاتش اشتباه است)، یک ثابت کیهان‌شناسی را به معادلات میدان اضافه کرد که امکان وجود راه حل‌های ایستا را فراهم می‌کرد.

ادوین هابل، در سال 1929، کشف کرد که انتقال به سرخ از ستارگان دوردست وجود دارد، که نشان می‌دهد آن‌ها نسبت به زمین در حال حرکت هستند. به نظر می‌رسید که جهان در حال انبساط است. انیشتین ثابت کیهان‌شناسی را از معادلات خود حذف کرد و آن را بزرگترین اشتباه دوران حرفه‌ای خود نامید.

در دهه 1990، علاقه به ثابت کیهان‌شناسی در قالب انرژی تاریک بازگشت. راه حل‌های نظریه‌های میدان کوانتومی منجر به مقدار زیادی انرژی در خلاء کوانتومی فضا شده است که منجر به یک انبساط شتاب‌دار در جهان می‌شود.

نسبیت عام و مکانیک کوانتومی: در جستجوی یک نظریه واحد

هنگامی که فیزیکدانان تلاش می‌کنند نظریه میدان کوانتومی را بر میدان گرانشی اعمال کنند، اوضاع بسیار پیچیده می‌شود. از نظر ریاضیاتی، مقادیر فیزیکی درگیر، واگرا می‌شوند یا به بی‌نهایت می‌رسند. میدان‌های گرانشی تحت نسبیت عام به تعداد بی‌نهایتی ثابت تصحیح یا "بازبهنجارش" نیاز دارند تا آن‌ها را به معادلات قابل حل تبدیل کنند.

تلاش‌ها برای حل این "مشکل بازبهنجارش" در قلب نظریه‌های گرانش کوانتومی قرار دارند. نظریه‌های گرانش کوانتومی معمولاً به صورت معکوس عمل می‌کنند، ابتدا یک نظریه را پیش‌بینی می‌کنند و سپس آن را آزمایش می‌کنند تا اینکه واقعاً تلاش کنند تا ثابت‌های بی‌نهایت مورد نیاز را تعیین کنند. این یک ترفند قدیمی در فیزیک است، اما تاکنون هیچ یک از نظریه‌ها به طور کافی ثابت نشده‌اند.

اختلافات و چالش‌های پیش روی نسبیت عام

علی‌رغم موفقیت‌های چشمگیر، مهم‌ترین چالش نسبیت عام، ناسازگاری آن با مکانیک کوانتومی است. بخش قابل توجهی از فیزیک نظری به تلاش برای آشتی دادن این دو مفهوم اختصاص دارد: یکی پدیده‌های ماکروسکوپی را در سراسر فضا پیش‌بینی می‌کند و دیگری پدیده‌های میکروسکوپی را، اغلب در فضاهایی کوچکتر از یک اتم.

علاوه بر این، نگرانی‌هایی در مورد مفهوم فضا-زمان انیشتین وجود دارد. فضا-زمان چیست؟ آیا از نظر فیزیکی وجود دارد؟ برخی یک "کف کوانتومی" را پیش‌بینی کرده‌اند که در سراسر جهان پخش می‌شود. تلاش‌های اخیر در نظریه ریسمان (و شاخه‌های آن) از این یا سایر تصاویر کوانتومی فضا-زمان استفاده می‌کنند. یک مقاله اخیر در مجله نیو ساینتیست پیش‌بینی می‌کند که فضا-زمان ممکن است یک ابرشاره کوانتومی باشد و کل جهان ممکن است حول یک محور بچرخد.

برخی اشاره کرده‌اند که اگر فضا-زمان به عنوان یک ماده فیزیکی وجود داشته باشد، درست مانند اتر، به عنوان یک دستگاه مرجع جهانی عمل می‌کند. مخالفان نسبیت از این چشم‌انداز هیجان‌زده هستند، در حالی که دیگران آن را تلاشی غیرعلمی برای بی‌اعتبار کردن انیشتین با احیای یک مفهوم مرده قرن می‌دانند.

مسائل خاصی در مورد تکینگی‌های سیاه‌چاله، جایی که خمیدگی فضا-زمان به بی‌نهایت نزدیک می‌شود، نیز تردیدهایی را در مورد اینکه آیا نسبیت عام به طور دقیق جهان را به تصویر می‌کشد، ایجاد کرده است. با این حال، به سختی می‌توان با قطعیت دانست، زیرا در حال حاضر فقط می‌توان سیاه‌چاله‌ها را از دور مطالعه کرد.

در حال حاضر، نسبیت عام آنقدر موفق است که تصور اینکه این ناسازگاری‌ها و اختلافات آسیب زیادی به آن وارد کنند، دشوار است، مگر اینکه پدیده‌ای ظاهر شود که در واقع با پیش‌بینی‌های خود نظریه در تضاد باشد.